高精度角度传感器的设计+文献综述(5)
时间:2017-03-02 21:26 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
2.4 电容式角度传感器 电容式角度传感器通常采用变面积方式，图2-2为平板型电容式角度传感器的结构原理图。 当传感器动极板与定极板有角位移θ时，两极板的相互覆盖面积随θ的变化而变化，传感器的电容值随之发生相应变化，变化量为： （2-2） 若不考虑边缘电场影响，对扇形极板： 式中：ε——极间介质的介电常数； R ——极板半径； α——极板所张之圆心角； δ——极板间距。 可见，传感器的输出特性为线性特性，其灵敏度： （2-5） 这种传感器还可以做成差动结构，如图2-3所示。初始位置应使动极板与两定极板处于对称位置， 动极板与定极板构成一对差动电容器。当动极板移动时，一个电容器的电容C1增加，另一个电容器的电容C2则减少，此时： （2-6） 较之单个式电容传感器，其值增加一倍。此外，极板的形状还可以做成圆弧状或锯齿状，如图2-4所示。 电容式角度传感器主要用于有限范围的角度检测（一般为0°～180°)。当然，也可以作转角连续测量，此时，极板做成锯齿状，随着定极板和动极板的相对运动，传感器提供一定的周期性的电容脉冲信号，即所谓的电容编码器。 2.5 电容式角度传感器的选型 电容式传感器的输出是电容的变化量。根据工作原理，传感器可分为变间隙式、变面积式及变介电常数式三种[10]。 变间隙式：一般用来测量微小的线位移(小至百分之一微米到零点几毫米)，如材料膨胀及大地震动等。 变面积式：一般用来测角位移(1″至几十度)或较大的线位移。 变介电常数式：常用于固体或液体的物位测量，也用于测定各种介质的湿度、密度等状态参数。 由于介质特性多随温度变化而变化，且加工制作困难；而电容式角度传感器本来输出量就小，因此极板距离不宜过大，若采用变间隙方式，极板距离只能在很小的范围内变化，温度等环境变化可能导致对本来很小的间隙产生很大的相对变化，从而引起很大的误差，且测量范围也不够。所以本文所采用的电容式角度传感器采用变面积方式。 另外，由上文可以看出，采用差动式电容角度传感器，较之单个式电容传感器，其输出增加一倍，可以提高传感器的灵敏度；且采用差动式电容传感器，可减小实际测量中环境变化所导致的测量误差，例如温度等；另外，差动式电容传感器对电磁吸引力、静电引力等干扰有一定的补偿作用；采用差动式结构还能提高特性曲线的线性度。鉴于差动式结构有如此多的优点，本课题拟通过设计一种差动式电容传感器，以提高测量精度。 2.6 本章小结 本章在熟悉电容式传感器工作原理及电容式角度传感器的基础上，对本课题所要设计的传感器作出选型，并比较了各类传感器的特点及其相应的缺陷，对差动式电容传感器进行了详细的方案论证。 3 总体设计 3.1 高精度角度传感器的结构设计 本文所设计的高精度差动式电容角度传感器是在形成两个分立的电容器的极板之间设置旋转圆板，应用圆板旋转时两个电容器的电容产生差动变化的原理来检测旋转角度。 图3-1所示为角度传感器的构造。它以固定的平行极板A和B、A和C形成各自独立的电容器。旋转圆板D分导体和绝缘体两部分，划斜线部分是导体，其余部分是绝缘体，导体部分和绝缘部分的工作面积随圆板的旋转而产生差动变化。 (责任编辑：qin) |