摘要：設計了一種新型的電容式角度傳感器，并利用電容式信號轉換集成電路CAV424和電壓一電流轉換接口電路AM402，將電容傳感器信號轉化為4—20 mA標準的工業(yè)電流輸出。該系統(tǒng)能夠有效地降低干擾和測量誤差，在0—90°的范圍內實現對角度的精確測量，得到線性度良好的直流電流量輸出。

　　0 引言

　　傳統(tǒng)的差動式電容角度傳感器測量角度有限，動片與外界有直接的電氣連接，其電極要分別從動片和靜片引出。從動片引出電極通常采用軸承、卡子或者金屬張絲的方法，在動片轉動過程中，不但轉軸之間存在摩擦，而且容易造成引出線與動片轉軸之間接觸不良，出現機械故障，引入干擾和誤差，影響測量精度。所以，設計了新型的電容式角度傳感器，對結構進行了改進，克服了傳統(tǒng)差動式電容角度傳感器結構設計上存在的缺陷。

　　1 結構設計

　　該傳感器系統(tǒng)采用新的結構設計方式，結構設計如圖1(a)所示。其中動片由2片張角為90°的相對的扇形金屬板組成，金屬板中間部分相連；而靜片由2塊張角為90°、中間部分分開的扇形金屬板構成，電極分別從兩靜片引出，作為傳感器的信號輸出端。本質上，這種新結構的電容式角度傳感器相當于2個可變電容的串聯(lián)，電容的串聯(lián)值隨動片金屬極板與定片金屬極板之間相對角度的變化而變化。從靜片引出電極的設計方式引線方便，有利于動片相對于靜片的角度變化，而且動片與外界無電氣連接，避免了測量過程中由于轉動引起的摩擦和機械故障，從而真正實現了無接觸式測量，提高了測量精度，其等效電路如圖1(b)所示。

 

　　2 基本原理

　　電容傳感器的基本原理是基于物體之間的電容量與結構參數之間的關系。對于平板電容器，若平行板無限大，忽略其邊緣效應，其電容量公式表示為：

　　由式(1)可知介電常數、極板相對面積或極板間距的變化都可反映為電容值的變化。故可以用此原理測量物體的位移，物質的狀態(tài)參數等。

　　根據設計結構，設此電容式角度傳感器靜片的半徑為R，轉動片與靜片之間的距離(即極板間距)為d，空氣的介電常數為En，轉動過程中，每個張角為90~的轉動片與靜片相對面積的變化量為△s．初始狀態(tài)轉動片與靜片相對面積為零，則△S1=△S2=△s．因為：

 

　　總的電容變化量為：

 

　　設轉動片從初始位置開始，相對于靜片轉過的角度為口，當

　　由式(4)～式(7)可知，電容變化量是隨角度變化周期性變化的，在0～3印。內的每個象限，電容的變化量與角度變化量0都成線性關系，變化量最大為：

　　3 電容信號測量及其轉化電路

　　3．1 電容一電壓轉犢電路CAV424

　　CAV424是一種多用途的處理各種電容式傳感器信號轉換的集成電路，能夠將電容信號轉換成電壓信號。它同時具有信號采集(相對電容量的變化)、處理和差分電壓輸出的功能，能夠測量出被測電容和參考電容的差值，即在相對于參考電容值(10 PF～2 nF)5％ ～100％的變化范圍內的電容值，并將其轉化成相應的差分電壓輸出，具有高檢測靈敏度；同時它還集成了內置溫度傳感器，當需要數字化信號修正時可直接用來監(jiān)測溫度。利用CAV424作為電容傳感器的調理電路，可克服寄生電容和環(huán)境變化的影響，提高了測量精度和抗干擾能力。同時傳感器外接元件較少，處理電路比較簡單，儀器體積小。

　　3．2 電壓一電流轉換電路AM402

　　AM402是處理差分信號輸入、電流輸出接口的集成電路，可以將輸入的微弱的傳感器差動電壓信號轉換成符合工業(yè)標準的二線方式輸出(4～20 mA)或者三線方式輸出(0／4～20 mA)的電流信號。AM402由3個基本的單元組成：

　　(1)高精度的前置放大器。其具有較大的增益調節(jié)范圍，適合于不同的信號輸入范圍，可用于各種不同變化范圍的傳感器信號處理。

　　(2)由電壓控制的電流輸出級。通過調整偏置電壓可以使輸出電流在較寬的范圍內可調。

　　(3)可調的參考電壓?？蔀閭鞲衅骰蛘咄獠吭峁? V或10 V的電壓。

　　該電容式角度傳感器的實際測量電路如圖2所示，其中可變電容C1和 C2的串聯(lián)部分為電容傳感器等效電路部分。

圖2 電容信號測量電路

　　4 實驗與分析

　　實驗設計中，根據AM402三線制輸出電流的取值范圍，調節(jié)電容傳感器信號轉換集成電路芯片CAV424的外接元件，使其輸出的差分電壓值為0～200 mV，即輸入到電壓一電流轉換接口電路AM402的電壓值為0～200 mV，而AM402采用三線制輸出方式，其輸出電流范圍為4～20 mA．根據前述的理論推導可知，在實際應用中，角度傳感器只適合取用0～ 2/π范圍內電流輸出隨角度的增大而增大的線性變化區(qū)域，故在測量過程中，只測量0-2/π內電流隨角度變化的輸出情況。通過負載的二電流輸出隨角度變化的測量結果如表1所示。根據最-'b~-乘法原理，對實驗數據進行曲線擬合，得到一階最佳線性擬合曲線，如圖3所示，曲線擬合度為0．997 3，非常接近于1，可見曲線擬合度較好。由圖3可以看出：輸出電流的實際測量值， 與角度變化量0成線性關系。曲線通式為：

　　式中：Iout為輸出電流；0為傳感器角度變化量。

 

圖3 單片機程序

　　結果表明實際測量值跟理論值基本吻合，與擬合曲線非常接近；在所測轉角0～90~范圍內，Iout呈線性輸出。

表1 電流輸出與角度變化關系：

 

　　圖3 輸出電流與角度變化的擬合關系曲線：

圖4輸出電流與角度變化的擬合關系曲線

　　5 討論

　　由實驗結果可以看出：擬合曲線與實際測量值相比，輸出的初始電流值略小于4 mA．這是因為實驗過程中，要根據實際輸出的電流值，對集成電路AM402進行調整，使其初始狀態(tài)偏置電流 為4 mA，在調整過程中，傳感器本身要受到周圍環(huán)境中存在的寄生電容的干擾和調節(jié)過程中人體本身對傳感器的影響，因而對初始值的測量結果造成誤差。而且，電容傳感器信號轉化為電壓的電路CAV424也存在一定的環(huán)境干擾和誤差，輸出的差分電壓經AM402內部的前置放大器部分放大，會對輸出電流值造成影響。

　　6 結束語

　　新型的電容式角度傳感器結構簡單，能夠測得0 90~的角度變化。通過CAV424以及AM402，可以將電容的變化信號轉化成工業(yè)上通用的4～20 mA標準的電流輸出。實驗得到了比較理想的線性輸出的直流電流信號，可廣泛用于實際角度測量以及自動控制等領域。通過對傳感器本身及其外接元件采取屏蔽措施，可以有效減少外界干擾對系統(tǒng)的干擾，從而減小測量誤差。