一種新型非接觸式測量角度電容傳感器

一種新型非接觸式測量角度電容傳感器

0旋轉(zhuǎn)角度傳感器電氣表的基本工作原理是根據(jù)測量變量的變化來轉(zhuǎn)換電氣量變化的特點。以平行板電容器為例,當不考慮邊緣電場影響時,其電容量C為C=εrε0SδC=εrε0Sδ式中:εr為相對介電常數(shù);ε0為真空介電常數(shù),8.85×10-12F/m;S為極板相對覆蓋面積;δ為極板間的距離。板間的距離發(fā)生變化或極板間的介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化而使介電常數(shù)ε產(chǎn)生變化時(如介質(zhì)的溫度、濕度等參數(shù)發(fā)生變化時,均能導致介電常數(shù)的變化)都將引起電容量變化,故可據(jù)此測量物體的位移以及介質(zhì)的各種狀態(tài)參數(shù)。該角度傳感器是用來測量旋轉(zhuǎn)角度的,即在同一軸上的兩個定子與一個轉(zhuǎn)子所構(gòu)成的電容傳感器中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。其在工業(yè)電子領(lǐng)域中應用時,能夠在較為惡劣的環(huán)境中保持很好的工作性能,比如機器顫動、周圍過高或過低的環(huán)境溫度、潮濕骯臟的環(huán)境等,更重要的是,其本身的高測量精度和穩(wěn)定性以及良好的可靠性、自診斷能力均成為該傳感器區(qū)別于其他傳感器的最大優(yōu)點。尤其是在自動監(jiān)測系統(tǒng)中,這種低價位的傳感器能夠節(jié)省空間,并且能夠更容易地實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。實際上價格因素是最重要的開發(fā)原動力,而且電容傳感器作為一種測量手段仍然被廣泛使用著,例如在測量角度和速率時仍在使用電容傳感器作為主要測量手段,另外如果在實驗中要求低失敗率和高自診斷能力,那么作為測量評估系統(tǒng),通常會使用非接觸式的傳感器來達到這種目的,而電容傳感器可以滿足這樣一種要求。1旋轉(zhuǎn)電極的使用為使新型傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,選擇了指縫型設(shè)計結(jié)構(gòu)。兩個固定圓盤即電容傳感器的兩極都是圓形的,圍繞中心覆蓋的角度為0~360°,其中一極需要被分成9個扇形,平均每份40°;另外一極仍保持360°圓盤角度不變。兩個電極分別接入到后續(xù)電路之中,以便通過電路測量和最后換算得到改變的電容以及角度值。這個系統(tǒng)的中間旋轉(zhuǎn)電極包含兩個扇形狀且兩面均覆銅,這兩個扇形的角度為80°,即和發(fā)射極中兩個小扇形的角度之和相等。在使用中,將旋轉(zhuǎn)電極兩面打通,用導線將其連接起來,即可達到通路的目的,這樣就可以傳導接收信號至接收極了。因此,旋轉(zhuǎn)電極的角度位置決定了電容值即發(fā)射極與接收極之間的傳輸信號的強度。該系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。2工作原則2.1通用導線旋轉(zhuǎn)當旋轉(zhuǎn)電極轉(zhuǎn)動時,由于其兩面均覆銅并且被打通用導線連接在一起,因此其在旋轉(zhuǎn)過程中可以影響兩個固定電極間的間距,從而影響電容傳感器的電容值。2.2電容值的估計傳感器的發(fā)射極被分成9個扇形區(qū)域,這9個區(qū)域所形成的9個不同的電容值分別為CS1至CS9,在測量過程中,為了測量CSi需要測量其所對應的電壓值然后通過換算關(guān)系得到電容值的大小。在測量過程中,將傳感器接入后續(xù)電路中,當中間旋轉(zhuǎn)電極轉(zhuǎn)動時,由于其兩面均覆銅,因此當發(fā)射極發(fā)射信號,電極轉(zhuǎn)動到某一角度時,發(fā)射信號經(jīng)由電極傳到接收極,也就是說,隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動其接收的感應電荷的大小也將不斷變化,這個變化能夠影響電路中電壓變化量的大小,當電荷量變化時,其輸出電壓根據(jù)UQ=Kq(其中K為一個固定常量,其單位為V/C)得到,再經(jīng)由后續(xù)電路中放大及A/D轉(zhuǎn)換以及濾波的換算關(guān)系的處理,就可以得到電極轉(zhuǎn)過的絕對角度值φc.3后續(xù)電路設(shè)計電路設(shè)計分為5部分,包括信號放大電路、同相方波信號發(fā)生電路、開關(guān)控制乘法電路、低通濾波和放大電路。3.1傳感器及其它約束首先需要對待測的電容進行屏蔽處理,因為此時傳感器電容值很小,而如果待測環(huán)境溫度較高或周圍環(huán)境比較潮濕的時候,會影響測量精度,因此為了將測量電路與傳感器分開,可以采用驅(qū)動電纜技術(shù)。驅(qū)動電纜技術(shù)就是屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓。傳感器的一個電極經(jīng)引線電纜芯線接運算放大器的虛地點,電纜的屏蔽層接傳感器地,這時與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電容Cp/(1+A),因而大大減小了電纜電容的影響,外界干擾因屏蔽層接傳感器地而對芯線不起作用。傳感器的另一極接真正大地,以防止外電場的干擾。此處采用的是雙屏蔽層電纜,其外屏蔽層接大地,因而干擾影響更小。實際上這是一種不完全的電纜驅(qū)動技術(shù),然而盡管存在電纜寄生電容的影響,但因為所選擇的運算放大器的放大倍數(shù)已經(jīng)達到了所需要的要求,因此可以得到所需的測量精度。寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)影響傳感器靈敏度,對其進行屏蔽處理后將其產(chǎn)生的信號由運放進行放大,與另一路輸入的經(jīng)處理過的信號相乘,從而得到最終待測信號。3.2相角變化由信號發(fā)生器引出的信號為正弦信號,不能直接用于開關(guān)控制,必須首先轉(zhuǎn)換成同相方波信號。這一功能由連續(xù)可調(diào)移相器完成,即由一個運算放大器和簡單RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成即可,雖然結(jié)構(gòu)簡單,但其性能穩(wěn)定,相移精度比較高,如圖2所示。電位器的變化范圍為0~100kΩ.在這種電路中,得到的是相位超前的情況。電路的閉環(huán)增益為A=?R4R2+S(R3+R1)C11+S(R3+R1)C1(1+R4R2)A=-R4R2+S(R3+R1)C11+S(R3+R1)C1(1+R4R2)以S=jω代入上式,則得到A=?R4R2+jω(R3+R1)C11+jω(R3+R1)C1(1+R4R2)A=-R4R2+jω(R3+R1)C11+jω(R3+R1)C1(1+R4R2)可改寫成A=?R4R2+ω2(R3+R1)2C211+ω2(R3+R1)2C21(1+R4R2)+jω(R3+R1)C11+ω2(R3+R1)2C21(1+R4R2)A=-R4R2+ω2(R3+R1)2C121+ω2(R3+R1)2C12(1+R4R2)+jω(R3+R1)C11+ω2(R3+R1)2C12(1+R4R2)選擇適當?shù)腞2和R4的值,就可以得到所需的相角變化范圍,取R1的最大值為100kΩ,這時相角變化范圍為40°~170°。這樣就滿足了信號傳輸過程中的相位變化的需求。3.3定頻定頻的同頻共振信號增強將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是該測量電路的一項重要任務(wù)。選用了開關(guān)式相乘控制電路以達到該測量目的。用信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為20kHz左右的正旋波作為載波信號,當上述移相電路對輸入的信號進行移相后,需要對已經(jīng)得到的移相電路由開關(guān)電路控制,得到方波門控信號,來產(chǎn)生載波信號調(diào)制Cx(接入電路的待測電容值)經(jīng)放大器后得到的信號,然后經(jīng)乘法器對待測信號進行調(diào)幅式調(diào)制,這樣可以在更精確的限度內(nèi)區(qū)分信號與噪聲。在這段電路設(shè)計中,采用施密特觸發(fā)器40106對信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號進行處理,得到兩路相位相反的方波信號,然后經(jīng)由4066芯片實現(xiàn)半波調(diào)制信號。3.4低通濾波開發(fā)電路由于實驗中所獲得數(shù)據(jù)均為低頻成分,因此選用低通濾波電路來削弱高頻諧波或頻率較高的干擾和噪聲,允許低頻信號通過,將高頻信號衰減。4旋轉(zhuǎn)電極接入電路采用直流穩(wěn)壓電源5V作為供電電源,取信號發(fā)生器中20kHz正弦波為信號源,然后將待測電容傳感器接入電路中,低速旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)電極,由示波器讀出信號變化量,得到電路最終的輸出值,最后根據(jù)電路特點計算出待測電容值。待測電容接入電路的方式如下:因為發(fā)射極被分為9個扇形,那么將其中一個小扇形接入待測電路中,以其所在扇形的一邊為起始點,即為開始測量的0°角度值,此時低速轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)電極,當它的一個扇形轉(zhuǎn)到與發(fā)射極的0°起始點相重合時,開始記錄數(shù)據(jù),每隔5°采1個數(shù)據(jù)值,直至旋轉(zhuǎn)電極的扇形轉(zhuǎn)出發(fā)射極接入電路的扇形為止。從表1看出,當中間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到傳感器9個扇形中接入電路的扇形時,示波器顯示電壓值的變化,經(jīng)計算可得電容量也在發(fā)生變化(其中不變化的那段值是由于發(fā)射極接入電路的這個扇形已經(jīng)被旋轉(zhuǎn)電極扇形全部包含在其所在的角度中)。在實際測量中,可以將電極接在發(fā)射極任何一個扇形上,按照上述相同的方法得到電容的變化量值。5測量低轉(zhuǎn)速角速度,這是一個比較好的測量轉(zhuǎn)速一個從汽車等制造業(yè)發(fā)展的一個好該新型低價位非接觸式測角