電容式角位移傳感器輸出信號噪聲大原因探析

摘要：對電容式角位移傳感器原理及結(jié)構(gòu)進行分析，論述多臺電容式角位移傳感器并聯(lián)使用時輸出信號噪聲大的可能原因，并從原因入手進行試驗驗證。經(jīng)驗證，通過消除或減少寄生電容的影響，可有效解決多臺電容式角位移傳感器并聯(lián)使用時出現(xiàn)的輸出信號噪聲大問題。

關(guān)鍵詞：電容式角位移傳感器；屏蔽；寄生電容；濾波

中圖分類號：TP212.9" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0078-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.019

1" " 電容式角位移傳感器原理及結(jié)構(gòu)

電容式角位移傳感器由空氣介質(zhì)可變電容器和檢測電路組成，其敏感核心元件為空氣介質(zhì)可變電容器，該電容器由發(fā)射極板和接收極板構(gòu)成，如圖1所示。其中，不同的發(fā)射極板面積相等、互相絕緣，具有電氣隔離的特征。發(fā)射極板可以其與接收極板的耦合中心為原點呈180°角旋轉(zhuǎn)。發(fā)射極板和接收極板之間的絕緣介質(zhì)為空氣，通過軸與發(fā)射極板相連，旋轉(zhuǎn)輸入軸即可改變發(fā)射極板與接收極板之間的角度，從而改變電容量的大小，當發(fā)射極板從接收極板位置全部旋出時，電容量最小，當發(fā)射極板全部旋入接收極板位置時，電容量最大。在發(fā)射及接收電極轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生一定的感生電荷，而轉(zhuǎn)動輸入軸過程中其旋轉(zhuǎn)的角度直接影響了發(fā)射極板及接收極板的感生電荷[1-2]。

電容的容量C：

C=（n-1）θR²/2δ₀ε_rε₀ （1）

式中：n為極片數(shù)；θ為互感面積所對應(yīng)的中心角；R為極板半徑；ε_r為相對介電常數(shù)；ε₀為真空介電常數(shù)；δ₀為兩極板距離。

當ε_r、ε₀、δ₀、R為常數(shù)時，通過改變輸入角度θ，即可改變電容量的大小，并且電容值C和θ保持線性輸入/輸出關(guān)系。

電容式角位移傳感器在控制系統(tǒng)中成套或多套并聯(lián)組合應(yīng)用時，能實時顯示舵面輸出特性，采用直流28 V供電。檢測電路由晶振產(chǎn)生0.64 MHz信號，控制被檢測電容的充放電時間，由電荷放大器進行放大、濾波，再放大輸出，如圖2所示，同時在差動放大器輸入偏置信號，以保證當傳感器輸入軸在總行程1/2時，傳感器輸出滿足幅值要求。

2" " 輸出信號噪聲大問題及原因探析

電容式角位移傳感器在系統(tǒng)中成套或多套使用時[3]，會出現(xiàn)輸出信號噪聲大問題。本文以某舵面控制系統(tǒng)為例進行分析論述。

當舵面以幅度為0°～3°、周期為620 ms三角波等幅擺動時，電容式角位移傳感器輸出相應(yīng)幅值，但經(jīng)計算機采集到的實際波形如圖3所示（采樣周期12 ms）。

由圖3可見，電容式角位移傳感器所采集到的波形周期約為500 ms，幅值不滿足輸出要求，輸出波形失真，不是等幅波。另外，不同電容式角位移傳感器失真程度不一致。

為進一步分析故障原因，分別將輸出失真嚴重的電容式角位移傳感器與失真相對較輕的電容式角位移傳感器進行互換，兩臺電容式角位移傳感器輸出波形的失真都得到了很大改善，因此可判定電容式角位移傳感器本身沒有故障，輸出失真的原因是受到干擾。

2.1" " 干擾源的確定

將電容式角位移傳感器按照圖4的安裝方式進行連接。

用示波器檢測電容式角位移傳感器輸出端的輸出波形，如圖5所示。當輸入軸固定不動時，電容式角位移傳感器理論輸出應(yīng)該是一條直線，但實際檢測到周期約為100 ms的干擾波形。

取其中一只電容式角位移傳感器用示波器測試輸出波形，如圖6所示。周期為780 ns（折合頻率1.28 MHz），即當電容式角位移傳感器單個供電工作時，計算機能采集到一條直線。

以上兩個試驗證明，電容式角位移傳感器輸出信號噪聲大，干擾源是多臺電容式角位移傳感器同時工作時的互相干擾。

2.2" " 形成干擾的條件和途徑

如圖7所示，斷開多臺電容式角位移傳感器與系統(tǒng)機械連接和屏蔽線（地線）之間的連接，用示波器檢測電容式角位移傳感器的輸出，輸出信號為一條直線，但當電容式角位移傳感器的地線連接在一起后就產(chǎn)生如圖5所示的干擾波形，這說明地線干擾是造成輸出信號噪聲大的原因。

多臺電容式角位移傳感器干擾的途徑是通過地線，電容式角位移傳感器殼體與內(nèi)部、極板形成散布電容，使地線上的電荷穿透殼體，在電荷放大器作用下，形成干擾信號。

經(jīng)過分析，電容式角位移傳感器的殼體（屏蔽線）與輸入28 V電平之間存在0.64 MHz的信號，該信號正是晶振的振蕩頻率。該信號在單個電容式角位移傳感器單獨供電時形成如圖6所示波形（1.28 MHz），其實際為0.64 MHz的倍頻信號，這個信號是晶振的上跳沿和下跳沿的微分脈沖。

2.3" " 解決方案

根據(jù)以上分析，可通過消除或減少寄生電容[4-5]對地線干擾源的影響，解決并聯(lián)多臺電容式角位移傳感器輸出噪聲大的問題。

電容式角位移傳感器設(shè)計時，受到結(jié)構(gòu)尺寸限制，其自身電容量很小（十幾皮法至幾十皮法），屬于小功率高阻抗元件，這使其對寄生電容干擾非常敏感，并且寄生電容與傳感器的電容相關(guān)聯(lián)，影響傳感器靈敏度等參數(shù)，而這種變化為虛假信號，會影響系統(tǒng)的測量精度。

因此，可以采取以下措施消除電容式傳感器的寄生電容：1）增加傳感器初始電容值：采用減小極片間距或增加極片工作面積的方式來增加電容初始值。2）集成化：將電容式角位移傳感器與檢測電路本身或前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線，這樣寄生電容就大為減少且固定不變，可使測量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作。3）采用電纜驅(qū)動技術(shù)：當電容式角位移傳感器的電容值較小時，測量電路只能與傳感器分開，可采用電纜驅(qū)動技術(shù)，即傳感器與測量電路前置級間的引線為雙層屏蔽電纜，采用這種技術(shù)可使電纜長度達10 m以上且測試系統(tǒng)不受影響。4）屏蔽法：采用整體屏蔽法，減輕和防止外界干擾給系統(tǒng)帶來的影響。

3" " 結(jié)束語

由于結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)好、可實現(xiàn)非接觸測量并有平均效應(yīng)，電容式角位移傳感器有著廣闊的發(fā)展空間和推廣前景。本文論述了電容式角位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理以及多臺電容式角位移傳感器并聯(lián)使用時輸出信號噪聲大的原因，通過消除或減少寄生電容的影響，可有效解決多臺電容式角位移傳感器并聯(lián)使用時出現(xiàn)的輸出信號噪聲大問題。本文對解決電容式角位移傳感器干擾問題具有一定的指導(dǎo)意義。

[參考文獻]

[1] 彭鵬，邵淦，楊恩臻.電容式角位移傳感器[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（15）：260.

[2] 葉晟波.電容式位移傳感器的原理分析[J].物理通報，2013（3）：103-105.

[3] 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，2014，35（增刊1）：147-150.

[4] 曲昊，彭倍，彭鵬，等.寄生電容對電容式加速度傳感器輸出電壓的影響[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（6）：15-18.

[5] 劉秉安.電容式傳感器寄生電容的抑制[J].國外電子測量技術(shù)，2011，30（3）：46-49.

收稿日期：2024-04-26

作者簡介：苗偉（1979—），男，陜西漢中人，高級工程師，研究方向：電機及傳感器。