CN102798340B - 一种转角传感器 - Google Patents

Abstract

一种转角传感器，包括电介质为空气的可变电容器（1）、可变电容器（2）、套筒形状的外壳（3），所述的可变电容器装在外壳（3）内，外壳（3）的两端装有端盖（5），端盖的圆心部位装有轴承（7），转轴转动时其电容值可产生与转轴的转角值相对应的变化，用于检测被测物体的旋转角度，所述的转角传感器还包括电容值固定的电容器（1a、1b），电容器（1a、1b）分别与可变电容器（1、2）串联，其信号输出能消除环境温度、湿度变化的影响，该转角传感器能在高温、严寒、潮湿、高速、高震动的场合工作，具有较高的转角转换精度。传感器的结构采用金属材料来制造实现的，可靠性好，使用寿命长。

Description

一种转角传感器

技术领域

一种转角传感器，具体说涉及一种由定片和动片构成的平行板式电容器，动片固定在转轴上，转轴转动时其电容值可产生与转轴的转角值相对应的变化，用于检测被测物体的旋转角度。

背景技术

伺服电机在在自动控制系统中能方便的定位、换向，使用寿命长，适合于各种环境。而检测伺服电机旋转角度的光学编码器，在高温、严寒、潮湿、高速、高震动的场合无法正常工作，限制了伺服电机的应用，而且光学编码器价格较高，增加了使用成本。

  公开号为CN1661332A的发明专利申请公开说明书，公开了一种旋转角度传感器，将可变电容器的移动电极安装并固定于要被检测旋转角度的物体上，固定电极与该被测物体的旋转无关地固定，移动电极的旋转角度变化时，电极之间的静电电容也发生变化，通过一C-V转换电路（电容-电压转换电路）将旋转角度转换成电压信号，并公开了该旋转角度传感器的构造，但该旋转角度传感器在高温、严寒、潮湿、高速、高震动的场合也无法正常工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种转角传感器，该转角传感器具有较高的转角转换精度，可在恶劣环境条件使用，而且制造成本较低。

该本发明的转角传感器，包括电介质为空气的第一可变电容器1、第二可变电容器2、套筒形状的外壳3，所述的可变电容器装在外壳3内，外壳3的两端装有端盖5，端盖5的圆心部位装有轴承7，靠近端盖5圆周的部位等分设有多个定位孔51；定位孔51的个数优选为4个。

安装有第一可变电容器1、第二可变电容器2的第一动片11、第二动片21的转轴4从轴承7的内孔中向外伸出；

第一可变电容器1的第一定片12和第二可变电容器2的第二定片22分别安装在定片轴6上，定片轴6通过定位孔51固定在端盖5上，定片轴6与定位孔51绝缘；

第一定片12之间、第二定片22之间的间隔相等；第一动片11位于相邻的第一定片12中间位置，第二动片21位于相邻的第二定片22中间位置；所述的动片与定片平行；

所述的动片平面形状主体为半圆形，定片为圆形，其中间部位挖出一与动片平面形状相同的部分，动片随转轴4旋转时，动片与定片的重合面积发生周期性变化；

第一可变电容器1的第一定片12与第二可变电容器2的第二定片22相互错开一个定位孔51的孔位角度固定在端盖5上，使得第一可变电容器1的动片与定片出现最大重合面积时的转角与第二可变电容器2的动片与定片出现最大重合面积时的转角不相同。

所述的转角传感器还包括电容值固定的第一电容器1a、第二电容器1b，第一电容器1a的一端与第一可变电容器1的定片轴6电连接，其连接点为转角信号输出端A；第二电容器1b的一端与第二可变电容器2的定片轴6电连接，其连接点为转角信号输出端B；第一电容器1a、第二电容器1b的另一端相连，其连接点为电压激励信号输入端S；所述的外壳为激励信号、转角信号的地端D。

为更好补偿环境温度、湿度变化对转角信号的影响，所述的电容值固定的第一电容器1a、第二电容器1b，为空气电介质电容器。

为减小旋转时可变电容器产生的振动，所述的第一动片11与第二动片21在转轴4上平衡对称设置。

本发明的有益效果是：1、传感器的结构采用金属材料来制造实现的，因此可在恶劣的环境中使用，可靠性好，使用寿命长；2、传感器构成的电气电路形式为电容器与可变电容器串联电路，其输出的信号经电容元件分压形成，电容器和可变电容器的电介质均为空气，因此传感器输出的电压信号不受环境温度、湿度变化的影响； 3、该传感器输出转角信号为电压信号，可瞬时测量电压信号的幅值来确定转角的角度，现有模数转换电子模块的采样周期可在50ns以下，因此该传感器可检测高速旋转物体高的转角；4、传感器由双联可变电容器构成，第一可变电容器1和第二可变电容器2出现最大电容值的转角不同，通过比较第一可变电容器1和第二可变电容器2的电容值，除了能测量被测旋转物体的转角外，还能判别正、反转，计算出转速、转数； 5、该传感器加工方便，制造成本较低；与本转角传感器配套的测量装置的电子元件性能稳定、价格较低，因此转角测量装置制造成本相应也低。

附图说明

图1为本发明第一实施例的结构示意图。

图2为第一可变电容器1的动片形状示意图。

图3为第二可变电容器2的动片形状示意图。

图4为本发明的定片形状示意图。

图5为采用本发明测量转角的测量装置方框图。

图6为电容值与转角关系曲线图。

图7为本发明的第二实施例的结构示意图。

图8为第一电容器1a、第二电容器1b的极板的形状示意图。

标号说明：

1—第一可变电容器；2—第二可变电容器；3—外壳；4—转轴；

5—端盖；6—定片轴；7—轴承；8—第一电容器1a、第二电容器1b的极板

11、21—第一可变电容器1、第二可变电容器2的动片；19—弦边；

12、22—第一可变电容器1、第二可变电容器2的定片；

23—导向孔；31—引线孔；

41—隔离套；42—动片垫圈；43—夹持垫圈；

51—定位孔；52—螺母；53—螺钉；

61—定片垫圈；62—绝缘衬套；63—绝缘垫圈；

65—极板绝缘衬套；66—极板绝缘垫圈。

具体实施方式

现对照附图1说明本发明的第一实施例。

本发明的转角传感器，包括第一可变电容器1、第二可变电容器2、套筒形状的外壳3，第一可变电容器1、第二可变电容器2装在外壳3内，外壳3的两端装有端盖5，端盖5呈圆板形状，端盖5的一侧设有与外壳3内圆配合的凸台，端盖5的圆心部位装有轴承7，靠近端盖5圆周的部位等分设有3至6个定位孔51，定位孔51的个数优选为4个。

安装有第一可变电容器1、第二可变电容器2的第一动片11、第二动片21的转轴4从轴承7中向外伸出；所述的转轴4的中段套有隔离套41，转轴4的左、右段分别套有夹持垫圈43，夹持垫圈43与隔离套41之间分别套有第一动片11、第二动片21，第一动片11之间套有动片垫圈42，第二动片21之间也套有动片垫圈42，拧紧端盖5上的螺钉53，使轴承7内圈的端面夹压夹持垫圈43将第一动片11、第二动片21固定在转轴4上；所述的轴承7为深沟球轴承或角接触球轴承。

为消除第一可变电容器1、第二可变电容器2的定片之间杂散电容的影响，所述的隔离套41的长度为所述的动片与定片之间间隙长度的100至300倍。

 第一可变电容器1的第一定片12和第二可变电容器2的第二定片22分别套在定片轴6上，定片轴6的一端具有螺纹，另一端具有凸缘，定片轴6的中间部分为定片，定片之间套有定片垫圈61，套有第一定片12的定片轴6的螺纹端从端盖5的定位孔51沿向左方向伸出，套有第二定片22的定片轴6的螺纹端从端盖5的定位孔51沿向右方向伸出；定位孔51与定片轴6之间设有绝缘材料制成的绝缘衬套62，定片轴6通过绝缘材料制成的绝缘垫圈63、螺母52，紧固在端盖5上，使定片与动片无电接触。

所述的定片垫圈61和动片垫圈42的厚度相等，第一动片11位于相邻的第一定片12中间位置，第二动片21位于相邻的第二定片22中间位置；所述的动片与定片平行。

所述的转角传感器除绝缘衬套62、绝缘垫圈63外，其余部分采用铝材料或不锈钢材料制成。

所述的第一动片11、第二动片21的主体为半圆形，其弦边19中部有一向外凸出一半圆形的耳部15，在动片的圆心部位设有圆孔13，该圆孔的边部设有向圆心凸出的条形齿17，该条形齿的方向与弦边垂直，动片套在转轴4上时该条形齿插在转轴4的键槽44中。

采用上述结构使第一动片11、第二动片21和第一定片12、第二定片22的位置固定可靠，抗震动。

第一定片12、第二定片22为圆形，其中间部位挖出一部分，该挖出部分的形状与第一动片11、第二动片21的形状相同，第一定片12、第二定片22的外圆边处等分设有多个导向孔23，导向孔23的位置与端盖5的定位孔51相对应。

第一动片11、第二动片21和第一定片12、第二定片22的圆心在转轴4的轴线上，所述的动片随转轴4转动时，在0至360°内，动片与定片的重合面积发生周期性线性变化，会出现动片与定片的某一重合面积对应两个转角（参见图6），为区分这两个转角，第一可变电容器1的第一定片12与第二可变电容器2的第二定片22相互错开一个定位孔51的孔位角度固定在端盖5上，使得第一可变电容器1的动片与定片出现最大重合面积时的转角与第二可变电容器2的动片与定片出现最大重合面积时的转角不相同。

为减小旋转时可变电容器产生的振动，所述的第一动片11与第二动片21在转轴4上平衡对称设置，即第一动片11与第二动片21在转轴4上的角度相互错开180°，为此所述的第一动片11、第二动片21的条形齿17在圆孔13上的位置也相互错开180°。与所述的第一动片11、第二动片21对应的第一定片12、第二定片22相互错开90°固定在端盖5上。

所述的转角传感器还包括电容值固定的第一电容器1a、第二电容器1b，第一电容器1a的一端与第一可变电容器1的定片轴6电连接，其连接点为转角信号输出端A；第二电容器1b的一端与第二可变电容器2的定片轴6电连接，其连接点为转角信号输出端B；第一电容器1a、第二电容器1b的另一端相连，其连接点为激励信号E的输入端S；所述的外壳为激励信号、转角信号的地端D。

为更好补偿环境温度、湿度变化对转角信号的影响，所述的第一电容器1a、第二电容器1b，为空气电介质电容器。

图7为本发明第二实施例的结构示意图，与图1的区别是所述的第一电容器1a、第二电容器1b也设置在外壳3内，第一电容器1a、第二电容器1b的结构相同，以第一电容器1a为例作说明，其结构为，在第一可变电容器1的定位轴6的凸缘处设置一极板8，极板8通过极板绝缘衬套65、极板绝缘垫圈66与定位轴6绝缘，极板8与相邻的第一定片12构成第一电容器1a；极板8用导线从引线孔31引出作为转角传感器的输入端S，第一可变电容器1的定片轴作为转角信号输出端A，第二可变电容器2的定片轴作为转角信号输出端B。

所述的极板8的结构参见图8，极板8为圆板形，圆心部位为一圆孔其直径略大于隔离套41的外径，圆周部位上等分设有孔24，孔24的直径略大于极板绝缘衬套65的外径，孔24的位置与所述定片的导向孔23相对应。

采用该结构可使转角传感器的结构紧凑，安装、使用方便，同时极板8为圆板形可有效地消除第一动片11、第一定片12之间杂散电容的影响。

现对照图5、图6说明本发明的检测原理，图5中第一电容器1a的一端与第一可变电容器1的定片连接，其连接点为转角信号输出端A；第二电容器1b的一端与第一可变电容器2的定片连接，其连接点为转角信号输出端B；第一电容器1a、第二电容器1b的另一端相连，其连接点为激励信号E的输入端S；激励信号的地端D与第一可变电容器1、第二可变电容器2的动片相连接。

第一可变电容器1、第二可变电容器2的电容变化范围相同，第一电容器1a、第二电容器1b的电容相等。

根据图5可知，

Ua／U1＝C1／Ca  （1）；

式1中U1为第一可变电容器1上电压、Ua为第一电容器1a上电压、C1为第一可变电容器1的电容、Ca为第一电容器1a的电容；

Ua＝Ue－U1  （2）；

式2中Ue为激励信号E的电压；

将式2代入式1中有，

（Ue－U1）／U1＝C1／Ca  （3）；

整理式3有，

C1＝Ca×（Ue－U1）／U1  （4）；

式4中Ue和Ca的数值可预先设定， U1的数值可通过测量得知，只要测量出U1的数值按式4进行运算就可求出第一可变电容器1的电容C1。

  同理可的出第二可变电容器2的电容C2的表达式如下，

C2＝Cb×（Ue－U2）／U2  （5）

式5中C2为第二可变电容器2的电容、Cb为第二电容器1b的电容；U2为第二可变电容器2上电压、Ue和Cb的数值可预先设定， U2可通过测量得知。

需要特别说明的是，在上述电容元件串联电路中，电压U1的表达式为：

U1＝Ue×(1/C1) ÷[(1/Ca)＋(1/C1)]；

电压U2的表达式为：

U2＝Ue×(1/C2) ÷[(1/Cb)＋(1/C2)]；

由于第一电容器1a、第二电容器1b，第一可变电容器1、第二可变电容器2的电介质为空气，当空气的温度、湿度发生变化时，空气的介电常数ε会发生变化，电容Ca、 Cb、 C1、 C2与空气的介电常数ε成比例关系，从电压U1、 U2的表达式可看出介电常数ε通过除法运算可被消除，电压U1、 U2不受温度、湿度发变化的影响。

图6为第一可变电容器1、第二可变电容器2的电容C1、C2随转角变化的曲线图，由于第一可变电容器1、第二可变电容器2的动片与定片之间重合区为扇形，其面积与转角的变化成线性关系，所以其电容也与转角的变化成线性关系。

从图6可看出，第一可变电容器1的电容C1与转角θ之间的关系可表示为，

θ＝k C1   (0°≦θ﹤180°)     (6)

θ＝360°－k C1   (180°≦θ﹤360°)   (7)

式6、7中k为角度系数，为一常数，在角度值θ和电容值C1已知的条件下可求出角度系数k。

转角θ在0-360°范围内，电容C1的同一数值对应两个不同的转角，为区分电容C1所对应的转角，将第一可变电容器1的第一动片11与第一定片12之间的夹角设置成与第二可变电容器2的第二动片21与第二定片22之间的夹角不同，即在同一转角下，电容C1和电容C2不能同时为最大值，这样参照电容C2可区分电容C1所对应的转角。在本实施例中第一可变电容器1的动片、定片之间的夹角与可变电容器2的动片、定片之间的夹角的差值为90°。

设电容C1、C2的变化范围为0至200PF，根据图6分析得知：

当电容C2﹤100PF、电容C1﹤100PF时，

转角角度θ＝k C1；

当0≦电容C2﹤100PF、电容C1≧100PF时，

转角角度θ＝k C1；

当电容C2≧100PF、电容C1≦200PF时，

转角角度θ＝360°－k C1。

图5为使用该转角传感器的测量装置原理方框图，该装置包括激励信号发生器、转角传感器、电压跟随器a、b、相敏检波器a、b、模数转换器a、b、数据处理器，转角传感器的输入端S、D与激励信号发生器的输出端连接，转角传感器的输出端A对地电压U1（第一可变电容器1上的电压）输出端B对地电压U2（第二可变电容器2上的电压）分别输送至电压跟随器a、电压跟随器b，所述的电压跟随器具有很高的输入阻抗不吸收电流，具有较低的输出阻抗可带负载，电压跟随器a、电压跟随器b的输出分别送至相敏检波器a、相敏检波器b，所述的相敏检波器将交流电压信号转换成直流电压信号，相敏检波器a、相敏检波器b的输出分别送至模数转换器a、模数转换器b，所述的模数转换器将电压信号转换成数字信号送至数据处理器，数据处理器中设置有程序能进行如下运算：

第一步，根据接受的第一可变电容器1上的电压U1的数据和预先设定的激励信号电压Ue的数据、预先设定的第一电容器1a的电容Ca的数据，按式4：

C1＝Ca×（Ue－U1）／U1  （4）；

计算出第一可变电容器1的电容C1；

第二步，根据接受的第二可变电容器2上的电压U2的数据和预先设定的激励信号电压Ue的数据、预先设定的第二电容器1b的电容Cb的数据，按式5：

C2＝Cb×（Ue－U2）／U2  （5）；

计算出第二可变电容器2的电容C2。

第三步、根据电容C1电容C2的数据判断，

转角θ是在0-180°范围内还是在180°-360°范围内；

第四步、根据预先设定的转角系数k（在转角θ和电容C1已知的条件下可得出转角系数k），按式6、式7：

θ＝k C1   (0°≦θ﹤180°)     (6)；

θ＝360°－k C1   (180°≦θ﹤360°)   (7)；

计算出转角θ，当然根据转角θ还可以计算出转速、转数。

图5的测量装置原理方框图所表示的激励信号为交流电压，

如果激励信号为直流电压可去掉相敏检波器，将电压跟随器a、b的输出直接分别送至模数转换器a、b，其余部分保持不变。

由于本转角传感器输出信号的为电压信号，现有的模数转换器采样速度、数据处理器运算速度都很快，因此能够瞬时测量高速旋转物体的角度，选用高分辨率模数转换器可获得较高的测量精度。

上述的测量装置中电子元件均为通用的电子元件，如电压跟随器、相敏检波器可由运算放大器构成，数据处理器可由单片机构成，这些元件性能稳定、价格较低，因此与本转角传感器配套的测量装置制造成本相应也低。

Claims (7)

1.一种转角传感器，包括电介质为空气的第一可变电容器（1）、第二可变电容器（2），套筒形状的外壳（3），所述的可变电容器装在外壳（3）内，外壳（3）的两端装有端盖（5），端盖（5）的圆心部位装有轴承（7），靠近端盖（5）圆周的部位对称设有3至6个定位孔（51）；

安装有第一可变电容器（1）、第二可变电容器（2）的第一动片（11）、第二动片（21）的转轴（4）从轴承（7）的内孔中向外伸出；

第一可变电容器（1）的第一定片（12）和第二可变电容器（2）的第二定片（22）分别安装在定片轴（6）上，定片轴（6）通过定位孔（51）固定在端盖（5）上，定片轴（6）与定位孔（51）绝缘；

第一定片（12）之间的间隔相等、第二定片（22）之间的间隔相等；第一动片（11）位于相邻的第一定片（12）的中间位置，第二动片（21）位于相邻的第二定片（22）的中间位置；所述的动片与定片平行；

所述的动片平面形状主体为半圆形，定片为圆形，其中间部位挖出一与动片平面形状相同的部分，动片随转轴（4）旋转时，动片与定片的重合面积发生周期性变化；

第一可变电容器（1）的第一定片（12）与第二可变电容器（2）的第二定片（22）相互错开一个定位孔（51）的孔位角度固定在端盖（5）上，使得第一可变电容器（1）的动片与定片出现最大重合面积时的转角与第二可变电容器（2）的动片与定片出现最大重合面积时的转角不相同；

所述的转角传感器还包括电容值固定的第一电容器（1a）、第二电容器（1b），第一电容器（1a）的一端与第一可变电容器（1）的定片轴（6）电连接，其连接点为转角信号输出端A；第二电容器（1b）的一端与第二可变电容器（2）的定片轴（6）电连接，其连接点为转角信号输出端B；第一电容器（1a）、第二电容器（1b）的另一端相连，其连接点为电压激励信号输入端S；所述的外壳为激励信号、转角信号的地端D。

2.根据权利要求1所述的转角传感器，其特征是所述的第一电容器（1a）、第二电容器（1b），为空气电介质电容器。

3.根据权利要求1或2所述的转角传感器，其特征是所述的第一动片（11）与第二动片（21）之间设有隔离套（41），隔离套（41）的长度为所述的动片与定片之间间隙长度的100至300倍。

4.根据权利要求1或2所述的转角传感器，其特征是所述的第一动片（11）与第二动片（21）在转轴（4）上平衡对称设置。

5.根据权利要求1或2所述的转角传感器，其特征是所述的端盖（5）上的定位孔（51）的个数为4个。

6.根据权利要求2所述的转角传感器，其特征是所述的第一电容器（1a）、第二电容器（1b）设置在外壳（3）内，第一电容器（1a）、第二电容器（1b）结构为，在定位轴（6）的凸缘处设置一极板（8），极板（8）通过极板绝缘衬套（65）、极板绝缘垫圈（66）与定位轴（6）绝缘，极板（8）与相邻的定片构成第一电容器（1a）、第二电容器（1b）；极板（8）用导线从引线孔（31）引出作为转角传感器的输入端S，第一可变电容器（1）的定片轴作为转角信号输出端A，第二可变电容器（2）的定片轴作为转角信号输出端B。

7.根据权利要求6所述的转角传感器，其特征是所述的极板（8）为圆板形，圆心部位为一圆孔其直径大于隔离套（41）的外径，圆周部位上等分设有孔（24），孔（24）的直径略大于极板绝缘衬套（65）的外径，孔（24）的位置与所述定片的导向孔（23）相对应。