扫描电机用电容式角度传感器的研究

罗东辉

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

激光打标、扫描成像等领域普遍采用有限转角扫描电机作为扫描执行器件。在有限转角扫描电机伺服控制系统中，扫描电机中的角度传感器是影响扫描精度的关键部件之一。角度传感器从工作原理上来分有电容式、光电式、电磁式、机械式等很多种，而在扫描电机应用中，由于电容式角度传感器具有结构简单、惯量小、非接触测量，并能在高低温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作的优点，因此电容式角度传感器在扫描电机上得到了普遍的应用。

本文分析了电容式角度传感器的工作原理，给出了实用的调制解调电路。通过实际测量验证，电容式角度传感器在±12°的范围里可以达到99.9%的测量精度。

1 电容式传感器原理

本文使用的扫描电机电容式差分式角度传感器结构示意图如图1 所示。图中，介质片安装在有限转角扫描电机的轴上，定极板1 为做在同一PCB 上的互相绝缘而形状和尺寸相同的铜箔，定极板2 为做在PCB 板上的铜箔，介质板位于定极板1、2 之间，定极板1、定极板2 与介质片三者相互平行，定极板1、2 组成了电容式角度传感器的二个极板。际使用时定极板1 上的4 个极板对称并联连接，因此电容量增加一倍。图2 中A，B 为定极板1，C 为介质板，D 为定极板2，定极板AD，BD 构成了差分式角位移传感器中的二个检测电容CAD和CBD。工作时介质板随电机转子在自身平面内绕O 点摆动，从而改变了二极板间介质的有效面积，使得CAD和CBD的电容量随之改变。设介质板的中心位置位于AD 和BD 的对称位置时，极板A，B 的角度为α，介质板覆盖极板A，B 的角度为α1，此时可求出当介质板在中心位置时CAD和CBD的电容值:

图2 电容式角度传感器原理示意图

实际产品的R=9 mm，r =5 mm，介质板的相对介电常数为100，介质板在中间位置时，CAD和CBD的电容量约为20 pF。

假定介质板顺时针旋转一个角度Δα，这时介质板与定极板1 中A，B 板的重合角度变为α1+Δα 和α1-Δα，则CAD和CBD的电容量变为和:

容易推得:

2 调幅式电容测量电路原理

电容量的测量电路如图3 所示，电路由推挽式自激振荡器、二极管并联峰值检波、低通滤波器和减法放大器组成。图3 中D1，D2 和D3，D4 为并联峰值检波二极管，U1C 和U1B 及外围阻容元件组成低通滤波器，U1A，R5，R8，R9，R10 构成减法放大器。并联峰值检波电路原理图如图4 所示。设自激振荡器次级产生的高频正弦波为vi(t)=Umsin (ωt)，则检波后正弦波的负半周在负载电阻RL上的电压峰值为:

图3 电容测量电路

图4 并联检波电路原理图

由于电容C 的容量非常小，因此负载电阻RL上的电压峰值近似为-ωRLCUm，由式(1)、式(2)可得:

UA，UB通过U1C，U1B 组成的低通滤波器后，再经过减法放大器U1A 进行减法运算后输出Vo:

式中:k1，k2分别为低通滤波器和减法放大器的增益。

由此可见，检波后的电压经U1C，U1B 构成的低通滤波器后再相减得到的输出电压Vo正比于介质板的偏转角度Δα。

3 试验数据

将电容传感器固定在分度转台上，通过调节分度转台的旋转角度，分别测得电容传感器在±12°范围内的输出电压如表1 所示。

表1 传感器的期待输出和实际输出

续表

由表1 可知，在±12°的测量范围里，最大引用误差为0.001。

4 结 语

本文对电容式角度传感器的原理进行了分析并进行了试验验证。试验证明，电容式角度传感器结构简单、工作稳定，在±12°的范围内传感器测量精度可以达到99.9%。

［1］ 李翰荪.电路分析基础［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］ 童诗白. 模拟电子技术基础［M］. 北京:高等教育出版社，2001.

［3］ 毛闵军，金辉，卜弘毅，等.电容位置传感器在激光扫描雷达的应用研究［J］.传感器与微系统，2010，29(11)20 -22.

［4］ 叶乔. 高速振镜理论研究及实践［D］. 武汉:华中科技大学，2004.