1.角位移敏感元件設(shè)計(jì)
本文給出一種具有較好魯棒性的高精度的電容角.位移傳感器。遵從以下設(shè)計(jì)方法,使得傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計(jì)電容式角位移傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及測(cè)量原理發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。
1)因正弦激勵(lì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴,因此去除傳統(tǒng)電容式角位移傳感器所需的正弦激勵(lì)電壓,采用方波脈沖激勵(lì)，從而避免了諧波干擾,放大不匹配及相誤差;
2)為盡可能完全實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能,傳感器有效面積周圍設(shè)有保護(hù)環(huán)和保護(hù)面與傳感器地連接。圖3為電容敏感元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。主要由3個(gè)同.軸且彼此平行的極板組成:
●作為接收極的固定且為一整體的導(dǎo)電圓盤極板4;
●作為轉(zhuǎn)動(dòng)極的金屬分瓣極板5;
●作為發(fā)射極的固定分瓣式導(dǎo)電圓盤極板6。
這3個(gè)極板中心通過轉(zhuǎn)軸1,轉(zhuǎn)軸裝有兩個(gè)滾動(dòng)軸承，裝配時(shí),保證動(dòng)極板和轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),4.5.6相對(duì)間隙應(yīng)盡可能小。將發(fā)射極板分割成面積相等但彼此間電氣隔離的8個(gè)可作為發(fā)射極的單元s1~s8,每瓣近似為45°,相鄰兩片間隙盡可能小,以獲得較大的電容量;接收極板接收來自發(fā)射極板的感生電荷,設(shè)計(jì)中，發(fā)射與接收極板內(nèi)部和外部都有接地保護(hù)環(huán),以屏蔽電磁干擾,如圖2中2、3所示;轉(zhuǎn)動(dòng)極板由4個(gè)角度相同(45°)間隔相同(45°)的金屬葉片組成。動(dòng)極板葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ決定了發(fā)射極板接收極板之間8個(gè)電容值及相應(yīng)感生電荷的大小。即在一定激勵(lì)脈沖信號(hào)模:式的作用下發(fā)射極板和接收極板之間產(chǎn)生電容。
根據(jù)設(shè)計(jì)需要,浮子行程決定機(jī)械連桿的實(shí)際轉(zhuǎn)角θ相對(duì)變化范圍約為30°,因此，考慮電場(chǎng)的邊緣效應(yīng),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有一定冗余,故將電容敏感元件設(shè)計(jì)成能夠?qū)?5°的絕對(duì)角位移進(jìn)行檢測(cè)即可。同時(shí)為提高檢測(cè)幅值,將s1.s3、s5、s7電氣連接,s2、s4、s6、s8電氣連接,檢測(cè)幅值提高4倍。本文研制的角位移傳感器的機(jī)械連桿轉(zhuǎn)角(約30°)小于45°,若僅在s1.s3、s5、s7施加激勵(lì)電壓,則45°內(nèi)極板間電容模型如圖4所示，360°內(nèi)等效計(jì)算模型可簡化為圖5。
2.信號(hào)處理
分析電容等效電路可知,簡化計(jì)算模型實(shí)際上忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng),故通過(4)式簡化計(jì)算的電容值與真實(shí)值應(yīng)有一定誤差。金屬管浮子流量計(jì)采用電容測(cè)量電路對(duì)其電容實(shí)際值進(jìn)行檢測(cè)。圖6為信號(hào)處理部分原理框圖。傳感器電子線路前端為一電荷檢測(cè)器,以降低電路對(duì)高頻信號(hào)的靈敏度,同時(shí)提高了對(duì)電磁場(chǎng)干擾的適應(yīng)能力。因被測(cè)電容量值很小,只有13pF左右,故采取充放電法測(cè)量電容，與傳統(tǒng)方法不同,本文采用的是一種抗寄生干擾的微小電容測(cè)量電路。
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