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(duì)位移測量的精度要求已經(jīng)達(dá)到nm 級(jí)別。目前可以進(jìn)行nm 級(jí)測量的傳感器家族分為三大類:電感傳感器、光干涉?zhèn)鞲衅骱碗娙輦鞲衅鳌ｋ娙輦鞲衅骶哂泄牡?、精度高、?dòng)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(jí)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(lì)式和運(yùn)放式比較常用，交流激勵(lì)式具有抑制雜散電容能力強(qiáng)、動(dòng)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(lì)式測量電路包括信號(hào)發(fā)生器、前級(jí)電路、調(diào)理電路、檢波電路和低通濾波器，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波作為前級(jí)激勵(lì)，前級(jí)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(hào)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(shí)間工作時(shí)熱噪聲較大。

針對(duì)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(lì)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(gè)優(yōu)點(diǎn):1)傳感器兩個(gè)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(duì)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(gè)測量系統(tǒng)可以分為四部分:激勵(lì)源、前置電路、調(diào)理電路、檢波電路。交流激勵(lì)式電容測量方法對(duì)激勵(lì)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(jí)電路引入正反饋增大前級(jí)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(hào)要求與前級(jí)輸出信號(hào)同頻同相的方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)同相比較困難，將前級(jí)輸出信號(hào)經(jīng)過零比較器實(shí)現(xiàn)與前級(jí)輸出信號(hào)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(hào)幅值大于零的波形，半波檢波等效于待檢信號(hào)與參考方波信號(hào)相乘，下面對(duì)其原理進(jìn)行介紹。假設(shè)輸入信號(hào)為Si=Uicos ωt，則參考信號(hào)為

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

對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行傅里葉展開得到

參考信號(hào)與輸入信號(hào)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(hào)相乘，下面對(duì)其原理進(jìn)行介紹。假設(shè)輸入信號(hào)為Si=Uicos ωt ，則參考信號(hào)為

參考信號(hào)Sr進(jìn)行傅里葉展開得到

參考信號(hào)與輸入信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)，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(shí)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(gè)運(yùn)放，一個(gè)作為過零比較器，產(chǎn)生模擬開關(guān)控制信號(hào);另一個(gè)將前級(jí)輸出信號(hào)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(shí)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(hào)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(duì)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(tái)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(dòng)。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(shí)，30 min內(nèi)位移漂移為8 nm。由于閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器采用壓電陶瓷來驅(qū)動(dòng)平臺(tái)位移變化，壓電陶瓷存在一定的蠕變和遲滯，其驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓存在波動(dòng)，這些因素都會(huì)引起位移漂移，因此，實(shí)際位移漂移小于8 nm。對(duì)其他位置做相同測試，位移時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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.