電容式角位移傳感器用于測量固定部件(定子)與轉(zhuǎn)動部件(轉(zhuǎn)子)之間的旋轉(zhuǎn)角度，因其具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，靈敏度高，適合動態(tài)測量等特點，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制、汽車、航天及軍事等角度定位監(jiān)測領(lǐng)域，一般來說，電容式角位移傳感器由一組或若干組扇形固定極板和轉(zhuǎn)動極板組成，為保證傳感器的精度和靈敏度，同時避免因環(huán)境溫度等因素的改變導(dǎo)致介電常數(shù)、極板形狀等的間接變化，進而對傳感器性能產(chǎn)生不利影響，對傳感器的制作材料、加工工藝以及安裝精度提出了較高要求，為了克服電容角位移傳感器的局限性，國內(nèi)外科學(xué)工作者進行了長期的大量研究工作，其主要思想方法是將傳感器設(shè)計成差動結(jié)構(gòu)，杰出的代表是瑞士Camille Bauer公司研制的角度位置變送器，其精度為0.5%，環(huán)境溫度范圍-20～+60℃，溫漂±0.2%/10℃。

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，進行了傳感器溫度特性測試，旨在通過實驗進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

2.2 角度計算方法

給出了轉(zhuǎn)動極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計、測量范圍0～180°的基于比例式電容測角原理的角位移傳感器的計算公式，即：

表2 象限判據(jù)、偏角與輸出角度計算公式

3 傳感器系統(tǒng)構(gòu)成

傳感器系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，由敏感元件、測量電路、智能部件與接口部件構(gòu)成，敏感元件的結(jié)構(gòu)所示如圖1，測量部件由選擇單元、激勵源和電荷檢測單元組成;智能部件由I/O單元、A/D單元、濾波單元、角度計算單元等組成;接口部件由電流輸出單元、RS232通訊單元等組成。

圖2 角位移系統(tǒng)原理框圖

敏感元件檢測反映角度位置的電容值，是傳感器的初始轉(zhuǎn)換單元，測量單元采用了先進的抗雜散微小電容檢測電路，將電容值轉(zhuǎn)換為電信號，智能部件的主要功能是通過比例式算法計算出角位移量，最后由接口部件輸出角度計算結(jié)果。

4 樣機溫度特性測試

4.1 測試系統(tǒng)

實驗在高低溫試驗箱中進行，試驗箱的溫度范圍是-40～+100℃，溫度波動度小于士0.5℃，溫度均勻性小于士2℃，試驗箱工作室內(nèi)有鼓風(fēng)裝置，可以保證箱內(nèi)的空氣由風(fēng)機鼓動在箱體內(nèi)循環(huán)，使箱內(nèi)溫度均勻，圖3為實驗系統(tǒng)的示意圖，三臺傳感器樣機置于試驗箱內(nèi)，根據(jù)通訊協(xié)議與上位微型計算機進行串行通訊，上位機控制實驗進程、負責(zé)數(shù)據(jù)采樣、相關(guān)信息儲存與數(shù)據(jù)處理。

圖3 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

試驗箱的溫度通過設(shè)置試驗箱的溫度終值來調(diào)節(jié)，在本研究中，為模擬環(huán)境溫度驟變的惡劣工況，試驗箱溫度從-15℃上升到+65℃約需13min，平均升溫速度為6℃/min，溫場溫度與時間關(guān)系的函數(shù)(T=g(t))曲線如圖4所示。

圖4 試驗箱溫度變化曲線

4.2 測試方法

測試針對三臺傳感器樣機同時進行，共分三組，即多點單次測試實驗、單點多次測試實驗、寬溫測試實驗。

第一組，傳感器多點角度單次測試實驗，實驗溫度變化范圍是-15～+65℃，試驗箱升溫過程約需13 min，平均升溫速度為6℃/mim為保證傳感器樣機輸出值穩(wěn)定，本實驗維持起始點與終止點的溫度穩(wěn)定時間較長，故每次累計時間約1.5～2 h，樣機的角度測試點選取為20°、50°、80°、110°、140°和170°。具體實驗步驟如下：①將傳感器樣機置于溫度實驗箱中，上電;在常溫下調(diào)整傳感器樣機的測試角度值(誤差<±1。)，②啟動試驗箱，將試驗箱溫度設(shè)定為-15℃，監(jiān)測傳感器樣機輸出角度值的變化，當試驗箱內(nèi)溫度與傳感器的角度輸出值均穩(wěn)定后(此過程約需30分鐘)，再將試驗箱溫度變化終止值設(shè)定為+65℃，并啟動傳感器角度數(shù)據(jù)采集軟件，自動采集(采集時間間隔5 s)升溫過程中的角度傳感器輸出數(shù)據(jù)，同時進行在線分析，③當試驗箱內(nèi)溫度上升至+65℃后，繼續(xù)觀察采樣數(shù)據(jù)，直至傳感器輸出值穩(wěn)定，然后停止采樣(此過程時間約30min)，關(guān)閉試驗箱，利用軟件計算傳感器樣機的標準不確定度和溫漂指標，④重復(fù)上述(1)～(3)的步驟，完成多點角度測試的溫度實驗(20°、50°、80°、110°、140°、170°)。

第二組，單點多次測試實驗，即重復(fù)性實驗，三臺傳感器樣機分別選擇一個角度點進行多次溫度特性實驗，以考察傳感器在這一角度點的實驗結(jié)果是否具有偶然性，實驗共進行三次。

第三組，寬溫測試實驗，即實驗將第一組實驗的溫度變化范圍擴大到-30～+80℃，選取110°角度點進行測試，目的在于進一步考核傳感器溫度的適用范圍。

4.3 考核方法

重點考核當環(huán)境溫度劇烈變化時，傳感器輸出漂移特性，若忽略其它干擾因素，可將輸出角度①視為環(huán)境溫度T與時間t的函數(shù)，即Φ=f(T，t)，而溫場變化的特征曲線如圖4所示，對于函數(shù)ψ=f(T，t)的變化趨勢，§4，4給出了定性的分析。

此外，測試實驗著重針對角位移傳感器輸出角度的標準不確定度與溫度漂移進行，其中溫度漂移指標分為“峰峰值溫漂”和“穩(wěn)態(tài)值溫漂”，計算公式分別如下：

“標準不確定度”為

4.4 實驗結(jié)果

(1)傳感器多點角度測試的數(shù)據(jù)分析

表3為第一組實驗，即三臺傳感器樣機進行多點角度測試實驗的分析結(jié)果，可見三臺樣機的最大峰峰值溫漂分別為0.085%/10℃、0.08%/10℃、0.061%/10℃;最大穩(wěn)態(tài)值溫漂分別為0.070%/10℃、0.029%/10℃、0.061%/10℃;標準不確定度分別為0.08%、0.09%、0.09%。

表3 傳感器樣機多點角度測試的溫度特性分析

(2)傳感器單點重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)分析

表4為第二組實驗，即三臺傳感器樣機進行重復(fù)性實驗的分析結(jié)果，1#、2#、3#傳感器測試的角度點分別為110°、140°、80°，該組實驗中3臺傳感器的最大峰峰值溫漂分別為0.052%/10℃、0.076%/10℃、0.063%/10℃;最大穩(wěn)態(tài)值溫漂分別為0.031%/10℃、0.046%/10℃、0.058%/10℃，標準不確定度分別為0.07%、0.06%、0.08%。

(3)傳感器寬溫實驗數(shù)據(jù)分析

表5是三臺傳感器樣機進行更寬溫度實驗的分析結(jié)果，測試角度均為110。，實驗進行了三次，該組實驗中傳感器的最大峰峰值溫漂分別為0.124%/10℃、0.157%/10℃、0.18%/10℃，最大穩(wěn)態(tài)值溫漂分別為0.087%/10℃、0.126%/10℃、0.093%/10℃，其標準不確定度最大值分別為0.06%、0.08%、0.1%。

表4 傳感器樣機單點重復(fù)性實驗的溫度特性分析

(4)傳感器溫度特性曲線

以1#傳感器樣機為例，樣機輸出隨溫度變化的動態(tài)特性曲線如圖5所示，實驗箱溫度從-15℃到+65℃的上升過程約800秒，平均升溫速度為6℃/min，該樣機的角度輸出值從最初的110.09°逐漸上升，角度變化速度先慢(前300 s)后快，并在溫度到達+65℃時達到最大值110.45°(對應(yīng)圖中約800 s處);此后，實驗箱溫度保持在+65℃不變時，樣機輸出值又逐漸下降，再經(jīng)大約800秒后穩(wěn)定于110.25°，由圖可知，角度輸出的最小值在高溫或低溫的穩(wěn)定點獲得，傳感器的峰峰溫漂值為0.027%/10℃，穩(wěn)態(tài)溫漂值為0.009%/10℃，角度值的標準不確定度為0.07%。

圖5 傳感器溫度實驗動態(tài)特性曲線

同理，在-30～+80℃的寬溫場實驗中，傳感器的角度輸出值亦呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。

5 結(jié)論

在比例式測量原理的基礎(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)字型電容角位移傳感器，測量范圍180°;針對快速變化的溫場，進行了傳感器溫度特性測試，三臺樣機實驗的測試結(jié)果表明，當環(huán)境溫度從-15℃升至+65℃，以約6℃/min的速度變化過程中，三臺傳感器樣機的最大峰峰溫漂值為0.085%/10℃，最大穩(wěn)態(tài)溫漂值為0.070%/10℃;標準不確定度小于0.1%，重復(fù)性實驗與-30～+80℃的寬溫實驗結(jié)果同樣表明：基于該原理的傳感器具有較強的抑制溫漂能力，其指標優(yōu)于國際先進水平(環(huán)境溫度范圍-20～+60℃，溫漂值0.2%/10℃)。