一种新型非接触式测量角度电容传感器

一种新型非接触式测量角度电容传感器

0旋转角度传感器电气表的基本工作原理是根据测量变量的变化来转换电气量变化的特点。以平行板电容器为例,当不考虑边缘电场影响时,其电容量C为C=εrε0SδC=εrε0Sδ式中:εr为相对介电常数;ε0为真空介电常数,8.85×10-12F/m;S为极板相对覆盖面积;δ为极板间的距离。板间的距离发生变化或极板间的介质状态参数发生变化而使介电常数ε产生变化时(如介质的温度、湿度等参数发生变化时,均能导致介电常数的变化)都将引起电容量变化,故可据此测量物体的位移以及介质的各种状态参数。该角度传感器是用来测量旋转角度的,即在同一轴上的两个定子与一个转子所构成的电容传感器中转子的旋转角度。其在工业电子领域中应用时,能够在较为恶劣的环境中保持很好的工作性能,比如机器颤动、周围过高或过低的环境温度、潮湿肮脏的环境等,更重要的是,其本身的高测量精度和稳定性以及良好的可靠性、自诊断能力均成为该传感器区别于其他传感器的最大优点。尤其是在自动监测系统中,这种低价位的传感器能够节省空间,并且能够更容易地实现模数转换功能。实际上价格因素是最重要的开发原动力,而且电容传感器作为一种测量手段仍然被广泛使用着,例如在测量角度和速率时仍在使用电容传感器作为主要测量手段,另外如果在实验中要求低失败率和高自诊断能力,那么作为测量评估系统,通常会使用非接触式的传感器来达到这种目的,而电容传感器可以满足这样一种要求。1旋转电极的使用为使新型传感器的结构简单,选择了指缝型设计结构。两个固定圆盘即电容传感器的两极都是圆形的,围绕中心覆盖的角度为0~360°,其中一极需要被分成9个扇形,平均每份40°;另外一极仍保持360°圆盘角度不变。两个电极分别接入到后续电路之中,以便通过电路测量和最后换算得到改变的电容以及角度值。这个系统的中间旋转电极包含两个扇形状且两面均覆铜,这两个扇形的角度为80°,即和发射极中两个小扇形的角度之和相等。在使用中,将旋转电极两面打通,用导线将其连接起来,即可达到通路的目的,这样就可以传导接收信号至接收极了。因此,旋转电极的角度位置决定了电容值即发射极与接收极之间的传输信号的强度。该系统具体结构如图1所示。2工作原则2.1通用导线旋转当旋转电极转动时,由于其两面均覆铜并且被打通用导线连接在一起,因此其在旋转过程中可以影响两个固定电极间的间距,从而影响电容传感器的电容值。2.2电容值的估计传感器的发射极被分成9个扇形区域,这9个区域所形成的9个不同的电容值分别为CS1至CS9,在测量过程中,为了测量CSi需要测量其所对应的电压值然后通过换算关系得到电容值的大小。在测量过程中,将传感器接入后续电路中,当中间旋转电极转动时,由于其两面均覆铜,因此当发射极发射信号,电极转动到某一角度时,发射信号经由电极传到接收极,也就是说,随着转子的转动其接收的感应电荷的大小也将不断变化,这个变化能够影响电路中电压变化量的大小,当电荷量变化时,其输出电压根据UQ=Kq(其中K为一个固定常量,其单位为V/C)得到,再经由后续电路中放大及A/D转换以及滤波的换算关系的处理,就可以得到电极转过的绝对角度值φc.3后续电路设计电路设计分为5部分,包括信号放大电路、同相方波信号发生电路、开关控制乘法电路、低通滤波和放大电路。3.1传感器及其它约束首先需要对待测的电容进行屏蔽处理,因为此时传感器电容值很小,而如果待测环境温度较高或周围环境比较潮湿的时候,会影响测量精度,因此为了将测量电路与传感器分开,可以采用驱动电缆技术。驱动电缆技术就是屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压。传感器的一个电极经引线电缆芯线接运算放大器的虚地点,电缆的屏蔽层接传感器地,这时与传感器电容相并联的为等效电容Cp/(1+A),因而大大减小了电缆电容的影响,外界干扰因屏蔽层接传感器地而对芯线不起作用。传感器的另一极接真正大地,以防止外电场的干扰。此处采用的是双屏蔽层电缆,其外屏蔽层接大地,因而干扰影响更小。实际上这是一种不完全的电缆驱动技术,然而尽管存在电缆寄生电容的影响,但因为所选择的运算放大器的放大倍数已经达到了所需要的要求,因此可以得到所需的测量精度。寄生电容与传感器电容相并联影响传感器灵敏度,对其进行屏蔽处理后将其产生的信号由运放进行放大,与另一路输入的经处理过的信号相乘,从而得到最终待测信号。3.2相角变化由信号发生器引出的信号为正弦信号,不能直接用于开关控制,必须首先转换成同相方波信号。这一功能由连续可调移相器完成,即由一个运算放大器和简单RC网络构成即可,虽然结构简单,但其性能稳定,相移精度比较高,如图2所示。电位器的变化范围为0~100kΩ.在这种电路中,得到的是相位超前的情况。电路的闭环增益为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,则得到A=−R4R2+jω(R3+R1)C11+jω(R3+R1)C1(1+R4R2)A=-R4R2+jω(R3+R1)C11+jω(R3+R1)C1(1+R4R2)可改写成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)选择适当的R2和R4的值,就可以得到所需的相角变化范围,取R1的最大值为100kΩ,这时相角变化范围为40°~170°。这样就满足了信号传输过程中的相位变化的需求。3.3定频定频的同频共振信号增强将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是该测量电路的一项重要任务。选用了开关式相乘控制电路以达到该测量目的。用信号发生器产生频率为20kHz左右的正旋波作为载波信号,当上述移相电路对输入的信号进行移相后,需要对已经得到的移相电路由开关电路控制,得到方波门控信号,来产生载波信号调制Cx(接入电路的待测电容值)经放大器后得到的信号,然后经乘法器对待测信号进行调幅式调制,这样可以在更精确的限度内区分信号与噪声。在这段电路设计中,采用施密特触发器40106对信号发生器产生的正弦波信号进行处理,得到两路相位相反的方波信号,然后经由4066芯片实现半波调制信号。3.4低通滤波开发电路由于实验中所获得数据均为低频成分,因此选用低通滤波电路来削弱高频谐波或频率较高的干扰和噪声,允许低频信号通过,将高频信号衰减。4旋转电极接入电路采用直流稳压电源5V作为供电电源,取信号发生器中20kHz正弦波为信号源,然后将待测电容传感器接入电路中,低速旋转旋转电极,由示波器读出信号变化量,得到电路最终的输出值,最后根据电路特点计算出待测电容值。待测电容接入电路的方式如下:因为发射极被分为9个扇形,那么将其中一个小扇形接入待测电路中,以其所在扇形的一边为起始点,即为开始测量的0°角度值,此时低速转动旋转电极,当它的一个扇形转到与发射极的0°起始点相重合时,开始记录数据,每隔5°采1个数据值,直至旋转电极的扇形转出发射极接入电路的扇形为止。从表1看出,当中间转子转到传感器9个扇形中接入电路的扇形时,示波器显示电压值的变化,经计算可得电容量也在发生变化(其中不变化的那段值是由于发射极接入电路的这个扇形已经被旋转电极扇形全部包含在其所在的角度中)。在实际测量中,可以将电极接在发射极任何一个扇形上,按照上述相同的方法得到电容的变化量值。5测量低转速角速度,这是一个比较好的测量转速一个从汽车等制造业发展的一个好该新型低价位非接触式测角