一种高精度电容式360°角度传感器的设计

2014-11-14王建勇

江苏科技信息 2014年3期

关键词：电介质电容式扇区

牛青，王建勇

（常州华达科捷光电仪器有限公司，江苏常州 213023）

0 引言

角度传感器的应用范围非常广泛，实现角度测量的传感器种类也很多，如：光栅式、电容式、加速度式、电阻式等。其中电容式角度传感器是利用电容的原理，实现电容量变化到角度的转换。根据实现的方式不同，可分为：变介电常数、变间隙、变面积等类型。

本文介绍的是利用变面积的原理实现角度的测量，即在电介质液体的液位和间隙不变的情况下，当角度发生变化时，多扇区电极在电介质液体中的面积变化带动电容的变化，结合电介质液体的自重原理，可方便的实现360°范围的角度测量。

1 变面积电容传感器的工作原理

1.1 结构设计原理

图1是变面积电容式角度传感器的结构示意图。其中：1-1为公共电极，1-2为多扇区电极（A～F为6个扇区），中间的虚线为电介质液体，液位的高度接近中心线。

从图1可以看出，每个扇形电极相对公共电极都会形成一个电容。各扇区电极浸入电介质液体的面积不同，则6个扇区相对公共电极的电容值各不相同。

根据自重原理，电介质液体的液位基本保持不变。当角度传感器沿轴线旋转时，6个扇区电极会依次进/出电介质液体，从而6个扇区电极对公共电极的电容值会交替变化，利用这种特性来实现对360°的角度测量。

图1 变面积电容式角度传感器结构示意

1.2 电路设计原理

因6个扇区间是相互隔离的，中间存在间隔。为防止电介质液位在间隔处出现电容信号突变，影响角度的测量，在实际应用中，可以采取相邻扇区电容并联的方式进行测量。

由于电容量不便直接进行采样，需要通过转换电路进行信号的转化，然后再来进行记录、分析和测量。考虑到信号采样电路的精度及成本，本文采用555振荡电路，把电容信号转化为频率信号进行采样。为消除转换电路间存在的测量误差，采用一个共用的555振荡电路分别对6个扇区进行信号转化。电容-频率转换电路示意图如图2所示。

图2 电容—频率转换电路示意

2 信号采集及处理

通过模拟通道选择开关1和2，依次选择相邻的两个电极电容接入555振荡电路中，产生一定频率的方波信号，MCU定时分别对6路频率脉宽进行采样。为提高采样精度，对555电路输出的方波脉宽间采用高频脉冲进行填充计数，图3是利用高频填充方法实际测量的6路信号变化曲线（采用4MHz频率填充的效果）。

图3 各扇区电极信号变化曲线

通过图3的曲线可以看出，6个扇区电极在进/出电介质液体时，输出信号呈线性化，可以利用这个特性进行角度的折算，方法如下：

（1）首先可以设定，当曲线AB=曲线DC时，为0°；曲线DC=曲线 AF时，为30°；曲线 AF=曲线 CB 时，为 60°；……;曲线 BA=曲线 ED 时，为 330°1.当温度发生变化时，电介质液体的液位也会发生变化，但设定点的信号也会同步增加或减小，可以有效的减小温度变化对设定角度的影响。；

（2）在上述角度分区内，对信号进行线性化处理。

（3）由于传感器装配时存在误差，在分段线性化校准后，再利用角度校准工装，每间隔2°作为一个角度校准点，使线性化后的数据与实际角度进行一一对应。通过这种处理方式，该角度传感器实际测试下来的分辨率可以做到0.01°，角度精度可以做到0.1°，且可以单轴旋转360°范围内连续进行角度测量。