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        電容式角位移傳感器輸出信號(hào)噪聲大原因探析

        2024-12-31 00:00:00苗偉張強(qiáng)
        機(jī)電信息 2024年17期

        摘要:對(duì)電容式角位移傳感器原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,論述多臺(tái)電容式角位移傳感器并聯(lián)使用時(shí)輸出信號(hào)噪聲大的可能原因,并從原因入手進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證,通過消除或減少寄生電容的影響,可有效解決多臺(tái)電容式角位移傳感器并聯(lián)使用時(shí)出現(xiàn)的輸出信號(hào)噪聲大問題。

        關(guān)鍵詞:電容式角位移傳感器;屏蔽;寄生電容;濾波

        中圖分類號(hào):TP212.9" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " 文章編號(hào):1671-0797(2024)17-0078-03

        DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.019

        1" " 電容式角位移傳感器原理及結(jié)構(gòu)

        電容式角位移傳感器由空氣介質(zhì)可變電容器和檢測(cè)電路組成,其敏感核心元件為空氣介質(zhì)可變電容器,該電容器由發(fā)射極板和接收極板構(gòu)成,如圖1所示。其中,不同的發(fā)射極板面積相等、互相絕緣,具有電氣隔離的特征。發(fā)射極板可以其與接收極板的耦合中心為原點(diǎn)呈180°角旋轉(zhuǎn)。發(fā)射極板和接收極板之間的絕緣介質(zhì)為空氣,通過軸與發(fā)射極板相連,旋轉(zhuǎn)輸入軸即可改變發(fā)射極板與接收極板之間的角度,從而改變電容量的大小,當(dāng)發(fā)射極板從接收極板位置全部旋出時(shí),電容量最小,當(dāng)發(fā)射極板全部旋入接收極板位置時(shí),電容量最大。在發(fā)射及接收電極轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生一定的感生電荷,而轉(zhuǎn)動(dòng)輸入軸過程中其旋轉(zhuǎn)的角度直接影響了發(fā)射極板及接收極板的感生電荷[1-2]。

        電容的容量C:

        C=(n-1)θR2/2δ0εrε0 (1)

        式中:n為極片數(shù);θ為互感面積所對(duì)應(yīng)的中心角;R為極板半徑;εr為相對(duì)介電常數(shù);ε0為真空介電常數(shù);δ0為兩極板距離。

        當(dāng)εr、ε0、δ0、R為常數(shù)時(shí),通過改變輸入角度θ,即可改變電容量的大小,并且電容值C和θ保持線性輸入/輸出關(guān)系。

        電容式角位移傳感器在控制系統(tǒng)中成套或多套并聯(lián)組合應(yīng)用時(shí),能實(shí)時(shí)顯示舵面輸出特性,采用直流28 V供電。檢測(cè)電路由晶振產(chǎn)生0.64 MHz信號(hào),控制被檢測(cè)電容的充放電時(shí)間,由電荷放大器進(jìn)行放大、濾波,再放大輸出,如圖2所示,同時(shí)在差動(dòng)放大器輸入偏置信號(hào),以保證當(dāng)傳感器輸入軸在總行程1/2時(shí),傳感器輸出滿足幅值要求。

        2" " 輸出信號(hào)噪聲大問題及原因探析

        電容式角位移傳感器在系統(tǒng)中成套或多套使用時(shí)[3],會(huì)出現(xiàn)輸出信號(hào)噪聲大問題。本文以某舵面控制系統(tǒng)為例進(jìn)行分析論述。

        當(dāng)舵面以幅度為0°~3°、周期為620 ms三角波等幅擺動(dòng)時(shí),電容式角位移傳感器輸出相應(yīng)幅值,但經(jīng)計(jì)算機(jī)采集到的實(shí)際波形如圖3所示(采樣周期12 ms)。

        由圖3可見,電容式角位移傳感器所采集到的波形周期約為500 ms,幅值不滿足輸出要求,輸出波形失真,不是等幅波。另外,不同電容式角位移傳感器失真程度不一致。

        為進(jìn)一步分析故障原因,分別將輸出失真嚴(yán)重的電容式角位移傳感器與失真相對(duì)較輕的電容式角位移傳感器進(jìn)行互換,兩臺(tái)電容式角位移傳感器輸出波形的失真都得到了很大改善,因此可判定電容式角位移傳感器本身沒有故障,輸出失真的原因是受到干擾。

        2.1" " 干擾源的確定

        將電容式角位移傳感器按照?qǐng)D4的安裝方式進(jìn)行連接。

        用示波器檢測(cè)電容式角位移傳感器輸出端的輸出波形,如圖5所示。當(dāng)輸入軸固定不動(dòng)時(shí),電容式角位移傳感器理論輸出應(yīng)該是一條直線,但實(shí)際檢測(cè)到周期約為100 ms的干擾波形。

        取其中一只電容式角位移傳感器用示波器測(cè)試輸出波形,如圖6所示。周期為780 ns(折合頻率1.28 MHz),即當(dāng)電容式角位移傳感器單個(gè)供電工作時(shí),計(jì)算機(jī)能采集到一條直線。

        以上兩個(gè)試驗(yàn)證明,電容式角位移傳感器輸出信號(hào)噪聲大,干擾源是多臺(tái)電容式角位移傳感器同時(shí)工作時(shí)的互相干擾。

        2.2" " 形成干擾的條件和途徑

        如圖7所示,斷開多臺(tái)電容式角位移傳感器與系統(tǒng)機(jī)械連接和屏蔽線(地線)之間的連接,用示波器檢測(cè)電容式角位移傳感器的輸出,輸出信號(hào)為一條直線,但當(dāng)電容式角位移傳感器的地線連接在一起后就產(chǎn)生如圖5所示的干擾波形,這說明地線干擾是造成輸出信號(hào)噪聲大的原因。

        多臺(tái)電容式角位移傳感器干擾的途徑是通過地線,電容式角位移傳感器殼體與內(nèi)部、極板形成散布電容,使地線上的電荷穿透殼體,在電荷放大器作用下,形成干擾信號(hào)。

        經(jīng)過分析,電容式角位移傳感器的殼體(屏蔽線)與輸入28 V電平之間存在0.64 MHz的信號(hào),該信號(hào)正是晶振的振蕩頻率。該信號(hào)在單個(gè)電容式角位移傳感器單獨(dú)供電時(shí)形成如圖6所示波形(1.28 MHz),其實(shí)際為0.64 MHz的倍頻信號(hào),這個(gè)信號(hào)是晶振的上跳沿和下跳沿的微分脈沖。

        2.3" " 解決方案

        根據(jù)以上分析,可通過消除或減少寄生電容[4-5]對(duì)地線干擾源的影響,解決并聯(lián)多臺(tái)電容式角位移傳感器輸出噪聲大的問題。

        電容式角位移傳感器設(shè)計(jì)時(shí),受到結(jié)構(gòu)尺寸限制,其自身電容量很小(十幾皮法至幾十皮法),屬于小功率高阻抗元件,這使其對(duì)寄生電容干擾非常敏感,并且寄生電容與傳感器的電容相關(guān)聯(lián),影響傳感器靈敏度等參數(shù),而這種變化為虛假信號(hào),會(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。

        因此,可以采取以下措施消除電容式傳感器的寄生電容:1)增加傳感器初始電容值:采用減小極片間距或增加極片工作面積的方式來增加電容初始值。2)集成化:將電容式角位移傳感器與檢測(cè)電路本身或前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi),省去傳感器的電纜引線,這樣寄生電容就大為減少且固定不變,可使測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作。3)采用電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù):當(dāng)電容式角位移傳感器的電容值較小時(shí),測(cè)量電路只能與傳感器分開,可采用電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù),即傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙層屏蔽電纜,采用這種技術(shù)可使電纜長度達(dá)10 m以上且測(cè)試系統(tǒng)不受影響。4)屏蔽法:采用整體屏蔽法,減輕和防止外界干擾給系統(tǒng)帶來的影響。

        3" " 結(jié)束語

        由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量并有平均效應(yīng),電容式角位移傳感器有著廣闊的發(fā)展空間和推廣前景。本文論述了電容式角位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理以及多臺(tái)電容式角位移傳感器并聯(lián)使用時(shí)輸出信號(hào)噪聲大的原因,通過消除或減少寄生電容的影響,可有效解決多臺(tái)電容式角位移傳感器并聯(lián)使用時(shí)出現(xiàn)的輸出信號(hào)噪聲大問題。本文對(duì)解決電容式角位移傳感器干擾問題具有一定的指導(dǎo)意義。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 彭鵬,邵淦,楊恩臻.電容式角位移傳感器[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014(15):260.

        [2] 葉晟波.電容式位移傳感器的原理分析[J].物理通報(bào),2013(3):103-105.

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        [4] 曲昊,彭倍,彭鵬,等.寄生電容對(duì)電容式加速度傳感器輸出電壓的影響[J].儀表技術(shù)與傳感器,2018(6):15-18.

        [5] 劉秉安.電容式傳感器寄生電容的抑制[J].國外電子測(cè)量技術(shù),2011,30(3):46-49.

        收稿日期:2024-04-26

        作者簡(jiǎn)介:苗偉(1979—),男,陜西漢中人,高級(jí)工程師,研究方向:電機(jī)及傳感器。

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