基于容柵傳感器的微小位移測試系統(tǒng)

閔希凱，李新娥，張紅艷，王雪嬌

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

微小位移量的檢測在精密機械、自動控制、武器裝備等領(lǐng)域有著十分重要的意義，許多物理量如加速度、壓力、應(yīng)變等都可以通過測量微小位移來間接測量[1]。精密機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部空間極其狹窄[2]，對微小位移的測量非常困難，有時還要求在設(shè)備工作狀態(tài)下進行動態(tài)測量，更加增大了測試難度。目前技術(shù)比較成熟的測試方案有激光位移傳感器、電渦流位移傳感器、LVDT位移傳感器等都能夠達到很高的測量精度，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。然而這類傳感器造價高、操作復(fù)雜、安裝過程需要打孔開槽，會對被測試對象造成很大的破壞。此外這些傳感器工作需要專用的信號傳輸線，也無法安裝在小于1 mm的空間內(nèi)，同樣增加了技術(shù)實現(xiàn)難度。本文針對上述問題，提出了基于容柵傳感器的微小位移測試系統(tǒng)。

1 容柵傳感器的設(shè)計

容柵傳感器基于柔性電路加工工藝制作，傳感器和信號線可以一體化制作,單片柵極的厚度可以控制在0.1 mm以內(nèi)，可以粘貼在傳動軸縫隙和精密機械內(nèi)部狹小空間(≤1 mm)的平面、柱面甚至是球面上，因此非常適合于微小位移的測量。此外容柵傳感器有造價低、功耗小、安裝方便、穩(wěn)定性高、環(huán)境適應(yīng)性強等一系列優(yōu)點，可以對被測物體不造成任何損壞，目前已在動力軸扭矩和高速轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測量方面得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

1.1 容柵傳感器的理論設(shè)計

容柵傳感器的極板是由柔性線路板腐蝕而成的一種柵狀電極，主要的工作部件是發(fā)射極和接收極，是由柵條均勻分布的靜柵和動?xùn)牌叫邢鄬?gòu)成，實質(zhì)上是由若干個電容并聯(lián)而成[4]。在本設(shè)計中靜柵和動?xùn)挪捎昧讼嗤慕Y(jié)構(gòu)，這樣有利于研究問題的簡化，便于進行建模仿真，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 容柵結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.1 Design of capacitive grating structure

當動?xùn)叛厝鐖D1所示方向移動時，由于容柵傳感器為平行結(jié)構(gòu)，可以將其等效為平板式電容，根據(jù)電場理論并忽略邊緣效應(yīng)，將單組柵條的初始電容和正對面積記做C0和A，則有容柵傳感器的電容為：

(1)

容柵傳感器電容隨柵極間距變化的靈敏度為[5]：

(2)

由式(2)可知要提高電容變化靈敏度，應(yīng)該減小柵極間距d，增大傳感器的柵條數(shù)n和初始電容C0。然而d不應(yīng)過小，否則會導(dǎo)致?lián)舸?/p>

1.2 邊緣效應(yīng)分析

邊緣效應(yīng)是指在電容式傳感器的極板邊緣電場分布很不均勻的現(xiàn)象，它會導(dǎo)致傳感器非線性誤差增大，靈敏度下降，故被認為是電容傳感器設(shè)計過程中必須要考慮的因素。邊緣效應(yīng)導(dǎo)致容柵電容在理論計算結(jié)果的基礎(chǔ)上增加了一個邊緣效應(yīng)電容，導(dǎo)致容柵電容值大于采用理論公式計算的值，即有：

C容柵=C理論+C邊緣效應(yīng)

(3)

邊緣效應(yīng)導(dǎo)致實際電容值與極板正對面積、極板間的介電常數(shù)、極板間距無法呈現(xiàn)理論的數(shù)學(xué)關(guān)系。經(jīng)分析，應(yīng)增加初始電容并盡量減小邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的電容，使容柵電容理論設(shè)計值更接近容柵的實際電容[6]。

利用ANSYS Electronics Desktop有限元電磁仿真軟件添加Maxwell工程并建立容柵的結(jié)構(gòu)模型，采用靜電場的求解方式進行仿真[7-8]，得到容柵傳感器在兩個互相垂直的對稱平面上的電場分布圖2和圖3所示。

圖2 容柵傳感器水平面電場示意圖Fig.2 Electric field of capacitive grating sensor in horizontal direction

圖3 容柵傳感器垂直面電場示意圖Fig.3 Electric field of capacitive grating sensor in vertical direction

經(jīng)過分析，相鄰兩個柵條間的電場強度約為上下對應(yīng)的柵條間電場強度的60%，故認為電場能量主要集中在上下對應(yīng)的柵條之間，而邊緣效應(yīng)造成的影響也不容忽視。

設(shè)置兩極板間的初始距離為0.3 mm，采用控制變量法對極板間距進行仿真，距離變化范圍為0～0.4 mm，通過參數(shù)掃描設(shè)置掃描步長為0.02 mm，掃描方式為線性增大，仿真得到容柵傳感器電容的仿真值如圖4所示，并與理論電容值進行比較。

圖4 傳感器電容理論計算值與仿真數(shù)值的比較Fig.4 Comparison between theoretical calculation value and simulation value

經(jīng)過分析可知電容的理論值與仿真值的差值為2～10 pF之間，約為最大電容值的10%，這對于微小信號放大電路而言是不可忽視的誤差，也進一步驗證了容柵傳感器的邊緣效應(yīng)影響很大。

1.3 消除邊緣效應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1加裝保護環(huán)

在容柵的兩個極板的四周設(shè)置保護環(huán)如圖5所示，保護環(huán)與被保護的極板電位始終相等且絕緣但間隙十分微小，這樣可以保證柵極邊緣的電場強度均勻分布，從而克服邊緣效應(yīng)影響[9]。

1.3.2柵極互補結(jié)構(gòu)設(shè)計

將容柵的柵極設(shè)計為互補結(jié)構(gòu)且通過放大電路使保護環(huán)、互補柵極和原柵極電位保持相等，可使極板間的電場分布更加均勻，從而消除邊緣效應(yīng)造成的非線性誤差，使傳感器的抗干擾能力得到大幅度增強。放大電路有很大的輸入阻抗和很寬的帶寬，對前后級電路起隔離作用，從而能消除保護環(huán)和互補柵極對傳感器輸出信號的影響。

圖5 消除邊緣效應(yīng)設(shè)計Fig.5 Design of eliminating edge effects

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 微小信號檢測電路

微小信號檢測電路的原理圖如圖6所示，OPA4340作為恒流源為負載提供恒定的充電電流，ADG751以100 kHz的頻率控制標準電容和容柵電容的充放電[10]，其控制信號由MSP430單片機產(chǎn)生，由定時器B產(chǎn)生頻率為100 kHz，占空比為90%的PWM信號，使兩個電容均以9 μs的時間充電，以1 μs的時間放電，將兩個電容的充放電電壓信號由儀表放大器INA331進行差分放大，輸出的信號即可由數(shù)字電路進行A/D采樣并存儲[6]。

圖6 微小信號檢測電路原理圖Fig.6 Design of small signal detection circuit

微小位移引起的容柵傳感器的電容變化量十分微小(約1 pF/0.05 mm)，而電磁干擾，溫度變化造成的噪聲信號會在差動放大電路的兩個輸入端引起共模干擾。差動放大電路可以很好地解決這一問題，它可以將湮沒在噪聲信號中的差模信號提取出來，并對其進行放大，即有效放大差模信號，抑制共模信號，從而提高測量精度[11-12]。此設(shè)計中儀表放大器選擇INA331，它具有低功耗、軌到軌輸出、高精度、高共模抑制比、寬帶寬(2.0 MHz)等特點，可以方便的調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，非常適合放大微小信號。

2.2 數(shù)字采集存儲電路

數(shù)字采集存儲電路原理圖如圖7所示。MSP430單片機是采集存儲電路的核心器件，經(jīng)差分放大后輸出的電壓信號輸入片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，進行A/D轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為便于存儲和處理的數(shù)字信號。A/D采樣頻率通過定時器A控制，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器的采樣模式為單通道多次轉(zhuǎn)換，每次采樣開始由定時器A的中斷觸發(fā)，采樣時間選擇充放電過程中的相同時刻(8 μs處)。之后將A/D轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)存儲在片外NAND FLASH并由Zigbee模塊發(fā)送給上位機，在上位機上對數(shù)據(jù)進行分析處理并實時顯示。

圖7 數(shù)字采集存儲電路原理圖Fig.7 Design of digital acquisition and storage circuit

2.3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

由于在實際工作環(huán)境中存在著電磁輻射，寄生電容以及溫度變化等干擾因素，會影響測試結(jié)果的準確性，因而提出了以下抗干擾設(shè)計。

1)金屬殼體屏蔽

由于容柵傳感器和其他導(dǎo)體會形成寄生電容，寄生電容會使傳感器的電容改變，由于寄生電容不穩(wěn)定，會對傳感器造成較大干擾。將傳感器放置在密閉金屬殼體內(nèi)并使殼體接地，即可消除寄生電容的影響，還可以消除外界電磁干擾對容柵傳感器的影響。

2)使用屏蔽線

容柵傳感器的信號輸出線由屏蔽線代替，將金屬殼體與屏蔽線外層相連且良好接地。注意應(yīng)該單點接地，否則可能會在屏蔽層引起電流。

由于普通屏蔽線依然存在“電纜寄生電容”的問題，故采用了雙層屏蔽抗干擾的方案。雙層屏蔽線的內(nèi)層與信號線通過放大倍數(shù)為1的放大器使電位相等，外層接地起屏蔽作用，這樣即使傳感器電容很小，也能穩(wěn)定工作。

3)消除共模干擾

將標準電容與容柵傳感器放置在密閉金屬殼體內(nèi)、且盡可能靠近，使干擾信號盡可能相同地加載在兩者的信號傳輸線上。利用差分放大電路抑制共模信號的特點，可以有效地減少信號傳輸過程中的外界干擾。

4)溫度補償

因為溫度的變化會引起空氣介電常數(shù)的變化，從而導(dǎo)致容柵傳感器電容的變化。在上位機軟件上對空氣介電常數(shù)根據(jù)環(huán)境溫度進行修正，即可消除溫度變化對測試結(jié)果的影響。

3 試驗測試和數(shù)據(jù)分析

3.1 調(diào)試及數(shù)據(jù)分析

為了驗證測試系統(tǒng)的測量精度是否達到要求，需要有專用的校準裝置。將容柵傳感器安裝在如圖8所示的測試裝置上，可以通過調(diào)節(jié)旋鈕精確控制靜柵和動?xùn)胖g的距離，此裝置的最小分辨率為0.01 mm,故而滿足電路調(diào)試和數(shù)據(jù)標定的要求。

圖8 調(diào)試測試裝置Fig.8 Test equipment

表1為柵極距離的變化與上位機軟件采集電壓值的關(guān)系。

表1 測試距離與采集電壓的關(guān)系

由表1測試距離對應(yīng)的電壓作圖如圖9所示，可知測試系統(tǒng)采集電壓隨測試距離變化呈線性。

圖9 測試距離與采集電壓的關(guān)系Fig.9 Relationship between distance and voltage

由于采集電壓值為容柵電容C1和標準電容C2充電過程的電壓差分放大的結(jié)果，已知儀表放大器放大倍數(shù)為G，故采樣電壓U可以表示為:

(4)

(5)

式(4)中，It為充電電流與充電時間的乘積，ε為介電常數(shù)。正對面積S一定時，采集電壓U與測試距離d正相關(guān)，圖9所示曲線滿足上述變化關(guān)系。對照圖4可知，測試系統(tǒng)克服了傳感器在距離較大時電容變化極小的特點，增大了測量范圍，提高了測試系統(tǒng)的可靠性。由式(5)可知，測試系統(tǒng)靈敏度在量程范圍內(nèi)為定值，因而標定過程可以大大簡化。

3.2 標定

在上位機軟件上對采樣電壓進行標定后，即可得出測試距離如表2所示，數(shù)據(jù)表明測試結(jié)果與實際距離相差很小，誤差小于5%。

表2 標定后的測試距離及誤差

4 結(jié)論

本文提出了基于容柵傳感器的微小位移測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了一般位移傳感器在狹小空間內(nèi)難以安裝的問題，簡化了使用操作，避免了對被測試對象的破壞。通過對容柵傳感器的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計，提出了消除傳感器邊緣效應(yīng)的方法。針對測試系統(tǒng)中傳感器輸出信號比較微弱的問題，采用差分放大設(shè)計，有效可靠地放大了輸出信號，并降低了噪聲干擾，提高了系統(tǒng)抗干擾能力和穩(wěn)定性。試驗測試和數(shù)據(jù)分析表明，此系統(tǒng)在狹小空間內(nèi)測量微小位移有著較高的精度和可靠性，操作簡單，易于實現(xiàn)，具有較高的實用價值。