高精度電容式角位移傳感器測量方法

文/張業華

高精度電容式角位移傳感器測量方法

文/張業華

隨著電容式傳感器的廣泛普及，已經在角度、角速度、壓力、液位以及位置的測量中實現了很好的應用，文章以此為基礎，對高精度電容式角位移傳感器的測量方法進行了詳細分析，希望對有關人員起到一定的幫助。

高精度 電容式 角位移傳感器 測量方法

文章重點分析了高精度電容式角位移傳感器的測量方法，對角位移傳感器的發展具有促進作用。

1 電容式角位移傳感器測量方法分析

電容式角位移傳感器就是將角度測量轉換成為其他物理量的測量方式，主要是采用非接觸式專利進行設計，和同步分析器、電位計等傳統角位移測量方法相比具有較強的可靠性，而且其精度性高也是不容忽視。現階段，用來測量角位移的方法有很多，經常采用的方法有旋轉變壓器、電渦流傳感器以及光電編碼器等。而機載光電偵查平臺在以往的角位移測量中通常會采用編碼器測量方位和俯仰，在這種情況下，要使編碼器安裝在軸系中，只有這樣編碼器的內外圈才會隨著軸系的轉動而不斷轉動，從而對軸系的角度變化進行高精度測量。

如果采用以往的編碼器進行角位移的測量，其優點是具有較為精準的測量精度，但是與此同時也存在相應的缺點，即務必要將編碼器安裝在機載光電偵查平臺方位和俯仰軸系中，如果這樣的話，就會占用相應的空間，進而導致整個光電平臺體積不斷增大。因為某預研機載光電偵查平臺內框架旋轉軸中心和外框架旋轉軸中心沒有重合，如果再使用以往的測量方法，已經不能準確測出角位移。這時采用電容式角位移傳感器能夠對機載光電偵查平臺內方位和內俯仰框架角位移進行非常精準的測量，其安裝圖和原理圖如圖1、圖2所示。

角位移的測量步驟為：設定O點是被測弧面中的幾何中心，其半徑為150mm，A點為被測弧面的旋轉中心，和O點中心相差a mm，圍繞俯仰軸作旋轉運動。所以，在被測弧面圍繞著A點旋轉中心進行轉動時，O點也會圍繞著虛線圓進行相應的運動，其半徑與實線圓半徑享用。在被測弧面順時針旋轉θ角時，球心O點會慢慢運動到O’點，并且以O’為圓心畫出半徑為150mm的弧面；在被測球體逆時針旋轉θ角時，球心O點會慢慢運動到O"點，并在O"點的基礎上畫出半徑為150mm弧面。通過對圖中標注的被測弧上的H點進行分析，可以得出相應的軌跡，如果將H點的縱坐標和偏心A點的橫坐標交接在一起，那么就會得到A’點，見如圖2。之后將A’點作為圓心，畫出半徑為與偏心距a mm相同的虛線圓，這時，H點會在虛線圓上面進行圓周運動，當被測弧面順時針θ角、逆時針θ轉動時，H點會在虛線圓軌跡上面不斷運動，并出現H’點和H"點。因此，被測弧面垂直移動距離通常為2×（a x sinθ）。如果a=1mm，通過對測量行程線性度進行分析，可以得出±5°整個行程內的非線性度可以控制在 0.01%以內。

2 實驗研究

2.1 實驗設計

在該項目中，所采用的電容式角位移傳感器工作原理即將安裝面和檢測面的距離改變轉換成為角度改變，所以在設計時，其相應裝置應該對傳感器安裝面和檢測面的距離進行分析，使其跟隨著角度的變化而不斷變化，與此同時，還應該消除軸系旋轉精度對電容式角位移傳感器測量精度所產生的影響，其實驗設計圖如圖3所示。

上述實驗設計中的裝置是在偏心法的基礎上來確保傳感器安裝面和檢測面距離在角度變化的同時不斷變化，而且還設置了兩個偏心距相反的內外球面，在此基礎上保證兩個傳感器消除軸系旋轉精度對電容式角度傳感器測量精度所產生的影響相同。

2.2 實驗結果

在進行相應實驗時，其傳感器型號采用的是Physik Instrument公司所生產的單極電容式微位移傳感器。

通過利用圖3中的實驗裝置，可以將±5°作為一個旋轉步，并對系統中所測量的精度進行有效驗證。在±5°范圍中進行測量，最終測量結果如表1所示，其中轉角的實際大小能夠從編碼器中得出，而電容式微位移傳感器中的輸出電壓能夠從實際測量中得到。除此之外，通過實驗結果好可以得出，如果在±5°中進行測量，電容式微位移傳感器的測量精度比較好，甚至優于15"，其測量誤差要小于10"，與實驗設計要求相符合。

3 結束語

通過實驗結果可知，在偏心原理下進行電容式角位移傳感器的角位移測量，其精度要高出以往測量方法的15"，而且在±5°范圍中其線性度比較高，與機載光電偵查平臺內方位、內俯仰框架的轉動角度測量要求完全符合。

圖1：電容式角位移傳感器的安裝圖

圖2：偏心法測量角位移原理圖

圖3：實驗設計圖

表1：實驗測量結果

[1]張宇鵬,徐鈺蕾,王昱棠.高精度電容式角位移傳感器測量方法[J].儀器儀表學報,2014(S1)：147-150.

[2]周華鵬,毛建國,顧筠,李芳培,柏方超,盧文玉.高精度電容式壓力傳感器測量方法[J].傳感器與微系統,2010(02)：104-107.

作者單位 中國航天空氣動力技術研究院 北京市100074