羅東輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

激光打標(biāo)、掃描成像等領(lǐng)域普遍采用有限轉(zhuǎn)角掃描電機(jī)作為掃描執(zhí)行器件。在有限轉(zhuǎn)角掃描電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，掃描電機(jī)中的角度傳感器是影響掃描精度的關(guān)鍵部件之一。角度傳感器從工作原理上來(lái)分有電容式、光電式、電磁式、機(jī)械式等很多種，而在掃描電機(jī)應(yīng)用中，由于電容式角度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣量小、非接觸測(cè)量，并能在高低溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作的優(yōu)點(diǎn)，因此電容式角度傳感器在掃描電機(jī)上得到了普遍的應(yīng)用。

本文分析了電容式角度傳感器的工作原理，給出了實(shí)用的調(diào)制解調(diào)電路。通過(guò)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證，電容式角度傳感器在±12°的范圍里可以達(dá)到99.9%的測(cè)量精度。

1 電容式傳感器原理

本文使用的掃描電機(jī)電容式差分式角度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。圖中，介質(zhì)片安裝在有限轉(zhuǎn)角掃描電機(jī)的軸上，定極板1 為做在同一PCB 上的互相絕緣而形狀和尺寸相同的銅箔，定極板2 為做在PCB 板上的銅箔，介質(zhì)板位于定極板1、2 之間，定極板1、定極板2 與介質(zhì)片三者相互平行，定極板1、2 組成了電容式角度傳感器的二個(gè)極板。際使用時(shí)定極板1 上的4 個(gè)極板對(duì)稱并聯(lián)連接，因此電容量增加一倍。圖2 中A，B 為定極板1，C 為介質(zhì)板，D 為定極板2，定極板AD，BD 構(gòu)成了差分式角位移傳感器中的二個(gè)檢測(cè)電容CAD和CBD。工作時(shí)介質(zhì)板隨電機(jī)轉(zhuǎn)子在自身平面內(nèi)繞O 點(diǎn)擺動(dòng)，從而改變了二極板間介質(zhì)的有效面積，使得CAD和CBD的電容量隨之改變。設(shè)介質(zhì)板的中心位置位于AD 和BD 的對(duì)稱位置時(shí)，極板A，B 的角度為α，介質(zhì)板覆蓋極板A，B 的角度為α1，此時(shí)可求出當(dāng)介質(zhì)板在中心位置時(shí)CAD和CBD的電容值:

圖2 電容式角度傳感器原理示意圖

實(shí)際產(chǎn)品的R=9 mm，r =5 mm，介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)為100，介質(zhì)板在中間位置時(shí)，CAD和CBD的電容量約為20 pF。

假定介質(zhì)板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度Δα，這時(shí)介質(zhì)板與定極板1 中A，B 板的重合角度變?yōu)棣?+Δα 和α1-Δα，則CAD和CBD的電容量變?yōu)楹?

容易推得:

2 調(diào)幅式電容測(cè)量電路原理

電容量的測(cè)量電路如圖3 所示，電路由推挽式自激振蕩器、二極管并聯(lián)峰值檢波、低通濾波器和減法放大器組成。圖3 中D1，D2 和D3，D4 為并聯(lián)峰值檢波二極管，U1C 和U1B 及外圍阻容元件組成低通濾波器，U1A，R5，R8，R9，R10 構(gòu)成減法放大器。并聯(lián)峰值檢波電路原理圖如圖4 所示。設(shè)自激振蕩器次級(jí)產(chǎn)生的高頻正弦波為vi(t)=Umsin (ωt)，則檢波后正弦波的負(fù)半周在負(fù)載電阻RL上的電壓峰值為:

圖3 電容測(cè)量電路

圖4 并聯(lián)檢波電路原理圖

由于電容C 的容量非常小，因此負(fù)載電阻RL上的電壓峰值近似為-ωRLCUm，由式(1)、式(2)可得:

UA，UB通過(guò)U1C，U1B 組成的低通濾波器后，再經(jīng)過(guò)減法放大器U1A 進(jìn)行減法運(yùn)算后輸出Vo:

式中:k1，k2分別為低通濾波器和減法放大器的增益。

由此可見(jiàn)，檢波后的電壓經(jīng)U1C，U1B 構(gòu)成的低通濾波器后再相減得到的輸出電壓Vo正比于介質(zhì)板的偏轉(zhuǎn)角度Δα。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將電容傳感器固定在分度轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)調(diào)節(jié)分度轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，分別測(cè)得電容傳感器在±12°范圍內(nèi)的輸出電壓如表1 所示。

表1 傳感器的期待輸出和實(shí)際輸出

續(xù)表

由表1 可知，在±12°的測(cè)量范圍里，最大引用誤差為0.001。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)電容式角度傳感器的原理進(jìn)行了分析并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)證明，電容式角度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，在±12°的范圍內(nèi)傳感器測(cè)量精度可以達(dá)到99.9%。

［1］ 李翰蓀.電路分析基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］ 童詩(shī)白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］. 北京:高等教育出版社，2001.

［3］ 毛閔軍，金輝，卜弘毅，等.電容位置傳感器在激光掃描雷達(dá)的應(yīng)用研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(11)20 -22.

［4］ 葉喬. 高速振鏡理論研究及實(shí)踐［D］. 武漢:華中科技大學(xué)，2004.