轉(zhuǎn)動(dòng)極板懸空設(shè)計(jì)的數(shù)字電容角位移傳感器及其溫度特性測(cè)試

電容式角位移傳感器用于測(cè)量固定部件(定子)與轉(zhuǎn)動(dòng)部件(轉(zhuǎn)子)之間的旋轉(zhuǎn)角度，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，靈敏度高，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、汽車、航天及軍事等角度定位監(jiān)測(cè)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(zhuǎn)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(dǎo)致介電常數(shù)、極板形狀等的間接變化，進(jìn)而對(duì)傳感器性能產(chǎn)生不利影響，對(duì)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(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者進(jìn)行了長(zhǎng)期的大量研究工作，其主要思想方法是將傳感器設(shè)計(jì)成差動(dòng)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(cè)量原理，稱為比例測(cè)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(dāng)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(jī)械安裝誤差，從理論上克服了環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器產(chǎn)生的不良影響，對(duì)溫度漂移具有很好地抑制作用，本研究在比例式電容測(cè)角原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)動(dòng)極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計(jì)的數(shù)字電容式角位移傳感器，測(cè)量范圍180°;并針對(duì)快速變化的溫場(chǎng)，進(jìn)行了傳感器溫度特性測(cè)試，旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)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(cè)量范圍180°、轉(zhuǎn)動(dòng)極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計(jì)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(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)頂角兩瓣電氣相連(圖1(a)中標(biāo)號(hào)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(dǎo)電極板;轉(zhuǎn)動(dòng)極板由兩個(gè)等面積的對(duì)稱葉片組成，葉片的圓心角為90°，轉(zhuǎn)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(nèi)外緣均設(shè)計(jì)有接地保護(hù)環(huán)(如圖1中A，B所示)，用于降低散射場(chǎng)的效應(yīng)。傳感器轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)極板處于懸空狀態(tài)，其優(yōu)勢(shì)在于懸空設(shè)計(jì)的金屬轉(zhuǎn)動(dòng)極板不僅可以使得相同尺寸結(jié)構(gòu)的敏感元件有效測(cè)量電容值和靈敏度得到提高，同時(shí)懸空設(shè)計(jì)的另一個(gè)直接作用是取代了電刷設(shè)計(jì)，消除了機(jī)械磨損，提高了可靠性，延長(zhǎng)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(cè)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(duì)面內(nèi)外側(cè)圓環(huán)亦覆銅接地構(gòu)成保護(hù)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(dòng)極板;(d)接收極板

2 測(cè)量原理

2.1 程控激勵(lì)模式

由于轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)電容隨轉(zhuǎn)動(dòng)極板旋轉(zhuǎn)而變化，當(dāng)一定模式的激勵(lì)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(yīng)電荷也不同。

針對(duì)圖1敏感元件結(jié)構(gòu)，本文給出比例式測(cè)量所需的激勵(lì)模式時(shí)序，如表1所示，表中C1、C2、C3、C4表示四對(duì)電容極板，P1、P2、P3、P4為4種激勵(lì)模式，表示不同時(shí)刻對(duì)分瓣電容極板施加不同的激勵(lì)，T1+T2為一個(gè)激勵(lì)周期，本研究中，由程序根據(jù)電荷檢測(cè)電路充放電時(shí)間常數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間和采樣信號(hào)的穩(wěn)定性判據(jù)，自動(dòng)控制4種模式的周期長(zhǎng)度，故又可稱為程控激勵(lì)模式，當(dāng)被選中單元施加激勵(lì)后，即T1開(kāi)始，產(chǎn)生的感生電荷流入電荷檢測(cè)電路，當(dāng)充放電時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，電荷檢測(cè)電路上的輸出電壓穩(wěn)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(shù)提高為n次，當(dāng)n次AD采樣結(jié)束時(shí)，送入濾波單元*定咒次采樣信號(hào)的穩(wěn)定性，若滿足*定指標(biāo)要求，則通過(guò)單片機(jī)程序控制I/O單元，強(qiáng)迫中止對(duì)被測(cè)電容的選通，同時(shí)使被測(cè)電容發(fā)射極板上的激勵(lì)中斷，并強(qiáng)制拉回低電平，T1結(jié)束;而在T2時(shí)間內(nèi)，激勵(lì)信號(hào)均為低電平，以降低功耗，設(shè)在瞬間激勵(lì)序列內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)極板靜止且激勵(lì)電壓為常量U0或0，則在P1～P4模式下激勵(lì)，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(lì)模式的設(shè)計(jì)與原比例式電容角位移傳感器中的激勵(lì)模式相比，不僅充分節(jié)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(lì)方式和測(cè)定值的對(duì)應(yīng)關(guān)系