文/張業(yè)華

高精度電容式角位移傳感器測(cè)量方法

文/張業(yè)華

隨著電容式傳感器的廣泛普及，已經(jīng)在角度、角速度、壓力、液位以及位置的測(cè)量中實(shí)現(xiàn)了很好的應(yīng)用，文章以此為基礎(chǔ)，對(duì)高精度電容式角位移傳感器的測(cè)量方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，希望對(duì)有關(guān)人員起到一定的幫助。

高精度 電容式 角位移傳感器 測(cè)量方法

文章重點(diǎn)分析了高精度電容式角位移傳感器的測(cè)量方法，對(duì)角位移傳感器的發(fā)展具有促進(jìn)作用。

1 電容式角位移傳感器測(cè)量方法分析

電容式角位移傳感器就是將角度測(cè)量轉(zhuǎn)換成為其他物理量的測(cè)量方式，主要是采用非接觸式專利進(jìn)行設(shè)計(jì)，和同步分析器、電位計(jì)等傳統(tǒng)角位移測(cè)量方法相比具有較強(qiáng)的可靠性，而且其精度性高也是不容忽視。現(xiàn)階段，用來測(cè)量角位移的方法有很多，經(jīng)常采用的方法有旋轉(zhuǎn)變壓器、電渦流傳感器以及光電編碼器等。而機(jī)載光電偵查平臺(tái)在以往的角位移測(cè)量中通常會(huì)采用編碼器測(cè)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(nèi)外圈才會(huì)隨著軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)軸系的角度變化進(jìn)行高精度測(cè)量。

如果采用以往的編碼器進(jìn)行角位移的測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是具有較為精準(zhǔn)的測(cè)量精度，但是與此同時(shí)也存在相應(yīng)的缺點(diǎn)，即務(wù)必要將編碼器安裝在機(jī)載光電偵查平臺(tái)方位和俯仰軸系中，如果這樣的話，就會(huì)占用相應(yīng)的空間，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)光電平臺(tái)體積不斷增大。因?yàn)槟愁A(yù)研機(jī)載光電偵查平臺(tái)內(nèi)框架旋轉(zhuǎn)軸中心和外框架旋轉(zhuǎn)軸中心沒有重合，如果再使用以往的測(cè)量方法，已經(jīng)不能準(zhǔn)確測(cè)出角位移。這時(shí)采用電容式角位移傳感器能夠?qū)C(jī)載光電偵查平臺(tái)內(nèi)方位和內(nèi)俯仰框架角位移進(jìn)行非常精準(zhǔn)的測(cè)量，其安裝圖和原理圖如圖1、圖2所示。

角位移的測(cè)量步驟為：設(shè)定O點(diǎn)是被測(cè)弧面中的幾何中心，其半徑為150mm，A點(diǎn)為被測(cè)弧面的旋轉(zhuǎn)中心，和O點(diǎn)中心相差a mm，圍繞俯仰軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所以，在被測(cè)弧面圍繞著A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，O點(diǎn)也會(huì)圍繞著虛線圓進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，其半徑與實(shí)線圓半徑享用。在被測(cè)弧面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角時(shí)，球心O點(diǎn)會(huì)慢慢運(yùn)動(dòng)到O’點(diǎn)，并且以O(shè)’為圓心畫出半徑為150mm的弧面；在被測(cè)球體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角時(shí)，球心O點(diǎn)會(huì)慢慢運(yùn)動(dòng)到O"點(diǎn)，并在O"點(diǎn)的基礎(chǔ)上畫出半徑為150mm弧面。通過對(duì)圖中標(biāo)注的被測(cè)弧上的H點(diǎn)進(jìn)行分析，可以得出相應(yīng)的軌跡，如果將H點(diǎn)的縱坐標(biāo)和偏心A點(diǎn)的橫坐標(biāo)交接在一起，那么就會(huì)得到A’點(diǎn)，見如圖2。之后將A’點(diǎn)作為圓心，畫出半徑為與偏心距a mm相同的虛線圓，這時(shí)，H點(diǎn)會(huì)在虛線圓上面進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)被測(cè)弧面順時(shí)針θ角、逆時(shí)針θ轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，H點(diǎn)會(huì)在虛線圓軌跡上面不斷運(yùn)動(dòng)，并出現(xiàn)H’點(diǎn)和H"點(diǎn)。因此，被測(cè)弧面垂直移動(dòng)距離通常為2×（a x sinθ）。如果a=1mm，通過對(duì)測(cè)量行程線性度進(jìn)行分析，可以得出±5°整個(gè)行程內(nèi)的非線性度可以控制在 0.01%以內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在該項(xiàng)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(cè)面的距離改變轉(zhuǎn)換成為角度改變，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，其相應(yīng)裝置應(yīng)該對(duì)傳感器安裝面和檢測(cè)面的距離進(jìn)行分析，使其跟隨著角度的變化而不斷變化，與此同時(shí)，還應(yīng)該消除軸系旋轉(zhuǎn)精度對(duì)電容式角位移傳感器測(cè)量精度所產(chǎn)生的影響，其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的裝置是在偏心法的基礎(chǔ)上來確保傳感器安裝面和檢測(cè)面距離在角度變化的同時(shí)不斷變化，而且還設(shè)置了兩個(gè)偏心距相反的內(nèi)外球面，在此基礎(chǔ)上保證兩個(gè)傳感器消除軸系旋轉(zhuǎn)精度對(duì)電容式角度傳感器測(cè)量精度所產(chǎn)生的影響相同。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，其傳感器型號(hào)采用的是Physik Instrument公司所生產(chǎn)的單極電容式微位移傳感器。

通過利用圖3中的實(shí)驗(yàn)裝置，可以將±5°作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)步，并對(duì)系統(tǒng)中所測(cè)量的精度進(jìn)行有效驗(yàn)證。在±5°范圍中進(jìn)行測(cè)量，最終測(cè)量結(jié)果如表1所示，其中轉(zhuǎn)角的實(shí)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(shí)際測(cè)量中得到。除此之外，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果好可以得出，如果在±5°中進(jìn)行測(cè)量，電容式微位移傳感器的測(cè)量精度比較好，甚至優(yōu)于15"，其測(cè)量誤差要小于10"，與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求相符合。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在偏心原理下進(jìn)行電容式角位移傳感器的角位移測(cè)量，其精度要高出以往測(cè)量方法的15"，而且在±5°范圍中其線性度比較高，與機(jī)載光電偵查平臺(tái)內(nèi)方位、內(nèi)俯仰框架的轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)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(cè)量角位移原理圖

圖3：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

表1：實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

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

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

作者單位 中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 北京市100074