电容式角位移传感器输出信号噪声大原因探析

1    电容式角位移传感器原理及结构

电容式角位移传感器由空气介质可变电容器和 检测电路组成 ,其敏感核心元件为空气介质可变电 容器 ,该电容器由发射极板和接收极板构成 ,如图1 所示。 其中 ,不同的发射极板面积相等、互相绝缘 ,具 有电气隔离的特征。发射极板可以其与接收极板的 耦合中心为原点呈180°角旋转。 发射极板和接收极 板之间的绝缘介质为空气 ,通过轴与发射极板相连 , 旋转输入轴即可改变发射极板与接收极板之间的角 度 ,从而改变电容量的大小 , 当发射极板从接收极板 位置全部旋出时 , 电容量最小 , 当发射极板全部旋入 接收极板位置时 , 电容量最大。 在发射及接收电极转 换过程中会产生一定的感生电荷 ,而转动输入轴过 程中其旋转的角度直接影响了发射极板及接收极板 的感生电荷^[1—2]。

电容的容量C:

式中:n为极片数;θ为互感面积所对应的中心角;R为 极板半径;εr 为相对介电常数;ε0 为真空介电常数;δ0为两极板距离。

当εr、ε0、δ0、R为常数时 ,通过改变输入角度θ , 即 可改变电容量的大小 , 并且电容值C和θ保持线性输 入/输出关系。

电容式角位移传感器在控制系统中成套或多套 并联组合应用时 , 能实时显示舵面输出特性 ,采用直 流28 V供电。 检测电路由晶振产生0.64 MHz信号 ,控 制被检测电容的充放电时间 , 由电荷放大器进行放大、滤波 ,再放大输出 ,如图2所示 , 同时在差动放大 器输入偏置信号 , 以保证当传感器输入轴在总行程 1/2时 ,传感器输出满足幅值要求。

2   输出信号噪声大问题及原因探析

电容式角位移传感器在系统中成套或多套使用时 ^[3] ,会出现输出信号噪声大问题。本文以某舵面控 制系统为例进行分析论述。

当舵面以幅度为0°~3°、周期为620 ms三角波等 幅摆动时 , 电容式角位移传感器输出相应幅值 ,但经 计算机采集到的实际波形如图3所示(采样周期12 ms)。

由图3可见 , 电容式角位移传感器所采集到的波 形周期约为500 ms,幅值不满足输出要求 ,输出波形 失真 ,不是等幅波。另外 ,不同电容式角位移传感器失真程度不一致。

为进一步分析故障原因 , 分别将输出失真严重 的电容式角位移传感器与失真相对较轻的电容式角 位移传感器进行互换 ,两台电容式角位移传感器输 出波形的失真都得到了很大改善 , 因此可判定电容 式角位移传感器本身没有故障 ,输出失真的原因是 受到干扰。

2.1    干扰源的确定

将电容式角位移传感器按照图4的安装方式进行连接。

用示波器检测电容式角位移传感器输出端的输出波形 ,如图5所示。当输入轴固定不动时 , 电容式角 位移传感器理论输出应该是一条直线 ,但实际检测到周期约为100 ms的干扰波形。

取其中一只电容式角位移传感器用示波器测试输 出波形,如图6所示。周期为780 ns(折合频率1.28 MHz), 即当电容式角位移传感器单个供电工作时 ,计算机 能采集到一条直线。

以上两个试验证明 , 电容式角位移传感器输出 信号噪声大 ,干扰源是多台电容式角位移传感器同 时工作时的互相干扰。

2.2    形成干扰的条件和途径

如图7所示 , 断开多台电容式角位移传感器与系 统机械连接和屏蔽线(地线)之间的连接 ,用示波器 检测电容式角位移传感器的输出 ,输出信号为一条直线 ,但当电容式角位移传感器的地线连接在一起 后就产生如图5所示的干扰波形 ,这说明地线干扰是 造成输出信号噪声大的原因。

多台电容式角位移传感器干扰的途径是通过地 线 , 电容式角位移传感器壳体与内部、极板形成散布 电容 ,使地线上的电荷穿透壳体 ,在电荷放大器作用 下 ,形成干扰信号。

经过分析 , 电容式角位移传感器的壳体(屏蔽 线)与输入28 V电平之间存在0.64 MHz的信号 ,该信 号正是晶振的振荡频率。该信号在单个电容式角位移 传感器单独供电时形成如图6所示波形(1.28 MHz), 其实际为0.64 MHz的倍频信号 ,这个信号是晶振的上跳沿和下跳沿的微分脉冲。

2.3    解决方案

根据以上分析 ,可通过消除或减少寄生电容 ^[4—5] 对地线干扰源的影响 ,解决并联多台电容式角位移 传感器输出噪声大的问题。

电容式角位移传感器设计时 , 受到结构尺寸限 制 ,其自身电容量很小(十几皮法至几十皮法),属于 小功率高阻抗元件 ,这使其对寄生电容干扰非常敏 感 ,并且寄生电容与传感器的电容相关联 ,影响传感 器灵敏度等参数 ,而这种变化为虚假信号 ,会影响系 统的测量精度。

因此 ,可以采取以下措施消除电容式传感器的 寄生电容: 1)增加传感器初始电容值:采用减小极片 间距或增加极片工作面积的方式来增加电容初始 值。2)集成化:将电容式角位移传感器与检测电路本 身或前置级装在一个壳体内 , 省去传感器的电缆引 线 ,这样寄生电容就大为减少且固定不变 ,可使测量 系统稳定可靠工作。3)采用电缆驱动技术:当电容式 角位移传感器的电容值较小时 ,测量电路只能与传 感器分开 ,可采用电缆驱动技术 , 即传感器与测量电 路前置级间的引线为双层屏蔽电缆 ,采用这种技术 可使电缆长度达10 m以上且测试系统不受影响。4)屏 蔽法:采用整体屏蔽法 ,减轻和防止外界干扰给系统带来的影响。

3    结束语

由于结构简单、动态响应好、可实现非接触测量 并有平均效应 , 电容式角位移传感器有着广阔的发 展空间和推广前景 。本文论述了电容式角位移传感 器的结构原理以及多台电容式角位移传感器并联使 用时输出信号噪声大的原因 ,通过消除或减少寄生电 容的影响 ,可有效解决多台电容式角位移传感器并联 使用时出现的输出信号噪声大问题 。本文对解决电 容式角位移传感器干扰问题具有一定的指导意义。

[参考文献]

[1]  彭鹏 ,邵淦 ,杨恩臻. 电容式角位移传感器[J]. 电子技术 与软件工程 ,2014(15):260.

[2]  叶晟波 . 电容式位移传感器的原理分析[J]. 物理通报 , 2013(3): 103-105.

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[4]  曲昊 ,彭倍 ,彭鹏 ,等.寄生电容对电容式加速度传感器输 出电压的影响[J].仪表技术与传感器 ,2018(6): 15-18.

[5]  刘秉安. 电容式传感器寄生电容的抑制[J]. 国外电子测 量技术 ,2011 ,30(3):46-49.

《机电信息》2024年第17期第19篇