一種高精度電容式360°角度傳感器的設(shè)計(jì)

牛 青，王建勇

（常州華達(dá)科捷光電儀器有限公司，江蘇常州 213023）

0 引言

角度傳感器的應(yīng)用范圍非常廣泛，實(shí)現(xiàn)角度測量的傳感器種類也很多，如：光柵式、電容式、加速度式、電阻式等。其中電容式角度傳感器是利用電容的原理，實(shí)現(xiàn)電容量變化到角度的轉(zhuǎn)換。根據(jù)實(shí)現(xiàn)的方式不同，可分為：變介電常數(shù)、變間隙、變面積等類型。

本文介紹的是利用變面積的原理實(shí)現(xiàn)角度的測量，即在電介質(zhì)液體的液位和間隙不變的情況下，當(dāng)角度發(fā)生變化時，多扇區(qū)電極在電介質(zhì)液體中的面積變化帶動電容的變化，結(jié)合電介質(zhì)液體的自重原理，可方便的實(shí)現(xiàn)360°范圍的角度測量。

1 變面積電容傳感器的工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

圖1是變面積電容式角度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中：1-1為公共電極，1-2為多扇區(qū)電極（A～F為6個扇區(qū)），中間的虛線為電介質(zhì)液體，液位的高度接近中心線。

從圖1可以看出，每個扇形電極相對公共電極都會形成一個電容。各扇區(qū)電極浸入電介質(zhì)液體的面積不同，則6個扇區(qū)相對公共電極的電容值各不相同。

根據(jù)自重原理，電介質(zhì)液體的液位基本保持不變。當(dāng)角度傳感器沿軸線旋轉(zhuǎn)時，6個扇區(qū)電極會依次進(jìn)/出電介質(zhì)液體，從而6個扇區(qū)電極對公共電極的電容值會交替變化，利用這種特性來實(shí)現(xiàn)對360°的角度測量。

圖1 變面積電容式角度傳感器結(jié)構(gòu)示意

1.2 電路設(shè)計(jì)原理

因6個扇區(qū)間是相互隔離的，中間存在間隔。為防止電介質(zhì)液位在間隔處出現(xiàn)電容信號突變，影響角度的測量，在實(shí)際應(yīng)用中，可以采取相鄰扇區(qū)電容并聯(lián)的方式進(jìn)行測量。

由于電容量不便直接進(jìn)行采樣，需要通過轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)化，然后再來進(jìn)行記錄、分析和測量?？紤]到信號采樣電路的精度及成本，本文采用555振蕩電路，把電容信號轉(zhuǎn)化為頻率信號進(jìn)行采樣。為消除轉(zhuǎn)換電路間存在的測量誤差，采用一個共用的555振蕩電路分別對6個扇區(qū)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化。電容-頻率轉(zhuǎn)換電路示意圖如圖2所示。

圖2 電容—頻率轉(zhuǎn)換電路示意

2 信號采集及處理

通過模擬通道選擇開關(guān)1和2，依次選擇相鄰的兩個電極電容接入555振蕩電路中，產(chǎn)生一定頻率的方波信號，MCU定時分別對6路頻率脈寬進(jìn)行采樣。為提高采樣精度，對555電路輸出的方波脈寬間采用高頻脈沖進(jìn)行填充計(jì)數(shù)，圖3是利用高頻填充方法實(shí)際測量的6路信號變化曲線（采用4MHz頻率填充的效果）。

圖3 各扇區(qū)電極信號變化曲線

通過圖3的曲線可以看出，6個扇區(qū)電極在進(jìn)/出電介質(zhì)液體時，輸出信號呈線性化，可以利用這個特性進(jìn)行角度的折算，方法如下：

（1）首先可以設(shè)定，當(dāng)曲線AB=曲線DC時，為0°；曲線DC=曲線 AF時，為30°；曲線 AF=曲線 CB 時，為 60°；……;曲線 BA=曲線 ED 時，為 330°1.當(dāng)溫度發(fā)生變化時，電介質(zhì)液體的液位也會發(fā)生變化，但設(shè)定點(diǎn)的信號也會同步增加或減小，可以有效的減小溫度變化對設(shè)定角度的影響。；

（2）在上述角度分區(qū)內(nèi)，對信號進(jìn)行線性化處理。

（3）由于傳感器裝配時存在誤差，在分段線性化校準(zhǔn)后，再利用角度校準(zhǔn)工裝，每間隔2°作為一個角度校準(zhǔn)點(diǎn)，使線性化后的數(shù)據(jù)與實(shí)際角度進(jìn)行一一對應(yīng)。通過這種處理方式，該角度傳感器實(shí)際測試下來的分辨率可以做到0.01°，角度精度可以做到0.1°，且可以單軸旋轉(zhuǎn)360°范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行角度測量。

3 結(jié)語

本文對平板電容器的工作原理進(jìn)行了分析，通過電容器面積的變化導(dǎo)致電容值的變化，并折算成角度的變化。利用多扇區(qū)電容進(jìn)行有效的跨扇區(qū)角度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了360°范圍的角度連續(xù)測量。通過分段線性化處理，可以有效提高角度的測量精度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過這種方法可以對360°范圍內(nèi)的角度進(jìn)行動態(tài)、連續(xù)、高精度的測量。通過軟件功能的配合，能夠進(jìn)行角度、坡度模式的切換及顯示，也可以對旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行判別及顯示，可適應(yīng)不同應(yīng)用場合的使用要求。