秦玉偉， 胡濤成

（1.渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南 714099； 2.天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院，天津 300387）

角度傳感器廣泛應用于儀器儀表制造、液體成分分析、厚度測量以及坡度檢測等諸多領域［1-4］. 常見的角度傳感器有非繞線電位器式、自整角機式、霍爾式、電解式、電容式等幾類［5-8］. 電容式角度傳感器具有結構簡單、能耗低、動態(tài)響應速度快和穩(wěn)定性好等優(yōu)點［9-11］. 傳統的電容角度傳感器利用極板相對面積的改變實現角位移的測量，受外部環(huán)境影響大、輸出線性度低；結構設計上，通常在傳感器產生相對角位移的兩塊轉動極板引出電極，測量角度范圍受限，測量過程容易造成接觸不良，引起電氣故障［12-16］. 為了克服上述缺陷，設計了一種區(qū)別于傳統的電容角度傳感器，并采用CAV444芯片進行信號處理，可實現真正意義上的無接觸式的角度測量，能夠提高傳感器的可靠性以及性價比，減少周圍電路和工作環(huán)境的影響，延長傳感器的使用壽命.

1 結構設計

傳感器由極板A、極板B、轉軸和屏蔽外殼等部分構成，其中A、B極板由特殊處理的兩塊覆銅板構成，且平行放置，極板間距極小. A、B極板陰影部分為覆銅，覆銅部分兩個張角為90°扇形，其余部分經腐蝕處理，無覆銅，結構如圖1所示.

圖1 角度傳感器結構Fig.1 Structure of the angle sensor

動極板A中心部分連接（連接點為M）電極線，其背部固定轉軸并通過軸承連接；定極板B 固定在屏蔽外殼底部，中心部分不連接，兩電極分別從其的兩端引出. 傳感器屏蔽外殼由覆銅板組成，上部開口嵌入軸承，并引出轉軸，通過轉軸使動極板A產生角位移. 通過改變極板的相對面積來改變電容值，從而就可以計算出旋轉的角度. 該結構可以等效為兩個電容C1、C2的串聯，如圖2所示.

通過對等效電容值的檢測，就可以得知傳感器的角度變化值. 該無接觸式電容角度傳感器的結構進行了優(yōu)化，兩根引出線固定不變，減少了機械摩擦，提高了測量精度和傳感器的使用壽命，增強了系統穩(wěn)定性.

圖2 等效電路Fig.2 Equivalent circuit

2 工作原理

當旋轉動極板A時，動極板A和定極板B之間的相對面積會發(fā)生改變，傳感器等效電容值發(fā)生相應的改變. 當兩個相互平行的極板A、B接近于無限大的時候，可以忽略其邊緣對傳感器自身造成的影響［17-18］. 因此，電容量的公式可以近似地表示為：

式中：ε0為真空中的介電常數；εr為相對介電常數（本設計中，板間物質為空氣，值為1）；s 為兩極板的相對面積；d 為兩極板間距. 假設電容角度傳感器的兩極板A、B之間的半徑都是R，距離為d . 當A旋轉時，相對面積變化量記為Δs，兩極板的初始位置相對面積為零，得到如下的關系式：

總電容變化量ΔC 為：

由此可得，隨著極板A的轉動，兩極板所對應的角度改變時，從而引起其所對應的面積和電容發(fā)生周期性變化. 轉動角θ 在四個不同的象限變化時，引起的角度和電容的變化量都是有一定關系的，在保持傳感器形狀和極板間距不變的情況下，電容值變化與角度變化呈線性關系. 另外，可以求出該傳感器引起的電容的變化量ΔC 最大值為：

3 信號處理

電容角度傳感器信號處理主要由CAV444電容電壓轉換電路、放大電路、A/D轉換電路和顯示電路部分組成. CAV444將電容的變化量轉換為差分電壓輸出，經過OP07構成的儀用放大電路進行放大后，得到與角度變化呈線性關系的輸出電壓，并經A/D轉換電路和單片機STC89C52處理，最終顯示測量結果.

3.1 電容-電壓轉換集成電路CAV444

電容-電壓轉換電路采用芯片CAV444直接測量電容傳感器的電容變化并將其轉換成相應的線性電壓輸出. CAV444是一個可測量多種電容傳感器信號的線性轉換比例電壓輸出的接口集成電路，具有信號采集、處理和差分電壓輸出的功能［19］. 該芯片測量范圍寬，可測量范圍為19～2200 pF，并按一定的比例關系輸出連續(xù)的電壓值. CAV444 內部集成了溫度傳感器、測量振蕩器、頻率電壓轉化電路、低通濾波器、輸出級（阻抗轉化和放大）以及內置電源，靈活地解決了傳統振蕩法使用獨立元器件的精確度高但線性度低的問題，消除了電路雜散電容所帶來的影響［20］. 該芯片內部集成的溫度傳感器，有效地降低了外部環(huán)境對芯片正常工作的影響. 該芯片附加了一個Excel校準軟件kali_CAV444.xls，既提高了輸出電壓的校準效率，又便于快速準確地選取元器件的型號. CAV444的原理圖如圖3所示.

圖3 CAV444工作原理圖Fig.3 Principle circuit diagram of CAV444

CAV444測量的電容值ΔCm=CM,max-CM,min和電壓輸出信號之間具有線性關系，其中CM,min表示CM的本底電容值，CM,max表示電容傳感器的最大電容值［19］. 輸出的差分電壓信號與輸出電壓與內置的參考恒壓源VREF相聯系. 差分電壓輸出可直接連接到A/D轉換電路上，模擬電路系統測量分辨率只與電路本身的噪聲有關，可以利用集成電路內置的溫度傳感器和單片機組成一個可以數字校準的電路系統. CAV444芯片的12引腳和被測量的電容（電容角度傳感器）相連，當按一定的規(guī)律對CM充放電后，就會產生一個波形和幅值恒定的三角波，該三角波的頻率和芯片內部的測量振蕩器的頻率基本保持一致，同時和CM呈線性關系. 內置頻率/電壓變換電路將頻率轉換為電壓信號，并送到下一級低通濾波器濾波處理，最后輸出一個直流電壓信號. 通過零點和滿度可調的輸出級，即通過調節(jié)電阻R1得到所需要的電壓輸出值，輸出電壓與內置2.5 V的參考電壓VREF形成差分電壓輸出VDIFF.

3.2 放大電路

本設計中，由于集成電路CAV444 輸出的差分電壓幅值過小，因此采用放大電路處理得到的電壓信號，利于后續(xù)采集，放大電路如圖4所示.

該放大電路由三個OP07 組成，分別記為運算放大器A1、A2和A3. A1和A2為第一級的差分放大電路，A3則構成第二級，總放大倍數K 表示為

圖4 放大電路Fig.4 Amplifying circuit

4 試驗結果及分析

將電容角度傳感器、CAV444 電容轉換電壓電路、放大電路、A/D 變化電路以及顯示電路連接，并進行電路的調零和調滿. 由于不受傳統結構設計中引線的限制，因此動極板A 可以自由旋轉，角度的變化范圍為0～2π，并且輸出的電壓幅值與角度呈線性關系，本設計中只測量0～π/2 的范圍內角度的變化，測量結果如表1所示.

表1 輸出電壓測量值Tab.1 Measurements of voltage output

根據最小二乘法原理對實驗所得到的數據進行線性處理分析，得到線性擬合后的曲線，如圖5所示.

圖5 一階線性擬合曲線Fig.5 First order linear fitting curve

可知，擬合曲線的表達式為V=3.205 9θ-0.204 9，擬合度R2的值是0.993 7，該值接近于1. 可以看出，實際測量的輸出電壓和動極板所旋轉的角度變化量具有良好的線性關系，表明實際測量的數值大小和預估的數值之間近似相等，誤差在可以接受的范圍內.

5 結論

本文設計的電容角度傳感器，從根本上避免了傳感器的引出線因長時間動作而產生誤差、使用壽命短等一系列問題，消除了寄生電容及其他方面的干擾，提高了測量精度、靈敏度以及性價比. 當動極板在0°～90°的范圍內旋轉時，得到了較好的線性電壓輸出. 測量結果可知，該傳感器系統仍然具有一定的誤差，原因可能是零點和滿度調整時轉軸抖動引起的誤差以及屏蔽措施不夠完善引起的. 通過采取更加有效的屏蔽措施，能夠有效避免大部分的電路干擾，滿足實際角度測量需要.