基于电容式的位移与角度同步测量传感器设计.pdf

简介：
本文介绍了基于电容式原理设计的一种新型传感器，能够实现位移和角度的同时精确测量。该传感器结构简单、响应速度快且灵敏度高，在工业自动化、机器人技术等领域具有广泛应用潜力。 在现代工业及精密测量领域，电容式传感器因其高精度、稳定性和低能耗等特点被广泛应用于位移、振动、角度和加速度的测量中。这种传感器能够将机械量的变化转化为电容变化，并通过电路处理得到相应的信号。 然而，传统的电容式传感器只能单独测量单一物理量（如位移或角度），而不能同时测量多个参数。为解决这一问题，研究者提出了一种新型差动电容式传感器设计方案，旨在实现对位移和角度的同时测量。 该设计采用创新的变面积差动结构来克服传统传感器仅能单测一个物理量的问题，并具备宽广的测量范围、高线性度以及低温度依赖性的特点。这不仅提高了实时性和降低了复杂性与成本，因为可以替代多个单一功能的传统传感器。 为了消除边缘效应的影响（这是电容式设计中的一个重要问题），该方案采用了一种介质差动方法来确保准确地反映被测物理量的变化而非由边缘效应引起的误差。 敏感元件包括一个内极板、四个半环形外极板和夹在它们之间的云母介质。当位移或角度变化时，会引起与外极板相对位置的改变，从而导致电容器值发生变化。通过改进后的脉宽调制电路来分析这些变化，并分离出代表位移和角度的信号。 该传感器能够测量-50mm至+50mm范围内的位移（精度为±0.2mm），以及从0度到180度的角度变化（精度为±0.5度）。这种设计不仅提高了精确性和扩大了应用范围，还确保在各种工业环境中提供稳定可靠的性能。 核心技术创新包括介质差动法、变面积电容原理和脉宽调制电路。其中，介质差动法解决了边缘效应的问题；变面积式电容变化则通过调整敏感元件的结构实现对多种物理量的变化进行精确测量；而脉宽调制电路则是将这些变化转化为时间或宽度上的电信号。 这种新型传感器为工业精密测量提供了一种高效、准确且实时的技术解决方案。其创新设计和改进后的电路技术不仅提升了设备性能，还开启了未来传感器发展的新方向。