轉(zhuǎn)動(dòng)極板懸空設(shè)計(jì)的數(shù)字電容角位移傳感器及其溫度特性測(cè)試

電容式角位移傳感器用于測(cè)量固定部件(定子)與轉(zhuǎn)動(dòng)部件(轉(zhuǎn)子)之間的旋轉(zhuǎn)角度，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，靈敏度高，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、汽車、航天及軍事等角度定位監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，一般來(lái)說(shuō)，電容式角位移傳感器由一組或若干組扇形固定極板和轉(zhuǎn)動(dòng)極板組成，為保證傳感器的精度和靈敏度，同時(shí)避免因環(huán)境溫度等因素的改變導(dǎo)致介電常數(shù)、極板形狀等的間接變化，進(jìn)而對(duì)傳感器性能產(chǎn)生不利影響，對(duì)傳感器的制作材料、加工工藝以及安裝精度提出了較高要求，為了克服電容角位移傳感器的局限性，國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者進(jìn)行了長(zhǎng)期的大量研究工作，其主要思想方法是將傳感器設(shè)計(jì)成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，杰出的代表是瑞士Camille Bauer公司研制的角度位置變送器，其精度為0.5%，環(huán)境溫度范圍-20～+60℃，溫漂±0.2%/10℃。

1996年，Brasseur等人提出了一種新的電容式角位移傳感器的測(cè)量原理，稱為比例測(cè)量原理，該原理同時(shí)具有比例特性和差動(dòng)特性，可以抵消相當(dāng)程度的放大器增益誤差和系統(tǒng)誤差，且在一定范圍內(nèi)能夠消除機(jī)械安裝誤差，從理論上克服了環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器產(chǎn)生的不良影響，對(duì)溫度漂移具有很好地抑制作用，本研究在比例式電容測(cè)角原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)動(dòng)極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計(jì)的數(shù)字電容式角位移傳感器，測(cè)量范圍180°;并針對(duì)快速變化的溫場(chǎng)，進(jìn)行了傳感器溫度特性測(cè)試，旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證基于該原理的角位移傳感器抑制溫度驟變的能力。

1 敏感元件的結(jié)構(gòu)

測(cè)量范圍180°、轉(zhuǎn)動(dòng)極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計(jì)的數(shù)字型角位移傳感器的敏感元件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由三塊同軸且平行的極板構(gòu)成，即兩塊固定極板和一塊位于兩者之間的可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)極板，兩固定極板分別稱為發(fā)射電極和接收電極，其中發(fā)射極板分成等面積的8瓣，對(duì)頂角兩瓣電氣相連(圖1(a)中標(biāo)號(hào)相同的分瓣，如C1與C1電氣相連，C2與C2等等);接收極板為-360°的圓形導(dǎo)電極板;轉(zhuǎn)動(dòng)極板由兩個(gè)等面積的對(duì)稱葉片組成，葉片的圓心角為90°，轉(zhuǎn)動(dòng)極板的直徑大于發(fā)射極板，而發(fā)射極板的直徑又大于接收極板，此外，發(fā)射與接收極板的內(nèi)外緣均設(shè)計(jì)有接地保護(hù)環(huán)(如圖1中A，B所示)，用于降低散射場(chǎng)的效應(yīng)。傳感器轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)極板材質(zhì)相同，均為具有低膨脹系數(shù)的金屬材質(zhì)，且彼此電氣絕緣，即轉(zhuǎn)動(dòng)極板處于懸空狀態(tài)，其優(yōu)勢(shì)在于懸空設(shè)計(jì)的金屬轉(zhuǎn)動(dòng)極板不僅可以使得相同尺寸結(jié)構(gòu)的敏感元件有效測(cè)量電容值和靈敏度得到提高，同時(shí)懸空設(shè)計(jì)的另一個(gè)直接作用是取代了電刷設(shè)計(jì)，消除了機(jī)械磨損，提高了可靠性，延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命，為提高傳感器系統(tǒng)的抗干擾能力，將傳感器敏感元件與測(cè)量電路封裝在一個(gè)密閉的金屬殼體之中，發(fā)射極板和接收極板的相背面均覆銅接地，相對(duì)面內(nèi)外側(cè)圓環(huán)亦覆銅接地構(gòu)成保護(hù)環(huán)(如圖1中的A和B)。

圖1 電容敏感元件基本結(jié)構(gòu)

(a)軸;(b)發(fā)射極板;(c)轉(zhuǎn)動(dòng)極板;(d)接收極板

2 測(cè)量原理

2.1 程控激勵(lì)模式

由于轉(zhuǎn)動(dòng)極板在發(fā)射極板和接收極板之間旋轉(zhuǎn)，因此發(fā)射極板與接收極板所組成的4個(gè)電容隨轉(zhuǎn)動(dòng)極板旋轉(zhuǎn)而變化，當(dāng)一定模式的激勵(lì)施加在發(fā)射極板上時(shí)，這4個(gè)電容在接收極板上所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷也不同。

針對(duì)圖1敏感元件結(jié)構(gòu)，本文給出比例式測(cè)量所需的激勵(lì)模式時(shí)序，如表1所示，表中C1、C2、C3、C4表示四對(duì)電容極板，P1、P2、P3、P4為4種激勵(lì)模式，表示不同時(shí)刻對(duì)分瓣電容極板施加不同的激勵(lì)，T1+T2為一個(gè)激勵(lì)周期，本研究中，由程序根據(jù)電荷檢測(cè)電路充放電時(shí)間常數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間和采樣信號(hào)的穩(wěn)定性判據(jù)，自動(dòng)控制4種模式的周期長(zhǎng)度，故又可稱為程控激勵(lì)模式，當(dāng)被選中單元施加激勵(lì)后，即T1開始，產(chǎn)生的感生電荷流入電荷檢測(cè)電路，當(dāng)充放電時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，電荷檢測(cè)電路上的輸出電壓穩(wěn)定，硬件濾波后，立即啟動(dòng)A/D進(jìn)行采樣(即氏D時(shí)刻開始采樣)，為提高精度，采樣次數(shù)提高為n次，當(dāng)n次AD采樣結(jié)束時(shí)，送入濾波單元*定咒次采樣信號(hào)的穩(wěn)定性，若滿足*定指標(biāo)要求，則通過(guò)單片機(jī)程序控制I/O單元，強(qiáng)迫中止對(duì)被測(cè)電容的選通，同時(shí)使被測(cè)電容發(fā)射極板上的激勵(lì)中斷，并強(qiáng)制拉回低電平，T1結(jié)束;而在T2時(shí)間內(nèi)，激勵(lì)信號(hào)均為低電平，以降低功耗，設(shè)在瞬間激勵(lì)序列內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)極板靜止且激勵(lì)電壓為常量U0或0，則在P1～P4模式下激勵(lì)，接收極板上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷分別為s、s-、c、c-以這種程控激勵(lì)模式的設(shè)計(jì)與原比例式電容角位移傳感器中的激勵(lì)模式相比，不僅充分節(jié)約了時(shí)間，提高了采樣精度，而且有效地降低了傳感器功耗。

表1 激勵(lì)方式和測(cè)定值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 角度計(jì)算方法

給出了轉(zhuǎn)動(dòng)極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計(jì)、測(cè)量范圍0～180°的基于比例式電容測(cè)角原理的角位移傳感器的計(jì)算公式，即：

表2 象限判據(jù)、偏角與輸出角度計(jì)算公式

3 傳感器系統(tǒng)構(gòu)成

傳感器系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，由敏感元件、測(cè)量電路、智能部件與接口部件構(gòu)成，敏感元件的結(jié)構(gòu)所示如圖1，測(cè)量部件由選擇單元、激勵(lì)源和電荷檢測(cè)單元組成;智能部件由I/O單元、A/D單元、濾波單元、角度計(jì)算單元等組成;接口部件由電流輸出單元、RS232通訊單元等組成。

圖2 角位移系統(tǒng)原理框圖

敏感元件檢測(cè)反映角度位置的電容值，是傳感器的初始轉(zhuǎn)換單元，測(cè)量單元采用了先進(jìn)的抗雜散微小電容檢測(cè)電路，將電容值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，智能部件的主要功能是通過(guò)比例式算法計(jì)算出角位移量，最后由接口部件輸出角度計(jì)算結(jié)果。

4 樣機(jī)溫度特性測(cè)試

4.1 測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行，試驗(yàn)箱的溫度范圍是-40～+100℃，溫度波動(dòng)度小于士0.5℃，溫度均勻性小于士2℃，試驗(yàn)箱工作室內(nèi)有鼓風(fēng)裝置，可以保證箱內(nèi)的空氣由風(fēng)機(jī)鼓動(dòng)在箱體內(nèi)循環(huán)，使箱內(nèi)溫度均勻，圖3為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖，三臺(tái)傳感器樣機(jī)置于試驗(yàn)箱內(nèi)，根據(jù)通訊協(xié)議與上位微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通訊，上位機(jī)控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采樣、相關(guān)信息儲(chǔ)存與數(shù)據(jù)處理。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)箱的溫度通過(guò)設(shè)置試驗(yàn)箱的溫度終值來(lái)調(diào)節(jié)，在本研究中，為模擬環(huán)境溫度驟變的惡劣工況，試驗(yàn)箱溫度從-15℃上升到+65℃約需13min，平均升溫速度為6℃/min，溫場(chǎng)溫度與時(shí)間關(guān)系的函數(shù)(T=g(t))曲線如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)箱溫度變化曲線

4.2 測(cè)試方法

測(cè)試針對(duì)三臺(tái)傳感器樣機(jī)同時(shí)進(jìn)行，共分三組，即多點(diǎn)單次測(cè)試實(shí)驗(yàn)、單點(diǎn)多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)、寬溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

第一組，傳感器多點(diǎn)角度單次測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度變化范圍是-15～+65℃，試驗(yàn)箱升溫過(guò)程約需13 min，平均升溫速度為6℃/mim為保證傳感器樣機(jī)輸出值穩(wěn)定，本實(shí)驗(yàn)維持起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的溫度穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，故每次累計(jì)時(shí)間約1.5～2 h，樣機(jī)的角度測(cè)試點(diǎn)選取為20°、50°、80°、110°、140°和170°。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將傳感器樣機(jī)置于溫度實(shí)驗(yàn)箱中，上電;在常溫下調(diào)整傳感器樣機(jī)的測(cè)試角度值(誤差<±1。)，②啟動(dòng)試驗(yàn)箱，將試驗(yàn)箱溫度設(shè)定為-15℃，監(jiān)測(cè)傳感器樣機(jī)輸出角度值的變化，當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度與傳感器的角度輸出值均穩(wěn)定后(此過(guò)程約需30分鐘)，再將試驗(yàn)箱溫度變化終止值設(shè)定為+65℃，并啟動(dòng)傳感器角度數(shù)據(jù)采集軟件，自動(dòng)采集(采集時(shí)間間隔5 s)升溫過(guò)程中的角度傳感器輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行在線分析，③當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度上升至+65℃后，繼續(xù)觀察采樣數(shù)據(jù)，直至傳感器輸出值穩(wěn)定，然后停止采樣(此過(guò)程時(shí)間約30min)，關(guān)閉試驗(yàn)箱，利用軟件計(jì)算傳感器樣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和溫漂指標(biāo)，④重復(fù)上述(1)～(3)的步驟，完成多點(diǎn)角度測(cè)試的溫度實(shí)驗(yàn)(20°、50°、80°、110°、140°、170°)。

第二組，單點(diǎn)多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)，即重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，三臺(tái)傳感器樣機(jī)分別選擇一個(gè)角度點(diǎn)進(jìn)行多次溫度特性實(shí)驗(yàn)，以考察傳感器在這一角度點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具有偶然性，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行三次。

第三組，寬溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)，即實(shí)驗(yàn)將第一組實(shí)驗(yàn)的溫度變化范圍擴(kuò)大到-30～+80℃，選取110°角度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，目的在于進(jìn)一步考核傳感器溫度的適用范圍。

4.3 考核方法

重點(diǎn)考核當(dāng)環(huán)境溫度劇烈變化時(shí)，傳感器輸出漂移特性，若忽略其它干擾因素，可將輸出角度①視為環(huán)境溫度T與時(shí)間t的函數(shù)，即Φ=f(T，t)，而溫場(chǎng)變化的特征曲線如圖4所示，對(duì)于函數(shù)ψ=f(T，t)的變化趨勢(shì)，§4，4給出了定性的分析。

此外，測(cè)試實(shí)驗(yàn)著重針對(duì)角位移傳感器輸出角度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度與溫度漂移進(jìn)行，其中溫度漂移指標(biāo)分為“峰峰值溫漂”和“穩(wěn)態(tài)值溫漂”，計(jì)算公式分別如下：

“標(biāo)準(zhǔn)不確定度”為

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)傳感器多點(diǎn)角度測(cè)試的數(shù)據(jù)分析

表3為第一組實(shí)驗(yàn)，即三臺(tái)傳感器樣機(jī)進(jìn)行多點(diǎn)角度測(cè)試實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，可見三臺(tái)樣機(jī)的最大峰峰值溫漂分別為0.085%/10℃、0.08%/10℃、0.061%/10℃;最大穩(wěn)態(tài)值溫漂分別為0.070%/10℃、0.029%/10℃、0.061%/10℃;標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為0.08%、0.09%、0.09%。

表3 傳感器樣機(jī)多點(diǎn)角度測(cè)試的溫度特性分析

(2)傳感器單點(diǎn)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表4為第二組實(shí)驗(yàn)，即三臺(tái)傳感器樣機(jī)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，1#、2#、3#傳感器測(cè)試的角度點(diǎn)分別為110°、140°、80°，該組實(shí)驗(yàn)中3臺(tái)傳感器的最大峰峰值溫漂分別為0.052%/10℃、0.076%/10℃、0.063%/10℃;最大穩(wěn)態(tài)值溫漂分別為0.031%/10℃、0.046%/10℃、0.058%/10℃，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為0.07%、0.06%、0.08%。

(3)傳感器寬溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表5是三臺(tái)傳感器樣機(jī)進(jìn)行更寬溫度實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，測(cè)試角度均為110。，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了三次，該組實(shí)驗(yàn)中傳感器的最大峰峰值溫漂分別為0.124%/10℃、0.157%/10℃、0.18%/10℃，最大穩(wěn)態(tài)值溫漂分別為0.087%/10℃、0.126%/10℃、0.093%/10℃，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度最大值分別為0.06%、0.08%、0.1%。

表4 傳感器樣機(jī)單點(diǎn)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的溫度特性分析

(4)傳感器溫度特性曲線

以1#傳感器樣機(jī)為例，樣機(jī)輸出隨溫度變化的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖5所示，實(shí)驗(yàn)箱溫度從-15℃到+65℃的上升過(guò)程約800秒，平均升溫速度為6℃/min，該樣機(jī)的角度輸出值從最初的110.09°逐漸上升，角度變化速度先慢(前300 s)后快，并在溫度到達(dá)+65℃時(shí)達(dá)到最大值110.45°(對(duì)應(yīng)圖中約800 s處);此后，實(shí)驗(yàn)箱溫度保持在+65℃不變時(shí)，樣機(jī)輸出值又逐漸下降，再經(jīng)大約800秒后穩(wěn)定于110.25°，由圖可知，角度輸出的最小值在高溫或低溫的穩(wěn)定點(diǎn)獲得，傳感器的峰峰溫漂值為0.027%/10℃，穩(wěn)態(tài)溫漂值為0.009%/10℃，角度值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.07%。

圖5 傳感器溫度實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)特性曲線

同理，在-30～+80℃的寬溫場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，傳感器的角度輸出值亦呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。

5 結(jié)論

在比例式測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)動(dòng)極板為金屬材質(zhì)且為電氣懸空設(shè)計(jì)的數(shù)字型電容角位移傳感器，測(cè)量范圍180°;針對(duì)快速變化的溫場(chǎng)，進(jìn)行了傳感器溫度特性測(cè)試，三臺(tái)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境溫度從-15℃升至+65℃，以約6℃/min的速度變化過(guò)程中，三臺(tái)傳感器樣機(jī)的最大峰峰溫漂值為0.085%/10℃，最大穩(wěn)態(tài)溫漂值為0.070%/10℃;標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于0.1%，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)與-30～+80℃的寬溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明：基于該原理的傳感器具有較強(qiáng)的抑制溫漂能力，其指標(biāo)優(yōu)于國(guó)際先進(jìn)水平(環(huán)境溫度范圍-20～+60℃，溫漂值0.2%/10℃)。