电容式角位移传感器输出信号噪声大原因探析

摘要：对电容式角位移传感器原理及结构进行分析，论述多台电容式角位移传感器并联使用时输出信号噪声大的可能原因，并从原因入手进行试验验证。经验证，通过消除或减少寄生电容的影响，可有效解决多台电容式角位移传感器并联使用时出现的输出信号噪声大问题。

关键词：电容式角位移传感器；屏蔽；寄生电容；滤波

中图分类号：TP212.9" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）17-0078-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.019

1" " 电容式角位移传感器原理及结构

电容式角位移传感器由空气介质可变电容器和检测电路组成，其敏感核心元件为空气介质可变电容器，该电容器由发射极板和接收极板构成，如图1所示。其中，不同的发射极板面积相等、互相绝缘，具有电气隔离的特征。发射极板可以其与接收极板的耦合中心为原点呈180°角旋转。发射极板和接收极板之间的绝缘介质为空气，通过轴与发射极板相连，旋转输入轴即可改变发射极板与接收极板之间的角度，从而改变电容量的大小，当发射极板从接收极板位置全部旋出时，电容量最小，当发射极板全部旋入接收极板位置时，电容量最大。在发射及接收电极转换过程中会产生一定的感生电荷，而转动输入轴过程中其旋转的角度直接影响了发射极板及接收极板的感生电荷[1-2]。

电容的容量C：

C=（n-1）θR²/2δ₀ε_rε₀ （1）

式中：n为极片数；θ为互感面积所对应的中心角；R为极板半径；ε_r为相对介电常数；ε₀为真空介电常数；δ₀为两极板距离。

当ε_r、ε₀、δ₀、R为常数时，通过改变输入角度θ，即可改变电容量的大小，并且电容值C和θ保持线性输入/输出关系。

电容式角位移传感器在控制系统中成套或多套并联组合应用时，能实时显示舵面输出特性，采用直流28 V供电。检测电路由晶振产生0.64 MHz信号，控制被检测电容的充放电时间，由电荷放大器进行放大、滤波，再放大输出，如图2所示，同时在差动放大器输入偏置信号，以保证当传感器输入轴在总行程1/2时，传感器输出满足幅值要求。

2" " 输出信号噪声大问题及原因探析

电容式角位移传感器在系统中成套或多套使用时[3]，会出现输出信号噪声大问题。本文以某舵面控制系统为例进行分析论述。

当舵面以幅度为0°～3°、周期为620 ms三角波等幅摆动时，电容式角位移传感器输出相应幅值，但经计算机采集到的实际波形如图3所示（采样周期12 ms）。

由图3可见，电容式角位移传感器所采集到的波形周期约为500 ms，幅值不满足输出要求，输出波形失真，不是等幅波。另外，不同电容式角位移传感器失真程度不一致。

为进一步分析故障原因，分别将输出失真严重的电容式角位移传感器与失真相对较轻的电容式角位移传感器进行互换，两台电容式角位移传感器输出波形的失真都得到了很大改善，因此可判定电容式角位移传感器本身没有故障，输出失真的原因是受到干扰。

2.1" " 干扰源的确定

将电容式角位移传感器按照图4的安装方式进行连接。

用示波器检测电容式角位移传感器输出端的输出波形，如图5所示。当输入轴固定不动时，电容式角位移传感器理论输出应该是一条直线，但实际检测到周期约为100 ms的干扰波形。

取其中一只电容式角位移传感器用示波器测试输出波形，如图6所示。周期为780 ns（折合频率1.28 MHz），即当电容式角位移传感器单个供电工作时，计算机能采集到一条直线。

以上两个试验证明，电容式角位移传感器输出信号噪声大，干扰源是多台电容式角位移传感器同时工作时的互相干扰。

2.2" " 形成干扰的条件和途径

如图7所示，断开多台电容式角位移传感器与系统机械连接和屏蔽线（地线）之间的连接，用示波器检测电容式角位移传感器的输出，输出信号为一条直线，但当电容式角位移传感器的地线连接在一起后就产生如图5所示的干扰波形，这说明地线干扰是造成输出信号噪声大的原因。

多台电容式角位移传感器干扰的途径是通过地线，电容式角位移传感器壳体与内部、极板形成散布电容，使地线上的电荷穿透壳体，在电荷放大器作用下，形成干扰信号。

经过分析，电容式角位移传感器的壳体（屏蔽线）与输入28 V电平之间存在0.64 MHz的信号，该信号正是晶振的振荡频率。该信号在单个电容式角位移传感器单独供电时形成如图6所示波形（1.28 MHz），其实际为0.64 MHz的倍频信号，这个信号是晶振的上跳沿和下跳沿的微分脉冲。

2.3" " 解决方案

根据以上分析，可通过消除或减少寄生电容[4-5]对地线干扰源的影响，解决并联多台电容式角位移传感器输出噪声大的问题。

电容式角位移传感器设计时，受到结构尺寸限制，其自身电容量很小（十几皮法至几十皮法），属于小功率高阻抗元件，这使其对寄生电容干扰非常敏感，并且寄生电容与传感器的电容相关联，影响传感器灵敏度等参数，而这种变化为虚假信号，会影响系统的测量精度。

因此，可以采取以下措施消除电容式传感器的寄生电容：1）增加传感器初始电容值：采用减小极片间距或增加极片工作面积的方式来增加电容初始值。2）集成化：将电容式角位移传感器与检测电路本身或前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线，这样寄生电容就大为减少且固定不变，可使测量系统稳定可靠工作。3）采用电缆驱动技术：当电容式角位移传感器的电容值较小时，测量电路只能与传感器分开，可采用电缆驱动技术，即传感器与测量电路前置级间的引线为双层屏蔽电缆，采用这种技术可使电缆长度达10 m以上且测试系统不受影响。4）屏蔽法：采用整体屏蔽法，减轻和防止外界干扰给系统带来的影响。

3" " 结束语

由于结构简单、动态响应好、可实现非接触测量并有平均效应，电容式角位移传感器有着广阔的发展空间和推广前景。本文论述了电容式角位移传感器的结构原理以及多台电容式角位移传感器并联使用时输出信号噪声大的原因，通过消除或减少寄生电容的影响，可有效解决多台电容式角位移传感器并联使用时出现的输出信号噪声大问题。本文对解决电容式角位移传感器干扰问题具有一定的指导意义。

[参考文献]

[1] 彭鹏，邵淦，杨恩臻.电容式角位移传感器[J].电子技术与软件工程，2014（15）：260.

[2] 叶晟波.电容式位移传感器的原理分析[J].物理通报，2013（3）：103-105.

[3] 张宇鹏，徐钰蕾，王昱棠.高精度电容式角位移传感器测量方法[J].仪器仪表学报，2014，35（增刊1）：147-150.

[4] 曲昊，彭倍，彭鹏，等.寄生电容对电容式加速度传感器输出电压的影响[J].仪表技术与传感器，2018（6）：15-18.

[5] 刘秉安.电容式传感器寄生电容的抑制[J].国外电子测量技术，2011，30（3）：46-49.

收稿日期：2024-04-26

作者简介：苗伟（1979—），男，陕西汉中人，高级工程师，研究方向：电机及传感器。