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）θR²/2δ₀ε_rε₀ （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；ε_r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)ε_r、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。

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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。