摘要：设计了一种新型的电容式角度传感器
传感器
凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 [全文]
，并利用电容式信号转换集成电路集成电路
集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母"IC"(也有用文字符号"N"等)表示。 [全文]
CAV424和电压一电流转换接口电路AM402，将电容传感器电容传感器
电容传感器从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5 μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01 μm，比前者提高了两个数量级，最大量程为100±5 μm，因此他在精密小位移测量中受到青睐。 [全文]
信号转化为4—20 mA标准的工业电流输出。该系统能够有效地降低干扰和测量误差，在0—90°的范围内实现对角度的精确测量，得到线性度良好的直流电流量输出。
0 引言
传统的差动式电容角度传感器角度传感器
角度传感器用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0，如果需要，你可以用编程把它重新复位。 [全文]
测量角度有限，动片与外界有直接的电气连接，其电极要分别从动片和静片引出。从动片引出电极通常采用轴承、卡子或者金属张丝的方法，在动片转动过程中，不但转轴之间存在摩擦，而且容易造成引出线与动片转轴之间接触不良，出现机械故障，引入干扰和误差，影响测量精度。所以，设计了新型的电容式角度传感器，对结构进行了改进，克服了传统差动式电容角度传感器结构设计上存在的缺陷。
1 结构设计
该传感器系统采用新的结构设计方式，结构设计如图1(a)所示。其中动片由2片张角为90°的相对的扇形金属板组成，金属板中间部分相连；而静片由2块张角为90°、中间部分分开的扇形金属板构成，电极分别从两静片引出，作为传感器的信号输出端。本质上，这种新结构的电容式角度传感器相当于2个可变电容的串联，电容的串联值随动片金属极板与定片金属极板之间相对角度的变化而变化。从静片引出电极的设计方式引线方便，有利于动片相对于静片的角度变化，而且动片与外界无电气连接，避免了测量过程中由于转动引起的摩擦和机械故障，从而真正实现了无接触式测量，提高了测量精度，其等效电路如图1(b)所示。
2 基本原理
电容传感器的基本原理是基于物体之间的电容量与结构参数之间的关系。对于平板电容器电容器
所谓电容器就是能够储存电荷的“容器”。只不过这种“容器”是一种特殊的物质——电荷，而且其所存储的正负电荷等量地分布于两块不直接导通的导体板上。至此，我们就可以描述电容器的基本结构：两块导体板（通常为金属板）中间隔以电介质，即构成电容器的基本模型。 [全文]
，若平行板无限大，忽略其边缘效应，其电容量公式表示为：
由式(1)可知介电常数、极板相对面积或极板间距的变化都可反映为电容值的变化。故可以用此原理测量物体的位移，物质的状态参数等。
根据设计结构，设此电容式角度传感器静片的半径为R，转动片与静片之间的距离(即极板间距)为d，空气的介电常数为En，转动过程中，每个张角为90~的转动片与静片相对面积的变化量为△s．初始状态转动片与静片相对面积为零，则△S1=△S2=△s．因为：
总的电容变化量为：
设转动片从初始位置开始，相对于静片转过的角度为口，当
由式(4)～式(7)可知，电容变化量是随角度变化周期性变化的，在0～3印。内的每个象限，电容的变化量与角度变化量0都成线性关系，变化量最大为：
3 电容信号测量及其转化电路
3．1 电容一电压转犊电路CAV424
CAV424是一种多用途的处理各种电容式传感器信号转换的集成电路，能够将电容信号转换成电压信号。它同时具有信号采集(相对电容量的变化)、处理和差分电压输出的功能，能够测量出被测电容和参考电容的差值，即在相对于参考电容值(10 PF～2 nF)5％ ～100％的变化范围内的电容值，并将其转化成相应的差分电压输出，具有高检测灵敏度；同时它还集成了内置温度传感器温度传感器
温度压力传感器是由温度敏感元件和检测线路组成的。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来敏感被测物体温度的变化，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。 传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器都是将温度值经过一定的接口电路转换后输出模拟电压或电流信号，利用这些电压或电流信号即可进行测量控制。而将模拟温度传感器与数字转换接口电路集成在一起，就成为具有数字输出能力的数字温度传感器。随着半导体技术的迅猛发展，半导体温度传感器与相应的转换电路、接口电路以及各种其它功能电路逐渐集成在一起，形成了功能强大、精确、价廉的数字温度传感器。 [全文]
，当需要数字化信号修正时可直接用来监测温度。利用CAV424作为电容传感器的调理电路，可克服寄生电容和环境变化的影响，提高了测量精度和抗干扰能力。同时传感器外接元件较少，处理电路比较简单，仪器体积小。
3．2 电压一电流转换电路AM402
AM402是处理差分信号输入、电流输出接口的集成电路，可以将输入的微弱的传感器差动电压信号转换成符合工业标准的二线方式输出(4～20 mA)或者三线方式输出(0／4～20 mA)的电流信号。AM402由3个基本的单元组成：
(1)高精度的前置放大器。其具有较大的增益调节范围，适合于不同的信号输入范围，可用于各种不同变化范围的传感器信号处理。
(2)由电压控制的电流输出级。通过调整偏置电压可以使输出电流在较宽的范围内可调。
(3)可调的参考电压。可为传感器或者外部元件提供5 V或10 V的电压。
该电容式角度传感器的实际测量电路如图2所示，其中可变电容C1和 C2的串联部分为电容传感器等效电路部分。
图2 电容信号测量电路
4 实验与分析
实验设计中，根据AM402三线制输出电流的取值范围，调节电容传感器信号转换集成电路芯片CAV424的外接元件，使其输出的差分电压值为0～200 mV，即输入到电压一电流转换接口电路AM402的电压值为0～200 mV，而AM402采用三线制输出方式，其输出电流范围为4～20 mA．根据前述的理论推导可知，在实际应用中，角度传感器只适合取用0～ 2/π范围内电流输出随角度的增大而增大的线性变化区域，故在测量过程中，只测量0-2/π内电流随角度变化的输出情况。通过负载的二电流输出随角度变化的测量结果如表1所示。根据最-'b~-乘法原理，对实验数据进行曲线拟合，得到一阶最佳线性拟合曲线，如图3所示，曲线拟合度为0．997 3，非常接近于1，可见曲线拟合度较好。由图3可以看出：输出电流的实际测量值， 与角度变化量0成线性关系。曲线通式为：
式中：Iout为输出电流；0为传感器角度变化量。
图3 单片机单片机
单片机是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称，是一种将中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）采用超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的微型计算机系统。 [全文]
程序
结果表明实际测量值跟理论值基本吻合，与拟合曲线非常接近；在所测转角0～90~范围内，Iout呈线性输出。
表1 电流输出与角度变化关系：
图3 输出电流与角度变化的拟合关系曲线：
图4输出电流与角度变化的拟合关系曲线
5 讨论
由实验结果可以看出：拟合曲线与实际测量值相比，输出的初始电流值略小于4 mA．这是因为实验过程中，要根据实际输出的电流值，对集成电路AM402进行调整，使其初始状态偏置电流 为4 mA，在调整过程中，传感器本身要受到周围环境中存在的寄生电容的干扰和调节过程中人体本身对传感器的影响，因而对初始值的测量结果造成误差。而且，电容传感器信号转化为电压的电路CAV424也存在一定的环境干扰和误差，输出的差分电压经AM402内部的前置放大器部分放大，会对输出电流值造成影响。
6 结束语
新型的电容式角度传感器结构简单，能够测得0 90~的角度变化。通过CAV424以及AM402，可以将电容的变化信号转化成工业上通用的4～20 mA标准的电流输出。实验得到了比较理想的线性输出的直流电流信号，可广泛用于实际角度测量以及自动控制等领域。通过对传感器本身及其外接元件采取屏蔽措施，可以有效减少外界干扰对系统的干扰，从而减小测量误差。