馮 佳，李佩玥，徐立松，尹志生，隋永新

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100039)

0 引 言

隨著超精密制造與精密儀器和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對位移測量的精度要求已經(jīng)達(dá)到nm 級別。目前可以進(jìn)行nm 級測量的傳感器家族分為三大類:電感傳感器、光干涉?zhèn)鞲衅骱碗娙輦鞲衅?。電容傳感器具有功耗低、精度高、動態(tài)性能好、穩(wěn)定性高和非接觸測量等特點(diǎn)，深受科技工作者和工業(yè)應(yīng)用者的青睞［1～4］。

電容位移傳感器nm 級測量精度實(shí)現(xiàn)離不開高精度電容測量電路，調(diào)幅式電容測量方法中交流激勵式和運(yùn)放式比較常用，交流激勵式具有抑制雜散電容能力強(qiáng)、動態(tài)性能好、信噪比高和測量精度高等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。交流激勵式測量電路包括信號發(fā)生器、前級電路、調(diào)理電路、檢波電路和低通濾波器，信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波作為前級激勵，前級電路將位移變化調(diào)制到電壓幅值上，然后經(jīng)檢波電路將幅值信號從調(diào)幅波解調(diào)出來。檢波電路多采用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)，由于模擬乘法器檢波速度慢限制工作頻率，功耗大長時間工作時熱噪聲較大。

針對以上問題，本文提出了一種高速高精度低功耗開關(guān)檢波電路設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上完成交流激勵式電容測量電路設(shè)計(jì)［5～8］。

1 電路總體框圖

電容傳感器分單極板和雙極板兩種，與單極板電容傳感器相比，雙極板電容傳感器有兩個優(yōu)點(diǎn):1)傳感器兩個面的平整度、光潔度可以保證;2)傳感器兩端接在測量電路中能夠避免雜散電容干擾。因本設(shè)計(jì)應(yīng)用于對地位移測量，因此，采用單極板電容傳感器。電容測量電路框圖如圖1所示，整個測量系統(tǒng)可以分為四部分:激勵源、前置電路、調(diào)理電路、檢波電路。交流激勵式電容測量方法對激勵源幅值、頻率穩(wěn)定性要求較高，本設(shè)計(jì)采用高精度DDS 芯片AD9953 實(shí)現(xiàn)，并在前級電路引入正反饋增大前級輸出電壓范圍和抗干擾能力。檢波電路采用開關(guān)檢波，模擬開關(guān)控制信號要求與前級輸出信號同頻同相的方波信號，實(shí)現(xiàn)同相比較困難，將前級輸出信號經(jīng)過零比較器實(shí)現(xiàn)與前級輸出信號同頻同相。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig 1 Overall block diagram of system

2 開關(guān)檢波原理

2.1 開關(guān)半波檢波

開關(guān)半波檢波原理如圖2 所示，半波檢波只保留待檢信號幅值大于零的波形，半波檢波等效于待檢信號與參考方波信號相乘，下面對其原理進(jìn)行介紹。假設(shè)輸入信號為Si=Uicos ωt，則參考信號為

圖2 開關(guān)半波檢波原理圖Fig 2 Detection principle diagram of switch half-wave

對參考信號進(jìn)行傅里葉展開得到

參考信號與輸入信號相乘得到

開關(guān)半波檢波輸出為直流分量和高頻分量，采用低通濾波器濾除高頻分量，即可得到直流分量

2.2 開關(guān)全波檢波

開關(guān)全波檢波將幅值大于零的半波保留，將幅值小于零的半波翻轉(zhuǎn)上去。開關(guān)全波檢波原理如圖3 所示。開關(guān)全波檢波等效于與參考方波信號相乘，下面對其原理進(jìn)行介紹。假設(shè)輸入信號為Si=Uicos ωt ，則參考信號為

參考信號Sr進(jìn)行傅里葉展開得到

參考信號與輸入信號相乘得到

圖3 開關(guān)全波檢波原理圖Fig 3 Detection principle diagram of switch full-wave

開關(guān)全波檢波輸出為直流分量和高頻分量，需要低通濾波器濾除高頻分量，得到直流分量

經(jīng)過對半波檢波和全波檢波原理分析發(fā)現(xiàn)全波檢波輸出信號幅值是半波檢波的2 倍，全波檢波比半波檢波更適合檢測弱信號，因此，本設(shè)計(jì)采用全波檢波方法。

3 檢波電路設(shè)計(jì)

檢波電路采用開關(guān)全波檢波，模擬開關(guān)選擇比較重要。本設(shè)計(jì)采用高速高精度模擬開關(guān)ADG333，ADG333 具有功耗低;切換時間短，ton＜175 ns，toff＜145 ns;最大導(dǎo)通電阻45 Ω;導(dǎo)通電阻差最大為5 Ω;泄漏電流最大為5 nA;電荷注入最大為5 pC。

全波檢波電路需要兩個運(yùn)放，一個作為過零比較器，產(chǎn)生模擬開關(guān)控制信號;另一個將前級輸出信號幅值小于零的波形翻轉(zhuǎn)上去。本設(shè)計(jì)選用TI 公司雙運(yùn)放芯片THS4032，THS4032 帶寬為100 MHz，擺率為100 V/μs，噪聲為1.6 nV/Hz。選THS4032 的主要原因是擺率大，做過零比較器切換時間短。全波檢波電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 檢波電路測試

圖4 全波檢波電路圖Fig 4 Full-wave detection circuit

采用AD9953 和3458A 八位半數(shù)字表測試檢波電路分辨率。通過改變配置AD9953 幅值寄存器(ASF)值，使輸出信號幅值發(fā)生變化，采用3458A 采集檢波電路輸出。通過測試發(fā)現(xiàn)全波檢波電路分辨率達(dá)0.1 mV。

4.2 分辨率測試

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測量范圍為150 ～650 μm，經(jīng)CST 仿真得到的電容變化范圍為0.146 621 ～0.632 366 pF，分辨率為30 nm，400 μm 處對應(yīng)的ΔC=0.034 23 fF［9］。

分辨率測試進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，分別在150，400，650 μm處進(jìn)行30 nm 臺階實(shí)驗(yàn)，觀察輸出電壓是否為方波，三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6 所示。

由圖5 可得，三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果都能實(shí)現(xiàn)30 nm 分辨率，主要問題是噪聲電壓導(dǎo)致電壓在一定范圍內(nèi)波動。由上圖可以看出:隨著極板間距增大，變化30 nm 引起的電壓變化減小，與電容位移曲線相符。噪聲電壓大約0.1 mV，噪聲來源主要有PCB 布線噪聲、運(yùn)放噪聲、電阻熱噪聲。

圖5 30 nm 分辨率結(jié)果圖Fig 5 Resolution result diagram of 30 nm

4.3 示值穩(wěn)定性測試

該實(shí)驗(yàn)在超凈間進(jìn)行，溫度為(22±0.1)℃。在400 μm處進(jìn)行示值穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，采用8 位半數(shù)字表3456A，間隔2 min 測一次，測量16 次，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 電壓測量結(jié)果Tab 1 Results of voltage measurement

由表1 可得，30 min 內(nèi)示值穩(wěn)定性為0.1 mV，換算成位移漂移量大概為8 nm。因此，測量系統(tǒng)在400 μm 時，30 min內(nèi)位移漂移為8 nm。由于閉環(huán)驅(qū)動器采用壓電陶瓷來驅(qū)動平臺位移變化，壓電陶瓷存在一定的蠕變和遲滯，其驅(qū)動電源輸出電壓存在波動，這些因素都會引起位移漂移，因此，實(shí)際位移漂移小于8 nm。對其他位置做相同測試，位移時漂均小于8 nm/30 min。示值穩(wěn)定性較高，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性高的要求。

4.4 測量電路用于位移測量的對比實(shí)驗(yàn)

將該測量電路與德國PI 公司的標(biāo)準(zhǔn)測量電路進(jìn)行比對實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2，采用相同的電容傳感器D—E30.200 單極板電容位移傳感器。

表2 位移測量結(jié)果Tab 2 Results of displacement measurement

由測量結(jié)果可知，利用設(shè)計(jì)的電容測量系統(tǒng)與PI 測量電路進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最大測量偏差為20 nm。

5 結(jié) 論

根據(jù)調(diào)幅式電容位移傳感器乘法器檢波速度慢和長時間工作熱噪聲大的問題，提出了一種開關(guān)檢波電路設(shè)計(jì)方案，并介紹了開關(guān)全波檢波和半波檢波原理。測試結(jié)果表明:該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)0.1 mV 分辨率，該測量系統(tǒng)22 ℃下漂移不超過8 nm，150 ～650 μm 量程范圍內(nèi)，與PI 標(biāo)準(zhǔn)測量電路最大偏差為20 nm。該測量電路滿足測量超精密位移測量要求。

［1］ 黃向東，劉立豐，譚久彬，等.調(diào)幅式電容位移傳感器的峰值檢波電路設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2013，20(11):2444－2449.

［2］ 刑本風(fēng).高精度微弱電容檢測技術(shù)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［3］ Kim J G，Lee T J，Park N C，et al.SAW signal conditioner－based dynamic capacitive sensor for high－speed gap measurement［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2013，189:204－211.

［4］ Ma Y，Yu Y X，Wang X.Diameter measuring technique based on capacitive probe for deep hole or oblique hole monitoring［J］.Measurement，2014，47:42－44.

［5］ An Z，Ningde J，Lusheng Z，et al.Liquid holdup measurement in horizontal oil－water two－phase flow by using concave capacitance sensor［J］.Measurement，2014，49:153－163.

［6］ Zhai L S，Jin N D，Gao Z K，et al.Cross－correlation velocity measurement of horizontal oil－water two－phase flow by using parallel－wire capacitance probe［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2014，53:277－289.

［7］ Yang W Q.Hardware design of electrical capacitance tomography systems［J］.Measurement Science and Technology，1996，7(3):225－232.

［8］ 趙振剛，劉曉為，王 鑫，等.基于555 多諧振蕩器檢測的碳納米管濕敏傳感器［J］.光學(xué)精密工程，2011，19(1):119－122.

［9］ 馮 佳，李佩玥，尹志生，等.單極板微位移電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(7):63－66.