掃描電機(jī)用電容式角度傳感器的研究

2015-03-12 09:23:06羅東輝

微特電機(jī) 2015年5期

羅東輝

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引言

激光打標(biāo)、掃描成像等領(lǐng)域普遍采用有限轉(zhuǎn)角掃描電機(jī)作為掃描執(zhí)行器件。在有限轉(zhuǎn)角掃描電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，掃描電機(jī)中的角度傳感器是影響掃描精度的關(guān)鍵部件之一。角度傳感器從工作原理上來分有電容式、光電式、電磁式、機(jī)械式等很多種，而在掃描電機(jī)應(yīng)用中，由于電容式角度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、慣量小、非接觸測量，并能在高低溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作的優(yōu)點(diǎn)，因此電容式角度傳感器在掃描電機(jī)上得到了普遍的應(yīng)用。

本文分析了電容式角度傳感器的工作原理，給出了實(shí)用的調(diào)制解調(diào)電路。通過實(shí)際測量驗(yàn)證，電容式角度傳感器在±12°的范圍里可以達(dá)到99.9%的測量精度。

1 電容式傳感器原理

本文使用的掃描電機(jī)電容式差分式角度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。圖中，介質(zhì)片安裝在有限轉(zhuǎn)角掃描電機(jī)的軸上，定極板1 為做在同一PCB 上的互相絕緣而形狀和尺寸相同的銅箔，定極板2 為做在PCB 板上的銅箔，介質(zhì)板位于定極板1、2 之間，定極板1、定極板2 與介質(zhì)片三者相互平行，定極板1、2 組成了電容式角度傳感器的二個(gè)極板。際使用時(shí)定極板1 上的4 個(gè)極板對稱并聯(lián)連接，因此電容量增加一倍。圖2 中A，B 為定極板1，C 為介質(zhì)板，D 為定極板2，定極板AD，BD 構(gòu)成了差分式角位移傳感器中的二個(gè)檢測電容CAD和CBD。工作時(shí)介質(zhì)板隨電機(jī)轉(zhuǎn)子在自身平面內(nèi)繞O 點(diǎn)擺動(dòng)，從而改變了二極板間介質(zhì)的有效面積，使得CAD和CBD的電容量隨之改變。設(shè)介質(zhì)板的中心位置位于AD 和BD 的對稱位置時(shí)，極板A，B 的角度為α，介質(zhì)板覆蓋極板A，B 的角度為α1，此時(shí)可求出當(dāng)介質(zhì)板在中心位置時(shí)CAD和CBD的電容值:

圖2 電容式角度傳感器原理示意圖

實(shí)際產(chǎn)品的R=9 mm，r =5 mm，介質(zhì)板的相對介電常數(shù)為100，介質(zhì)板在中間位置時(shí)，CAD和CBD的電容量約為20 pF。

假定介質(zhì)板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度Δα，這時(shí)介質(zhì)板與定極板1 中A，B 板的重合角度變?yōu)棣?+Δα 和α1-Δα，則CAD和CBD的電容量變?yōu)楹?

容易推得:

2 調(diào)幅式電容測量電路原理

電容量的測量電路如圖3 所示，電路由推挽式自激振蕩器、二極管并聯(lián)峰值檢波、低通濾波器和減法放大器組成。圖3 中D1，D2 和D3，D4 為并聯(lián)峰值檢波二極管，U1C 和U1B 及外圍阻容元件組成低通濾波器，U1A，R5，R8，R9，R10 構(gòu)成減法放大器。并聯(lián)峰值檢波電路原理圖如圖4 所示。設(shè)自激振蕩器次級(jí)產(chǎn)生的高頻正弦波為vi(t)=Umsin (ωt)，則檢波后正弦波的負(fù)半周在負(fù)載電阻RL上的電壓峰值為: