高精度调频式电容位移传感器.pdf

《高精度调频式电容位移传感器.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2011矩仪表技术与传感器2011第l2期InstrumentTechniqueandSensorNo．12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(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)摘要：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一频率的调制信号，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。关键词：电容；传感器；微位移中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：

2、1002—1841(2011)12—0010—02High-precisionFMDisplacementCapacitanceSensorCHENHong—bo，HUANGXiang—dong，LIULi—feng，ZHUJia—xing(InstituteofUltra-precisionOptoelectronicInstrumentEngineering，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China)Abstract：Thispaperdesignednon-contactFMdisplacementcapac

3、itancesensor，whichwasbasedonthedifferencefrequencyFMtechnology．Thecircuitwasconsistedoftwosinsignalgenerators，down—conversioncircuitanddiscriminator．Experimentalre—suhsshowthatresolutionof5nmcanbeachievedbythissensor，andithasgoodlinearity．Keywords：capacitance；sensor；micro—displacement0

4、引言传感器测头电容极板采用单极板圆形极板，极板的边缘效电容位移传感器因其高分辨力、高频响和非接触测量等优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响，在圆形极板外围加入等电位保护环⋯，如图3所示。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保护环电容极板测量领域。ⅡⅢⅡⅢⅡ1调频式电容传感器原理被测物表面调频式电容传感器是将传感器电容接入高频振荡电路的保谐振回路中，被测位移变化使传感器测头电容c改变，使振荡电容极板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

5、力，Lc振荡电路的振荡频率一般被测物表面较高。设定振荡频率在3．990MHz时，电路的灵敏度优于圈2测头极板边缘效应图3加保护环后测头极板电场分布1Hz／5nm．为降低鉴频难度，不直接对LC振荡电路的调频信2．2LC振荡电路号鉴频，而是采用双路差频方法，首先对3．990MHz左右的调一般的LC振荡器的频稳度只能达到10～～l0数量级，频信号和本振电路产生的频率固定的3．980MHz正弦信号进在高精度的测量电路中一般不宜采用。为满足测量要求，采用行混频下变频，然后对差频信号鉴频得到位移量变化。如图4所示的类电容三点式的克拉泼振荡电路J。电容三点2电容传感器的设计式振荡

6、电路里影响频率稳定度的主要因素是晶体管极间电容2．1整体设计C、C，受温度的影响严重，克拉泼振荡电路在原电容三点式传感器主要由4部分组成：测头及Lc振荡电路、本振电电路基础上在L支路中串接一个可变的小电容G，且C。>>路、混频下变频电路和鉴频电路，原理图如图1所示。C、C2>>C3，所以被测表面，丽1(1)可见，振荡频率／只取决于L和的大小，而与C。、C2基本上无关。于是可以增加C、C2(不必减小己)以减小晶体管电图1电容传感器原理图容对频率的影响，提高了频率稳定度。改变C可改变振荡频率而不影响反馈系数，改变C、C可调节反馈系数而不会影响收稿日期：2011—05—1

7、5收修改稿日期：2011一o7—28振荡频率。第12期陈泓波等：高精度调频式电容位移传感器COS(2町)·cos(2~fz)=÷[cos2~(f,一．)+cos2,r(f,+)]二(2)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所图4克拉泼振荡电路刁。圆形测头极板有效直径为3mm，测量初始电容间距为100m，则可计