摘要：設(shè)計(jì)了一種新型的電容式角度傳感器，并利用電容式信號轉(zhuǎn)換集成電路CAV424和電壓一電流轉(zhuǎn)換接口電路AM402，將電容傳感器信號轉(zhuǎn)化為4—20 mA標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)電流輸出。該系統(tǒng)能夠有效地降低干擾和測量誤差，在0—90°的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對角度的精確測量，得到線性度良好的直流電流量輸出。

　　0 引言

　　傳統(tǒng)的差動(dòng)式電容角度傳感器測量角度有限，動(dòng)片與外界有直接的電氣連接，其電極要分別從動(dòng)片和靜片引出。從動(dòng)片引出電極通常采用軸承、卡子或者金屬張絲的方法，在動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，不但轉(zhuǎn)軸之間存在摩擦，而且容易造成引出線與動(dòng)片轉(zhuǎn)軸之間接觸不良，出現(xiàn)機(jī)械故障，引入干擾和誤差，影響測量精度。所以，設(shè)計(jì)了新型的電容式角度傳感器，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，克服了傳統(tǒng)差動(dòng)式電容角度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的缺陷。

　　1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　該傳感器系統(tǒng)采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1(a)所示。其中動(dòng)片由2片張角為90°的相對的扇形金屬板組成，金屬板中間部分相連；而靜片由2塊張角為90°、中間部分分開的扇形金屬板構(gòu)成，電極分別從兩靜片引出，作為傳感器的信號輸出端。本質(zhì)上，這種新結(jié)構(gòu)的電容式角度傳感器相當(dāng)于2個(gè)可變電容的串聯(lián)，電容的串聯(lián)值隨動(dòng)片金屬極板與定片金屬極板之間相對角度的變化而變化。從靜片引出電極的設(shè)計(jì)方式引線方便，有利于動(dòng)片相對于靜片的角度變化，而且動(dòng)片與外界無電氣連接，避免了測量過程中由于轉(zhuǎn)動(dòng)引起的摩擦和機(jī)械故障，從而真正實(shí)現(xiàn)了無接觸式測量，提高了測量精度，其等效電路如圖1(b)所示。

 

　　2 基本原理

　　電容傳感器的基本原理是基于物體之間的電容量與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。對于平板電容器，若平行板無限大，忽略其邊緣效應(yīng)，其電容量公式表示為：

　　由式(1)可知介電常數(shù)、極板相對面積或極板間距的變化都可反映為電容值的變化。故可以用此原理測量物體的位移，物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)等。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，設(shè)此電容式角度傳感器靜片的半徑為R，轉(zhuǎn)動(dòng)片與靜片之間的距離(即極板間距)為d，空氣的介電常數(shù)為En，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，每個(gè)張角為90~的轉(zhuǎn)動(dòng)片與靜片相對面積的變化量為△s．初始狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)片與靜片相對面積為零，則△S1=△S2=△s．因?yàn)椋?/p>

 

　　總的電容變化量為：

 

　　設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)片從初始位置開始，相對于靜片轉(zhuǎn)過的角度為口，當(dāng)

　　由式(4)～式(7)可知，電容變化量是隨角度變化周期性變化的，在0～3印。內(nèi)的每個(gè)象限，電容的變化量與角度變化量0都成線性關(guān)系，變化量最大為：

　　3 電容信號測量及其轉(zhuǎn)化電路

　　3．1 電容一電壓轉(zhuǎn)犢電路CAV424

　　CAV424是一種多用途的處理各種電容式傳感器信號轉(zhuǎn)換的集成電路，能夠?qū)㈦娙菪盘栟D(zhuǎn)換成電壓信號。它同時(shí)具有信號采集(相對電容量的變化)、處理和差分電壓輸出的功能，能夠測量出被測電容和參考電容的差值，即在相對于參考電容值(10 PF～2 nF)5％ ～100％的變化范圍內(nèi)的電容值，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的差分電壓輸出，具有高檢測靈敏度；同時(shí)它還集成了內(nèi)置溫度傳感器，當(dāng)需要數(shù)字化信號修正時(shí)可直接用來監(jiān)測溫度。利用CAV424作為電容傳感器的調(diào)理電路，可克服寄生電容和環(huán)境變化的影響，提高了測量精度和抗干擾能力。同時(shí)傳感器外接元件較少，處理電路比較簡單，儀器體積小。

　　3．2 電壓一電流轉(zhuǎn)換電路AM402

　　AM402是處理差分信號輸入、電流輸出接口的集成電路，可以將輸入的微弱的傳感器差動(dòng)電壓信號轉(zhuǎn)換成符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的二線方式輸出(4～20 mA)或者三線方式輸出(0／4～20 mA)的電流信號。AM402由3個(gè)基本的單元組成：

　　(1)高精度的前置放大器。其具有較大的增益調(diào)節(jié)范圍，適合于不同的信號輸入范圍，可用于各種不同變化范圍的傳感器信號處理。

　　(2)由電壓控制的電流輸出級。通過調(diào)整偏置電壓可以使輸出電流在較寬的范圍內(nèi)可調(diào)。

　　(3)可調(diào)的參考電壓?？蔀閭鞲衅骰蛘咄獠吭峁? V或10 V的電壓。

　　該電容式角度傳感器的實(shí)際測量電路如圖2所示，其中可變電容C1和 C2的串聯(lián)部分為電容傳感器等效電路部分。

圖2 電容信號測量電路

　　4 實(shí)驗(yàn)與分析

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，根據(jù)AM402三線制輸出電流的取值范圍，調(diào)節(jié)電容傳感器信號轉(zhuǎn)換集成電路芯片CAV424的外接元件，使其輸出的差分電壓值為0～200 mV，即輸入到電壓一電流轉(zhuǎn)換接口電路AM402的電壓值為0～200 mV，而AM402采用三線制輸出方式，其輸出電流范圍為4～20 mA．根據(jù)前述的理論推導(dǎo)可知，在實(shí)際應(yīng)用中，角度傳感器只適合取用0～ 2/π范圍內(nèi)電流輸出隨角度的增大而增大的線性變化區(qū)域，故在測量過程中，只測量0-2/π內(nèi)電流隨角度變化的輸出情況。通過負(fù)載的二電流輸出隨角度變化的測量結(jié)果如表1所示。根據(jù)最-'b~-乘法原理，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到一階最佳線性擬合曲線，如圖3所示，曲線擬合度為0．997 3，非常接近于1，可見曲線擬合度較好。由圖3可以看出：輸出電流的實(shí)際測量值， 與角度變化量0成線性關(guān)系。曲線通式為：

　　式中：Iout為輸出電流；0為傳感器角度變化量。

 

圖3 單片機(jī)程序

　　結(jié)果表明實(shí)際測量值跟理論值基本吻合，與擬合曲線非常接近；在所測轉(zhuǎn)角0～90~范圍內(nèi)，Iout呈線性輸出。

表1 電流輸出與角度變化關(guān)系：

 

　　圖3 輸出電流與角度變化的擬合關(guān)系曲線：

圖4輸出電流與角度變化的擬合關(guān)系曲線

　　5 討論

　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：擬合曲線與實(shí)際測量值相比，輸出的初始電流值略小于4 mA．這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中，要根據(jù)實(shí)際輸出的電流值，對集成電路AM402進(jìn)行調(diào)整，使其初始狀態(tài)偏置電流 為4 mA，在調(diào)整過程中，傳感器本身要受到周圍環(huán)境中存在的寄生電容的干擾和調(diào)節(jié)過程中人體本身對傳感器的影響，因而對初始值的測量結(jié)果造成誤差。而且，電容傳感器信號轉(zhuǎn)化為電壓的電路CAV424也存在一定的環(huán)境干擾和誤差，輸出的差分電壓經(jīng)AM402內(nèi)部的前置放大器部分放大，會(huì)對輸出電流值造成影響。

　　6 結(jié)束語

　　新型的電容式角度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，能夠測得0 90~的角度變化。通過CAV424以及AM402，可以將電容的變化信號轉(zhuǎn)化成工業(yè)上通用的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)的電流輸出。實(shí)驗(yàn)得到了比較理想的線性輸出的直流電流信號，可廣泛用于實(shí)際角度測量以及自動(dòng)控制等領(lǐng)域。通過對傳感器本身及其外接元件采取屏蔽措施，可以有效減少外界干擾對系統(tǒng)的干擾，從而減小測量誤差。