一種高精度電容式360°角度傳感器的設計

牛 青，王建勇

（常州華達科捷光電儀器有限公司，江蘇常州 213023）

0 引言

角度傳感器的應用范圍非常廣泛，實現角度測量的傳感器種類也很多，如：光柵式、電容式、加速度式、電阻式等。其中電容式角度傳感器是利用電容的原理，實現電容量變化到角度的轉換。根據實現的方式不同，可分為：變介電常數、變間隙、變面積等類型。

本文介紹的是利用變面積的原理實現角度的測量，即在電介質液體的液位和間隙不變的情況下，當角度發生變化時，多扇區電極在電介質液體中的面積變化帶動電容的變化，結合電介質液體的自重原理，可方便的實現360°范圍的角度測量。

1 變面積電容傳感器的工作原理

1.1 結構設計原理

圖1是變面積電容式角度傳感器的結構示意圖。其中：1-1為公共電極，1-2為多扇區電極（A～F為6個扇區），中間的虛線為電介質液體，液位的高度接近中心線。

從圖1可以看出，每個扇形電極相對公共電極都會形成一個電容。各扇區電極浸入電介質液體的面積不同，則6個扇區相對公共電極的電容值各不相同。

根據自重原理，電介質液體的液位基本保持不變。當角度傳感器沿軸線旋轉時，6個扇區電極會依次進/出電介質液體，從而6個扇區電極對公共電極的電容值會交替變化，利用這種特性來實現對360°的角度測量。

圖1 變面積電容式角度傳感器結構示意

1.2 電路設計原理

因6個扇區間是相互隔離的，中間存在間隔。為防止電介質液位在間隔處出現電容信號突變，影響角度的測量，在實際應用中，可以采取相鄰扇區電容并聯的方式進行測量。

由于電容量不便直接進行采樣，需要通過轉換電路進行信號的轉化，然后再來進行記錄、分析和測量。考慮到信號采樣電路的精度及成本，本文采用555振蕩電路，把電容信號轉化為頻率信號進行采樣。為消除轉換電路間存在的測量誤差，采用一個共用的555振蕩電路分別對6個扇區進行信號轉化。電容-頻率轉換電路示意圖如圖2所示。

圖2 電容—頻率轉換電路示意

2 信號采集及處理

通過模擬通道選擇開關1和2，依次選擇相鄰的兩個電極電容接入555振蕩電路中，產生一定頻率的方波信號，MCU定時分別對6路頻率脈寬進行采樣。為提高采樣精度，對555電路輸出的方波脈寬間采用高頻脈沖進行填充計數，圖3是利用高頻填充方法實際測量的6路信號變化曲線（采用4MHz頻率填充的效果）。

圖3 各扇區電極信號變化曲線

通過圖3的曲線可以看出，6個扇區電極在進/出電介質液體時，輸出信號呈線性化，可以利用這個特性進行角度的折算，方法如下：

（1）首先可以設定，當曲線AB=曲線DC時，為0°；曲線DC=曲線 AF時，為30°；曲線 AF=曲線 CB 時，為 60°；……;曲線 BA=曲線 ED 時，為 330°1.當溫度發生變化時，電介質液體的液位也會發生變化，但設定點的信號也會同步增加或減小，可以有效的減小溫度變化對設定角度的影響。；

（2）在上述角度分區內，對信號進行線性化處理。

（3）由于傳感器裝配時存在誤差，在分段線性化校準后，再利用角度校準工裝，每間隔2°作為一個角度校準點，使線性化后的數據與實際角度進行一一對應。通過這種處理方式，該角度傳感器實際測試下來的分辨率可以做到0.01°，角度精度可以做到0.1°，且可以單軸旋轉360°范圍內連續進行角度測量。

3 結語

本文對平板電容器的工作原理進行了分析，通過電容器面積的變化導致電容值的變化，并折算成角度的變化。利用多扇區電容進行有效的跨扇區角度計算，實現了360°范圍的角度連續測量。通過分段線性化處理，可以有效提高角度的測量精度。

實驗結果顯示，通過這種方法可以對360°范圍內的角度進行動態、連續、高精度的測量。通過軟件功能的配合，能夠進行角度、坡度模式的切換及顯示，也可以對旋轉方向進行判別及顯示，可適應不同應用場合的使用要求。