圆容栅角位移传感器设计
第22卷 第3期Vol.22 No.3
重庆工学院学报(自然科学)
JournalofChongqingInstituteofTechnology(NaturalScience)
2008年3月Mar.2008
圆容栅角位移传感器设计
邢德周a,向 娟a,易黎丽a,苏 杰b,侯朝能a
(重庆工学院a.电子信息与自动化学院;b.材料科学与工程学院,重庆 400050)
摘要:介绍了一种用发射电极和标尺电极来设计圆容栅角位移传感器的方法.通过分析电容传感器测量角位移的原理,将输出电压信号转换成脉冲信号,每一个脉冲信号代表一个确定的角位移,在一个固定角度内输出的脉冲数越多表示传感器的分辨率越高.在动栅盘上粘贴一些发射电极,在定栅盘上粘贴一些标尺电极.为了确保不在同一时间输出多个脉冲,发射电极和标尺电极的安装数目必须互质.同时为了保证脉冲间隔是均等的,还需要更多地考虑发射电极和标尺电极的安装数目,提供了一种设计圆容栅的新方法,有效地提高了角位移传感器的精度和分辨率.关 键 词:圆容栅传感器;角位移;精确度测量;分辨率中图分类号:TP212 文献标识码:A
文章编号:1671-0924(2008)03-0065-03
DesignofCircleGrid-CapacitanceSensor
XINGDe-zhou,XIANGJuan,YILi-li,SUJie,HOUChao-neng
ChongqingInstituteofTechnology,Chongqing400050,China)
a
a
a
b
a
(a.SchoolofElectronicInformationandAutomation;b.SchoolofMaterialScience&Engineering,
Abstract:Thispaperintroducesanewmethodofdesigningcirclegrid-capacitancesensorwithnumberedemitter-polesandrulerpoles.Byanalyzingtheprincipleofcapacitancesensormeasuringtheangle-dis-placement,thispaperfirstprovidesadesignideathatchangesoutputvoltagetopulsesignal,andeverypulsestandsforacertainamountangle-displacement.Andthenforgettingmorepulseswhenobjecthasbeenrotatedacertainangle,thatis,thesensorwillhashighresolution,theremustbemanyemitter-polesaffixedonmoveablegrid-diskandmanyruler-polesaffixedonfixgrid-disk.Toensuretherearenopulsesoccurringatthesametime,thenumberofemitter-polesandthatofruler-polesmustbeprimenumbertoeachotheratleast.Atthesametime,toensurethateachpulseintervalmustbeequal,thenumberofemitter-polesandthatofruler-polesmustbeconsideredfurthermore.Thistechniqueprovidesanewideaforrightdesignofcirclegrid-capacitanceandforimprovingitsprecisionandresolution.Keywords:circlegrid-capacitancesensor;angle-displacement;precisionmeasurement;resolution
2007-12-14 收稿日期:
基金项目:重庆工学院2007年学生科研立项重点支持项目.作者简介:邢德周(1975—),男,硕士,讲师,主要从事测控技术与仪器方向的教学与科研.
66重庆工学院学报
1 电容传感器
众所周知,电容传感器常用来测量角位移,基本原理如图1所示.当活动电极旋转时,固定电极不动,电容的值就会改变,电容改变值可由式(1)计算:
ΔC=C0π
其中:C0是电容初值;θ是角位移.
测量时,电容传感器接到一个电路中.θ的测量有很多方法,最常用的是获得电路电压输出值U,然后根据ΔC和U的关系,计算出θ的值.这种方法有很多缺点:测量范围太小、精确度低.所以这种方法极少用,在工程中一般是用脉冲记数法来确保测量精度.
图2 电容传感器输出信号
(1)
为了提高精度,并不一定要传感器的质量更高,最简单的方法就是在2π角度内输出更多的脉冲数.但是,怎么实现呢?
通常最有效的方法是将传感器设计成栅格形状,结构如图3所示.在这种结构中,在动栅盘上粘贴了3个具有相同形状、相同面积和相同间隔的编号为1,2,3的发射电极.在定栅盘上粘贴了4个编号为a,b,c,d,且具有相同形状、面积和间隔的标尺电极.在工作时,2个栅盘同轴连接
.
2 圆容光栅结构设计
要想输出脉冲信号,必须对输出的电压整形.电容传感器的结构如图1,输出的电压近似正弦波形(如图2a)所示).然后对信号进行放大,整形得到方波(如图2b)所示).最后对方波求导便得到脉冲波形(如图2c)所示).根据图2可知,活动电极旋转1周会输出1个脉冲,也就是说旋转2π对应输出1个脉冲.如果我们能数出传感器输出的脉冲数,也就可以知道活动电极旋转的角度.例如脉冲数为n则角位移为n×2π.同时可以知道图1中传感器的分辨能力是2
π。
图3 圆容栅结构
当动栅盘转动时候,发射电极和标尺电极之间的电容值也相应的发生改变.如果将每一个发射电极分别和每一个标尺电极连接到一个电路中,那么就有12个相同的电路,每一个电路都输出电压信号.如图4a)所示的是发射电极1分别和标尺电极a,b,c,d连接输出的4路电压信号,在此.从波形可以2
知道,每一路信号相位相差2π,电压就能得到1个可以看到每2路信号的相位相差
图1
电容测量角度原理
最大值.因此,对于发射电极1来说,当动栅盘转过2π时电压会输出4次最大值.
邢德周,等:圆容栅角位移传感器设计67
假定n1是4,n2是7,那么在2π的范围内就能输出28个脉冲数,此时传感器的分辨率是否为?如果脉冲间隔是相同的,就是对的.但实际28
上,一些脉冲间隔是,一些间隔是,由式(2)可
2814以看出,分辨率并不是.
28-)×2π=(2)4714 当发射电极数目为n1,标尺电极数目为n2时.怎么来确定其分辨率为.必须满足式(3):
(n1×n2)
n2=n1+1或n2=n1-1(3)其中n1是大于2的自然数.
只有在这种情况下,分辨率才为.
(n1×n2)
图4 发射电极1和标尺电极a,b,c之间的输出
信号及整形波形
如图4a)所示,与每一路信号连接的触发器都设置一个确定的门电压,整形后可以得到方波,如图4b)所示,然后对其求导得到脉冲信号.在图4c)中在2π范围内有4个脉冲信号,可以得到如下结论:对于发射电极1,动栅盘每移动2就输出1个脉冲信号.
对于发射电极2和发射电极3,可以得到类似的结论.但是值得注意的是,发射电极1对标尺电极a与发射电极2对标尺电极a信号之间的相位
差为,发射电极1对标尺电极a与发射电极3对
3
标尺电极a信号之间的相位差为,如图5所示.
3
因此,当动栅盘转过2π时可以输出12个脉冲数,并且每1个脉冲所代表的角度为12即6. 现在讨论,如果发射电极有n1个,标尺电极有n2个,那么在2π内的脉冲数是否一定为n1×n2?答案是否定的.如何确定发射电极和标尺电极的数量是圆容光栅传感器设计中的关键问题.
首先,我们必须保证n1和n2互质,如4和7,11和13等,否则,在同一时间就会产生多个脉冲.
12,?
Y1:旋转方向为X时输出正脉冲 Y2:旋转方向为-X时输出负脉冲
图5 标尺电极α与发射电极1,2,3的输出电压信号
3 运动方向辨别
由于位移是矢量,故在位移测量时,不仅要测量大小,还要测量方向.经过整形后的输出电压信号为方波,可以利用方波信号判别方向.这一点和栅格传感器辨向电路类似.下面仅给出其结构,如图6所示.
图6 方向判别电路
闵 芳,等:基于0,1序列模式的图像检索算法的改进71
行扫描算法在降低检索响应时间的同时可以获得较好的检索率.对其他5类图像由于其轮廓形状复杂或其形状不规则,无法仅从轮廓分布和形状特征判断,使用0,1序列模式的图像检索法检索效果不理想.使用隔行扫描算法后图像特征信息丢失更多,导致检索性能更低.
参考文献:
图9 云彩图像的比较
[1] 孙芙蓉.基于0、1序列模式的图像检索算法研究
从以上8幅图中可以看出,对花朵、动物和黄昏图像,当误差选择小于0.03时,使用隔行扫描对查准率影响不大,在误差率选择小于0.01时,甚至查准率高于逐行扫描算法.这是因为花朵、动物、黄昏等具有明显轮廓分布,图像中的物体对象形状较为简单,从键图像中选择的0,1序列模式在键图像中的匹配次数可以较好的代表了图像的特征.使用隔行扫描得出的匹配次数也能比较好地反映出图像轮廓分布信息.所以当误差选择小于0.01时甚至出现隔行扫描检索率高于原算法的情况.然而隔行扫描毕竟丢失了一半图像信息,所以当允许误差大于0.03后,查准率开始大幅度降低.当误差率选择为0.03时,检索出图像数目已在10幅以上,三分之一的键图像查全率高达80%以上,这说明对轮廓分布明显的图像,选择隔
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(责任编辑 刘 舸)
(上接第67页)
每一个脉冲代表,数出脉冲个数就
(n1×n2)
可以算出角位移.
参考文献:
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4 结束语
理论上说,设计圆容光栅时动栅盘上的发射电极和定栅盘上的标尺电极的数目应该互为质数,并且其数目相差1.这种方法可以简化传统圆容光栅传感器的结构,还能很有效地避免工作中带来的干扰.同时,它还能提高测量精度和分辨率.从更长远看来,这种技术还可应用于其他位移