CN110701994B - 一种单极性一维、二维电容式偏摆角度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单极性一维、二维电容式偏摆角度传感器，一维电容式偏摆角度传感器包括传感器探头和信号调理电路，传感器探头包括探头壳体和感应极板，感应极板包括基底和两组传感阵列，信号调理电路包括集成在调制电路板上的两个载波调制电路以及集成在解调电路板上的差动放大器和两个解调电路，调制电路板安装在探头壳体内，两个载波调制电路分别通过同轴电缆与两组传感阵列连接，解调电路板安装在探头壳体外，两个解调电路与两个载波调制电路连接，差动放大器与两个解调电路连接，经载波调制后输出的调制电压的差与被测对象的偏摆角度呈线性关系；二维电容式偏摆角度传感器的结构与前述相似。本发明能减小空间占用，提高抗干扰能力。

Description

一种单极性一维、二维电容式偏摆角度传感器
技术领域
本发明属于传感器测量领域，具体涉及一种单极性一维、二维电容式偏摆角度传感器。
背景技术
电容式微位移传感器具有非接触测量、结构简单、精度高、动态特性好、频带宽等特点，在工业生产和科学研究中得到了广泛应用。目前，具有高测量灵敏度的电容式微位移传感器有两类：一类是双极性电容，这种电容的两个极板都需要自己的特定导线，电容的测量来自于这两个非接地的极板；另一类是单极性电容，这种电容的一个极板接地，该接地极板无需特定导线，电容的测量来自于非接地的另外一个极板。
在主动光学系统、精密制造、微纳操作等领域中，某些部件需要进行X向偏摆和/或Y向偏摆，为了测量偏摆角度的大小，目前采用的方式是：利用两个相同的单极性电容式微位移传感器对称组成一维电容式偏摆角度传感器，利用四个相同的单极性电容式微位移传感器对称组成二维电容式偏摆角度传感器；这种方式形成的电容式偏摆角度传感器结构复杂，需要比较大的安装空间，并且其对单极性电容式微位移传感器的安装位置精度要求高。
另外，现有的单极性电容式微位移传感器，包括传感器探头和信号调理电路，传感器探头包括探头壳体和安装在探头壳体一端的感应极板，信号调理电路包括载波调制电路和解调电路，载波调制电路和解调电路都集成在信号调理电路板上，信号调理电路板安装在探头壳体外，载波调制电路与感应极板连接，由于载波调制电路与感应极板之间的距离较远，感应极板输出的信号容易被干扰，影响测量精度；为了减小干扰，需要进行电容匹配，从而使得信号调理电路复杂，并且进行电容匹配后的电容式微位移传感器不能随意改变其连接线缆的长度，使用不够灵活，并且成本也较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种单极性一维、二维电容式偏摆角度传感器，以减小空间占用，提高抗干扰能力，并且简化信号调理电路。
本发明所述的单极性一维电容式偏摆角度传感器，包括传感器探头和信号调理电路，传感器探头包括探头壳体和安装在探头壳体一端的感应极板；所述感应极板包括基底和设置在基底上且关于偏摆轴对称的两组传感阵列；所述信号调理电路包括集成在调制电路板上的两个载波调制电路以及集成在解调电路板上的差动放大器和两个解调电路，调制电路板安装在探头壳体内，两个载波调制电路分别通过同轴电缆与两组传感阵列连接，解调电路板安装在探头壳体外，两个解调电路分别通过多芯电缆与两个载波调制电路连接，差动放大器的两个输入端分别与两个解调电路的传感电压输出端连接，差动放大器的输出端输出反映偏摆角度的电压信号。
每组传感阵列由一个或者两个传感单元构成，每个传感单元包括位于基底正面的感应电极、等势电极和位于基底背面的感应连接电极、等势连接电极，等势电极同轴包围感应电极且与感应电极之间具有绝缘环，感应电极通过第一过孔与感应连接电极连接，等势电极通过第二过孔与等势连接电极连接，等势连接电极同轴包围感应连接电极且与感应连接电极之间具有绝缘环。
所述每个载波调制电路包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，加法器X2的一个输入端与解调电路的载波电压输出端连接，加法器X2的另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，电压跟随器X1的输出端通过多芯电缆与一个解调电路的输入端连接。其中一组传感阵列中的感应连接电极通过同轴电缆的中心导体与一个载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该组传感阵列中的等势连接电极通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接。另一组传感阵列中的感应连接电极通过同轴电缆的中心导体与另一个载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该组传感阵列中的等势连接电极通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接。
所述的两个载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端分别输出调制电压V3、V4，调制电压V3、V4之差与被测偏摆极板的偏摆角度θ2呈线性关系，表示为：
Figure BDA0001769777840000021
其中，Vr表示解调电路的载波电压输出端输出的载波电压，ε表示一组传感阵列与被测偏摆极板之间介质的介电常数，S表示该组传感阵列与被测偏摆极板相互覆盖面积，k表示比例系数。
所述的两个载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端与一根多芯电缆的一端连接，该多芯电缆的另一端具有电缆接头，电缆接头与两个解调电路的输入端连接，两个解调电路的传感电压输出端分别与差动放大器的两个输入端连接，差动放大器的输出端与一根BNC电缆的一端连接，该BNC电缆的另一端具有BNC转SMA接头，BNC转SMA接头用于与后续处理设备连接。
所述感应极板采用PCB工艺制作而成，感应电极、等势电极有两种优选的结构形状，第一种的感应电极呈圆形、等势电极呈圆环形；第二种的感应电极呈矩形、等势电极呈矩形环状。
本发明所述的单极性二维电容式偏摆角度传感器，包括传感器探头和信号调理电路，传感器探头包括探头壳体和安装在探头壳体一端的感应极板；所述感应极板包括基底、设置在基底上且关于X向偏摆轴(对应于X轴)对称的两个第一传感单元和设置在基底上且关于Y向偏摆轴(对应于Y轴)对称的两个第二传感单元；所述信号调理电路包括集成在调制电路板上的两个第一载波调制电路和两个第二载波调制电路以及集成在解调电路板上的两个第一解调电路、两个第二解调电路和第一、第二差动放大器；调制电路板安装在探头壳体内，两个第一载波调制电路分别通过同轴电缆与两个第一传感单元连接，两个第二载波调制电路分别通过同轴电缆与两个第二传感单元连接；解调电路板安装在探头壳体外，两个第一解调电路分别通过多芯电缆与两个第一载波调制电路连接，第一差动放大器的两个输入端分别与两个第一解调电路的传感电压输出端连接，两个第二解调电路分别通过多芯电缆与两个第二载波调制电路连接，第二差动放大器的两个输入端分别与两个第二解调电路的传感电压输出端连接，第一差动放大器的输出端输出反映绕X轴偏摆角度的第一电压信号，第二差动放大器的输出端输出反映绕Y轴偏摆角度的第二电压信号。
所述第一传感单元的结构与第二传感单元的结构相同，第一、第二传感单元都包括位于基底正面的感应电极、等势电极和位于基底背面的感应连接电极、等势连接电极，等势电极同轴包围感应电极且与感应电极之间具有绝缘环，感应电极通过第一过孔与感应连接电极连接，等势电极通过第二过孔与等势连接电极连接，等势连接电极同轴包围感应连接电极且与感应连接电极之间具有绝缘环。
所述每个第一载波调制电路都包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，加法器X2的一个输入端与第一解调电路的载波电压输出端连接，加法器X2的另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，电压跟随器X1的输出端通过多芯电缆与一个第一解调电路的输入端连接。其中一个第一传感单元中的感应连接电极通过同轴电缆的中心导体与一个第一载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该第一传感单元中的等势连接电极通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接。另一个第一传感单元中的感应连接电极通过同轴电缆的中心导体与另一个第一载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该第一传感单元中的等势连接电极通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接。
所述每个第二载波调制电路都包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，加法器X2的一个输入端与第二解调电路的载波电压输出端连接，加法器X2的另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，电压跟随器X1的输出端通过多芯电缆与一个第二解调电路的输入端连接。其中一个第二传感单元中的感应连接电极通过同轴电缆的中心导体与一个第二载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该第二传感单元中的等势连接电极通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接。另一个第二传感单元中的感应连接电极通过同轴电缆的中心导体与另一个第二载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该第二传感单元中的等势连接电极通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接。
所述的两个第一载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端分别输出调制电压V5、V6，调制电压V5、V6之差与被测偏摆极板的绕X轴偏摆角度θ3呈线性关系，表示为：
Figure BDA0001769777840000041
其中，Vr1表示第一、第二解调电路的载波电压输出端输出的载波电压，ε1表示一个第一传感单元与被测偏摆极板之间介质的介电常数，S1表示该第一传感单元与被测偏摆极板相互覆盖面积，k1表示比例系数。
所述的两个第二载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端分别输出调制电压V7、V8，调制电压V7、V8之差与被测偏摆极板的绕Y轴偏摆角度θ4呈线性关系，表示为：
Figure BDA0001769777840000042
其中，ε2表示一个第二传感单元与被测偏摆极板之间介质的介电常数，S2表示该第二传感单元与被测偏摆极板相互覆盖面积，k2表示比例系数。
所述第一解调电路与第二解调电路相同，所述第一差动放大器与第二差动放大器相同。
所述两个第一载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端与一根多芯电缆的一端连接，该多芯电缆的另一端具有一个电缆接头，该电缆接头与两个第一解调电路的输入端连接，两个第一解调电路的传感电压输出端分别与第一差动放大器的两个输入端连接，第一差动放大器的输出端与一根BNC电缆的一端连接，该BNC电缆的另一端具有一个BNC转SMA接头，BNC转SMA接头用于与后续处理设备连接。
所述两个第二载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端与另一根多芯电缆的一端连接，该多芯电缆的另一端具有一个电缆接头，该电缆接头与两个第二解调电路的输入端连接，两个第二解调电路的传感电压输出端分别与第二差动放大器的两个输入端连接，第二差动放大器的输出端与另一根BNC电缆的一端连接，该BNC电缆的另一端具有一个BNC转SMA接头，BNC转SMA接头用于与后续处理设备连接。
所述感应极板采用PCB工艺制作而成，感应电极、等势电极有两种优选的结构形状，第一种的感应电极呈圆形、等势电极呈圆环形；第二种的感应电极呈矩形、等势电极呈矩形环状。
本发明具有如下效果：
(1)调制电路板安装在探头壳体内，载波调制电路通过同轴电缆与感应极板连接，电容传感信号载波调制距离感应极板较近，可以忽略同轴电缆的寄生电容的影响，不需要补偿同轴电缆的寄生电容的影响(即不需要进行电容匹配)，电容传感信号经过近距离的载波调制后具有很高的抗干扰能力，解调电路板安装在探头壳体外，解调电路通过多芯电缆与载波调制电路连接，不需要做电容匹配，从而简化了信号调理电路，在实际使用中可以根据需要改变多芯电缆的长度，增加了传感器使用的灵活性、降低了成本。
(2)两个载波调制电路输出的调制电压之差与被测偏摆极板的偏摆角度呈线性关系，实现了高精度测量。
(3)调制电路板体积小，安装在探头壳体内，解调电路板体积较大，安装在探头壳体外，其不会额外增加探头壳体的体积，适用于安装传感器的空间非常有限的主动光学系统、精密制造、微纳操作等领域中。
(4)将被测对象作为被测极板，不需要在被测对象上再安装传感极板，可以实现被测对象的高速动态偏摆角度的传感和测量。
(5)采用PCB工艺制作的感应极板易于实现阵列化，适宜于对偏摆对象的非接触偏摆角度传感，可靠性好，而且结构尺寸小、重量轻、成本低。
(6)采用差动放大器对两个电容传感信号进行差动放大处理，消除了偏摆误差，提高了测量准确度。
附图说明
图1为实施例1与被测偏摆极板正对的结构示意图。
图2为实施例1中的感应极板的主视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为实施例1中的载波调制电路的原理框图。
图5为实施例1中的解调电路及差动放大器的原理框图。
图6为实施例2中的感应极板的主视图。
图7为图6的B-B剖视图。
图8为实施例2中的载波调制电路的原理框图。
图9为实施例2中的解调电路及差动放大器的原理框图。
图10为实施例3与被测偏摆极板正对的结构示意图。
图11为实施例3中的感应极板的主视图。
图12为图11的C-C剖视图。
图13为实施例4中的感应极板的主视图。
图14为图13的D-D剖视图。
图15为实施例3、实施例4中的第一、第二载波调制电路的原理框图。
图16为实施例3、实施例4中的第一、第二解调电路及第一、第二差动放大器的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
实施例1：如图1至图5所示的单极性一维电容式偏摆角度传感器，包括传感器探头和信号调理电路。
传感器探头包括探头壳体1和安装在探头壳体1一端的感应极板2，感应极板2采用PCB工艺制作而成，包括基底21和设置在基底21上且关于偏摆轴对称的两组传感阵列，两组传感阵列的中心之间具有设定距离L，每组传感阵列由一个传感单元22构成，每个传感单元22包括位于基底21正面的感应电极221、等势电极222和位于基底21背面的感应连接电极223、等势连接电极224，等势电极222同轴包围感应电极221，等势电极222与感应电极221之间具有绝缘环(即环形绝缘间隔)，感应电极221呈圆形，等势电极222呈圆环形，感应电极221通过一个第一过孔23与感应连接电极223连接，等势电极222通过两个第二过孔24与等势连接电极224连接，等势连接电极224同轴包围感应连接电极223，等势连接电极224与感应连接电极223之间具有绝缘环(即环形绝缘间隔)，感应连接电极223呈圆形，等势连接电极224呈圆环形。
信号调理电路包括集成在调制电路板3上的两个载波调制电路以及集成在解调电路板4上的差动放大器X3和两个解调电路，调制电路板3安装在探头壳体1内，解调电路板4安装在探头壳体1外。
其中的一个载波调制电路包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，一个解调电路(为现有技术)包括带通滤波器41、检幅电路42和低通滤波器43；加法器X2的一个输入端与解调电路的载波电压输出端连接，加法器X2的另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，一个传感单元22中的感应连接电极223通过同轴电缆5的中心导体与电压跟随器X1的输入端连接(能实现感应电极221上感应的电容传感信号的输出)，该传感单元22中的等势连接电极224通过该同轴电缆5的外层导体与电压跟随器X1的输出端连接。该传感单元22与接地的被测偏摆极板10之间形成被测电容Cs1，参考电容Cr与被测电容Cs1构成半桥测量电路，该电压跟随器X1的输出端输出的调制电压V1反馈回来后与解调电路的载波电压输出端输出的载波电压Vr经加法器X2相加，得到参考电压Vr+V1，参考电压Vr+V1作为半桥测量电路的参考输入，提高了电容传感信号的抗干扰能力，调制电压V1反馈回来后也用于驱动该传感单元22中的等势电极222，从而提高了调制电容传感信号的驱动能力，调制电压V1与被测偏摆极板10(对应于被测偏摆对象)的偏摆角度θ1满足如下关系：
Figure BDA0001769777840000071
式中，ε0表示该传感单元与被测偏摆极板之间介质的介电常数，S0表示该传感单元与被测偏摆极板相互覆盖面积，d0表示该传感单元与被测偏摆极板之间的初始距离，k0表示比例系数，δ1表示偏摆误差。
另一个载波调制电路包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，另一个解调电路(为现有技术)包括带通滤波器41、检幅电路42和低通滤波器43；加法器X2的一个输入端与解调电路的载波电压输出端连接，加法器X2的另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，另一个传感单元22中的感应连接电极223通过同轴电缆5的中心导体与电压跟随器X1的输入端连接(能实现感应电极221上感应的电容传感信号的输出)，该传感单元22中的等势连接电极224通过该同轴电缆5的外层导体与电压跟随器X1的输出端连接。该传感单元22与接地的被测偏摆极板10之间形成被测电容Cs2，参考电容Cr与被测电容Cs2构成半桥测量电路，该电压跟随器X1的输出端输出的调制电压V2反馈回来后与解调电路的载波电压输出端输出的载波电压Vr经加法器X2相加，得到参考电压Vr+V2，参考电压Vr+V2作为半桥测量电路的参考输入，提高了电容传感信号的抗干扰能力，调制电压V2反馈回来后也用于驱动该传感单元22中的等势电极222，从而提高了调制电容传感信号的驱动能力，调制电压V2与被测偏摆极板10(即被测偏摆对象)的偏摆角度θ1满足如下关系：
Figure BDA0001769777840000081
该传感单元与被测偏摆极板之间介质的介电常数等于ε0，该传感单元与被测偏摆极板相互覆盖面积等于S0，该传感单元与被测偏摆极板之间的初始距离等于d0。
调制电压V1、V2之差与被测偏摆极板的偏摆角度θ1呈线性关系，表示为：
Figure BDA0001769777840000082
两个载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端与一根多芯电缆6的一端连接，该多芯电缆6的另一端具有电缆接头7，电缆接头7与两个带通滤波器41的输入端连接，两个带通滤波器41的输出端分别与两个检幅电路42的输入端连接，两个检幅电路42的输出端分别与两个低通滤波器43的输入端连接，两个低通滤波器43的输出端分别与差动放大器X3的两个输入端连接，差动放大器X3的输出端与一根BNC电缆8的一端连接，该BNC电缆8的另一端具有BNC转SMA接头9。调制电压V1输入至一个带通滤波器41，经带通滤波、检幅、低通滤波后，从一个低通滤波器43的输出端输出传感电压信号Vo1；调制电压V2输入至另一个带通滤波器41，经带通滤波、检幅、低通滤波后，从另一个低通滤波器43的输出端输出传感电压信号Vo2，传感电压信号Vo1、Vo2输入至差动放大器X3的两个输入端，差动放大器X3的输出端输出反映偏摆角度θ1的电压信号V12，电压信号V12经BNC电缆8、BNC转SMA接头9输出至后续设备进行信号处理。
实施例2：如图6至图9所示的单极性一维电容式偏摆角度传感器，其大部分原理和结构与实施例1相同，不同之处在于：
每组传感阵列由两个传感单元22构成，感应电极221呈矩形，等势电极222呈矩形环状，感应连接电极223呈矩形，等势连接电极224呈矩形环状。
一组传感阵列的两个传感单元22中的感应连接电极223通过同轴电缆的中心导体与一个载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接(能实现两个感应电极221上感应的电容传感信号的输出)，该组传感阵列的两个传感单元22中的等势连接电极224通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接。该组传感阵列与接地的被测偏摆极板10之间形成被测电容Cs3，被测电容Cs3等于其中一个传感单元22与接地的被测偏摆极板10之间形成的被测电容C0加上另一个传感单元22与接地的被测偏摆极板10之间形成的被测电容C1，即Cs3＝C0+C1；参考电容Cr与被测电容Cs3构成半桥测量电路，该电压跟随器X1的输出端输出的调制电压V3反馈回来后与解调电路的载波电压输出端输出的载波电压Vr经加法器X2相加，得到参考电压Vr+V3，参考电压Vr+V3作为半桥测量电路的参考输入，提高了电容传感信号的抗干扰能力，调制电压V3反馈回来后也用于驱动该组传感阵列中的等势电极222，从而提高了调制电容传感信号的驱动能力，调制电压V3与被测偏摆极板10(对应于被测偏摆对象)的偏摆角度θ2满足如下关系：
Figure BDA0001769777840000091
式中，ε表示该组传感阵列与被测偏摆极板之间介质的介电常数，S表示该组传感阵列与被测偏摆极板相互覆盖面积，d表示该组传感阵列与被测偏摆极板之间的初始距离，k表示比例系数，δ2表示偏摆误差。
另一组传感阵列的两个传感单元22中的感应连接电极223通过同轴电缆的中心导体与另一个载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接(能实现两个感应电极221上感应的电容传感信号的输出)，该组传感阵列的两个传感单元22中的等势连接电极224通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接。该组传感阵列与接地的被测偏摆极板10之间形成被测电容Cs4，被测电容Cs4等于其中一个传感单元22与接地的被测偏摆极板10之间形成的被测电容C2加上另一个传感单元22与接地的被测偏摆极板10之间形成的被测电容C3，即Cs4＝C2+C3；参考电容Cr与被测电容Cs4构成半桥测量电路，该电压跟随器X1的输出端输出的调制电压V4反馈回来后与解调电路的载波电压输出端输出的载波电压Vr经加法器X2相加，得到参考电压Vr+V4，参考电压Vr+V4作为半桥测量电路的参考输入，提高了电容传感信号的抗干扰能力，调制电压V4反馈回来后也用于驱动该组传感阵列中的等势电极，从而提高了调制电容传感信号的驱动能力，调制电压V4与被测偏摆极板10(对应于被测偏摆对象)的偏摆角度θ2满足如下关系：
Figure BDA0001769777840000092
该组传感阵列与被测偏摆极板之间介质的介电常数等于ε，该组传感阵列与被测偏摆极板相互覆盖面积等于S，该组传感阵列与被测偏摆极板之间的初始距离等于d。
调制电压V3、V4之差与被测偏摆极板的偏摆角度θ2呈线性关系，表示为：
Figure BDA0001769777840000101
调制电压V3输入至一个带通滤波器41，经带通滤波、检幅、低通滤波后，从一个低通滤波器43的输出端输出传感电压信号Vo3；调制电压V4输入至另一个带通滤波器41，经带通滤波、检幅、低通滤波后，从另一个低通滤波器43的输出端输出传感电压信号Vo4，传感电压信号Vo3、Vo4输入至差动放大器X3的两个输入端，差动放大器X3的输出端输出反映偏摆角度θ2的电压信号V34，电压信号V34经BNC电缆8、BNC转SMA接头9输出至后续设备进行信号处理。
实施例3：如图10至图12、图15、图16所示的单极性二维电容式偏摆角度传感器，包括传感器探头和信号调理电路。
传感器探头包括探头壳体1和安装在探头壳体1一端的感应极板2，感应极板2采用PCB工艺制作而成，包括基底21、设置在基底21上且关于X向偏摆轴对称的两个第一传感单元25和设置在基底21上且关于Y向偏摆轴对称的两个第二传感单元26。第一传感单元25的结构与第二传感单元26的结构相同，第一传感单元25、第二传感单元26都包括位于基底21正面的感应电极221、等势电极222和位于基底21背面的感应连接电极223、等势连接电极224，等势电极222同轴包围感应电极221，等势电极222与感应电极221之间具有绝缘环(即环形绝缘间隔)，感应电极221呈圆形，等势电极222呈圆环形，感应电极221通过一个第一过孔23与感应连接电极223连接，等势电极222通过两个第二过孔24与等势连接电极224连接，等势连接电极224同轴包围感应连接电极223，等势连接电极224与感应连接电极223之间具有绝缘环(即环形绝缘间隔)，感应连接电极223呈圆形，等势连接电极224呈圆环形。
信号调理电路包括集成在调制电路板3上的两个第一载波调制电路和两个第二载波调制电路以及集成在解调电路板4上的两个第一解调电路、两个第二解调电路和第一差动放大器X4、第二差动放大器X5(即两个第一载波调制电路和两个第二载波调制电路都集成在调制电路板3上，两个第一解调电路、两个第二解调电路和第一差动放大器X4、第二差动放大器X5都集成在解调电路板4上)；调制电路板3安装在探头壳体1内，解调电路板4安装在探头壳体1外。第一载波调制电路与第二载波调制电路相同，第一解调电路与第二解调电路相同，第一差动放大器X4与第二差动放大器X5采用相同的型号。
其中的一个第一载波调制电路包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，一个第一解调电路(为现有技术)包括带通滤波器41、检幅电路42和低通滤波器43；加法器X2的一个输入端与第一解调电路的载波电压输出端连接，加法器X2的另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，一个第一传感单元25中的感应连接电极223通过同轴电缆的中心导体与电压跟随器X1的输入端连接(能实现感应电极221上感应的电容传感信号的输出)，该第一传感单元25中的等势连接电极224通过该同轴电缆的外层导体与电压跟随器X1的输出端连接。该第一传感单元25与接地的被测偏摆极板10之间形成被测电容Cs5，参考电容Cr与被测电容Cs5构成半桥测量电路，该电压跟随器X1的输出端输出的调制电压V5反馈回来后与解调电路的载波电压输出端输出的载波电压Vr1经加法器X2相加，得到参考电压Vr1+V5，参考电压Vr1+V5作为半桥测量电路的参考输入，提高了电容传感信号的抗干扰能力，调制电压V5反馈回来后也用于驱动该第一传感单元25中的等势电极222，从而提高了调制电容传感信号的驱动能力，调制电压V5与被测偏摆极板10(对应于被测偏摆对象)的绕X轴偏摆角度θ3满足如下关系：
Figure BDA0001769777840000111
式中，ε1表示该第一传感单元与被测偏摆极板之间介质的介电常数，S1表示该第一传感单元与被测偏摆极板相互覆盖面积，d1表示该第一传感单元与被测偏摆极板之间的初始距离，k1表示比例系数，δ3表示偏摆误差。
另一个第一载波调制电路包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，另一个第一解调电路(为现有技术)包括带通滤波器41、检幅电路42和低通滤波器43；加法器X2的一个输入端与第一解调电路的载波电压输出端连接，加法器X2的另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，另一个第一传感单元25中的感应连接电极223通过同轴电缆的中心导体与电压跟随器X1的输入端连接(能实现感应电极221上感应的电容传感信号的输出)，该第一传感单元25中的等势连接电极224通过该同轴电缆的外层导体与电压跟随器X1的输出端连接。该第一传感单元25与接地的被测偏摆极板10之间形成被测电容Cs6，参考电容Cr与被测电容Cs6构成半桥测量电路，该电压跟随器X1的输出端输出的调制电压V6反馈回来后与解调电路的载波电压输出端输出的载波电压Vr1经加法器X2相加，得到参考电压Vr1+V6，参考电压Vr1+V6作为半桥测量电路的参考输入，提高了电容传感信号的抗干扰能力，调制电压V6反馈回来后也用于驱动该第一传感单元25中的等势电极222，从而提高了调制电容传感信号的驱动能力，调制电压V6与被测偏摆极板10(对应于被测偏摆对象)的绕X轴偏摆角度θ3满足如下关系：
Figure BDA0001769777840000121
该第一传感单元与被测偏摆极板之间介质的介电常数等于ε1，该第一传感单元与被测偏摆极板相互覆盖面积等于S1，该第一传感单元与被测偏摆极板之间的初始距离等于d1。
调制电压V5、V6之差与被测偏摆极板的绕X轴偏摆角度θ3呈线性关系，表示为：
Figure BDA0001769777840000122
两个第一载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端与一根多芯电缆6的一端连接，该多芯电缆6的另一端具有电缆接头7，电缆接头7与两个带通滤波器41的输入端连接，两个带通滤波器41的输出端分别与两个检幅电路42的输入端连接，两个检幅电路42的输出端分别与两个低通滤波器43的输入端连接，两个低通滤波器43的输出端分别与第一差动放大器X4的两个输入端连接，第一差动放大器X4的输出端与一根BNC电缆8的一端连接，该BNC电缆8的另一端具有BNC转SMA接头9。调制电压V5输入至一个带通滤波器41，经带通滤波、检幅、低通滤波后，从一个低通滤波器43的输出端输出传感电压信号Vo5；调制电压V6输入至另一个带通滤波器41，经带通滤波、检幅、低通滤波后，从另一个低通滤波器43的输出端输出传感电压信号Vo6，传感电压信号Vo5、Vo6输入至第一差动放大器X4的两个输入端，第一差动放大器X4的输出端输出反映绕X轴偏摆角度θ3的第一电压信号V56，第一电压信号V56经BNC电缆8、BNC转SMA接头9输出至后续设备进行信号处理。
同理，其中的一个第二载波调制电路包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，一个第二解调电路(为现有技术)包括带通滤波器41、检幅电路42和低通滤波器43；加法器X2的一个输入端与第二解调电路的载波电压输出端连接，加法器X2的另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，一个第二传感单元26中的感应连接电极223通过同轴电缆的中心导体与电压跟随器X1的输入端连接(能实现感应电极221上感应的电容传感信号的输出)，该第二传感单元26中的等势连接电极224通过该同轴电缆的外层导体与电压跟随器X1的输出端连接。该第二传感单元26与接地的被测偏摆极板10之间形成被测电容Cs7，参考电容Cr与被测电容Cs7构成半桥测量电路，该电压跟随器X1的输出端输出的调制电压V7反馈回来后与解调电路的载波电压输出端输出的载波电压Vr1经加法器X2相加，得到参考电压Vr1+V7，参考电压Vr1+V7作为半桥测量电路的参考输入，提高了电容传感信号的抗干扰能力，调制电压V7反馈回来后也用于驱动该第二传感单元26中的等势电极222，从而提高了调制电容传感信号的驱动能力，调制电压V7与被测偏摆极板10(对应于被测偏摆对象)的绕Y轴偏摆角度θ4满足如下关系：
Figure BDA0001769777840000131
式中，ε2表示该第二传感单元与被测偏摆极板之间介质的介电常数，S2表示该第二传感单元与被测偏摆极板相互覆盖面积，d2表示该第二传感单元与被测偏摆极板之间的初始距离，k2表示比例系数，δ4表示偏摆误差。
另一个第二载波调制电路包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，另一个第二解调电路(为现有技术)包括带通滤波器41、检幅电路42和低通滤波器43；加法器X2的一个输入端与第二解调电路的载波电压输出端连接，加法器X2的另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，另一个第二传感单元26中的感应连接电极223通过同轴电缆的中心导体与电压跟随器X1的输入端连接(能实现感应电极221上感应的电容传感信号的输出)，该第二传感单元26中的等势连接电极224通过该同轴电缆的外层导体与电压跟随器X1的输出端连接。该第二传感单元26与接地的被测偏摆极板10之间形成被测电容Cs8，参考电容Cr与被测电容Cs8构成半桥测量电路，该电压跟随器X1的输出端输出的调制电压V8反馈回来后与解调电路的载波电压输出端输出的载波电压Vr1经加法器X2相加，得到参考电压Vr1+V8，参考电压Vr1+V8作为半桥测量电路的参考输入，提高了电容传感信号的抗干扰能力，调制电压V8反馈回来后也用于驱动该第二传感单元26中的等势电极222，从而提高了调制电容传感信号的驱动能力，调制电压V8与被测偏摆极板10(对应于被测偏摆对象)的绕Y轴偏摆角度θ4满足如下关系：
Figure BDA0001769777840000132
该第二传感单元与被测偏摆极板之间介质的介电常数等于ε2，该第二传感单元与被测偏摆极板相互覆盖面积等于S2，该第二传感单元与被测偏摆极板之间的初始距离等于d2。
调制电压V7、V8之差与被测偏摆极板的绕Y轴偏摆角度θ4呈线性关系，表示为：
Figure BDA0001769777840000133
两个第二载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端与一根多芯电缆6的一端连接，该多芯电缆6的另一端具有电缆接头7，电缆接头7与两个带通滤波器41的输入端连接，两个带通滤波器41的输出端分别与两个检幅电路42的输入端连接，两个检幅电路42的输出端分别与两个低通滤波器43的输入端连接，两个低通滤波器43的输出端分别与第二差动放大器X5的两个输入端连接，第二差动放大器X5的输出端与一根BNC电缆8的一端连接，该BNC电缆8的另一端具有BNC转SMA接头9。调制电压V7输入至一个带通滤波器41，经带通滤波、检幅、低通滤波后，从一个低通滤波器43的输出端输出传感电压信号Vo7；调制电压V8输入至另一个带通滤波器41，经带通滤波、检幅、低通滤波后，从另一个低通滤波器43的输出端输出传感电压信号Vo8，传感电压信号Vo7、Vo8输入至第二差动放大器X5的两个输入端，第二差动放大器X5的输出端输出反映绕Y轴偏摆角度θ4的第二电压信号V78，第二电压信号V78经BNC电缆8、BNC转SMA接头9输出至后续设备进行信号处理。
实施例4：如图13至图16所示的单极性二维电容式偏摆角度传感器，其原理和大部分结构与实施例3相同，不同之处在于：感应电极221呈矩形，等势电极222呈矩形环状，感应连接电极223呈矩形，等势连接电极224呈矩形环状。

Claims (11)

1.一种单极性一维电容式偏摆角度传感器，包括传感器探头和信号调理电路，传感器探头包括探头壳体(1)和安装在探头壳体一端的感应极板(2)；其特征在于：
所述感应极板(2)包括基底(21)和设置在基底上且关于偏摆轴对称的两组传感阵列；
所述信号调理电路包括集成在调制电路板(3)上的两个载波调制电路以及集成在解调电路板(4)上的差动放大器和两个解调电路，调制电路板(3)安装在探头壳体(1)内，两个载波调制电路分别通过同轴电缆与两组传感阵列连接，解调电路板(4)安装在探头壳体(1)外，两个解调电路分别通过多芯电缆与两个载波调制电路连接，差动放大器的两个输入端分别与两个解调电路的传感电压输出端连接。
2.根据权利要求1所述的单极性一维电容式偏摆角度传感器，其特征在于：每组传感阵列由一个或者两个传感单元(22)构成，每个传感单元(22)包括位于基底(21)正面的感应电极(221)、等势电极(222)和位于基底(21)背面的感应连接电极(223)、等势连接电极(224)，等势电极同轴包围感应电极且与感应电极之间具有绝缘环，感应电极通过第一过孔(23)与感应连接电极连接，等势电极通过第二过孔(24)与等势连接电极连接，等势连接电极同轴包围感应连接电极且与感应连接电极之间具有绝缘环。
3.根据权利要求2所述的单极性一维电容式偏摆角度传感器，其特征在于：每个所述载波调制电路包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，加法器X2的一个输入端与解调电路的载波电压输出端连接、另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，电压跟随器X1的输出端通过多芯电缆与一个解调电路的输入端连接；一组传感阵列中的感应连接电极(223)通过同轴电缆的中心导体与一个载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该组传感阵列中的等势连接电极(224)通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接；另一组传感阵列中的感应连接电极(223)通过同轴电缆的中心导体与另一个载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该组传感阵列中的等势连接电极(224)通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的单极性一维电容式偏摆角度传感器，其特征在于：
所述的两个载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端分别输出调制电压V3、V4，调制电压V3、V4之差与被测偏摆极板的偏摆角度θ2呈线性关系，表示为：
Figure FDA0002945916950000011
其中，Vr表示解调电路的载波电压输出端输出的载波电压，ε表示一组传感阵列与被测偏摆极板之间介质的介电常数，S表示该组传感阵列与被测偏摆极板相互覆盖面积，k表示比例系数。
5.根据权利要求4所述的单极性一维电容式偏摆角度传感器，其特征在于：所述的两个载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端与一根多芯电缆(6)的一端连接，该多芯电缆(6)的另一端具有电缆接头(7)，电缆接头(7)与两个解调电路的输入端连接，两个解调电路的传感电压输出端分别与差动放大器的两个输入端连接，差动放大器的输出端与一根BNC电缆(8)的一端连接，该BNC电缆(8)的另一端具有BNC转SMA接头(9)。
6.根据权利要求2至5任一所述的单极性一维电容式偏摆角度传感器，其特征在于：所述感应极板(2)采用PCB工艺制作而成，感应电极(221)呈圆形、等势电极(222)呈圆环形，或者感应电极(221)呈矩形、等势电极(222)呈矩形环状。
7.一种单极性二维电容式偏摆角度传感器，包括传感器探头和信号调理电路，传感器探头包括探头壳体(1)和安装在探头壳体一端的感应极板(2)；其特征在于：
所述感应极板(2)包括基底(21)、设置在基底上且关于X向偏摆轴对称的两个第一传感单元(25)和设置在基底上且关于Y向偏摆轴对称的两个第二传感单元(26)；
所述信号调理电路包括集成在调制电路板(3)上的两个第一载波调制电路和两个第二载波调制电路以及集成在解调电路板(4)上的两个第一解调电路、两个第二解调电路和第一、第二差动放大器；调制电路板(3)安装在探头壳体(1)内，两个第一载波调制电路分别通过同轴电缆与两个第一传感单元连接，两个第二载波调制电路分别通过同轴电缆与两个第二传感单元连接；解调电路板(4)安装在探头壳体(1)外，两个第一解调电路分别通过多芯电缆与两个第一载波调制电路连接，第一差动放大器的两个输入端分别与两个第一解调电路的传感电压输出端连接，两个第二解调电路分别通过多芯电缆与两个第二载波调制电路连接，第二差动放大器的两个输入端分别与两个第二解调电路的传感电压输出端连接。
8.根据权利要求7所述的单极性二维电容式偏摆角度传感器，其特征在于：所述第一传感单元(25)的结构与第二传感单元(26)的结构相同，第一、第二传感单元(25、26)都包括位于基底(21)正面的感应电极(221)、等势电极(222)和位于基底(21)背面的感应连接电极(223)、等势连接电极(224)，等势电极同轴包围感应电极且与感应电极之间具有绝缘环，感应电极通过第一过孔(23)与感应连接电极连接，等势电极通过第二过孔(24)与等势连接电极连接，等势连接电极同轴包围感应连接电极且与感应连接电极之间具有绝缘环。
9.根据权利要求8所述的单极性二维电容式偏摆角度传感器，其特征在于：
每个所述第一载波调制电路包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，加法器X2的一个输入端与第一解调电路的载波电压输出端连接、另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，电压跟随器X1的输出端通过多芯电缆与一个第一解调电路的输入端连接；一个第一传感单元(25)中的感应连接电极(223)通过同轴电缆的中心导体与一个第一载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该第一传感单元中的等势连接电极(224)通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接；另一个第一传感单元(25)中的感应连接电极(223)通过同轴电缆的中心导体与另一个第一载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该第一传感单元中的等势连接电极(224)通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接；
每个所述第二载波调制电路包括加法器X2、参考电容Cr和电压跟随器X1，加法器X2的一个输入端与第二解调电路的载波电压输出端连接、另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容Cr的一端连接，参考电容Cr的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，电压跟随器X1的输出端通过多芯电缆与一个第二解调电路的输入端连接；一个第二传感单元(26)中的感应连接电极(223)通过同轴电缆的中心导体与一个第二载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该第二传感单元中的等势连接电极(224)通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接；另一个第二传感单元(26)中的感应连接电极(223)通过同轴电缆的中心导体与另一个第二载波调制电路内的电压跟随器X1的输入端连接，该第二传感单元中的等势连接电极(224)通过该同轴电缆的外层导体与该电压跟随器X1的输出端连接。
10.根据权利要求9所述的单极性二维电容式偏摆角度传感器，其特征在于：
所述的两个第一载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端分别输出调制电压V5、V6，调制电压V5、V6之差与被测偏摆极板的绕X轴偏摆角度θ3呈线性关系，表示为：
Figure FDA0002945916950000031
其中，Vr1表示第一、第二解调电路的载波电压输出端输出的载波电压，ε1表示一个第一传感单元与被测偏摆极板之间介质的介电常数，S1表示该第一传感单元与被测偏摆极板相互覆盖面积，k1表示比例系数；
所述的两个第二载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端分别输出调制电压V7、V8，调制电压V7、V8之差与被测偏摆极板的绕Y轴偏摆角度θ4呈线性关系，表示为：
Figure FDA0002945916950000041
其中，ε2表示一个第二传感单元与被测偏摆极板之间介质的介电常数，S2表示该第二传感单元与被测偏摆极板相互覆盖面积，k2表示比例系数。
11.根据权利要求9或10所述的单极性二维电容式偏摆角度传感器，其特征在于：
所述第一解调电路与第二解调电路相同，所述第一差动放大器与第二差动放大器相同；
所述两个第一载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端与一根多芯电缆(6)的一端连接，该多芯电缆(6)的另一端具有一个电缆接头(7)，该电缆接头(7)与两个第一解调电路的输入端连接，两个第一解调电路的传感电压输出端分别与第一差动放大器的两个输入端连接，第一差动放大器的输出端与一根BNC电缆(8)的一端连接，该BNC电缆(8)的另一端具有一个BNC转SMA接头(9)；
所述两个第二载波调制电路内的电压跟随器X1的输出端与另一根多芯电缆(6)的一端连接，该多芯电缆(6)的另一端具有一个电缆接头(7)，该电缆接头(7)与两个第二解调电路的输入端连接，两个第二解调电路的传感电压输出端分别与第二差动放大器的两个输入端连接，第二差动放大器的输出端与另一根BNC电缆(8)的一端连接，该BNC电缆(8)的另一端具有一个BNC转SMA接头(9)。
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