轉(zhuǎn)動極板懸空設(shè)計的數(shù)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(zhuǎn)動部件(轉(zhuǎn)子)之間的旋轉(zhuǎn)角度，因其具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，靈敏度高，適合動態(tài)測量等特點，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制、汽車、航天及軍事等角度定位監(jiān)測領(lǐng)域，一般來說，電容式角位移傳感器由一組或若干組扇形固定極板和轉(zhuǎn)動極板組成，為保證傳感器的精度和靈敏度，同時避免因環(huán)境溫度等因素的改變導致介電常數(shù)、極板形狀等的間接變化，進而對傳感器性能產(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(nèi)外科學工作者進行了長期的大量研究工作，其主要思想方法是將傳感器設(shè)計成差動結(jié)構(gòu)，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，稱為比例測量原理，該原理同時具有比例特性和差動特性，可以抵消相當程度的放大器增益誤差和系統(tǒng)誤差，且在一定范圍內(nèi)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(chǔ)上，設(shè)計了一種轉(zhuǎn)動極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計的數(shù)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，進行了傳感器溫度特性測試，旨在通過實驗進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(jié)構(gòu)

測量范圍180°、轉(zhuǎn)動極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計的數(shù)字型角位移傳感器的敏感元件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由三塊同軸且平行的極板構(gòu)成，即兩塊固定極板和一塊位于兩者之間的可自由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動極板，兩固定極板分別稱為發(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(zhuǎn)動極板由兩個等面積的對稱葉片組成，葉片的圓心角為90°，轉(zhuǎn)動極板的直徑大于發(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(nèi)外緣均設(shè)計有接地保護環(huán)(如圖1中A，B所示)，用于降低散射場的效應(yīng)。傳感器轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動極板材質(zhì)相同，均為具有低膨脹系數(shù)的金屬材質(zhì)，且彼此電氣絕緣，即轉(zhuǎn)動極板處于懸空狀態(tài)，其優(yōu)勢在于懸空設(shè)計的金屬轉(zhuǎn)動極板不僅可以使得相同尺寸結(jié)構(gòu)的敏感元件有效測量電容值和靈敏度得到提高，同時懸空設(shè)計的另一個直接作用是取代了電刷設(shè)計，消除了機械磨損，提高了可靠性，延長了傳感器的使用壽命，為提高傳感器系統(tǒng)的抗干擾能力，將傳感器敏感元件與測量電路封裝在一個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(nèi)外側(cè)圓環(huán)亦覆銅接地構(gòu)成保護環(huán)(如圖1中的A和B)。

圖1 電容敏感元件基本結(jié)構(gòu)

(a)軸;(b)發(fā)射極板;(c)轉(zhuǎn)動極板;(d)接收極板

2 測量原理

2.1 程控激勵模式

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

針對圖1敏感元件結(jié)構(gòu)，本文給出比例式測量所需的激勵模式時序，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，表示不同時刻對分瓣電容極板施加不同的激勵，T1+T2為一個激勵周期，本研究中，由程序根據(jù)電荷檢測電路充放電時間常數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換時間和采樣信號的穩(wěn)定性判據(jù)，自動控制4種模式的周期長度，故又可稱為程控激勵模式，當被選中單元施加激勵后，即T1開始，產(chǎn)生的感生電荷流入電荷檢測電路，當充放電時間常數(shù)一定時，電荷檢測電路上的輸出電壓穩(wěn)定，硬件濾波后，立即啟動A/D進行采樣(即氏D時刻開始采樣)，為提高精度，采樣次數(shù)提高為n次，當n次AD采樣結(jié)束時，送入濾波單元*定咒次采樣信號的穩(wěn)定性，若滿足*定指標要求，則通過單片機程序控制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(jié)束;而在T2時間內(nèi)，激勵信號均為低電平，以降低功耗，設(shè)在瞬間激勵序列內(nèi)，轉(zhuǎn)動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(yīng)電荷分別為s、s-、c、c-以這種程控激勵模式的設(shè)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(jié)約了時間，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(yīng)關(guān)系