1996年，brasseur等人提出了一種新的電容式角位移傳感器的測量原理，稱為比例測量原理，該原理同時具有比例特性和差動特性，可以抵消相當(dāng)程度的放大器增益誤差和系統(tǒng)誤差，且在一定范圍內(nèi)能夠消除機械安裝誤差，從理論上克服了環(huán)境溫度變化對傳感器產(chǎn)生的不良影響，對溫度漂移具有很好地抑制作用，本研究在比例式電容測角原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種轉(zhuǎn)動極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計的數(shù)字電容式角位移傳感器，測量范圍180°;并針對快速變化的溫場，進(jìn)行了傳感器溫度特性測試，旨在通過實驗進(jìn)一步驗證基于該原理的角位移傳感器抑制溫度驟變的能力。

    1 敏感元件的結(jié)構(gòu)

    測量范圍180°、轉(zhuǎn)動極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計的數(shù)字型角位移傳感器的敏感元件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由三塊同軸且平行的極板構(gòu)成，即兩塊固定極板和一塊位于兩者之間的可自由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動極板，兩固定極板分別稱為發(fā)射電極和接收電極，其中發(fā)射極板分成等面積的8瓣，對頂角兩瓣電氣相連(圖1(a)中標(biāo)號相同的分瓣，如c1與c1電氣相連，c2與c2等等);接收極板為-360°的圓形導(dǎo)電極板;轉(zhuǎn)動極板由兩個等面積的對稱葉片組成，葉片的圓心角為90°，轉(zhuǎn)動極板的直徑大于發(fā)射極板，而發(fā)射極板的直徑又大于接收極板，此外，發(fā)射與接收極板的內(nèi)外緣均設(shè)計有接地保護(hù)環(huán)(如圖1中a，b所示)，用于降低散射場的效應(yīng)。傳感器轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動極板材質(zhì)相同，均為具有低膨脹系數(shù)的金屬材質(zhì)，且彼此電氣絕緣，即轉(zhuǎn)動極板處于懸空狀態(tài)，其優(yōu)勢在于懸空設(shè)計的金屬轉(zhuǎn)動極板不僅可以使得相同尺寸結(jié)構(gòu)的敏感元件有效測量電容值和靈敏度得到提高，同時懸空設(shè)計的另一個直接作用是取代了電刷設(shè)計，消除了機械磨損，提高了可靠性，延長了傳感器的使用壽命，為提高傳感器系統(tǒng)的抗干擾能力，將傳感器敏感元件與測量電路封裝在一個密閉的金屬殼體之中，發(fā)射極板和接收極板的相背面均覆銅接地，相對面內(nèi)外側(cè)圓環(huán)亦覆銅接地構(gòu)成保護(hù)環(huán)(如圖1中的a和b)。

    圖1 電容敏感元件基本結(jié)構(gòu)

    (a)軸;(b)發(fā)射極板;(c)轉(zhuǎn)動極板;(d)接收極板

    2 測量原理

    2.1 程控激勵模式

    由于轉(zhuǎn)動極板在發(fā)射極板和接收極板之間旋轉(zhuǎn)，因此發(fā)射極板與接收極板所組成的4個電容隨轉(zhuǎn)動極板旋轉(zhuǎn)而變化，當(dāng)一定模式的激勵施加在發(fā)射極板上時，這4個電容在接收極板上所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷也不同。

    針對圖1敏感元件結(jié)構(gòu)，本文給出比例式測量所需的激勵模式時序，如表1所示，表中c1、c2、c3、c4表示四對電容極板，p1、p2、p3、p4為4種激勵模式，表示不同時刻對分瓣電容極板施加不同的激勵，t1+t2為一個激勵周期，本研究中，由程序根據(jù)電荷檢測電路充放電時間常數(shù)、a/d轉(zhuǎn)換時間和采樣信號的穩(wěn)定性判據(jù)，自動控制4種模式的周期長度，故又可稱為程控激勵模式，當(dāng)被選中單元施加激勵后，即t1開始，產(chǎn)生的感生電荷流入電荷檢測電路，當(dāng)充放電時間常數(shù)一定時，電荷檢測電路上的輸出電壓穩(wěn)定，硬件濾波后，立即啟動a/d進(jìn)行采樣(即氏d時刻開始采樣)，為提高精度，采樣次數(shù)提高為n次，當(dāng)n次ad采樣結(jié)束時，送入濾波單元*定咒次采樣信號的穩(wěn)定性，若滿足*定指標(biāo)要求，則通過單片機程序控制i/o單元，強迫中止對被測電容的選通，同時使被測電容發(fā)射極板上的激勵中斷，并強制拉回低電平，t1結(jié)束;而在t2時間內(nèi)，激勵信號均為低電平，以降低功耗，設(shè)在瞬間激勵序列內(nèi)，轉(zhuǎn)動極板靜止且激勵電壓為常量u0或0，則在p1～p4模式下激勵，接收極板上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷分別為s、s-、c、c-以這種程控激勵模式的設(shè)計與原比例式電容角位移傳感器中的激勵模式相比，不僅充分節(jié)約了時間，提高了采樣精度，而且有效地降低了傳感器功耗。

    表1 激勵方式和測定值的對應(yīng)關(guān)系

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