高精度调频式电容位移传感器

ＨａｂｎＩｓｉ ｔ ｆ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｈａｂｎ １０ ０ ， ｈｎ ） ｒ ｉ ｎｔｕｅｏ ｃｎ ｌｇ ， ｒ ｉ ５ ０ １ Ｃ ｉａ ｔ Ｔ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｄ ｓｇ ｅ ｏ －ｏ ｔｃ Ｍ ｉｐ ａ ｅ ｎ ａ ａ ｉ ｎ ｅ ｓ ｎ ｏ ， ｈ ｃ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｉ ｅ ｅ ｃ ｅ ｕ ｎ ｙ ｓｒ ｃ ： ｈ ｓ ａ ｅ ｅ ｉｎ ｄ ｎ ｎ ｃ ｎ ａ ｔＦ ｄ ｓ ｌｃ ｍｅ ｔ ｐ ｃｔ ｃ ｅ ｓ ｒ ｗ ｉｈ ｗａ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄｆ ｒ ｎ ｅ ｆ ｑ ｅ ｃ ｃ ａ ｆ ｒ Ｆ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ｈ ｉ ｕ ｔ ｓ ｃ ｎ ｉｔｄ ｏ ｏ ｓｎ ｓｇ ａ ｅ ｅ ａｏ ｓ ｄ ｗｎ ｃ ｎ ｅ ｓｏ ｉ ｕ ｔａ ｄ ｄ ｓ ｒｍｉ ａ ｏ ． ｐ ｒ ｎａ ｅ Ｍ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｔ ｅ ｃｒ ｉ ｗａ ｏ ｓｓｅ ｆ ｗ ｉ ｉｎ ｌｇ ｎ ｒｔ ｒ ， ｏ — ｏ ｖ ｒ ｉｎ ｃｒ ｉ ｎ ｉｃ ｃ ｔ ｃ ｉ ｎ ｔｒ Ｅｘ ｅ ｍｅ ｔ ｒ — ｉ ｌ ｓ ｈ ｈ ｗ ｈ ｔ ｅ ｏｕ ｉｎ ｏ ｍ ａ ｅ ａ ｈ ｅ ｅ ｙ ｔ ｉ ｅ ｓ ｒ ａ ｄ ｉ ｈ ｓ ｇ ｏ ｉ ｅ ｒｔ ． ｕ ｓ ｓ ｏ ｔ ａ ｓ ｌ ｔ ｆ ｎ ｃ ｎ ｂ ｃ ｉｖ ｄ ｂ ｈ ｓｓ ｎ ｏ ， ｎ ｔ ａ ｏ ｄ ｌ ａｉ ｒ ｏ ５ ｎ ｙ
中 图 分 类 号 ：Ｐ １ Ｔ ２２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ２—１４ （０ １ １ ０ １ １０ ８ １ ２ １ ） ２— ０ ０—０ ２
Ｈ ｉｈ－ ｅ ｉｉ ｎ ＦＭ ｓ ｌ ｃ ｍ ｅ ｔＣａ ｃｔ ｎｃ ｎ ｏ ｇ ｐｒ ｃｓｏ Ｄｉｐ ａ ｅ ｎ ｐａ ｉａ ｅ Ｓｅ ｓ ｒ
化。
为 了能达到较 高 的分 辨 力 ， ｃ振 荡 电路 的振荡 频 率一 般 Ｌ
较 高 。 设 定 振 荡 频 率 在 ３ ９０ ＭＨ ． ９ ｚ时 ， 路 的 灵 敏 度 优 于 电
被测物表 面
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
１Ｈ ／ ｍ． 降低 鉴频难 度 ， ｚ５ｎ 为 不直 接对 Ｌ Ｃ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 ９ ０ＭＨ 左 右 的调 ．９ ｚ
２２ Ｌ 振荡电路 ． Ｃ
一
频 信号和本振 电路 产生 的频 率 固定 的 ３９ ０ＭＨ ． ８ ｚ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 。
摘要 ： 计 了一种单极板调 频式 电容位移传感 器， 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 设 可
一
频率的调制信 号 ， 由乘法器鉴频得到位移 变化量 。电路 包括 测头及 Ｌ 再 Ｃ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 ５ｎ 并具有 较好 的线性度 。 ｍ， 关键 词 ： 电容 ； 传感 器 ； 微位移
Ｃ ＨＥ ｎ — ｏ， Ｎ Ｈｏ ｇ ｂ ＨＵＡＮＧ ａ ｇ ｄ ｎ Ｌ Ｕ Ｌ —ｅ ｇ ＺＨＵ Ｊａ ｘｎ Ｘｉｎ — ｏ ｇ， Ｉ ｉ ｎ ， ｆ ｉ—ｉｇ
（ ｎ ｔ ｕ ｅｏ ｔａ ｐ ｅ ｉ ｏ ｔｅｅｔｏ ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ Ｉ ｓ ｔ ｔ ｆ ｒ － ｒｃｓ ｎ Ｏｐ ｏ ｌ ｒ ｎｃＩ ｔ ｉ Ｕｌ ｉ ｃ ｎ ｕ ｎ ｇｎ ｅ ｉ ， Ｅ ｎ
２ 电容 传 感器 的 设 计 ２ １ 整 体 设 计 ．
般的Ｌ Ｃ振荡器 的频稳 度只 能达 到 １ ～ ～ｌ 数量 级 ， ０ ０
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 。 电容三点 Ｊ 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
保护环 电容极板
ⅡⅡ Ⅲ ⅢⅡ
被测物表面 保 电容极板
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， 测位 移变化使传感 器测头 电容 ｃ 改变 ， 被 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
２ ０１１矩
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｔｕｍｅ ｔ Ｔｅ ｈ ｑ ａ ｄ Ｓ ｎｓ ｒ ｎｓｒ ｎ ｃ ｎｉｕｅ ｎ ｅ ｏ
２ １ ０１
Ｎｏ ２ ．１
第 ｌ ２期
源自文库
高精 度调 频 式 电容 位移 传 感 器
陈泓 波 ， 向 东， 立丰 ， 黄 刘 朱加 兴
（ 尔 滨 工 业 大 学超 精 密 光 电 仪 器 工 程 研 究 所 ， 龙 江 哈 尔 滨 哈 黑 １０ ０ ） ５０ １
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 、 复机构 运动 特性 以及 检定 工 往
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
响， 在圆形极板外 围加入等 电位保 护环 … ， 如图 ３所 示。
Ｋ ｅ ｗｏｒ ｓ： ａ ａ ｉａ ｃ ｓ ｎ ｏ ； ｉｒ — ｉｐｌｃ ｍｅ ｔ ｙ ｄ ｃ ｐ ｃｔ ｎ ｅ； ｅ ｓ ｒ ｍ ｃ ｏ ｄ ｓ ａ ｅ ｎ
０ 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
应产生边缘 附加 电容 ， 图 ２所 示。为 消除边缘 效应带 来 的影 如