电容式电动角行程执行机构位置发送器设计

李忠虎，闫 丹

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头014010)

0 引 言

电动执行器是工业过程控制系统中非常重要的现场驱动装置，在冶金、电力、石油、化工等行业应用广泛。电动执行器包括电动执行机构和调节阀两部分，执行机构将控制器的控制信号转换成输出轴的角位移或直线位移，控制调节阀等截流件的位置，使被控介质按系统要求的状态变化［1-2］。执行器的控制精度主要取决于执行机构的控制性能，而位置发送器又是执行机构内部的关键部件。由此可见，位置发送器对整个控制系统的调节精度和可靠性至关重要。本文旨在研究设计一种新的器件——电容角位移传感器，来代替传统位置发送器中的核心部件——差动变压器或电位器，并设计相应的信号调理电路。

1 电动执行机构总体结构及原理

DKJ 电动角行程执行机构总体结构如图1 所示，包括伺服电机、减速器和位置发送器三部分。其中，伺服电机将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩;减速器把伺服电机高转速、小转矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构;位置发送器将输出轴的0° ～90°转角线性地转换成4 ～20 mA DC 电流信号，用以指示阀位，并作为位置反馈信号反馈到伺服放大器的输入端，以实现整机负反馈控制。

图1 电动角行程执行机构总体结构图

图中，伺服电机与以前的产品没有区别，对于减速器，只需在其与位置发送器的接口部分稍作改动，而位置发送器则发生了本质性的变化，其核心敏感元件由过去的差动变压器或电位器改为电容角位移传感器，并重新设计了相关的信号调理和输出电路。

2 敏感元件设计

本文采用三层平行板电容式角位移传感器实现电动执行机构输出角位移测量功能。

电容式角位移传感器是将被测物体的角度位置变化转换为电容容量变化的一种传感器，具有结构简单、灵敏度高和可靠性高等优点，对振动、高温、高湿及灰尘等恶劣环境有较好的适应能力，这使得电容式角位移传感器在诸多领域中都有很大的应用潜力［3-8］。

许多学者对电容传感器的结构参数和电路设计做了许多研究工作。文献［9］中对圆柱形电容角位移传感器的三维电场进行了仿真研究;文献［10］中对三层平行板电容传感器进行了有限元分析;文献［11］中对阵列式电容传感器的有限元进行了分析，并优化了结构参数［3］;文献［3］中对分瓣三层平行板电容式角位移传感器的三维电场进行了有限元分析和仿真研究，得到了电场的电位和电场强度分布情况，并计算了转动极板在不同结构参数时传感器的线性度和灵敏度。

以文献［3］研究的传感器为基础，结合电动角行程执行机构的内部结构和工程应用，利用ANSYS 软件对分瓣三层平行板电容角位移传感器进行了有限元分析和仿真研究，所设计的电容敏感元件如图2 所示。

敏感元件主要由同轴且互相平行的三块圆形极板组成，中间极板为转动极板，两端分别为发射极板和接收极板，它们用同一根轴连接。发射极板分为4 个等面积且相互绝缘的发射极瓣，且对角发射极瓣电气相连，也即发射极板在电气上实际为两块;转动极板包括2 个圆心角为90°的等面积对称极瓣。发射极板和接收极板由覆铜板制成，转动极板和轴采用低膨胀系数的金属材料制成。同时，由于固定极板边缘存在电磁干扰，所以在发射极板和接收极板背面均覆铜接地，在其正面有效面积内外侧设置圆形保护环，用以屏蔽周围电磁场的影响。

图2 敏感元件结构

该传感器基于比例测量原理。发射极板与接收极板实际构成2 个电容器，这2 个电容器采用差动方式，这可在一定程度上提高灵敏度，降低非线性并减小甚至消除由于温度或电源等的变化而引起的附加误差，从而有效提高传感器的性能指标［12］。如果没有转动极板隔在中间，则这2 个电容值是相等的。由于转动极板的位置不同，这2 个电容值也即随之发生变化。当执行机构输出转角改变时，带动转动极板转动，从而改变这2 个电容值，该电容值是由转动角度唯一决定，故测出电容值即可知角度值，而电容值可通过对电容进行充放电，然后对电容电压值进行测量而得到。

3 电容式角行程位置发送器设计

电容式角行程位置发送器主要由敏感元件、激励与测量模块和主机系统三大部分组成，如图3 所示。

图3 电容式角行程位置发送器原理框图

基于比例测量原理的电容式角位移传感器需要对发射极板上的分瓣单元交替施加周期性的激励，这由单片机系统、方波激励模块和多路单刀双掷开关共同完成。单刀双掷开关用以选通发射极板分瓣单元，选通时序由单片机的两路I/O 输出控制，同时将被选通的单元接入微小电荷检测电路。

电容微小变化量检测电路是本设计的关键问题之一。在本传感器中，电容的变化只有几pF，而电路的杂散电容和分布电容等大约为几百pF 左右。考虑到电路和系统的结构与复杂性，本设计采用文献［13］提到的微小电容检测电路，该电路可有效消除电路中杂散电容和分布电容对被测电容的影响［14］。

主机系统以 PIC16F877 单片机为核心。PIC16F877 单片机本身集成的硬件简化了传统差动检测电路，可方便地实现数据采集、A/ D 转换及数字滤波等功能，这大大节省了硬件资源，并提高了系统的稳定性和可靠性［7］。软件实现时，单片机得到采样值后，根据比例测量原理计算得到当前的角位移量。由于输出单元只能辨识正信号，因此需要将运算结果进行坐标平移，将其转换成正信号，进而计算出角度值，其形式为32 位浮点数［15］，经过进一步处理后输出4 ～20 mA DC 信号或符合相关通讯标准的数字信号。

4 结 语

本文提出了一种以分瓣三层平行板电容角位移传感器为敏感元件的电动角行程执行机构位置发送器，主机系统以PIC16F877 单片机为核心构建，实现激励方波控制、数据采集、差动计算及数字滤波等功能。与目前常用的以差动变压器为敏感元件的位置发送器相比，具有结构简单、体积小、灵敏度高、可靠性高和功耗低等优点，与以电位器为敏感元件的位置发送器相比，具有更高的可靠性和更强的环境适应能力。

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