一种电容式角度传感器

　　引言

　　角度传感器应用很广泛,按转换原理不同有很多实现形式,如光栅式、加速度计式、电容式等。其中电容式角度传感器利用电容的原理,实现非电量到电量的转化。根据不同形式又可分为变面积、变间隙、变介电常数等类型。随着对电容式传感器检测原理和结构的深入研究,以及新材料、新工艺、新电路的开发,这一原理的传感器应用也越来越广泛。

　　文中提出了一种利用电容差动变介电常数原理设计的角度传感器,借助黏稠液体电介质特性,当角度产生变化时,使传感器敏感元件的两个电极间电介质深度发生变化,导致相应电介质介电常数发生变化从而带动电容发生变化。

　　1　变介电常数传感器工作原理

　　当电容极板之间的介电常数发生变化时,电容量也随之改变。图1为变介电常数电容传感器工作原理图。如图1所示,在液体电介质中放入两个同心圆筒形极板,当被测液体的液面在两同心圆筒之间变化时,引起极板间不同介电常数介质的高度发生变化。因而导致电容产生变化,电容量C为：

　　式中:ε0为空气介电常数;ε1为液体介质介电常数;L为传感器总长度;L1为传感器浸入液体介质深度;R为外极板内径; r为内极板外径。

　　观察式(2),空气介电常数、液体介质介电常数、传感器总长度、外极板内径及内极板外径均为固定值,则式(2)可以简化为：

　　由此可见,电容量与电极板浸入液体电介质的深度呈线性关系。

　　敏感元件结构示意图如图2(a)所示,在陶瓷材质的小容器里添装部分有一定黏度的液体电介质,通常采用醇类混合物,如丙三醇与乙醇的混合液。其相对介电常数为47;上部填充气体,气体一般的介电常数为1。这样设计,首先增加两种介质的介电常数差值,可以较明显地反映出敏感元件角度的变化;其次,乙醇冰点为-114℃,丙三醇的沸点为290℃[1],可以使传感器的工作温度范围大大提高。

　　在敏感元件中设有两对电极,电极1和电极2,它们的长度、间距及与公共电极的间距都相同。采用差动式设计,可以将其灵敏度增加一倍。如图2(a)所示,敏感元件处于水平位置时,电极1及电极2浸入液体电介质的深度相同,由式(3)可知,两电极所产生的电容量C1、C2关系为：

　　由此可见,敏感元件所产生的电容的变化量和角度变化值呈线性关系,即角度变化可以通过电容式角度传感器利用电容量的变化反映出来。

　　2.2　传感器结构设计原理

　　传感器结构设计如图3所示,采用LY12铝制外壳,需要硬质氧化。为了使敏感元件与外壳间安装角度位置相匹配,需要加工定位模块来确定敏感元件的安装位置。定位模块可以安装2个敏感元件,同时对双轴进行测量。电路调理板安装在定位模块和敏感元件正上方,通过导线相连接,利用接插件实现信号输出。