電容式傳感器具有體積小、成本低、溫度穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于航天航空及工業(yè)部門中的測量微小位移、微小尺寸、微小位移偏差、振動和壓力等各個領(lǐng)域。電容式邊緣傳感器(Edge Sensor)是一類特殊的微位移傳感器，天文上可以利用它來檢測拼接在一起或者平行放置的2個光學(xué)鏡面的位置關(guān)系。
近幾十年，隨著天文學(xué)的發(fā)展，法珀和拼接鏡面技術(shù)越來越成熟，該技術(shù)中電部分的核心環(huán)節(jié)就是邊緣傳感器。目前，電容式邊緣傳感器在國外得到廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)還沒有掌握這項技術(shù)，基于電容式邊緣傳感器在天文、工業(yè)控制等領(lǐng)域的重要作用，本文對此展開了研究。
1 電容測微法的原理
平面變間隙式電容傳感器可以由2個相互平行的平面板組成，其電容量為：
式中：ε為兩電容極板間介電常數(shù)；A為極板正對面積；h為兩極板間距；C為傳感器兩極板間的電容量。
圖1中V1和V2為相位相反、幅值相同的方波電壓信號，根據(jù)戴維寧等效定理經(jīng)過兩電容后在節(jié)點處的電壓信號為：
當介電常數(shù)和電容極板正對面積相向時，電路的輸出電壓僅與兩電容基板間距相同，即：
測量兩平板是否平行，需要兩組電容C1，C2和C3，C4，如圖1所示，若平板1和平板2平行，即h1=h2，則Vo=0；若平板1和平扳2不平行，有2種情況：若h1>h2，則輸出電壓Vo與電壓信號V1相位相同；若h1
2 傳感器硬件設(shè)計
2．1 儀器主要結(jié)構(gòu)
如圖2所示電容式邊緣傳感器主要由信號發(fā)生電路、測量電路、放大電路、低通濾波電路、限幅電路、相位檢測電路和信號調(diào)理電路組成，傳感器硬件設(shè)計電路圖如圖3所示。
2．2 信號發(fā)生電路
在實際中要產(chǎn)生嚴格的2列幅值相同，相位相反的當波信號是很困難的，以單片機為例，產(chǎn)生2列方波的時間延遲微秒量級，本設(shè)計使用單片機產(chǎn)生1列頻率為720 Hz的方波，利用此方波信號驅(qū)動異或門電路，使之產(chǎn)生2列幅值為5 V、相位相反的方波信號。通過TTL到CMOS電路的轉(zhuǎn)換，徹底實現(xiàn)產(chǎn)生2列幅值為0～5 V，相位嚴格相反的2列方波信號，并能夠驅(qū)動后級CMOS電路。
2．3 測量電路
測量電路是電容式邊緣傳感器的核心部分，2列幅值相同，相位相反的方波信號通過兩路待測電容，在節(jié)點處的輸出電壓信號可以判斷2電容是否相等。
圖4為檢測電路電路圖，V1和V2為幅值相同、相位相反的方波電壓信號。通過判斷G點的電壓信號相位，來判斷C1和C2是否相等。若C1> C2，則輸出電壓信號VG與V1相位相同；若C1=C2，G點無信號輸出；若C1
實際的測量電路中會有噪聲存在， 當|C1-C2|<
相位檢測電路選用的是幅相檢測芯片AD8302，該芯片將精密匹配的2個對數(shù)檢波器集成在一塊芯片上，因而可以將誤差源及相關(guān)溫度漂移減小到最低限度。該器件在進行幅值測量時，其動態(tài)范圍可以擴展到60 dB，相位測量范圍可以達到180°。因此可以用來精確測量到兩獨立的射頻、中頻和低頻信號的相位差，相位測量精度高，優(yōu)于0．5°。但是AD8302對輸入信號的動態(tài)范圍要求很嚴格，范圍為-60～0dBm。為防止損壞器件，需對2路輸入信號進行功率調(diào)整。
圖5為相位檢測電路圖，由檢測電路輸出的電壓信號VG，經(jīng)過放大、濾波處理后為IN1，比較信號為IN2，作為相位檢測芯片的輸入，IN1和IN2經(jīng)過P3和P4的功率調(diào)整后為電壓信號VA和VB，通過相位檢測，其幅值和相位輸出分別如下：
式中：VMAG為待測信號與比較電壓信號幅值比較的輸出；RFISIP為比例系數(shù)，RFISIP=30mV／dB(600 mV／diecade)；Vcp表示中心點電壓，Vcp=900 mV；VPHS為待測信號與比較電壓信號相位檢測輸出；RFIω為比例系數(shù)，RFIω=-10 mV／decade；φ(VA)，φ(VB)分別表示待測信號VA和比較信號VB的相位。
圖6和圖7為AD8302在測量模式下幅值比較響應(yīng)理想特性曲線和相位差響應(yīng)理想特性曲線。AD8302在無信號輸入的情況下，幅值和相位輸出為-Vcc，通過判斷幅值和相位同時為-Vcc可以得到C1是否等于C2，由圖7可以看出通過判斷相位差輸出為0或者1．8 V可以判斷測量信號以比較信號相位相同或者相反，進而得到C1>C2或者C1
由于傳感器輸出只有3種狀態(tài)：C1>C2，C1=C2，C1<C2，相位檢測芯片的幅值和相位比較輸出結(jié)果對應(yīng)于這3種狀態(tài)，通過信號調(diào)理，使其輸出為數(shù)字處理器可以直接接收的0 V，3．6 V；0 V，0 V；3．6 V，0 V3種狀態(tài)的信號，這3種狀態(tài)在計算機等數(shù)字處理器中可認為01，00，10這3種狀態(tài)。計算機可以通過判斷這3種狀態(tài)，來調(diào)整平板、鏡片等位置微小變化。
3 初步實驗結(jié)果
利用壓電陶瓷微動臺對該傳感器線性度和分辨率進行測試，測試示意圖如圖8所示。計算機控制壓電陶瓷驅(qū)動器使壓電陶瓷產(chǎn)生形變，驅(qū)動微動臺上兩組電容的極板產(chǎn)生微小位移，間距發(fā)生變化導(dǎo)致電容大小發(fā)生改變，電容式邊緣傳感器檢測電路檢測到電容變化信號，通過信號調(diào)理直接給計算機等數(shù)字處理器。
實驗采用如圖9所示的V1信號經(jīng)過功率調(diào)整的電壓信號作為比較信號，圖10對應(yīng)C1=C2輸出信號濾波前后波形，圖11，圖12分別對應(yīng)C1> C2，C1
4 結(jié)語
作為納米級的電容式邊緣傳感器，可以廣泛應(yīng)用于精密控制領(lǐng)域。在天文上。能夠檢測到5nm的平行度的傳感器，可以應(yīng)用于光學(xué)鏡面調(diào)整，目前法珀和拼接鏡面技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，電容式邊緣傳感器因其體積小、成本低、溫度穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，在法珀和拼接鏡面技術(shù)發(fā)展中的地位不容小覷。電容式邊緣傳感器技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展仍不成熟，提高該傳感器電路性能，減少噪聲等誤差源的影響，實現(xiàn)大行程，高精度的測量是我們下一步繼續(xù)努力的目標。