电容式边缘传感器的设计
摘要：电容测微方法能够检测到微小的位移变化，在此利用电容测微法设计制作电容式边缘传感器，该传感器可以用来检测拼接在一起或者相互平行的两平板之间的位置变化。给出了电容式边缘传感器的设计原理，传感器的主要结构以及设计过程中遇到的问题和解决方案。并在实验室进行了验证，给出了实验结果。实验结果换算到位移变化达到了检测到小于5 nm的位置变化的科研目标。该传感器可以广泛应用于拼接望远镜，法珀等天文仪器控制领域和其他工业控制领域。
关键词：电容测微；边缘传感器；信号调理；AD8302；相位检测
电容式传感器具有体积小、成本低、温度稳定性好等诸多优点，因而被广泛应用于航天航空及工业部门中的测量微小位移、微小尺寸、微小位移偏差、振动和压力等各个领域。电容式边缘传感器(Edge Sensor)是一类特殊的微位移传感器，天文上可以利用它来检测拼接在一起或者平行放置的2个光学镜面的位置关系。
近几十年，随着天文学的发展，法珀和拼接镜面技术越来越成熟，该技术中电部分的核心环节就是边缘传感器。目前，电容式边缘传感器在国外得到广泛应用，在国内还没有掌握这项技术，基于电容式边缘传感器在天文、工业控制等领域的重要作用，本文对此展开了研究。
1 电容测微法的原理
平面变间隙式电容传感器可以由2个相互平行的平面板组成，其电容量为：
式中：ε为两电容极板间介电常数；A为极板正对面积；h为两极板间距；C为传感器两极板间的电容量。
图1中V1和V2为相位相反、幅值相同的方波电压信号，根据戴维宁等效定理经过两电容后在节点处的电压信号为：
当介电常数和电容极板正对面积相向时，电路的输出电压仅与两电容基板间距相同，即：
测量两平板是否平行，需要两组电容C1，C2和C3，C4，如图1所示，若平板1和平板2平行，即h1=h2，则Vo=0；若平板1和平扳2不平行，有2种情况：若h1>h2，则输出电压Vo与电压信号V1相位相同；若h1h2，输出电压Vo与电压信号V1相位相反。另一组C3，C4的电路输出关系与C1，C2相同。
2 传感器硬件设计
2．1 仪器主要结构
如图2所示电容式边缘传感器主要由信号发生电路、测量电路、放大电路、低通滤波电路、限幅电路、相位检测电路和信号调理电路组成，传感器硬件设计电路图如图3所示。
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