CN105486222B - 一种电容式角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电容式角位移传感器，包括电容式敏感件和信号处理电路，所述电容式敏感件包括定子和转子，所述转子转动引起与所述定子之间的电场有规律的变化，所述定子检测所述电场的变化并转化为周期的模拟信号输出，信号处理电路用于采集所述模拟信号并输出角位移数字量，所述电容式敏感件和所述信号处理电路连接。本发明提供一种抗干扰性好、结构简单、体积小的电容式角位移传感器。

Description

一种电容式角位移传感器

技术领域

本发明涉及一种角位移传感技术领域，更具体的说，涉及一种电容式角位移传感器。

背景技术

角位移传感器为传感器的一种，是将旋转角位置、角位移等物理量转换为电信号的位移传感器。是自动化领域中用来检测角度、速度、长度、位移和加速度的传感器。其应用大到数控机床、机器人、包装机械、印刷机械、电梯、工厂自动化相关设备的位置检测、传输速度控制，小到磁盘、打印机等办公自动化设备的旋转量的测量和控制，已成为各个领域不可或缺的一部分。

目前，市面上已有多种旋转角位移传感器，按照检测的原理可分为光学编码器、磁性编码器等。其中，光学旋转编码器应用较多，磁性编码器次之。

光学编码器分为绝对编码器和增量编码器，输出为二进制的方波信号。增量式的编码器应用更普遍，原因是其结构平整、造价低廉，但它具有以下缺点：光学编码器必须将光束集中在光盘上的特定点，因此这类编码器对机械装配和安装误差较为敏感。这类编码器的结构仅能够提供有限的机械使用寿命。在恶劣环境下，如经常受到机械冲击、振动或处于高温环境下等，编码器内的光电码盘很容易受到外部因素的影响而损坏。

磁编码器一般包括永磁材料和磁敏感元件，通过永磁材料元件转动引起磁通强弱变化，变化的磁通经过敏感元件后被转换成为相应的数字或脉冲信号。这类编码器采用永磁材料作为核心部件因此比较耐用。由于采用磁性材料与敏感元件，因此极易受周围电磁环境影响。

因此，提供一种抗干扰性好、结构简单、体积小的电容式角位移传感器，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种抗干扰性好、结构简单、体积小的电容式角位移传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电容式角位移传感器，包括：电容式敏感件，所述电容式敏感件包括定子、转子，所述转子转动引起与所述定子之间的电场有规律的变化，所述定子检测所述电场的变化并转化为周期的模拟信号输出；信号处理电路，用于采集所述模拟信号并输出角位移数字量；所述电容式敏感件和所述信号处理电路连接，所述电容式敏感件外套设有屏蔽环，所述屏蔽环用于屏蔽传感器周围的电场干扰源。

优选的，所述定子包括一个或多个，所述定子包括电场接收装置和电场发射装置，所述电场发射装置用于发射电场，所述电场发射装置包括电场发射电路和金属发射极板，所述金属发射极板上包括至少一个发射通道，所述电场接收装置用于接收电场，所述电场接收装置包括电场接收电路和金属接收极板。

优选的，所述定子为一个，所述电场发射电路采用正交激励，所述金属发射极板采用扇形栅格的形式分成单元，将每个所述单元分为等份的四栅格，分别对应于四相正交激励的四路激励，所述四栅格分别连接相位为0°，90°，180°，270°。

优选的，所述金属发射极板采用多个单元，所述单元的个数为2的n次方，n为大于零的整数，所述单元均匀的设置在金属发射极板的表面。

优选的，所述定子为两个，所述电场接收装置设置在一个定子上，所述电场发射装置设置在另一个定子上，所述金属发射极板包括两个发射通道和中央圆环，所述两发射通道以所述中央圆环为中心，均匀的分布在所述中央圆环的外侧，所述转子采用塑性材料，所述转子边缘设有多个均匀布置的凹槽。

优选的，两个所述金属发射通道分别为第一发射通道和第二发射通道，所述第一发射通道包括2m1-1个单元，m1为大于零的整数，所述第二发射通道包括2m2个单元，m2为大于零的整数，所述两发射通道的每个单元与所述中央圆环的中心对应。

优选的，所述的转子采用塑性材料，所述转子上附有金属导电层，所述金属导电层包括周期性图案，所述转子边缘设有周期性的凹槽。

优选的，所述电场接收电路与所述金属接收极板连接，所述接收极板与所述发射极板两个通道的中央圆环分别对应，所述金属接收极板对应第一发射通道的形状为网格状，所述金属接收极板对应第二发射通道的形状为蜂窝状。

优选的，所述的信号处理电路集成于信号处理电路板上，所述信号处理电路与所述电场接收装置电连接。

优选的，所述定子和转子都为环形，所述定子和转子之间设有间隙，所述定子和转子外周套设有屏蔽环，所述屏蔽环用于屏蔽传感器周围的电场干扰源，所述定子和转子以及屏蔽环收纳与环形的屏蔽外壳内。

本发明的有益效果为，通过转子转动引起与定子之间有规律的电场变化，定子对调制后的电容进行解调、检测，最后通过信号处理电路使电容变化量与旋转角度一一对应，得到旋转角度，采用电容检测方式，通过对电容进行周期性的调制与解调来获取角位移信号，因为电容检测本身的特性，间距越小越容易检测，因此电容式角位移传感器体积很小、结构简单，同时，电容式敏感件外套设有屏蔽环用于屏蔽传感器周围的电场干扰源，因此该电容式角位移传感器具有良好的抗电磁干扰性，同时本发明中传感器材料没有采用光刻盘等易于损坏的部件，因此具有良好的抗振、抗冲击性。

一种电容式角位移传感器检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

A将转子与转轴安装连接；

B将定子与信号处理电路连接，所述信号处理电路与上位机处理软件连接；

C转轴转动、带动转子，引起定子之间电容量发射变化；

D电容式敏感件中的接受装置将检测到的电容量变化量转变为周期信号输出；

E电路处理电路对电容式敏感件所生成的信号进行采集处理并输出角位移数字量；

F上位机软件完成电容式敏感件定子与转子之间误差检测、分析与补偿。

本发明采用这种角位移传感检测方法的有益效果为：通过转子有规律的转动引起与定子之间的电容量变化，定子对调制后的电容进行解调、检测，最后通过信号处理电路使电容变化量与旋转角度一一对应，得到旋转角度，在传感器安装好以后，上位机软件与电容式敏感件和信号处理电路配合使用，完成电容式敏感件定子与转子之间的误差检车、分析和补偿，这样完善电容式敏感件大的安装公差，同时保证电容角位移传感器的精度。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例的发射极板单个单元示意图；

图4是本发明实施例的发射极板示意图；

图5是本发明实施例的双通道发射极板示意图；

图6是本发明实施例的双通道接收极板示意图。

其中：1、定子，11、金属发射极板，111、第二发射通道，112、第一发射通道，12、单元，2、转子，21、金属接收极板，3、屏蔽环，4、屏蔽外壳。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例公开一种电容式角位移传感器，包括电容式敏感件，电容式敏感件包括定子1、转子2，定子1和转子2都为环形，定子1和转子2之间设有间隙，定子1和转子2外周套设有屏蔽环3，定子1和转子2以及屏蔽环3收纳于环形的屏蔽外壳4内，电容式敏感件与信号处理电路连接，屏蔽环3和屏蔽外壳4用于屏蔽传感器周围的电场干扰源，因此该电容式角位移传感器能有效提高抗电磁干扰性。

其中，转子2和定子1同轴、同心且平行安装，保证彼此互不摩擦，且间隙尽量小，因为定子1和转子2之间为非接触式传感器，因此更加方便的应用于控制系统中。

其中，电容式敏感件中，转子2转动引起与定子1之间有规律的电场变化，定子1对调制后的电容进行解调、检测，最后通过信号处理电路使电容变化量与旋转角度一一对应，得到旋转角度，采用电容检测方式，通过对电容进行周期性的调制与解调来获取角位移信号。

其中，定子1有一个或多个，定子1包括电场接收装置和电场发射装置，电场接收装置用于接收电场，电场发射装置用于发射电场。电场发射装置包括电场发射电路和金属发射极板，金属发射极板上包括至少一个发射通道，本实施例中优选的方案为一个定子的电容式角位移传感器。

进一步的，定子1为一个，电场接收装置和电场发射装置都设置在定子上，电场发射装置包括电场发射电路和金属发射极板11，电场发射电路采用正交激励，金属发射极板11扇形栅格的形式，将每个单元12分为等份的四栅格，分别对应于四相正交激励的四路激励，四栅格分别连接相位为0°，90°，180°，270°的正弦激励电路，分别形成第一栅格、第二栅格、第三栅格以及第四栅格，由于四个栅格，0°与180°，90°与270°所施加激励相位正好相反，因此将四个栅格与接收极板形成的电容并联时，第一栅格与第三栅格相对，且相互之间电容信号进行差分运算；第二栅格与第四栅格相对，且相互之间电容信号进行差分运算。因此，传感器受共模干扰影响较小，比如温度特性好，噪声小，分辨率高。

四栅格也可以采用方波信号也可以采用正弦信号，本发明中优选的方案为方波信号，本领域技术员人不付出创造性劳动的情况下，不能认为四栅格产生的信号仅为正弦信号或方波信号。

如图3所示，发射极板包括单个单元12，单个单元12包括四个栅格；当然，也可以设置两个或三个栅格，或其它个数。

如图4所示，发射极板包括多个单元12，单元12均匀的设置在环形金属发射极板11的表面，单元12的数量优选的为2的n次方，n为大于零的整数，由于发射极采用了多个单元，且均匀分布。因此，可以有效的防止转子与定子由于倾斜所导致的电容量变化。使得传感器被测系统与转轴之间的倾斜安装误差减小，抗振动性能好。

进一步的，电场接收装置包括：电场接收电路、金属接收极板21。两者可单独制作，再连接，也可一同制作在印制板上，同时电场接收装置设置有同步检测技术。

其中，转子2采用塑性材料，转子用于与定子形成电场，转子2上附有金属导电层，金属导电层包括周期性图案，转子2中与周期性导电图案的边缘均为光滑的正弦包络，附有该特性的转子对电场进行调制，使得电场接收装置产生周期性的正弦信号。当然转子2还可以有另一种形式，转子的表面不设金属导电层，只是在外型上采用周期性的边缘。转子采用这两者形式既可以应用在实施例1中也可以应用在实施例2中。

实施例2

如图3、4、5所示，与实施例1相比，实施例2中定子的数量为两个，电场接收装置设置在一个定子1上，电场发射装置设置在另一个定子1上，金属发射极板11包括两个发射通道和中央圆环，两发射通道以所述中央圆环为中心，均匀的分布在中央圆环的外侧，金属发射极板包括第一发射通道112和第二发射通道111，第一发射通道112包括2m1-1个单元，m1为大于零的整数，第二发射通道111包括2m2个单元，m2也为大于零的整数，两发射通道的每个单元与所述中央圆环的中心对应。由于单数单元与多数单元都与中心圆环有对应角度，因此可以通过第一发射通道112每个单元之间和第二发射通道111每个单元之间独特的对应关系来确定绝对的角位置。采用绝对的角位置确定方式，实现了绝对角度的测量。可以更精确的测量旋转角度。同时因为绝对位置输出超过360°旋转范围，可以提高旋转角度测量，使得动态测量范围更广。

其中，接收装置包括电场接收电路、金属接收极板21，电场接收电路与金属接收极板21连接，金属接收极板21与金属发射极板11中央圆环对应，金属接收极板21对应第一发射通道112的形状为网格状，金属接收极板21对应第二发射通道的形状为蜂窝状。

其中，转子采用塑性材料制成，该转子边缘为周期性的凹槽。

本实施例通过转子2有规律的转动引起与定子1之间的电场变化，定子1对调制后的电容进行解调、检测，最后通过信号处理电路使电容变化量与旋转角度一一对应，得到旋转角度，采用电容检测方式，通过对电容进行周期性的调制与解调来获取角位移信号，因为电容检测本身的特性，间距越小越容易检测，因此电容式角位移传感器体积很小、结构简单，同时，电容式敏感件外套设有屏蔽环用于屏蔽传感器周围的电场干扰源，因此该电容式角位移传感器具有良好的抗电磁干扰性，同时本发明中传感器材料没有采用光刻盘等易于损坏的部件，因此具有良好的抗振、抗冲击性。

本实施例的电容式角位移传感器的其它设置及技术效果与实施例一相同，这里不再一一说明。

实施例3

一种使用实施例1或实施例2中电容式角位移传感器的检测方法，结合图1至图5，包括如下步骤:

A将转子2与转轴安装连接；

B将定子1与信号处理电路连接，所述信号处理电路与上位机连接；

C转轴转动、带动转子2，引起定子1之间电场变化；

D电容式敏感件中的接收装置将检测到的电场变化转变为周期信号输出；

E电路处理电路对电容式敏感件所生成的信号进行采集处理并输出角位移数字量；

F上位机软件完成电容式敏感件定子与转子之间误差检测、分析与补偿。

本实施例通过转子2的转动引起与定子1之间有规律的电场变化，定子1对调制后的电容进行解调、检测，最后通过信号处理电路使电容变化量与旋转角度一一对应，得到旋转角度，在传感器安装好以后，上位机软件与电容式敏感件和信号处理电路配合使用，完成电容式敏感件定子1与转子2之间的误差检测、分析和补偿，这样完善电容式敏感件大的安装公差，同时保证电容角位移传感器的精度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电容式角位移传感器，其特征在于，包括：

电容式敏感件，所述电容式敏感件包括定子、转子，所述转子转动引起与所述定子之间的电场有规律的变化，所述定子检测所述电场的变化并转化为周期的模拟信号输出；

信号处理电路，用于采集所述模拟信号并输出角位移数字量；

所述电容式敏感件和所述信号处理电路连接，所述电容式敏感件外套设有屏蔽环，所述屏蔽环用于屏蔽传感器周围的电场干扰源；

所述定子包括电场接收装置和电场发射装置，所述电场发射装置用于发射电场，所述电场发射装置包括电场发射电路和金属发射极板，所述金属发射极板上包括至少一个发射通道，所述电场接收装置用于接收电场，所述电场接收装置包括电场接收电路和金属接收极板；

所述电场接收电路与所述金属接收极板连接，所述接收极板与所述发射极板两个通道的中央圆环分别对应，所述金属接收极板对应第一发射通道的形状为网格状，所述金属接收极板对应第二发射通道的形状为蜂窝状；

所述定子为两个，所述电场接收装置设置在一个定子上，所述电场发射装置设置在另一个定子上，所述金属发射极板包括两个发射通道和中央圆环，所述两发射通道以所述中央圆环为中心，均匀的分布在所述中央圆环的外侧，所述转子采用塑性材料，所述转子边缘设有多个均匀布置的凹槽。

2.根据权利要求1所述的一种电容式角位移传感器，其特征在于，两个所述金属发射通道分别为第一发射通道和第二发射通道，所述第一发射通道包括2m1-1个单元，m1为大于零的整数，所述第二发射通道包括2m2个单元，m2为大于零的整数，所述两发射通道的每个单元与所述中央圆环的中心对应。

3.根据权利要求1所述的一种电容式角位移传感器，其特征在于，所述的信号处理电路集成于信号处理电路板上，所述信号处理电路与所述电场接收装置电连接。