一种新型的电容式角度位移测量仪

杨振清　丁凯洋　林春丹　宋志妍　付玉卓

关键词 角度;位移;电容式传感器;差动电容

电容式测量仪是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种仪器。把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化。它的结构简单、分辨率高、动态特性好，而且能在高温、强烈振动等条件下工作。电容式测量仪的输出电容值一般十分微小，因此测量仪选择借助差动脉宽电路，对于电容值进行测量，将微小角度位移变化引起的电容值成比例地转换成电压信号[1-5]。电容传感器是一种将物理量变化转换为电容值变化的传感器，由于其具有分辨率高，可以非接触式测量，抗干扰能力强等优点被广泛应用于各种集成电路中[6]

1 工作原理

如图1所示为所设计测量仪的实物结构图;图2所示为测量仪内部电容部分极板的示意图，其中①②③④分别表示4个内极板外径为r 高度为H ;⑤表示外极板内径为R 高度为H 。外极板分别与4个内极板同心安装，同时形成4个正对面积可变的电容器。测量仪进行工作时，被测物体带动外极板旋转平移，所形成的4个电容器的电容值发生变化。

3 测试实验

实验选择的4个内极板外径为r=10.0mm，高度H =50.0mm;外极板内径为R=12.0mm;双稳态触发器高电平为5V，进行实验同时测量角度值和位移值，并分别做出以下表格。如表1、表2。

通过分析数据，角度测量数据的相对误差在0.03%～0.10%之间，位移测量数据的相对误差在0.07%～0.10%之间。因此，所设计的角度位移测量仪测量具有很高的准确性。

4 误差分析

电容式传感器的误差来自多方面，比如温度、边缘效应、寄生电容及分布电容等等，对于本文所设计的测量仪所产生的误差进行以下分析：

（1） 连接传感器和电路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容和传感器内的寄生电容却很大，并且这些干扰量常常是随机变化的，对于测量的稳定性和精度影响很大。

（2） 电容传感器的边缘效应也会带来误差，容易降低电容传感器的灵敏度并且增加测量的非线性。

5 结语

本文介绍了一种可以测量角度位移的电容式测量仪，利用變面积型电容器来进行设计，外极板分别与4个内极板形成电容。当发生旋转和平移时，4个电容器的电容值会按照一定的规律变化，将这四个电容器两两分别接入脉宽调制电路中，进行差动分析。通过电压信号将电容值的变化表示出来，进而推出其与角度位移的关系。