一种抗干扰能力强的集成式角度传感器

娄敏 李强

九江职业技术学院，江西九江 332000

一、引言

目前，角位移测量是基本的几何计量，它大量存在于以制造业为代表的生产与科学实践中，国内高可靠性的角度测量场合主要应用的是旋转变压器。相对于旋转变压器，圆感应同步器的基体材质也为金属，能承受强烈的振动冲击，且圆感应同步器与旋转变压器的电磁感应原理一致，均是利用两个绕组的互感信号随相互位置的变化关系进行解算[1]。

圆感应同步器较旋转变压器最大的优点是精度高（可达±3″以内），而缺点是输出信号非常微弱（＜10mV），在应用中易受周围的电磁场干扰。当前的解决办法是就近圆感应同步器放置一信号放大器，此信号放大器可将定子感应出的SIN、COS信号进行放大至3V，以提高其抗干扰性，同时便于后续解码电路进行解算。

这种外置信号放大器以增强圆感应同步器感应信号的模式存在如下几个弊端：

（1）因增加信号放大器导致整个系统的质量、体积都增大；

（2）由于同步器与信号放大器之间存在距离，这将使得周围电磁场仍有可能对放大前的同步器微弱信号进行干扰。

综上所述，圆感应同步器微弱信号易受干扰的问题是制约其得到广泛应用的关键因素，基于此，本文提出一种集成了信号放大器的圆感应同步器，此模式实现的圆感应同步器可输出大的感应信号，具备强抗干扰能力，同时其集成信号放大器的结构设计能缩减整个系统的质量、体积，具有非常重要的意义[2]。

二、总体方案

圆感应同步器分为定子和转子两个部件，其中定子安装在固定台体上，转子安装在转轴上，对转子施加交流激励信号，定子将感应出同频率的交流感应信号，此交流信号分为2路，分别为差分的SIN+、SIN-以及COS+、COS-，此两路差分信号与机械转角位置成一定比例关系，对其解码即得到当前转轴相对台体的转角值[2]，常规圆感应同步器输出信号非常微弱，因而需要外置信号放大器将圆感应同步器输出的微弱信号后输入到解码器进行解算（见图1）。而这种外置信号放大器以增强圆感应同步器感应信号的模式会增加整个系统的质量、体积，同时也较容易受到外界电磁场的干扰[3]。为解决上述问题，本文提出一种方案，即在常规圆感应同步器的定子基体内挖出一块凹槽，将信号放大器电路做小，集成在定子基体内，这样定子感应出的信号在其内部就进行了调理、放大，输出大幅度的感应信号，从而可直接与后续的解码器相连，在减少系统质量、体积的同时也大幅增强了其可靠性。

三、结构设计

本文所提出的集成了信号放大器的圆感应同步器（见图2），包括安装在固定体上的定子基板和安装在转轴上的转子基板，定子基板和转子基板均为金属材料，在定子基板的顶部固定有定子绝缘层，绝缘层上固定有环状的金属绕组，在转子基板的底部固定有与定子金属绕组相对放置的转子金属绕组，转子金属绕组与转子基板之间有绝缘层，定子金属绕组和转子金属绕组均与转轴垂直；

在定子基板的下表面挖一凹槽，凹槽内放置信号放大板，信号放大板的输入端与定子感应输出信号以线束1来相连，输出端包含经放大后的定子感应信号以及信号放大板的供电电源，输出端由线束2引出到定子基板的接线柱上，此模式实现的圆感应同步器可输出大的感应信号，具备强抗干扰能力，同时其集成放大板的结构设计能缩减整个系统的质量、体积。

四、电气设计

信号放大板的输入端为感应同步器定子感应输出信号SIN+、SIN-、COS+、COS-，输出端为经过放大后的信号SIN、COS，其结构示意图如图3所示。

信号放大板电路分为2个功能环节，分别为一级放大环节、二级滤波环节。

定子感应出的2对差分信号（SIN+、SIN-、COS+、COS-）经一级放大后输入到滤波器中进行滤波，滤波后的放大信号能输入到后续电路中进行解码，其中一级放大电路可采用AD620芯片进行放大[4]，反馈电阻为100Ω，放大倍数约500倍，电路图如图4所示。

经一级放大后的信号需经过滤波器进行调理，由于杂波干扰信号多为高频，在此将滤波器设计为低通，其简图如图5所示。

图5运放的同相输入端电压为：

根据电路进行分析得到VP与VA的关系：

又可得到：

最后推算出如下公式：

在此将上限频率设定为f=12kHz，电容取10nF，计算电阻R1=R2=1.3kΩ，R3=Rf=5.2kΩ。

五、实验验证

在此通过实验来验证集成了信号放大器的圆感应同步器放大后的信号及系统精度。

测试过程中所用的硬件设备如下：7″圆感应同步器（定子集成了信号放大器）、高精密光学分度头、同步器解码电路（可角度数码显示）、数字万用表。

将同步器转子安装在转轴上，定子固定在分度头台体上，当转轴带动转子相对定子旋转时，同步器定子感应出信号，并经过内部的信号放大器进行放大后输出大幅度的SIN、COS信号，此信号可输入到后续的解码电路中解算出角度值进行数码显示。

表1 SIN/COS幅值及精度误差测试表

本文在360°内间隔性得取了几个测试点，测试结果见表1。通过实测发现，嵌入了信号放大器的圆感应同步器SIN、COS信号幅度得到了大幅增强，且其综合测角精度达到±2.7″，能满足感应同步器高精度测角的要求。

六、结论

本文提出一种感应输出信号大、抗干扰能力强的圆感应同步器，通过在定子基板的下表面挖一凹槽，凹槽内放置信号放大板，信号放大板的输入端与定子感应输出信号相连，输出端包含经放大后的定子感应信号以及信号放大板的供电电源，输出端由线束引出到定子基板的接线柱上，此模式实现的圆感应同步器可输出大的感应信号，具备强抗干扰能力，同时其集成放大板的结构设计能缩减整个系统的体积，具有非常重要的意义。