高精度调频式电容位移传感器

高精度调频式电容位移传感器陈泓波;黄向东;刘立丰;朱加兴【摘要】Thispaperdesignednon-contactFMdisplacementcapacitancesensor,whichwasbasedonthedifferencefrequencyFMtechnology.Thecircuitwasconsistedoftwosinsignalgenerators,down-conversioncircuitanddiscriminator.Experimentalresultsshowthatresolutionof5runcanbeachievedbythissensor,andithasgoodlinearity.%设计了一种单极板调频式电容位移传感器,可实现非接触微位移测量.其原理为通过双路差频方法得到位移-频率的调制信号，再由乘法器鉴频得到位移变化量•电路包括测头及LC振荡电路、本振电路、混频下变频电路和鉴频电路•实验表明该传感器分辨力达到5nm,并具有较好的线性度.期刊名称】《仪表技术与传感器》年(卷),期】2011(000)012【总页数】3页(P10-11,26)【关键词】电容;传感器;微位移【作者】陈泓波;黄向东;刘立丰;朱加兴【作者单位】哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TP2120引言电容位移传感器因其高分辨力、高频响和非接触测量等优点，可实现对旋转轴回转精度、往复机构运动特性以及检定工件尺寸、平直度等的测量，被广泛应用于超精密定位和超精密测量领域。1调频式电容传感器原理调频式电容传感器是将传感器电容接入高频振荡电路的谐振回路中，被测位移变化使传感器测头电容Cx改变，使振荡电路的振荡频率也随之改变，经过鉴频即可得到被测电容的变化。为了能达到较高的分辨力，LC振荡电路的振荡频率一般较高。设定振荡频率在3.990MHz时，电路的灵敏度优于1Hz/5nm.为降低鉴频难度，不直接对LC振荡电路的调频信号鉴频，而是采用双路差频方法，首先对3.990MHz左右的调频信号和本振电路产生的频率固定的3.980MHz正弦信号进行混频下变频，然后对差频信号鉴频得到位移量变化。2电容传感器的设计整体设计传感器主要由4部分组成:测头及LC振荡电路、本振电路、混频下变频电路和鉴频电路，原理图如图1所示。图1电容传感器原理图传感器测头电容极板采用单极板圆形极板，极板的边缘效应产生边缘附加电容，如图2所示。为消除边缘效应带来的影响，在圆形极板外围加入等电位保护环［1］，如图3所示。LC振荡电路—般的LC振荡器的频稳度只能达到10-3-10-5数量级，在高精度的测量电路中一般不宜采用。为满足测量要求，采用如图4所示的类电容三点式的克拉泼振荡电路［2］。电容三点式振荡电路里影响频率稳定度的主要因素是晶体管极间电容Cie、Coe，受温度的影响严重，克拉泼振荡电路在原电容三点式电路基础上在L支路中串接一个可变的小电容C3,且C1>>C3、C2>>C3,所以可见，振荡频率f只取决于L和C3的大小，而与C1、C2基本上无关。于是可以增加C1、C2（不必减小L）以减小晶体管电容对频率的影响，提高了频率稳定度。改变C3可改变振荡频率而不影响反馈系数，改变C1、C2可调节反馈系数而不会影响振荡频率。图4克拉泼振荡电路圆形测头极板有效直径为3mm，测量初始电容间距为100pm,则可计算得到测量初始测头电容为0.625pF.选取L=47pH,C3=34pF，让振荡频率在3.990MHz左右。实际电路图如图5所示。图5LC振荡电路为保证振荡电路的频率稳定度达到5x10-6,采用正负温度系数电容搭配实现温度补偿,并对振荡电路使用双层屏蔽盒。内层屏蔽使用硬铝,以吸收振荡电路产生的电磁辐射,减小振荡电路对外界的影响;外屏蔽使用铁板,以反射外界的电磁干扰,使外界的电磁干扰不能进入振荡电路。另外,使用铁板还可以使屏蔽盒的机械变形小,这也会提高振荡电路的频率稳定性。在恒温室内的稳定性实验表明:该电路0.5h内的稳定度达到2.5x10-6o本振电路本振电路产生频率固定的正弦波信号，选择MSP430F149单片机控制DDS芯片AD9850产生频率为3.980MHz的正弦波。AD9850是最高时钟为125MHz，采用先进的CMOS技术的直接频率合成器。原理图如图6所示。图6本振电路原理图对本振电路做稳定性实验，0.5h内的频率偏移量为0,可见由DDS芯片产生的正弦波频率稳定性是非常高的。混频下变频电路该部分包括乘法器混频电路和低通滤波器。乘法器混频下变频原理如下，2路正弦信号相乘后得到两者的和频信号和差频信号，如式(2)所示:通过低通滤波器去除和频信号后留下差频信号。LC振荡电路产生信号频率为3.990MHz左右，本振电路产生频率固定的3.980MHz正弦信号，经混频后再经过截止频率为20kHz的低通滤波器得到10kHz左右的差频信号，从而将调频信号中心频率从3.990MHz搬移到10kHz.混频下变频原理图如图7所示。图7混频下变频原理图混频采用基于吉尔伯特乘法器的芯片SA602，吉尔伯特混频器具有增益高，线性度好，噪声低等优点。低通滤波器采用5阶巴特沃斯低通滤波器。鉴频采用乘法器鉴频，包括移相网络、乘法器鉴相和低通滤波器。原理为首先通过移相网络将信号偏移中心频率的频率量转变为相位差，再由乘法器鉴相得到随相位差变化的电压值。原理图如图8所示。图8乘法器鉴频原理图鉴频输入信号为式中f为鉴频器输入信号频率。设C1=C2=C,R1=R2=R,fO=2nRC.差频信号为10kHz左右，所以设定C1=C2=1500pF，R1=R2=8.2kQ由式(6)可知，输出电压值除了和频率偏移量有关，还和输入信号的幅值有关。混频下变频后信号峰峰值为500mV左右，为得到较高的灵敏度，在鉴频前先对信号幅值进行15倍放大。幅值放大选用芯片AD620,该芯片除了高性能以外，作为一个仪用运算放大器，其最大的优点在于它的放大倍数仅由一个电阻决定，涉及元件少，因而部件漂移问题对模块的性能影响较小，且不涉及普通负反馈电路中的电阻元件一致性问题。乘法器选用芯片AD734BN,AD734BN为精密、高速四象限模拟乘法器，其信号输入范围宽，全量程乘方计算误差小于0.1%，工作稳定，受温度、电源电压波动的影响小且噪声低。3测量结果由于传感器的初始间距设定为100pm,所以先使用100pm的塞尺将被测物固定在距离传感器测头100pm处，然后通过移动压电陶瓷对传感器进行测量实验，移动步进为5nm.实验所使用的压电陶瓷是P-753.1CD，其闭环行程是12pm,分辨力为0.05nm，线性度为0.03%，重复性为±1nm.对传感器在100pm±10pm范围内，用六位半表对输出结果进行测量。测3组数据并取其平均值，采用Excel软件对其进行拟合，结果如图9所示。实验表明，在100pm±10pm范围内传感器分辨力达到5nm，非线性度小于3%，并具有较高的稳定性和重复性。4结束语图9传感器测试曲线采用单极板调频式电容传感器实现非接触测量微小位移，结构简单，方便可行。LC振荡电路输出的位移－频率关系和鉴频电路输出的频率－