| 摘要：电容式角位移传感器是通过 将机械角度的变化转化成电容量 变化并给出相应电信号输出的测 量装置，它具有非接触、灵敏度高、 高可靠性、精度高和低功耗、结 构简单、工作环境要求低等特点， 这使得它成为最具有发展前景的 传感器之一。然而一些不足之处 仍然存在，尤其是电容传感器对 温度的敏感。为了更好发挥电容 角位移传感器的优势，需要对其 采取一些相应的措施。采用比例 式测量原理可以从原理上实现差 动补偿，进而提高仪器的测量准 确度。 【关键词】比例测量原理 角位移 电容传感器 传感器是检测和控制系统打的首要环节。 随着技术的发展，系统的自动化程度越来越高， 对传感器的依赖性也越来越大，传感器的品质 对系统起着决定性的作用，因此，在国内外学 者越来越重视各种类型传感器的研制与应用， 传感器技术已逐步发展成为一种专门的技术科 学。 1 引言 角位移测量广泛应用于我国现代化建设 的各个等方面。不同应用领域需求不同测量要 求，针对基于无线传感网络引导的高精度超大 空间测量系统中需要实时自动感知靶标在不同 位置的空间位姿信息，提高测量系统的测量精 度。而空间位姿信息中需要自动感知偏离水平 面的横向和纵向角位移大小，因此需要研究无 外力作用下的能自动感知二维角位移的测量系 统。该测量系统具有体积小、低成本、测量精 度高等特点。 利用平板电容器可将电容式传感器的基 本工作原理说明。当边缘效应被忽略时，电容 器的电容量为： d A d C A r 0 ε ε ε = = 其中，A 为平行极板互相覆盖的有效面积 （m2），C 为电容量(F);d 为两平行级板之间 的间距（m）， r 为相对介电常数， 为极板间 介质的介电常数（F•m-1），εo 为真空介电常数， εo=8.85×10-12（F•m-1）。据此，板间距、面积 变化、和介质都直接影响电容值的大小。故根 据电容器参数变化的特征，电容式传感器可分 为面积变化型、极距变化型、和介质变化型三 种情况。 2 不同类型角位移传感器比较 不同类型的角位移传感器有着以下不同 的特点：绕线电位器式角位移传感器优点为结 构简单，测量范围广，输出信号大，抗干扰能 力强，精度较高；其缺点为分辨率优先，存在 接触摩擦，动态响应差。非绕线电位器式角位 移传感器优点为分辨率高，耐磨性好，阻值范 围宽；其缺点为接触电阻和噪声大，附加力矩 较大。光电电位器式角位移传感器优点为无附 加力矩，分辨率较高，寿命长，响应快；其缺 点为线性度较差。光栅式角位移传感器优点为 精度高，易数字化，能动态测量；其缺点为对 环境要求较高。磁栅式角位移传感器优点为结 构简单，易数字化，磁录方便，成本低；其缺 点为需磁场屏蔽。感应同步器角位移传感器优 点为精度较高，易数字化，能动态测量，结构 简单，对环境要求低；其缺点为电路较复杂。 码盘式角位移传感器优点为精度较高，非接触 式；其缺点为电路较复杂。电容式角位移传感 器优点为分辨率高，灵敏度高，非接触式， 结构简单，差动测量（比例式）；其缺点为需 要屏蔽。激光式角位移传感器优点为精度高； 其缺点为设备复杂，成本高。微动同步器角位 移传感器优点为分辨率高，非接触；其缺点为 测量范围小，电路较复杂。霍尔传感器角位移 传感器优点为结构简单，成本低；其缺点为精 度较低。旋转变压器角位移传感器优点为性能 温度，对环境要求低，抗干扰能力强，使用方 便；其缺点为精度不高，线性范围小。 3 电容式角位移测量原理 电容式角位移传感器的核心元件为平板 式结构，结构分为静片（两片）和动片（一片）。 发射极板和接收极板构成了静片，三板相对间 隙应尽可能的小。其中发射极为多瓣结构，接 收极为整块覆铜, 动板与转轴一起转动。 电容式角位移传感器为三片平行板式的 核心元件，结构如图1 所示：由两片静片与单 个动片构成。三板相对间隙应尽可能的小。其 中发射极为多瓣结构，接收极为整块覆铜, 动 板与转轴一起转动。 如图1 所示，发射极由对顶角两瓣两两 电气相连的等面积的八瓣构成，从而共有四组 电容。由于动片需要在发射极板和接收极板之 间旋转，因此电容值随着发射极板与接收极板 所构成的4 组电容CA、CB、CC、CD 动片位置 变化而改变，当发射极板受一定的激励所施加 时，四组电容在接收极板上所产生的感生电荷 也不同。感生电荷的大小与角位移是有相应的 数学关系的，所以测量出电荷的数值，便能得 知角位移的数值。 4 结语 在现代工业技术中，角度是机械、仪器仪 表和电子产品制造业中的重要几何参数之一， 它的准确度直接影响着产品的质量与寿命，因 而在现代工业中，角位移测量占有重要的地位。 虽然现有许多类型的角位移测量传感器，但是 一般组建起来体积比较大，成本较高。本文针 对以上问题和测量要求，研究可以为大尺寸测 量的空间位姿信息获取提供有效的角位移测量 信息，可辅助实现高精度测量要求。 参考文献 [1] 张琳娜, 刘武发编著. 传感器检测技术及 应用[M]. 北京: 中国计量出版社. [2] 王化祥, 张淑英编著. 传感器原理极其应 用[M]. 天津: 天津大学出版社. 作者单位 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院 安徽 省合肥市 230009 |
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