李忠虎，閆 丹

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010)

0 引 言

電動(dòng)執(zhí)行器是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中非常重要的現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)裝置，在冶金、電力、石油、化工等行業(yè)應(yīng)用廣泛。電動(dòng)執(zhí)行器包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將控制器的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移或直線位移，控制調(diào)節(jié)閥等截流件的位置，使被控介質(zhì)按系統(tǒng)要求的狀態(tài)變化［1-2］。執(zhí)行器的控制精度主要取決于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制性能，而位置發(fā)送器又是執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的關(guān)鍵部件。由此可見，位置發(fā)送器對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和可靠性至關(guān)重要。本文旨在研究設(shè)計(jì)一種新的器件——電容角位移傳感器，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)位置發(fā)送器中的核心部件——差動(dòng)變壓器或電位器，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。

1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)及原理

DKJ 電動(dòng)角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括伺服電機(jī)、減速器和位置發(fā)送器三部分。其中，伺服電機(jī)將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)矩;減速器把伺服電機(jī)高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);位置發(fā)送器將輸出軸的0° ～90°轉(zhuǎn)角線性地轉(zhuǎn)換成4 ～20 mA DC 電流信號(hào)，用以指示閥位，并作為位置反饋信號(hào)反饋到伺服放大器的輸入端，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)負(fù)反饋控制。

圖1 電動(dòng)角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)圖

圖中，伺服電機(jī)與以前的產(chǎn)品沒有區(qū)別，對(duì)于減速器，只需在其與位置發(fā)送器的接口部分稍作改動(dòng)，而位置發(fā)送器則發(fā)生了本質(zhì)性的變化，其核心敏感元件由過去的差動(dòng)變壓器或電位器改為電容角位移傳感器，并重新設(shè)計(jì)了相關(guān)的信號(hào)調(diào)理和輸出電路。

2 敏感元件設(shè)計(jì)

本文采用三層平行板電容式角位移傳感器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出角位移測(cè)量功能。

電容式角位移傳感器是將被測(cè)物體的角度位置變化轉(zhuǎn)換為電容容量變化的一種傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)振動(dòng)、高溫、高濕及灰塵等惡劣環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，這使得電容式角位移傳感器在諸多領(lǐng)域中都有很大的應(yīng)用潛力［3-8］。

許多學(xué)者對(duì)電容傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電路設(shè)計(jì)做了許多研究工作。文獻(xiàn)［9］中對(duì)圓柱形電容角位移傳感器的三維電場進(jìn)行了仿真研究;文獻(xiàn)［10］中對(duì)三層平行板電容傳感器進(jìn)行了有限元分析;文獻(xiàn)［11］中對(duì)陣列式電容傳感器的有限元進(jìn)行了分析，并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)［3］;文獻(xiàn)［3］中對(duì)分瓣三層平行板電容式角位移傳感器的三維電場進(jìn)行了有限元分析和仿真研究，得到了電場的電位和電場強(qiáng)度分布情況，并計(jì)算了轉(zhuǎn)動(dòng)極板在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)傳感器的線性度和靈敏度。

以文獻(xiàn)［3］研究的傳感器為基礎(chǔ)，結(jié)合電動(dòng)角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工程應(yīng)用，利用ANSYS 軟件對(duì)分瓣三層平行板電容角位移傳感器進(jìn)行了有限元分析和仿真研究，所設(shè)計(jì)的電容敏感元件如圖2 所示。

敏感元件主要由同軸且互相平行的三塊圓形極板組成，中間極板為轉(zhuǎn)動(dòng)極板，兩端分別為發(fā)射極板和接收極板，它們用同一根軸連接。發(fā)射極板分為4 個(gè)等面積且相互絕緣的發(fā)射極瓣，且對(duì)角發(fā)射極瓣電氣相連，也即發(fā)射極板在電氣上實(shí)際為兩塊;轉(zhuǎn)動(dòng)極板包括2 個(gè)圓心角為90°的等面積對(duì)稱極瓣。發(fā)射極板和接收極板由覆銅板制成，轉(zhuǎn)動(dòng)極板和軸采用低膨脹系數(shù)的金屬材料制成。同時(shí)，由于固定極板邊緣存在電磁干擾，所以在發(fā)射極板和接收極板背面均覆銅接地，在其正面有效面積內(nèi)外側(cè)設(shè)置圓形保護(hù)環(huán)，用以屏蔽周圍電磁場的影響。

圖2 敏感元件結(jié)構(gòu)

該傳感器基于比例測(cè)量原理。發(fā)射極板與接收極板實(shí)際構(gòu)成2 個(gè)電容器，這2 個(gè)電容器采用差動(dòng)方式，這可在一定程度上提高靈敏度，降低非線性并減小甚至消除由于溫度或電源等的變化而引起的附加誤差，從而有效提高傳感器的性能指標(biāo)［12］。如果沒有轉(zhuǎn)動(dòng)極板隔在中間，則這2 個(gè)電容值是相等的。由于轉(zhuǎn)動(dòng)極板的位置不同，這2 個(gè)電容值也即隨之發(fā)生變化。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)角改變時(shí)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)極板轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變這2 個(gè)電容值，該電容值是由轉(zhuǎn)動(dòng)角度唯一決定，故測(cè)出電容值即可知角度值，而電容值可通過對(duì)電容進(jìn)行充放電，然后對(duì)電容電壓值進(jìn)行測(cè)量而得到。

3 電容式角行程位置發(fā)送器設(shè)計(jì)

電容式角行程位置發(fā)送器主要由敏感元件、激勵(lì)與測(cè)量模塊和主機(jī)系統(tǒng)三大部分組成，如圖3 所示。

圖3 電容式角行程位置發(fā)送器原理框圖

基于比例測(cè)量原理的電容式角位移傳感器需要對(duì)發(fā)射極板上的分瓣單元交替施加周期性的激勵(lì)，這由單片機(jī)系統(tǒng)、方波激勵(lì)模塊和多路單刀雙擲開關(guān)共同完成。單刀雙擲開關(guān)用以選通發(fā)射極板分瓣單元，選通時(shí)序由單片機(jī)的兩路I/O 輸出控制，同時(shí)將被選通的單元接入微小電荷檢測(cè)電路。

電容微小變化量檢測(cè)電路是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。在本傳感器中，電容的變化只有幾pF，而電路的雜散電容和分布電容等大約為幾百pF 左右?？紤]到電路和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與復(fù)雜性，本設(shè)計(jì)采用文獻(xiàn)［13］提到的微小電容檢測(cè)電路，該電路可有效消除電路中雜散電容和分布電容對(duì)被測(cè)電容的影響［14］。

主機(jī)系統(tǒng)以 PIC16F877 單片機(jī)為核心。PIC16F877 單片機(jī)本身集成的硬件簡化了傳統(tǒng)差動(dòng)檢測(cè)電路，可方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、A/ D 轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波等功能，這大大節(jié)省了硬件資源，并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［7］。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，單片機(jī)得到采樣值后，根據(jù)比例測(cè)量原理計(jì)算得到當(dāng)前的角位移量。由于輸出單元只能辨識(shí)正信號(hào)，因此需要將運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)平移，將其轉(zhuǎn)換成正信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出角度值，其形式為32 位浮點(diǎn)數(shù)［15］，經(jīng)過進(jìn)一步處理后輸出4 ～20 mA DC 信號(hào)或符合相關(guān)通訊標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。

4 結(jié) 語

本文提出了一種以分瓣三層平行板電容角位移傳感器為敏感元件的電動(dòng)角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置發(fā)送器，主機(jī)系統(tǒng)以PIC16F877 單片機(jī)為核心構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)方波控制、數(shù)據(jù)采集、差動(dòng)計(jì)算及數(shù)字濾波等功能。與目前常用的以差動(dòng)變壓器為敏感元件的位置發(fā)送器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度高、可靠性高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，與以電位器為敏感元件的位置發(fā)送器相比，具有更高的可靠性和更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

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