掃描電機用電容式角度傳感器的研究

羅東輝

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

激光打標、掃描成像等領域普遍采用有限轉角掃描電機作為掃描執行器件。在有限轉角掃描電機伺服控制系統中，掃描電機中的角度傳感器是影響掃描精度的關鍵部件之一。角度傳感器從工作原理上來分有電容式、光電式、電磁式、機械式等很多種，而在掃描電機應用中，由于電容式角度傳感器具有結構簡單、慣量小、非接觸測量，并能在高低溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作的優點，因此電容式角度傳感器在掃描電機上得到了普遍的應用。

本文分析了電容式角度傳感器的工作原理，給出了實用的調制解調電路。通過實際測量驗證，電容式角度傳感器在±12°的范圍里可以達到99.9%的測量精度。

1 電容式傳感器原理

本文使用的掃描電機電容式差分式角度傳感器結構示意圖如圖1 所示。圖中，介質片安裝在有限轉角掃描電機的軸上，定極板1 為做在同一PCB 上的互相絕緣而形狀和尺寸相同的銅箔，定極板2 為做在PCB 板上的銅箔，介質板位于定極板1、2 之間，定極板1、定極板2 與介質片三者相互平行，定極板1、2 組成了電容式角度傳感器的二個極板。際使用時定極板1 上的4 個極板對稱并聯連接，因此電容量增加一倍。圖2 中A，B 為定極板1，C 為介質板，D 為定極板2，定極板AD，BD 構成了差分式角位移傳感器中的二個檢測電容CAD和CBD。工作時介質板隨電機轉子在自身平面內繞O 點擺動，從而改變了二極板間介質的有效面積，使得CAD和CBD的電容量隨之改變。設介質板的中心位置位于AD 和BD 的對稱位置時，極板A，B 的角度為α，介質板覆蓋極板A，B 的角度為α1，此時可求出當介質板在中心位置時CAD和CBD的電容值:

圖2 電容式角度傳感器原理示意圖

實際產品的R=9 mm，r =5 mm，介質板的相對介電常數為100，介質板在中間位置時，CAD和CBD的電容量約為20 pF。

假定介質板順時針旋轉一個角度Δα，這時介質板與定極板1 中A，B 板的重合角度變為α1+Δα 和α1-Δα，則CAD和CBD的電容量變為和:

容易推得:

2 調幅式電容測量電路原理

電容量的測量電路如圖3 所示，電路由推挽式自激振蕩器、二極管并聯峰值檢波、低通濾波器和減法放大器組成。圖3 中D1，D2 和D3，D4 為并聯峰值檢波二極管，U1C 和U1B 及外圍阻容元件組成低通濾波器，U1A，R5，R8，R9，R10 構成減法放大器。并聯峰值檢波電路原理圖如圖4 所示。設自激振蕩器次級產生的高頻正弦波為vi(t)=Umsin (ωt)，則檢波后正弦波的負半周在負載電阻RL上的電壓峰值為:

圖3 電容測量電路

圖4 并聯檢波電路原理圖

由于電容C 的容量非常小，因此負載電阻RL上的電壓峰值近似為-ωRLCUm，由式(1)、式(2)可得:

UA，UB通過U1C，U1B 組成的低通濾波器后，再經過減法放大器U1A 進行減法運算后輸出Vo:

式中:k1，k2分別為低通濾波器和減法放大器的增益。

由此可見，檢波后的電壓經U1C，U1B 構成的低通濾波器后再相減得到的輸出電壓Vo正比于介質板的偏轉角度Δα。

3 試驗數據

將電容傳感器固定在分度轉臺上，通過調節分度轉臺的旋轉角度，分別測得電容傳感器在±12°范圍內的輸出電壓如表1 所示。

表1 傳感器的期待輸出和實際輸出

續表

由表1 可知，在±12°的測量范圍里，最大引用誤差為0.001。

4 結 語

本文對電容式角度傳感器的原理進行了分析并進行了試驗驗證。試驗證明，電容式角度傳感器結構簡單、工作穩定，在±12°的范圍內傳感器測量精度可以達到99.9%。

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