楊振清　丁凱洋　林春丹　宋志妍　付玉卓

關(guān)鍵詞 角度;位移;電容式傳感器;差動(dòng)電容

電容式測(cè)量?jī)x是將被測(cè)量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種儀器。把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、動(dòng)態(tài)特性好，而且能在高溫、強(qiáng)烈振動(dòng)等條件下工作。電容式測(cè)量?jī)x的輸出電容值一般十分微小，因此測(cè)量?jī)x選擇借助差動(dòng)脈寬電路，對(duì)于電容值進(jìn)行測(cè)量，將微小角度位移變化引起的電容值成比例地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)[1-5]。電容傳感器是一種將物理量變化轉(zhuǎn)換為電容值變化的傳感器，由于其具有分辨率高，可以非接觸式測(cè)量，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種集成電路中[6]

1 工作原理

如圖1所示為所設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x的實(shí)物結(jié)構(gòu)圖;圖2所示為測(cè)量?jī)x內(nèi)部電容部分極板的示意圖，其中①②③④分別表示4個(gè)內(nèi)極板外徑為r 高度為H ;⑤表示外極板內(nèi)徑為R 高度為H 。外極板分別與4個(gè)內(nèi)極板同心安裝，同時(shí)形成4個(gè)正對(duì)面積可變的電容器。測(cè)量?jī)x進(jìn)行工作時(shí)，被測(cè)物體帶動(dòng)外極板旋轉(zhuǎn)平移，所形成的4個(gè)電容器的電容值發(fā)生變化。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選擇的4個(gè)內(nèi)極板外徑為r=10.0mm，高度H =50.0mm;外極板內(nèi)徑為R=12.0mm;雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器高電平為5V，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)同時(shí)測(cè)量角度值和位移值，并分別做出以下表格。如表1、表2。

通過(guò)分析數(shù)據(jù)，角度測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差在0.03%～0.10%之間，位移測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差在0.07%～0.10%之間。因此，所設(shè)計(jì)的角度位移測(cè)量?jī)x測(cè)量具有很高的準(zhǔn)確性。

4 誤差分析

電容式傳感器的誤差來(lái)自多方面，比如溫度、邊緣效應(yīng)、寄生電容及分布電容等等，對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行以下分析：

（1） 連接傳感器和電路的引線電纜電容、電子線路的雜散電容和傳感器內(nèi)的寄生電容卻很大，并且這些干擾量常常是隨機(jī)變化的，對(duì)于測(cè)量的穩(wěn)定性和精度影響很大。

（2） 電容傳感器的邊緣效應(yīng)也會(huì)帶來(lái)誤差，容易降低電容傳感器的靈敏度并且增加測(cè)量的非線性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種可以測(cè)量角度位移的電容式測(cè)量?jī)x，利用變面積型電容器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，外極板分別與4個(gè)內(nèi)極板形成電容。當(dāng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和平移時(shí)，4個(gè)電容器的電容值會(huì)按照一定的規(guī)律變化，將這四個(gè)電容器兩兩分別接入脈寬調(diào)制電路中，進(jìn)行差動(dòng)分析。通過(guò)電壓信號(hào)將電容值的變化表示出來(lái)，進(jìn)而推出其與角度位移的關(guān)系。