1.角位移敏感元件設計
本文給出一種具有較好魯棒性的高精度的電容角.位移傳感器。遵從以下設計方法,使得傳統的金屬管浮子流量計電容式角位移傳感器的拓撲結構及測量原理發生根本性轉變。
1)因正弦激勵復雜，價格昂貴,因此去除傳統電容式角位移傳感器所需的正弦激勵電壓,采用方波脈沖激勵，從而避免了諧波干擾,放大不匹配及相誤差;
2)為盡可能完全實現電磁屏蔽功能,傳感器有效面積周圍設有保護環和保護面與傳感器地連接。圖3為電容敏感元件拓撲結構示意圖。主要由3個同.軸且彼此平行的極板組成:
●作為接收極的固定且為一整體的導電圓盤極板4;
●作為轉動極的金屬分瓣極板5;
●作為發射極的固定分瓣式導電圓盤極板6。
這3個極板中心通過轉軸1,轉軸裝有兩個滾動軸承，裝配時,保證動極板和轉軸一起轉動,4.5.6相對間隙應盡可能小。將發射極板分割成面積相等但彼此間電氣隔離的8個可作為發射極的單元s1~s8,每瓣近似為45°,相鄰兩片間隙盡可能小,以獲得較大的電容量;接收極板接收來自發射極板的感生電荷,設計中，發射與接收極板內部和外部都有接地保護環,以屏蔽電磁干擾,如圖2中2、3所示;轉動極板由4個角度相同(45°)間隔相同(45°)的金屬葉片組成。動極板葉片轉動的角度θ決定了發射極板接收極板之間8個電容值及相應感生電荷的大小。即在一定激勵脈沖信號模:式的作用下發射極板和接收極板之間產生電容。
根據設計需要,浮子行程決定機械連桿的實際轉角θ相對變化范圍約為30°,因此，考慮電場的邊緣效應,設計時應有一定冗余,故將電容敏感元件設計成能夠對45°的絕對角位移進行檢測即可。同時為提高檢測幅值,將s1.s3、s5、s7電氣連接,s2、s4、s6、s8電氣連接,檢測幅值提高4倍。本文研制的角位移傳感器的機械連桿轉角(約30°)小于45°,若僅在s1.s3、s5、s7施加激勵電壓,則45°內極板間電容模型如圖4所示，360°內等效計算模型可簡化為圖5。
2.信號處理
分析電容等效電路可知,簡化計算模型實際上忽略了電場的邊緣效應,故通過(4)式簡化計算的電容值與真實值應有一定誤差。金屬管浮子流量計采用電容測量電路對其電容實際值進行檢測。圖6為信號處理部分原理框圖。傳感器電子線路前端為一電荷檢測器,以降低電路對高頻信號的靈敏度,同時提高了對電磁場干擾的適應能力。因被測電容量值很小,只有13pF左右,故采取充放電法測量電容，與傳統方法不同,本文采用的是一種抗寄生干擾的微小電容測量電路。
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