CN106052546B - 一种分瓣电容式角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分瓣电容式角位移传感器，它包括解调电路和敏感结构，解调电路产生正弦激励信号作用于敏感结构，由敏感结构将电容变化信息返回至解调电路进而获得转角信息。敏感结构包括定子和转子，在定子表面设置有保护电极、激励电极和采集电极；在定子表面最内侧和最外侧均设置有保护电极，紧邻内环保护电极的外侧设置有激励电极，激励电极的外侧设置有采集电极。转子包括保护电极、耦合电极和敏感电极，在转子表面最内侧和最外侧也均设置有保护电极，紧邻内环保护电极外侧设置有耦合电极，耦合电极外侧设置有敏感电极。采集电极和敏感电极呈正对设置，组成测量电容。本发明可减小因径向跳动而导致的测量误差。

Description

一种分瓣电容式角位移传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是关于一种在工业自动化控制系统、仪器仪表和电子产品制造业等领域中使用的分瓣电容式角位移传感器。

背景技术

目前，主轴角位移信息和角速度信息在工业自动化控制系统、仪器仪表和电子产品制造业中都是极为重要的测量参数，因此开发廉价、高精度、高动态的角位移传感器对于工业化自动化有很大的促进作用；现有许多类型的角位移测量传感器、并且精度较高，但是存在体积比较大，加工复杂，成本较高、对环境要求苛刻，动态特性差等缺点。

电感式角位移传感器精度高、温度特性好、安装要求低，但加工复杂、成本高且对电磁环境敏感；电容式角位移传感器稳定性较高、可以用于非接触式测量、动态响应好、适应恶劣环境等，已被越来越多的人认为是最有发展前途的传感器。

国内外对于电容式传感器用于测量角位移的研究很多，也取得了很大的突破：主要集中在敏感结构改进，常规的敏感结构是扇形分瓣式的，对角位移信息的获取能力有限，灵敏度也受限制与加工精度且解调电路复杂。基于上面的分析，需要研发一种角位移传感器，使其具有高精度、高环境适应性、低成本等特点；这里结合传统电容式角位移传感器和电感式角位移传感器设计一种新的形状的分瓣式电容，提高对角位移信息获取能力，同时差动设计克服温度对电容式传感器的影响，改进电路，借鉴电感式旋转编码器的原理，简化电路，减低噪声提高测量精度和动态特性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种分瓣电容式角位移传感器，其减小因径向跳动而导致的测量误差，测量精度高，而且抗干扰、抗污染能力强，具有较高的可靠性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种分瓣电容式角位移传感器，其特征在于它包括解调电路和敏感结构，所述解调电路产生正弦激励信号作用于所述敏感结构，由所述敏感结构将电容变化信息返回至所述解调电路进而获得转角信息；所述敏感结构包括定子和转子，所述定子和所述转子同轴平行设置，在所述定子表面设置有保护电极、激励电极和采集电极；在所述定子表面最内侧和最外侧均设置有圆环状的所述保护电极，紧邻内环所述保护电极的外侧设置有圆环状的所述激励电极，所述激励电极的外侧设置有圆环状的所述采集电极；所述转子包括保护电极、耦合电极和敏感电极，在所述转子表面最内侧和最外侧也均设置有圆环状的所述保护电极，紧邻内环所述保护电极外侧设置有圆环状的所述耦合电极，所述耦合电极外侧设置有所述敏感电极，所述耦合电极和所述敏感电极部分相连；所述采集电极和所述敏感电极呈正对设置，组成测量电容。

优选地，所述定子表面设置有48个内外均匀分布的扇形采集电极；其中，24个所述扇形采集电极均匀分布在一个外圆环上，并由第一扇形采集电极、第二扇形采集电极、第三扇形采集电极、第四扇形采集电极为一组构成6组电极；另外24个所述扇形采集电极均匀分布在另一个与外圆环紧邻的内圆环上，也由所述第一扇形采集电极、所述第二扇形采集电极、所述第三扇形采集电极、所述第四扇形采集电极为一组构成6组电极；外圆环上的一组电极中的所述第一扇形采集电极与内圆环上的一组电极中所述第三扇形采集电极紧邻，外圆环上的一组电极中的所述第二扇形采集电极与内圆环上的一组电极中所述第四扇形采集电极紧邻，外圆环上的一组电极中的所述第三扇形采集电极与内圆环上的一组电极中所述第一扇形采集电极紧邻，外圆环上的一组电极中的所述第四扇形采集电极与内圆环上的一组电极中所述第二扇形采集电极紧邻。

优选地，外圆环和内圆环上的所述第一扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与所述敏感电极组成第一电容，外圆环和内圆环上的所述第二扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与所述敏感电极组成第二电容，外圆环和内圆环上的所述第三扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与所述敏感电极组成第三电容，外圆环和内圆环上的所述第四扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与所述敏感电极组成第四电容。

优选地，所述转子表面的所述敏感电极采用两瓣以上的花瓣构成，所述敏感电极由函数f₁(θ)和f₂(θ)围成的区域；

f₁(θ)＝r₁+τsin(N*φ)，f₂(θ)＝r₂+τsin(N*φ)，

其中，N表示花瓣的瓣数，r₁表示敏感电极的内环的基准半径，r₂表示敏感电极的外环的基准内半径，参数τ满足关系：τ＝(r₁+r₂)/2。

优选地，所述激励电极与所述耦合电极呈正对设置，组成耦合电容。

优选地，所述定子和所述转子均采用印制电路板，所述定子采用四层板，其中第一层为敏感结构层，第二层为地，第三层为连线，第四层为元件；所述转子采用两层板，第一层为敏感结构层，第二层为地。

优选地，所述解调电路包括旋变解调芯片、差分放大模块、低通滤波模块、激励驱动模块、C-V转换模块、后置差分放大模块、同相放大模块、反相放大模块和后置低通滤波模块；所述旋变解调芯片产生两组正弦激励信号均经所述差分放大模块进行放大后，由所述低通滤波模块滤除低频信号，然后通过所述激励驱动模块作用于所述定子的所述激励电极；所述转子在主轴的带动下转动，使得所述敏感电极和所述采集电极正对面积发生改变，进而获得4路电量变化信号，4路电量变化信号分别通过所述C-V转换模块转换为4路电压信号，4路电压信号均经所述后置差分放大模块放大后，其中两路电压信号进行所述同相放大模块放大，另外两路电压信号进行所述反相放大模块放大，最后均通过所述后置低通滤波模块滤除低通信号后，传输至所述旋变解调芯片。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用分瓣电容式角位移传感器，精度高，成本低，电路更简单。2、本发明采用分瓣电容式角位移传感器，差动测量，良好的鲁棒性，动态特性良好、具有一定容错特性。3、本发明采用分瓣电容式角位移传感器，对机械和物理污染表现优异。4、本发明采用旋变解调芯片，互换性更好，跟常用的旋变编码器的接口融合，便于推广和互换。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明的敏感结构示意图；

图3是本发明定子结构示意图；

图4是本发明转子结构示意图；

图5是本发明解调电路等效电路示意图；

图6是本发明敏感结构经电路调制后输出的标准SIN函数波形图；

图7是本发明敏感结构经电路调制后输出的标准COS函数波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～图4所示，本发明提供一种分瓣电容式角位移传感器，其包括解调电路和敏感结构1，解调电路产生正弦激励信号作用于敏感结构1，由敏感结构1将电容变化信息返回至解调电路进而获得转角信息。敏感结构1包括定子2和转子3，定子2和转子3同轴平行设置，在定子2表面设置有保护电极4、激励电极5和采集电极；在定子2表面最内侧和最外侧均设置有圆环状的保护电极4，用于消除平板电容的边缘效应，紧邻内环保护电极4的外侧设置有圆环状的激励电极5，激励电极5的外侧设置有圆环状的采集电极。转子3包括保护电极4、耦合电极6和敏感电极7，在转子3表面最内侧和最外侧也均设置有圆环状的保护电极4，紧邻内环保护电极4外侧设置有圆环状的耦合电极6，耦合电极6外侧设置有敏感电极7，耦合电极6和敏感电极7部分相连。采集电极和敏感电极7呈正对设置，组成测量电容，用于将转角信息转换为电容变化。

上述实施例中，定子2表面设置有48个内外均匀分布的扇形采集电极。其中，24个扇形采集电极均匀分布在一个外圆环上，并由第一扇形采集电极8、第二扇形采集电极9、第三扇形采集电极10、第四扇形采集电极11为一组构成6组电极，如图3所示，第一扇形采集电极8为白色、第二扇形采集电极9为深灰色、第三扇形采集电极10为浅灰色，第四扇形采集电极11为黑色，在本实施例中，第一扇形采集电极8、第二扇形采集电极9、第三扇形采集电极10、第四扇形采集电极11用于限定排列顺序。另外24个扇形采集电极均匀分布在另一个与外圆环紧邻的内圆环上，也由第一扇形采集电极8、第二扇形采集电极9、第三扇形采集电极10、第四扇形采集电极11为一组构成6组电极。外圆环上的一组电极中的第一扇形采集电极8与内圆环上的一组电极中第三扇形采集电极10紧邻，外圆环上的一组电极中的第二扇形采集电极9与内圆环上的一组电极中第四扇形采集电极11紧邻，外圆环上的一组电极中的第三扇形采集电极10与内圆环上的一组电极中第一扇形采集电极8紧邻，外圆环上的一组电极中的第四扇形采集电极11与内圆环上的一组电极中第二扇形采集电极9紧邻。内圆环的扇形采集电极可以由外圆环的扇形采集电极顺时针旋转30°得到。外圆环和内圆环上的第一扇形采集电极8均依次连接组成一个电极，并与敏感电极7组成第一电容C₁，外圆环和内圆环上的第二扇形采集电极9均依次连接组成一个电极，并与敏感电极7组成第二电容C₂，外圆环和内圆环上的第三扇形采集电极10均依次连接组成一个电极，并与敏感电极7组成第三电容C₃，外圆环和内圆环上的第四扇形采集电极11均依次连接组成一个电极，并与敏感电极7组成第四电容C₄。

上述各实施例中，转子3表面的敏感电极7采用两瓣以上的花瓣构成，敏感电极7由函数f₁(θ)和f₂(θ)围成的区域；

f₁(θ)＝r₁+τsin(N*φ) (1)

f₂(θ)＝r₂+τsin(N*φ) (2)

其中，N表示花瓣的瓣数，r₁表示敏感电极的内环的基准半径，r₂表示敏感电极的外环的基准内半径，参数τ满足关系：τ＝(r₁+r₂)/2。

在一个优选实施例中，转子3表面的敏感电极7设置为近似六角形，敏感电极7由函数f₃(θ)和f₄(θ)围成的区域。敏感电极7的每个角为标准的半个周期正弦波形，并共包含6个半个周期的正弦波形。

f₃(θ)＝r₁+τsin(6*φ) (3)

f₄(θ)＝r₂+τsin(6*φ) (4)

上述实施例中，激励电极5与耦合电极6呈正对设置，组成耦合电容C₀。耦合电容C₀的有效正对面积不随转子3的转动而改变，耦合电容C₀的电压相位与激励信号的相位相同。

上述各实施例中，定子2和转子3均采用印制电路板，定子2采用四层板，其中第一层为敏感结构层，第二层为地，第三层为连线，第四层为元件。转子3采用两层板，第一层为敏感结构层，第二层为地，能够减少其他极板和走线之间的耦合。

上述各实施例中，如图1、图5所示，解调电路包括旋变解调芯片12、差分放大模块13、低通滤波模块14、激励驱动模块15、C-V转换模块16、后置差分放大模块17、同相放大模块18、反相放大模块19和后置低通滤波模块20。旋变解调芯片12产生两组正弦激励信号均经差分放大模块13进行放大后，由低通滤波模块14滤除低频信号，然后通过激励驱动模块15作用于定子2的激励电极5。转子3在主轴21的带动下转动，转角发生改变，使得敏感电极7和采集电极正对面积发生改变，将转角变化转化为电容的变化，进而获得4路电量变化信号，4路电量变化信号分别通过C-V转换模块16转换为4路电压信号，4路电压信号均经后置差分放大模块17放大后，其中两路电压信号进行同相放大模块18放大，另外两路电压信号进行反相放大模块19放大，最后均通过后置低通滤波模块20滤除低通信号后，传输至旋变解调芯片12，得到转角信息。

基于上述装置，本发明还提供一种分瓣电容式角位移传感器的使用方法，其具体步骤如下：

1)设置一解调电路和敏感结构，解调电路产生两组正弦激励信号作用于敏感结构，转子在主轴的带动下转动，外圆环和内圆环上的第一扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与敏感电极组成第一电容C₁，外圆环和内圆环上的第二扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与敏感电极组成第二电容C₂，外圆环和内圆环上的第三扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与敏感电极组成第三电容C₃，外圆环和内圆环上的第四扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与敏感电极组成第四C₄；

2)第一电容C₁随转子转动的有效面积为：

S₁＝N*(A+B sin(Nθ)) (5)

其中，N表示花瓣的瓣数，A表示测量电容正对面积的常值分量，B表示振幅，θ表示转子转过的角度；

第二电容C₂随转子转动的有效面积为：

S₂＝N*(A-B sin(Nθ)) (6)

第三电容C₃随转子转动的有效面积为：

S₃＝N*(A+B cos(Nθ)) (7)

第四电容C₄随转子转动的有效面积为：

S₄＝N*(A-B cos(Nθ)) (8)

3)第一电容C₁获得的电量为：

第二电容C₂获得电量为：

第三电容C₃获得电量为：

第四电容C₄获得电量为：

4)C-V转换模块将四个电容上的电荷信号放大，并转化为电压信号输出：

U₁＝U sin(wt)*(A+B sin(Nθ)) (13)

U₂＝U sin(wt)*(A-B sin(Nθ)) (14)

U₃＝U sin(wt)*(A+B cos(Nθ)) (15)

U₄＝U sin(wt)*(A-B cos(Nθ)) (16)

5)将获得的四路电压信号输入后置差分放大模块，可获得两路类似于电感变压器的正交旋变信号：

U_sin＝U sin(wt)sin(Nθ) (17)

U_cos＝U sin(wt)cos(Nθ) (18)

6)信号U_sin和U_cos通过反相放大模块得到信号U_-sin、U_-cos；将信号U_sin和U_cos通过同相放大模块；

U_-sin＝-U sin(wt)sin(Nθ) (19)

U_-cos＝-U sin(wt)cos(Nθ) (20)

7)将U_sin、U_cos、U_-sin和U_-cos均传输至后置低通滤波模块，滤除低频信号后，传输至旋变解调芯片；

8)旋变解调芯片SIN引脚接收U_sin的信号，引脚接收U_-sin的信号，COS引脚接收U_cos的信号，引脚接收U_-cos的信号，得到精确的转角信息。

上述实施例中，旋变解调芯片输入信号和输出信号的相位移动必须在：(N*180°-44°)-(N*180°+44°)(N为整数)范围内，旋变解调芯片输入差分峰值信号范围为：最小值为2.3V，典型值为3.15V，最大值为4.0V。

本发明在使用时，如图6、图7所示，虚线表示理想的旋变器处理的信号，实线表示的是本发明获得的实际信号。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种分瓣电容式角位移传感器，其特征在于：它包括解调电路和敏感结构，所述解调电路产生正弦激励信号作用于所述敏感结构，由所述敏感结构将电容变化信息返回至所述解调电路进而获得转角信息；所述敏感结构包括定子和转子，所述定子和所述转子同轴平行设置，在所述定子表面设置有保护电极、激励电极和采集电极；在所述定子表面最内侧和最外侧均设置有圆环状的所述保护电极，紧邻内环所述保护电极的外侧设置有圆环状的所述激励电极，所述激励电极的外侧设置有圆环状的所述采集电极；所述转子包括保护电极、耦合电极和敏感电极，在所述转子表面最内侧和最外侧也均设置有圆环状的所述保护电极，紧邻内环所述保护电极外侧设置有圆环状的所述耦合电极，所述耦合电极外侧设置有所述敏感电极，所述耦合电极和所述敏感电极部分相连；所述采集电极和所述敏感电极呈正对设置，组成测量电容；

所述定子表面设置有48个内外均匀分布的扇形采集电极；其中，24个所述扇形采集电极均匀分布在一个外圆环上，并由第一扇形采集电极、第二扇形采集电极、第三扇形采集电极、第四扇形采集电极为一组构成6组电极；另外24个所述扇形采集电极均匀分布在另一个与外圆环紧邻的内圆环上，也由所述第一扇形采集电极、所述第二扇形采集电极、所述第三扇形采集电极、所述第四扇形采集电极为一组构成6组电极；外圆环上的一组电极中的所述第一扇形采集电极与内圆环上的一组电极中所述第三扇形采集电极紧邻，外圆环上的一组电极中的所述第二扇形采集电极与内圆环上的一组电极中所述第四扇形采集电极紧邻，外圆环上的一组电极中的所述第三扇形采集电极与内圆环上的一组电极中所述第一扇形采集电极紧邻，外圆环上的一组电极中的所述第四扇形采集电极与内圆环上的一组电极中所述第二扇形采集电极紧邻。

2.如权利要求1所述的一种分瓣电容式角位移传感器，其特征在于：外圆环和内圆环上的所述第一扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与所述敏感电极组成第一电容，外圆环和内圆环上的所述第二扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与所述敏感电极组成第二电容，外圆环和内圆环上的所述第三扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与所述敏感电极组成第三电容，外圆环和内圆环上的所述第四扇形采集电极均依次连接组成一个电极，并与所述敏感电极组成第四电容。

3.如权利要求1所述的一种分瓣电容式角位移传感器，其特征在于：所述转子表面的所述敏感电极采用两瓣以上的花瓣构成，所述敏感电极由函数f₁(θ)和f₂(θ)围成的区域；

f₁(θ)＝r₁+τsin(N*φ)，

f₂(θ)＝r₂+τsin(N*φ)，

其中，N表示花瓣的瓣数，r₁表示敏感电极的内环的基准半径，r₂表示敏感电极的外环的基准内半径，参数τ满足关系：τ＝(r₁+r₂)/2。

4.如权利要求1所述的一种分瓣电容式角位移传感器，其特征在于：所述激励电极与所述耦合电极呈正对设置，组成耦合电容。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种分瓣电容式角位移传感器，其特征在于：所述定子和所述转子均采用印制电路板，所述定子采用四层板，其中第一层为敏感结构层，第二层为地，第三层为连线，第四层为元件；所述转子采用两层板，第一层为敏感结构层，第二层为地。

6.如权利要求1-4任一项所述的一种分瓣电容式角位移传感器，其特征在于：所述解调电路包括旋变解调芯片、差分放大模块、低通滤波模块、激励驱动模块、C-V转换模块、后置差分放大模块、同相放大模块、反相放大模块和后置低通滤波模块；所述旋变解调芯片产生两组正弦激励信号均经所述差分放大模块进行放大后，由所述低通滤波模块滤除低频信号，然后通过所述激励驱动模块作用于所述定子的所述激励电极；所述转子在主轴的带动下转动，使得所述敏感电极和所述采集电极正对面积发生改变，进而获得4路电量变化信号，4路电量变化信号分别通过所述C-V转换模块转换为4路电压信号，4路电压信号均经所述后置差分放大模块放大后，其中两路电压信号进行所述同相放大模块放大，另外两路电压信号进行所述反相放大模块放大，最后均通过所述后置低通滤波模块滤除低通信号后，传输至所述旋变解调芯片。