陈泓波，黄向东，刘立丰，朱加兴

(哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

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、往复机构运动特性以及检定工件尺寸、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

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，被测位移变化使传感器测头电容Cx改变，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化。

为了能达到较高的分辨力，LC振荡电路的振荡频率一般较高。设定振荡频率在3.990 MHz时，电路的灵敏度优于1 Hz/5 nm.为降低鉴频难度，不直接对LC振荡电路的调频信号鉴频，而是采用双路差频方法，首先对3.990 MHz左右的调频信号和本振电路产生的频率固定的3.980 MHz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。

2 电容传感器的设计

2.1 整体设计

传感器主要由4部分组成:测头及LC振荡电路、本振电路、混频下变频电路和鉴频电路，原理图如图1所示。

图1 电容传感器原理图

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，如图2所示。为消除边缘效应带来的影响，在圆形极板外围加入等电位保护环[1]，如图3所示。

2.2 LC振荡电路

一般的LC振荡器的频稳度只能达到10－3～10－5数量级，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[2]。……