一种电容式角位移变送器的研究

　　1引言

　　在工业应用中，存在许多有关角位移的测量，有的控制和角度精确的测量密不可分，因此角位移变送器的研究至关重要。传统的角位移变送器用于测量固定部件(习惯称定子)和转动部件(习惯称转子)之间的旋转角度，大体分为接触式和非接触式两大类。非接触式角位移变送器应用电场、磁场和光学原理测定定子和转子之间的夹角，其相对于接触式角位移变送器来说，不存在机械接触因而无磨损，尤其在频繁使用的工业电子领域，必须具备抗恶劣环境的能力，如对抗震动、温度的大幅变化、灰尘、潮湿等的适应能力。此外作为高性能的变送器还必须具备高精度、高分辨率及可靠性等特性。电容由于其结构简单和低功耗而逐渐越来越多地应用于位置变送器作为传感元件。电容角位移变送器是非接触式的，它具有耐磨损、精确度高等优点。针对这点这里叙述了一种精确的电容角位移变送器。

　　2电容角位移变送器的研究

　　电容式角位移传感器常常设计为差动式，它利用两定极板和动极板产生差动式电容，此电容与机械连杆旋转角度成正比，但散射场、漏电流、几何尺寸误差导致较大影响。为提高线性度，在传统设计方案中，往往通过复杂的驱动电极，通以正弦驱动电压达到设计目的，结果使得传感器的精度降低。边缘效应和机械误差是其非精确性的主要原因。为减小电场边缘效应，通常利用保护电极。然而，保护电极并不能彻底消除电场边缘效应的影响，因此电场边缘效应仍然是产生电容式位移传感器非线性的主要原因之一。为了减小机械误差，诸如非平坦性、倾斜性、电极偏心，可将传感器设计为对称性和冗余特性的结构。

　　本文给出一种具有较好鲁棒性的高精度低成本的电容角位移传感器。

　　图1为电容敏感元件拓扑结构示意图。主要由3个同轴且彼此平行的极板组成:固定的分瓣式导电圆盘发射极板;固定的导电圆盘接收极板;可转动的金属分瓣转动极板。

　　这3个同轴且彼此严格平行的极板中心通过转轴，并使动极板和转轴一起转动。为保证动极板在固定的极板中能灵活自由转动，相对间隙应尽可能小，装配时，在转轴上装有两个滚动轴承。将发射极板分割成面积相等但彼此间电气隔离的6个扇形单元S1~S6，每瓣近似为60 ⁰，相邻扇形单元的间隙尽可能小，以获得较大的电容量;接收极板接收来自发射极板的感生电荷，实际设计过程中，发射与接收极板内部和外部都有接地保护环，以屏蔽电磁干扰;转动极板为3个角度相同(60 ⁰)间隔相同(60 ⁰ )的金属扇形叶片组成。动极板叶片转动的角度θ决定了发射极板和接收极板之间6个电容值及相应感生电荷的大小。也就决定了发射极板和接收极板之间产生的电容。