秦玉偉， 胡濤成

（1.渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南 714099； 2.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

角度傳感器廣泛應(yīng)用于儀器儀表制造、液體成分分析、厚度測量以及坡度檢測等諸多領(lǐng)域［1-4］. 常見的角度傳感器有非繞線電位器式、自整角機(jī)式、霍爾式、電解式、電容式等幾類［5-8］. 電容式角度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)［9-11］. 傳統(tǒng)的電容角度傳感器利用極板相對(duì)面積的改變實(shí)現(xiàn)角位移的測量，受外部環(huán)境影響大、輸出線性度低；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，通常在傳感器產(chǎn)生相對(duì)角位移的兩塊轉(zhuǎn)動(dòng)極板引出電極，測量角度范圍受限，測量過程容易造成接觸不良，引起電氣故障［12-16］. 為了克服上述缺陷，設(shè)計(jì)了一種區(qū)別于傳統(tǒng)的電容角度傳感器，并采用CAV444芯片進(jìn)行信號(hào)處理，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的無接觸式的角度測量，能夠提高傳感器的可靠性以及性價(jià)比，減少周圍電路和工作環(huán)境的影響，延長傳感器的使用壽命.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器由極板A、極板B、轉(zhuǎn)軸和屏蔽外殼等部分構(gòu)成，其中A、B極板由特殊處理的兩塊覆銅板構(gòu)成，且平行放置，極板間距極小. A、B極板陰影部分為覆銅，覆銅部分兩個(gè)張角為90°扇形，其余部分經(jīng)腐蝕處理，無覆銅，結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 角度傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the angle sensor

動(dòng)極板A中心部分連接（連接點(diǎn)為M）電極線，其背部固定轉(zhuǎn)軸并通過軸承連接；定極板B 固定在屏蔽外殼底部，中心部分不連接，兩電極分別從其的兩端引出. 傳感器屏蔽外殼由覆銅板組成，上部開口嵌入軸承，并引出轉(zhuǎn)軸，通過轉(zhuǎn)軸使動(dòng)極板A產(chǎn)生角位移. 通過改變極板的相對(duì)面積來改變電容值，從而就可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)的角度. 該結(jié)構(gòu)可以等效為兩個(gè)電容C1、C2的串聯(lián)，如圖2所示.

通過對(duì)等效電容值的檢測，就可以得知傳感器的角度變化值. 該無接觸式電容角度傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，兩根引出線固定不變，減少了機(jī)械摩擦，提高了測量精度和傳感器的使用壽命，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性.

圖2 等效電路Fig.2 Equivalent circuit

2 工作原理

當(dāng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)極板A時(shí)，動(dòng)極板A和定極板B之間的相對(duì)面積會(huì)發(fā)生改變，傳感器等效電容值發(fā)生相應(yīng)的改變. 當(dāng)兩個(gè)相互平行的極板A、B接近于無限大的時(shí)候，可以忽略其邊緣對(duì)傳感器自身造成的影響［17-18］. 因此，電容量的公式可以近似地表示為：

式中：ε0為真空中的介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)（本設(shè)計(jì)中，板間物質(zhì)為空氣，值為1）；s 為兩極板的相對(duì)面積；d 為兩極板間距. 假設(shè)電容角度傳感器的兩極板A、B之間的半徑都是R，距離為d . 當(dāng)A旋轉(zhuǎn)時(shí)，相對(duì)面積變化量記為Δs，兩極板的初始位置相對(duì)面積為零，得到如下的關(guān)系式：

總電容變化量ΔC 為：

由此可得，隨著極板A的轉(zhuǎn)動(dòng)，兩極板所對(duì)應(yīng)的角度改變時(shí)，從而引起其所對(duì)應(yīng)的面積和電容發(fā)生周期性變化. 轉(zhuǎn)動(dòng)角θ 在四個(gè)不同的象限變化時(shí)，引起的角度和電容的變化量都是有一定關(guān)系的，在保持傳感器形狀和極板間距不變的情況下，電容值變化與角度變化呈線性關(guān)系. 另外，可以求出該傳感器引起的電容的變化量ΔC 最大值為：

3 信號(hào)處理

電容角度傳感器信號(hào)處理主要由CAV444電容電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和顯示電路部分組成. CAV444將電容的變化量轉(zhuǎn)換為差分電壓輸出，經(jīng)過OP07構(gòu)成的儀用放大電路進(jìn)行放大后，得到與角度變化呈線性關(guān)系的輸出電壓，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)STC89C52處理，最終顯示測量結(jié)果.

3.1 電容-電壓轉(zhuǎn)換集成電路CAV444

電容-電壓轉(zhuǎn)換電路采用芯片CAV444直接測量電容傳感器的電容變化并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的線性電壓輸出. CAV444是一個(gè)可測量多種電容傳感器信號(hào)的線性轉(zhuǎn)換比例電壓輸出的接口集成電路，具有信號(hào)采集、處理和差分電壓輸出的功能［19］. 該芯片測量范圍寬，可測量范圍為19～2200 pF，并按一定的比例關(guān)系輸出連續(xù)的電壓值. CAV444 內(nèi)部集成了溫度傳感器、測量振蕩器、頻率電壓轉(zhuǎn)化電路、低通濾波器、輸出級(jí)（阻抗轉(zhuǎn)化和放大）以及內(nèi)置電源，靈活地解決了傳統(tǒng)振蕩法使用獨(dú)立元器件的精確度高但線性度低的問題，消除了電路雜散電容所帶來的影響［20］. 該芯片內(nèi)部集成的溫度傳感器，有效地降低了外部環(huán)境對(duì)芯片正常工作的影響. 該芯片附加了一個(gè)Excel校準(zhǔn)軟件kali_CAV444.xls，既提高了輸出電壓的校準(zhǔn)效率，又便于快速準(zhǔn)確地選取元器件的型號(hào). CAV444的原理圖如圖3所示.

圖3 CAV444工作原理圖Fig.3 Principle circuit diagram of CAV444

CAV444測量的電容值ΔCm=CM,max-CM,min和電壓輸出信號(hào)之間具有線性關(guān)系，其中CM,min表示CM的本底電容值，CM,max表示電容傳感器的最大電容值［19］. 輸出的差分電壓信號(hào)與輸出電壓與內(nèi)置的參考恒壓源VREF相聯(lián)系. 差分電壓輸出可直接連接到A/D轉(zhuǎn)換電路上，模擬電路系統(tǒng)測量分辨率只與電路本身的噪聲有關(guān)，可以利用集成電路內(nèi)置的溫度傳感器和單片機(jī)組成一個(gè)可以數(shù)字校準(zhǔn)的電路系統(tǒng). CAV444芯片的12引腳和被測量的電容（電容角度傳感器）相連，當(dāng)按一定的規(guī)律對(duì)CM充放電后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波形和幅值恒定的三角波，該三角波的頻率和芯片內(nèi)部的測量振蕩器的頻率基本保持一致，同時(shí)和CM呈線性關(guān)系. 內(nèi)置頻率/電壓變換電路將頻率轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并送到下一級(jí)低通濾波器濾波處理，最后輸出一個(gè)直流電壓信號(hào). 通過零點(diǎn)和滿度可調(diào)的輸出級(jí)，即通過調(diào)節(jié)電阻R1得到所需要的電壓輸出值，輸出電壓與內(nèi)置2.5 V的參考電壓VREF形成差分電壓輸出VDIFF.

3.2 放大電路

本設(shè)計(jì)中，由于集成電路CAV444 輸出的差分電壓幅值過小，因此采用放大電路處理得到的電壓信號(hào)，利于后續(xù)采集，放大電路如圖4所示.

該放大電路由三個(gè)OP07 組成，分別記為運(yùn)算放大器A1、A2和A3. A1和A2為第一級(jí)的差分放大電路，A3則構(gòu)成第二級(jí)，總放大倍數(shù)K 表示為

圖4 放大電路Fig.4 Amplifying circuit

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將電容角度傳感器、CAV444 電容轉(zhuǎn)換電壓電路、放大電路、A/D 變化電路以及顯示電路連接，并進(jìn)行電路的調(diào)零和調(diào)滿. 由于不受傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引線的限制，因此動(dòng)極板A 可以自由旋轉(zhuǎn)，角度的變化范圍為0～2π，并且輸出的電壓幅值與角度呈線性關(guān)系，本設(shè)計(jì)中只測量0～π/2 的范圍內(nèi)角度的變化，測量結(jié)果如表1所示.

表1 輸出電壓測量值Tab.1 Measurements of voltage output

根據(jù)最小二乘法原理對(duì)實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性處理分析，得到線性擬合后的曲線，如圖5所示.

圖5 一階線性擬合曲線Fig.5 First order linear fitting curve

可知，擬合曲線的表達(dá)式為V=3.205 9θ-0.204 9，擬合度R2的值是0.993 7，該值接近于1. 可以看出，實(shí)際測量的輸出電壓和動(dòng)極板所旋轉(zhuǎn)的角度變化量具有良好的線性關(guān)系，表明實(shí)際測量的數(shù)值大小和預(yù)估的數(shù)值之間近似相等，誤差在可以接受的范圍內(nèi).

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的電容角度傳感器，從根本上避免了傳感器的引出線因長時(shí)間動(dòng)作而產(chǎn)生誤差、使用壽命短等一系列問題，消除了寄生電容及其他方面的干擾，提高了測量精度、靈敏度以及性價(jià)比. 當(dāng)動(dòng)極板在0°～90°的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，得到了較好的線性電壓輸出. 測量結(jié)果可知，該傳感器系統(tǒng)仍然具有一定的誤差，原因可能是零點(diǎn)和滿度調(diào)整時(shí)轉(zhuǎn)軸抖動(dòng)引起的誤差以及屏蔽措施不夠完善引起的. 通過采取更加有效的屏蔽措施，能夠有效避免大部分的電路干擾，滿足實(shí)際角度測量需要.