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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)、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(shù)等。
根據(jù)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(shù)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(shù)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。可為傳感器或者外部元件提供5 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(jù)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(jù)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(jù)最-'b~-乘法原理，對實驗數(shù)據(jù)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(jù)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(jīng)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。
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