1.角位移敏感元件设计
本文给出一种具有较好鲁棒性的高精度的电容角.位移传感器。遵从以下设计方法,使得传统的金属管浮子流量计电容式角位移传感器的拓扑结构及测量原理发生根本性转变。
1)因正弦激励复杂，价格昂贵,因此去除传统电容式角位移传感器所需的正弦激励电压,采用方波脉冲激励，从而避免了谐波干扰,放大不匹配及相误差;
2)为尽可能完全实现电磁屏蔽功能,传感器有效面积周围设有保护环和保护面与传感器地连接。图3为电容敏感元件拓扑结构示意图。主要由3个同.轴且彼此平行的极板组成:
●作为接收极的固定且为一整体的导电圆盘极板4;
●作为转动极的金属分瓣极板5;
●作为发射极的固定分瓣式导电圆盘极板6。
这3个极板中心通过转轴1,转轴装有两个滚动轴承，装配时,保证动极板和转轴一起转动,4.5.6相对间隙应尽可能小。将发射极板分割成面积相等但彼此间电气隔离的8个可作为发射极的单元s1~s8,每瓣近似为45°,相邻两片间隙尽可能小,以获得较大的电容量;接收极板接收来自发射极板的感生电荷,设计中，发射与接收极板内部和外部都有接地保护环,以屏蔽电磁干扰,如图2中2、3所示;转动极板由4个角度相同(45°)间隔相同(45°)的金属叶片组成。动极板叶片转动的角度θ决定了发射极板接收极板之间8个电容值及相应感生电荷的大小。即在一定激励脉冲信号模:式的作用下发射极板和接收极板之间产生电容。
根据设计需要,浮子行程决定机械连杆的实际转角θ相对变化范围约为30°,因此，考虑电场的边缘效应,设计时应有一定冗余,故将电容敏感元件设计成能够对45°的绝对角位移进行检测即可。同时为提高检测幅值,将s1.s3、s5、s7电气连接,s2、s4、s6、s8电气连接,检测幅值提高4倍。本文研制的角位移传感器的机械连杆转角(约30°)小于45°,若仅在s1.s3、s5、s7施加激励电压,则45°内极板间电容模型如图4所示，360°内等效计算模型可简化为图5。
2.信号处理
分析电容等效电路可知,简化计算模型实际上忽略了电场的边缘效应,故通过(4)式简化计算的电容值与真实值应有一定误差。金属管浮子流量计采用电容测量电路对其电容实际值进行检测。图6为信号处理部分原理框图。传感器电子线路前端为一电荷检测器,以降低电路对高频信号的灵敏度,同时提高了对电磁场干扰的适应能力。因被测电容量值很小,只有13pF左右,故采取充放电法测量电容，与传统方法不同,本文采用的是一种抗寄生干扰的微小电容测量电路。
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