轉動(dòng)極板懸空設計的數字電容角位移傳感器及其溫度特性測試

電容式角位移傳感器用于測量固定部件(定子)與轉動(dòng)部件(轉子)之間的旋轉角度，因其具有結構簡(jiǎn)單，測量精度高，靈敏度高，適合動(dòng)態(tài)測量等特點(diǎn)，而被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)控制、汽車(chē)、航天及軍事等角度定位監測領(lǐng)域，一般來(lái)說(shuō)，電容式角位移傳感器由一組或若干組扇形固定極板和轉動(dòng)極板組成，為保證傳感器的精度和靈敏度，同時(shí)避免因環(huán)境溫度等因素的改變導致介電常數、極板形狀等的間接變化，進(jìn)而對傳感器性能產(chǎn)生不利影響，對傳感器的制作材料、加工工藝以及安裝精度提出了較高要求，為了克服電容角位移傳感器的局限性，國內外科學(xué)工作者進(jìn)行了長(cháng)期的大量研究工作，其主要思想方法是將傳感器設計成差動(dòng)結構，杰出的代表是瑞士Camille Bauer公司研制的角度位置變送器，其精度為0.5%，環(huán)境溫度范圍-20～+60℃，溫漂±0.2%/10℃。

1996年，Brasseur等人提出了一種新的電容式角位移傳感器的測量原理，稱(chēng)為比例測量原理，該原理同時(shí)具有比例特性和差動(dòng)特性，可以抵消相當程度的放大器增益誤差和系統誤差，且在一定范圍內能夠消除機械安裝誤差，從理論上克服了環(huán)境溫度變化對傳感器產(chǎn)生的不良影響，對溫度漂移具有很好地抑制作用，本研究在比例式電容測角原理的基礎上，設計了一種轉動(dòng)極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設計的數字電容式角位移傳感器，測量范圍180°;并針對快速變化的溫場(chǎng)，進(jìn)行了傳感器溫度特性測試，旨在通過(guò)實(shí)驗進(jìn)一步驗證基于該原理的角位移傳感器抑制溫度驟變的能力。

1 敏感元件的結構

測量范圍180°、轉動(dòng)極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設計的數字型角位移傳感器的敏感元件基本結構如圖1所示，由三塊同軸且平行的極板構成，即兩塊固定極板和一塊位于兩者之間的可自由轉動(dòng)的轉動(dòng)極板，兩固定極板分別稱(chēng)為發(fā)射電極和接收電極，其中發(fā)射極板分成等面積的8瓣，對頂角兩瓣電氣相連(圖1(a)中標號相同的分瓣，如C1與C1電氣相連，C2與C2等等);接收極板為-360°的圓形導電極板;轉動(dòng)極板由兩個(gè)等面積的對稱(chēng)葉片組成，葉片的圓心角為90°，轉動(dòng)極板的直徑大于發(fā)射極板，而發(fā)射極板的直徑又大于接收極板，此外，發(fā)射與接收極板的內外緣均設計有接地保護環(huán)(如圖1中A，B所示)，用于降低散射場(chǎng)的效應。傳感器轉軸與轉動(dòng)極板材質(zhì)相同，均為具有低膨脹系數的金屬材質(zhì)，且彼此電氣絕緣，即轉動(dòng)極板處于懸空狀態(tài)，其優(yōu)勢在于懸空設計的金屬轉動(dòng)極板不僅可以使得相同尺寸結構的敏感元件有效測量電容值和靈敏度得到提高，同時(shí)懸空設計的另一個(gè)直接作用是取代了電刷設計，消除了機械磨損，提高了可靠性，延長(cháng)了傳感器的使用壽命，為提高傳感器系統的抗干擾能力，將傳感器敏感元件與測量電路封裝在一個(gè)密閉的金屬殼體之中，發(fā)射極板和接收極板的相背面均覆銅接地，相對面內外側圓環(huán)亦覆銅接地構成保護環(huán)(如圖1中的A和B)。

圖1 電容敏感元件基本結構

(a)軸;(b)發(fā)射極板;(c)轉動(dòng)極板;(d)接收極板

2 測量原理

2.1 程控激勵模式

由于轉動(dòng)極板在發(fā)射極板和接收極板之間旋轉，因此發(fā)射極板與接收極板所組成的4個(gè)電容隨轉動(dòng)極板旋轉而變化，當一定模式的激勵施加在發(fā)射極板上時(shí)，這4個(gè)電容在接收極板上所產(chǎn)生的感應電荷也不同。

針對圖1敏感元件結構，本文給出比例式測量所需的激勵模式時(shí)序，如表1所示，表中C1、C2、C3、C4表示四對電容極板，P1、P2、P3、P4為4種激勵模式，表示不同時(shí)刻對分瓣電容極板施加不同的激勵，T1+T2為一個(gè)激勵周期，本研究中，由程序根據電荷檢測電路充放電時(shí)間常數、A/D轉換時(shí)間和采樣信號的穩定性判據，自動(dòng)控制4種模式的周期長(cháng)度，故又可稱(chēng)為程控激勵模式，當被選中單元施加激勵后，即T1開(kāi)始，產(chǎn)生的感生電荷流入電荷檢測電路，當充放電時(shí)間常數一定時(shí)，電荷檢測電路上的輸出電壓穩定，硬件濾波后，立即啟動(dòng)A/D進(jìn)行采樣(即氏D時(shí)刻開(kāi)始采樣)，為提高精度，采樣次數提高為n次，當n次AD采樣結束時(shí)，送入濾波單元*定咒次采樣信號的穩定性，若滿(mǎn)足*定指標要求，則通過(guò)單片機程序控制I/O單元，強迫中止對被測電容的選通，同時(shí)使被測電容發(fā)射極板上的激勵中斷，并強制拉回低電平，T1結束;而在T2時(shí)間內，激勵信號均為低電平，以降低功耗，設在瞬間激勵序列內，轉動(dòng)極板靜止且激勵電壓為常量U0或0，則在P1～P4模式下激勵，接收極板上產(chǎn)生的感應電荷分別為s、s-、c、c-以這種程控激勵模式的設計與原比例式電容角位移傳感器中的激勵模式相比，不僅充分節約了時(shí)間，提高了采樣精度，而且有效地降低了傳感器功耗。

表1 激勵方式和測定值的對應關(guān)系