高精度电容式角位移传感器测量方法

2017-09-08张业华

电子技术与软件工程 2017年14期

关键词：弧面角位移电容式

文/张业华

高精度电容式角位移传感器测量方法

文/张业华

随着电容式传感器的广泛普及，已经在角度、角速度、压力、液位以及位置的测量中实现了很好的应用，文章以此为基础，对高精度电容式角位移传感器的测量方法进行了详细分析，希望对有关人员起到一定的帮助。

高精度电容式角位移传感器测量方法

文章重点分析了高精度电容式角位移传感器的测量方法，对角位移传感器的发展具有促进作用。

1 电容式角位移传感器测量方法分析

电容式角位移传感器就是将角度测量转换成为其他物理量的测量方式，主要是采用非接触式专利进行设计，和同步分析器、电位计等传统角位移测量方法相比具有较强的可靠性，而且其精度性高也是不容忽视。现阶段，用来测量角位移的方法有很多，经常采用的方法有旋转变压器、电涡流传感器以及光电编码器等。而机载光电侦查平台在以往的角位移测量中通常会采用编码器测量方位和俯仰，在这种情况下，要使编码器安装在轴系中，只有这样编码器的内外圈才会随着轴系的转动而不断转动，从而对轴系的角度变化进行高精度测量。

如果采用以往的编码器进行角位移的测量，其优点是具有较为精准的测量精度，但是与此同时也存在相应的缺点，即务必要将编码器安装在机载光电侦查平台方位和俯仰轴系中，如果这样的话，就会占用相应的空间，进而导致整个光电平台体积不断增大。因为某预研机载光电侦查平台内框架旋转轴中心和外框架旋转轴中心没有重合，如果再使用以往的测量方法，已经不能准确测出角位移。这时采用电容式角位移传感器能够对机载光电侦查平台内方位和内俯仰框架角位移进行非常精准的测量，其安装图和原理图如图1、图2所示。

角位移的测量步骤为：设定O点是被测弧面中的几何中心，其半径为150mm，A点为被测弧面的旋转中心，和O点中心相差a mm，围绕俯仰轴作旋转运动。所以，在被测弧面围绕着A点旋转中心进行转动时，O点也会围绕着虚线圆进行相应的运动，其半径与实线圆半径享用。在被测弧面顺时针旋转θ角时，球心O点会慢慢运动到O’点，并且以O’为圆心画出半径为150mm的弧面；在被测球体逆时针旋转θ角时，球心O点会慢慢运动到O"点，并在O"点的基础上画出半径为150mm弧面。通过对图中标注的被测弧上的H点进行分析，可以得出相应的轨迹，如果将H点的纵坐标和偏心A点的横坐标交接在一起，那么就会得到A’点，见如图2。之后将A’点作为圆心，画出半径为与偏心距a mm相同的虚线圆，这时，H点会在虚线圆上面进行圆周运动，当被测弧面顺时针θ角、逆时针θ转动时，H点会在虚线圆轨迹上面不断运动，并出现H’点和H"点。因此，被测弧面垂直移动距离通常为2×（a x sinθ）。如果a=1mm，通过对测量行程线性度进行分析，可以得出±5°整个行程内的非线性度可以控制在 0.01%以内。

2 实验研究

2.1 实验设计

在该项目中，所采用的电容式角位移传感器工作原理即将安装面和检测面的距离改变转换成为角度改变，所以在设计时，其相应装置应该对传感器安装面和检测面的距离进行分析，使其跟随着角度的变化而不断变化，与此同时，还应该消除轴系旋转精度对电容式角位移传感器测量精度所产生的影响，其实验设计图如图3所示。

上述实验设计中的装置是在偏心法的基础上来确保传感器安装面和检测面距离在角度变化的同时不断变化，而且还设置了两个偏心距相反的内外球面，在此基础上保证两个传感器消除轴系旋转精度对电容式角度传感器测量精度所产生的影响相同。

2.2 实验结果

在进行相应实验时，其传感器型号采用的是Physik Instrument公司所生产的单极电容式微位移传感器。

通过利用图3中的实验装置，可以将±5°作为一个旋转步，并对系统中所测量的精度进行有效验证。在±5°范围中进行测量，最终测量结果如表1所示，其中转角的实际大小能够从编码器中得出，而电容式微位移传感器中的输出电压能够从实际测量中得到。除此之外，通过实验结果好可以得出，如果在±5°中进行测量，电容式微位移传感器的测量精度比较好，甚至优于15"，其测量误差要小于10"，与实验设计要求相符合。