一種新型的電容式角度位移測量儀

楊振清　丁凱洋　林春丹　宋志妍　付玉卓

關(guān)鍵詞 角度;位移;電容式傳感器;差動電容

電容式測量儀是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種儀器。把被測的機械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化。它的結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、動態(tài)特性好，而且能在高溫、強烈振動等條件下工作。電容式測量儀的輸出電容值一般十分微小，因此測量儀選擇借助差動脈寬電路，對于電容值進行測量，將微小角度位移變化引起的電容值成比例地轉(zhuǎn)換成電壓信號[1-5]。電容傳感器是一種將物理量變化轉(zhuǎn)換為電容值變化的傳感器，由于其具有分辨率高，可以非接觸式測量，抗干擾能力強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種集成電路中[6]

1 工作原理

如圖1所示為所設(shè)計測量儀的實物結(jié)構(gòu)圖;圖2所示為測量儀內(nèi)部電容部分極板的示意圖，其中①②③④分別表示4個內(nèi)極板外徑為r 高度為H ;⑤表示外極板內(nèi)徑為R 高度為H 。外極板分別與4個內(nèi)極板同心安裝，同時形成4個正對面積可變的電容器。測量儀進行工作時，被測物體帶動外極板旋轉(zhuǎn)平移，所形成的4個電容器的電容值發(fā)生變化。

3 測試實驗

實驗選擇的4個內(nèi)極板外徑為r=10.0mm，高度H =50.0mm;外極板內(nèi)徑為R=12.0mm;雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器高電平為5V，進行實驗同時測量角度值和位移值，并分別做出以下表格。如表1、表2。

通過分析數(shù)據(jù)，角度測量數(shù)據(jù)的相對誤差在0.03%～0.10%之間，位移測量數(shù)據(jù)的相對誤差在0.07%～0.10%之間。因此，所設(shè)計的角度位移測量儀測量具有很高的準確性。

4 誤差分析

電容式傳感器的誤差來自多方面，比如溫度、邊緣效應(yīng)、寄生電容及分布電容等等，對于本文所設(shè)計的測量儀所產(chǎn)生的誤差進行以下分析：

（1） 連接傳感器和電路的引線電纜電容、電子線路的雜散電容和傳感器內(nèi)的寄生電容卻很大，并且這些干擾量常常是隨機變化的，對于測量的穩(wěn)定性和精度影響很大。

（2） 電容傳感器的邊緣效應(yīng)也會帶來誤差，容易降低電容傳感器的靈敏度并且增加測量的非線性。

5 結(jié)語

本文介紹了一種可以測量角度位移的電容式測量儀，利用變面積型電容器來進行設(shè)計，外極板分別與4個內(nèi)極板形成電容。當發(fā)生旋轉(zhuǎn)和平移時，4個電容器的電容值會按照一定的規(guī)律變化，將這四個電容器兩兩分別接入脈寬調(diào)制電路中，進行差動分析。通過電壓信號將電容值的變化表示出來，進而推出其與角度位移的關(guān)系。