CN1168628C - 变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器，包括一由振荡电路、分频电路和电源组成的角变换电容器电容量测量电路和角位移机械结构；其中振荡电路的输入端和接地端通过电线和分别连接到角位移机械结构中的电容片和下电容定片上，上电容定片与下电容定片用一根短路线连接；该位移传感器是从转动参考轴输入机械性的角位移变量，经过螺纹杆的传动使得电容器片问距的变化与输入角位移成线性变化的关系，达到输入角位移的变量通过机械传递来改变电容器容量变化的目的，角位移的变量信号在振荡电路的充放电变换后经过比较电路和分频电路处理后，输出相应函数的脉宽调制信号变量；该传感器的结构简单，灵敏度高。

Description

变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是涉及一种指示信号检测所用的变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器。

背景技术

航行器的旧型舵位指示器又可称为“电位器式模拟输出型舵角位移传感器”，俗称为“旋转式电位器”。旋转式电位器的原理：当电阻导体的截面积和电阻率一定时，其电阻值与电阻导体的长度成正比。在这个环形电阻轨道上外加了一个可移动的机械压簧电刷，通过中心轴的驱动调整电刷在环形电阻轨道上的位置，输出端的电阻值也随着压簧电刷角位移的改变而变化。

航行器原旧型舵角位移传感器的工作原理：把电位器作为舵角位移传感器，在旋转式电位器最长电阻轨道的两端加上设定的工作电压，通过舵位参考轴转动角的变化，带动旋转式电位器的可移动压簧电刷角位置的改变，使得可移动压簧电刷端子的输出电压信号随着舵位参考轴转动角的变化而变化。电位器式模拟输出型角位移传感器就是根据这个原理来检测航行器舵角位移的运行状况的。

航行器的此类旧型舵角位移传感器有许多缺陷，主要是由于电位器中可移动压簧电刷所致。在较理想的客观条件下，由于压簧电刷的存在，电位器式舵角位移传感器呈现出良好地输入输出特性、体积小巧、结构简单、调节灵活、无需保养和功能价格比高等优点。因此在自动控制系统中，电位器式角位移传感器在很多领域被广泛地应用。但是，由于电位器压簧电刷的基本属性所致，在某些特殊场合和客观条件苛刻的环境中有它们的致命弱点。如下：

(1)在高强度冲击力的场合，高强度冲击中含有丰富的谐波分量，当可移动压簧电刷的固有频率与冲击波的某一谐波分量共振时，易使电位器式角位移传感器的可移动压簧电刷受创、变形、疲劳和折断，从而导致传感器损坏的概率大大提高。

(2)由于热动力发动机在运行时可形成较强的震动，这种较强的震动可通过电位器式角位移传感器的压簧电刷传递到电位器轨道电阻膜的接触点上，压簧电刷的强震动磨擦易使电阻膜轨道上造成沟痕性创伤，导致电位器式角位移传感器失效、电刷损坏、信号漂移、寿命缩短、信躁比下降和工作点不稳定等问题发生的概率大大提高。

(3)电位器式舵角位移传感器中的压簧电刷与电阻膜是由两种不同的金属材料制成的，通过压簧电刷与电阻膜的接触点形成电通路。在有一定湿度的环境下存放，这两种不同的材料，在接触点上很容易发生原电池的化学反应，从而在压簧电刷与电阻膜的接触点之间产生被氧化的锈点，形成一定的触点电阻使得接触点的电通路形成阻碍，影响传感器的初始性能。

(4)电位器式舵角位移传感器中的压簧电刷与电阻膜的接触点，在进行着信号能量形式的转换和传递中要经受多次的机械磨擦，一般而言，民品的旋转使用寿命约为2万次，军品的旋转使用寿命约为10万次。在毫秒级高速运行的控制系统中，电位器旋转使用的次数不能超过安全的临界值，超过临界值后电位器式舵角位移传感器进入了软故障的发生期，由此增加了整个系统的不稳定性及不可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有舵角位移传感器的缺点：

(1)克服在某些特殊场合和客观条件苛刻的环境中所呈现的易受创、变形、折断和失效的缺点；

(2)克服在长期的使用中，因传感器的电阻膜受损而使输出信号漂移、信躁比下降、工作点不稳定等问题；

(3)克服由于电位器的压簧电刷与电阻膜在接触点上很容易发生原电池化学反应而产生锈点的缺点，从而大大的提高了舵角位移传感器适应高湿度恶劣环境的能力和能够长期保存的安全性。

为了提高角位移传感器的灵敏度、稳定性和可靠性，从而提供一种动态范围大、响应速度快、稳定性好、可靠性高的变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器，包括角位移机械结构和一角变换电容器电容量测量电路；所述的角位移机械结构包括底座及其上的屏蔽罩；在底座上及其屏蔽罩内平行设有一参考轴和一固定轴；参考轴的一端与一移动杆活动连接，在固定轴上和移动杆两端分别套设有上固定板和下固定板；在上、下固定板之间的固定轴和移动杆上均平行穿有上电容定片、中电容动片和下电容定片；其中上电容定片和中电容动片固定在移动杆上，下电容定片固定在参考轴上，上、下电容定片由短路线连接；所述的角变换电容器电容量测量电路包括振荡电路、分频电路和电源；其中角位移测量电容C_X即由上电容定片、中电容动片、下电容定片组成的电容与振荡电路电连接，振荡电路输出的信号与分频电路电连接，分频电路将数据输出用于计数；所述测量电路的输入端和接地端通过电线分别连接到所述的角位移机械结构中的中电容定片和下电容定片上。

所述的振荡电路部分包括：由运算比较放大器G₁、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电容C_x和稳压二极管DW所组成。电阻R₄跨接在运算放大器G₁的反相输入和输出端，角位移检测电容C_x一端连接在运算放大器G₁的反相输入端，另一端与接地。电阻R₅跨接在运算放大器G₁的同相输入和输出端，电阻R₃的一端连接在运算器放大G₁的同相输入端，另一端接地。电阻R₁和稳压二极管DW串联相接，构成串联式稳压电路，稳压二极管DW上面稳定的电压经过电阻R₂和电阻R₃的分压V₁作为运算放大器G₁的同相输入端的参照电压，其电压值V₁稳定不变。电阻R₁的一端连接电源Ec，与稳压管二极管DW连接后的另一端连接地。电阻R₂跨接在运算放大器G₁的同相输入端和电阻R₁与稳压二极管DW相接点上。

振荡电路是在迟滞比较器的基础上，增加了一个由电阻R₄和角位移检测电容C_x组成的积分器电路。输出电压V₀₁经过电阻R₄、角位移检测电容C_x反馈到比较器的反相输入端。当电路接通电源Ec的瞬间，对角位移检测电容C_x进行充电，当角位移检测电容C_x上的电压Vc升高到大于V₁时，比较器输出电压Vo就变为负电压值。而后角位移检测电容C_x上的电压通过电阻R₄放电，当放电的电容电压Vc小于V₁时，比较器的输出电压Vo就变为正电压值。由此比较器循环往复不停的振荡，又称为振荡电路，并输出一系列的方波信号，振荡电路输出信号周期为：T＝2.2R₄Cx，式中R₄电阻、C_x角位移检测电容。从公式中可以看到振荡电路输出信号的周期T值正比例于角位移检测电容C_x的电容量值的变化，它们之间有着很好的线性关系。

所述的分频电路是由电阻R₆和两个16位的计数器G₂、G₃组合而成。两个16的计数器G₂、G₃串行而接。第一级计数器G₂的输入端与前级振荡器的输出端相连，第二级计数器G₃的输入端与第一级计数器G₂的输出端相连，第二级计数器G₃的输出端输出数据。

由于角位移检测电容C_x的电容量较小，振荡电路由此而来的振荡频率较高，或者说输出信号振荡的周期较小。为了提高本传感器输出检测的精度，在振荡电路G₁下级增加了两级分频器G₂和G₃，形成对角位移检测C_x电容量处理形成输出信号周期的扩展。

本传感器是由非接触变间距式电容器组件的机械装置和若干处理电路等部分所组成。该位移传感器是从转动参考轴输入机械性的角位移变量，经过机械螺纹杆的传动使得电容器片间距的变化与输入角位移成线性变化的关系，达到输入角位移的变量通过机械传递来改变电容器容量变化的目的，电容器与相应的电路构成电信号充放电的处理系统，角位移的变量信号在积分放大电路的处理后输出相应函数的模拟电信号变量。因此：

本发明的优点在于：

(1)动态范围大；

(2)动态响应快；

(3)灵敏度高；

(4)自身发热影响小；

(5)稳定性好；

(6)非接触式测量；

(7)结构简单，适应性强；

(8)测量线性度高；

附图说明

图1是本发明的角位移机械结构示意图

图2是本发明的角变换电容器电容量测量电路原理框图

图3是本发明的角变换电容器电容量测量电路图

图4是本发明的脉宽调制信号输出波形图

具体实施方式

实施例1

本实施例的一种变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器的角位移机械结构按图1制作，测量电路部分按图2制作。

该传感器的角位移机械部分包括：一个用于传递角位移量的参考轴(螺杆)15，参考轴15在屏蔽壳25内设计为标准细牙螺杆，配合螺杆15的机械结构为移动杆6，所述的移动杆6为丝杠；当螺杆15旋转1周(360度)时，丝杠6的轴向移动为3mm；当螺杆15旋转5周(5*360度)时，丝杠6的轴向移动为15mm。一个由上电容定片8、下电容定片10和中电容动片9形成的电容；其中上电容定片8与中电容动片9紧密固定在丝杠6上，丝杠6是非金属材料制成的，使上电容定片8与中电容动片9成为电绝缘的。下电容定片10是固定在参考轴15上，并通过短路线20与上电容定片8电连接。参考轴15穿过轴承14安装在底底19上、轴承14被安装在轴承盖16中，轴承盖16用沉头螺钉13固定在底座19上；丝杠6被置于下固定板11、下电容片10和上固定板3的孔中。当参考轴(螺杆)15转动时，丝杠6在上述孔中沿轴向移动，并带动上电容定片8和中电容动片9的移动，这样就改变了中电容动片9和下电容定片10之间的距离，从而改变中电容动片9和下电容定片所形成的电容量，测量电容量的变化量就可以得到角度的位移量。上电容定片用于补偿电容器的边缘容量效应和加固中电容动片9。一块底面带有中空圆柱体23的上固定板3，该上固定板3的中空圆柱体23中插入丝杠6，丝杠6的顶与上固定板3的中空圆柱体23之间留有空隙，一弹簧4固定在丝杠6顶部与上固定板3的中空圆柱体的中空部分之间，该弹簧4的弹力使丝杠6的螺纹始终顶压参考轴15的螺纹，以消除丝杠6上下变向移动时由于螺纹间的配合间隙所产生的位移误差。在丝杠6上部的一外侧有一个窄槽2，一个螺钉5穿过上固定板3的中空圆柱体的外侧壁进入丝杠6的顶部窄槽24中，调节螺钉5与窄槽24用于导向并限定丝杠6的移动。铜圈12用于加强丝杠6与参考轴(螺杆)15间的螺纹配合强度。

一用于固定上固定板3、下固定板11和固定下电容定片10的固定轴1紧固在底座19上，垫片17安装在下固定板11与下电容定片10之间；垫片17用于调节下电容定片与下固定板11的距离。垫片18安装在上电容定片9与下电容定片10之间，垫片18用于调节上电容片与下电容定片之间的距离。还包括一外壳。

电路部分用于测量上述角位移变换电容器的电容量，电路原理图表示在图2中，它是脉冲调制输出型电路。电路的输入端和接地端通过电线21和22分别连接到上述中电容片9和下电容定片10上。

电路部分包括振荡电路、分频电路、输出电路和电源等部分，输出电路用于将分频电路输出的信号输出；电源用于给振荡电路、分频电路和输出电路供电。图2为电路原理框图。图3为角变换电容器电容量测量电路图。

所述振荡电路部分包括：由运算比较放大器G₁、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电容C_x和稳压二极管DW所组成。电阻R₄跨接在运算放大器G₁的反相输入和输出端，角位移检测电容C_x一端连接在运算放大器G₁的反相输入端，另一端接地。电阻R₅跨接在运算放大器G₁的同相输入和输出端，电阻R₃的一端连接在运算器放大G₁的同相输入端，另一端接地。电阻R₁和稳压二极管DW串联相接，构成串联式稳压电路。稳压二极管DW上面稳定的电压经过电阻R₂和电阻R₃的串联分压V₁作为运算放大器G₁的同相输入端的参照点。电阻R₁的一端连接电源，稳压管二极管DW的另一端接地。电阻R₂跨接在运算器G₁的同相输入端和电阻R₁与稳压二极管DW相接点上。

振荡电路是在迟滞比较器的基础上，增加了一个由电阻R₄和角位移检测电容C_x组成的积分器电路。输出电压经过电阻R₄、角位移检测电容C_x反馈到比较器的反相输入端。当电路接通电源的瞬间，角位移检测电容C_x充电，当角位移检测电容C_x上的电压升高到大于V1时，比较器输出为负电压值。而后角位移检测电容C_x上的电压放电，当放电电压小于V1时，比较器的输出电压为正电压值。由此比较器循环往复不停，输出一系列的方波信号，方波信号的周期为：T＝2.2R₄Cx。从公式中可以看到方波信号的振荡周期T的变化正比例于角位移检测电容C_x的变化，并有着很好的线性关系。

所述的分频电路包括：两个16位计数器，两个计数器串行而接。第一级计数器的输入端与前级振荡器的输出端相连，第二级计数器的输入端与第一级计数器的输出端相连，第二级计数器的输出端输出数据与数据处理装置相连。由于角位移检测电容C_x的电容量较小，由此而来的振荡频率较高，或者说振荡周期较小。为了提高检测的精度，在下级增加了两级分频器，对较高地振荡信号的频率进行分频，形成对输出信号周期的扩展。

所述的振荡电路和分频电路还可采用其演绎电路和其他公知电路，所述的输出电路为公知电路。

变间距电容式脉宽调制输出型电路的优点为：电路结构简单，造价便宜，线性度高，电磁兼容性好，便于进行信号采样，便于长距离传递信号。

本实施例制作的电容式角位移传感器具有以下特性：

(1)角位移的输入范围为：0°＜θ＜1440°；

(2)输入电源电压范围为：+7V～+30V；

(3)传感器系列响应时间小于10μs；

(4)传感器有良好的电磁兼容性设计；

(5)便于输出终端进行改造和设计；

Claims (6)

1、一种变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器，包括角位移机械结构和一角变换电容器电容量测量电路；所述的角位移机械结构包括底座(19)及其上的屏蔽罩(25)；其特征在于在底座(19)上及其屏蔽罩(25)内平行设有一参考轴(15)和一固定轴(1)；参考轴(15)的一端与一移动杆(6)活动连接，在固定轴(1)上和移动杆(6)两端分别套设有上固定板(3)和下固定板(11)；在上、下固定板(3)(11)之间的固定轴(1)和移动杆(6)上均平行穿有上电容定片(8)、中电容动片(9)和下电容定片(10)；其中上电容定片(8)和中电容动片(9)固定在丝杠(6)上，下电容定片(10)固定在参考轴(15)上，上、下电容定片(8)(10)由短路线(20)连接；所述的角变换电容器电容量测量电路包括振荡电路、分频电路和电源；其中角位移测量电容Cx即由上电容定片(8)、中电容动片(9)、下电容定片(10)组成的电容与振荡电路电连接，振荡电路输出的信号与分频电路电连接，分频电路将数据输出用于计数；所述测量电路的输入端和接地端通过电线(21)、(22)分别连接到所述的角位移机械结构中的中电容定片(9)和下电容定片(10)上。

2、如权利要求1所述的变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的角位移电容器机械结构部分中的上固定板(3)与移动杆(6)的连接处均为一中空圆柱体(23)，在上固定板(3)的中空圆柱体(23)与移动(6)的中空部分之间放有弹簧(4)。

3、如权利要求1所述的变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器，其特征在于在所述的角位移电容器机械结构部分中的移动杆(6)外侧壁设有一窄槽(24)，在窄槽(24)上设有穿过上固定板(3)侧壁的调节螺钉(5)。

4、如权利要求1所述的变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器，其特征在于在所述的角位移电容器机械结构部分中的上、下电容定片(8)(10)之间及下电容定片(10)与下固定板(11)之间分别设有垫片(18)和垫片(17)。

5、按权利要求1所述的变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的振荡电路由运算比较放大器(G₁)、电阻(R₁)、电阻(R₂)、电阻(R₃)、电阻(R₄)、电阻(R₅)、角位移测量电容(C_x)和稳压二极管DW所组成；其中电阻(R₄)和电容(C_x)组成积分电路；电阻(R₄)跨接在运算比较放大器(G₁)的反相输入和输出端，角位移检测电容(C_x)一端连接在运算放大器(G₁)的反相输入端，另一端与接地；电阻(R₅)跨接在运算比较放大器(G₁)的同相输入和输出端，电阻(R₃)的一端连接在运算放大(G₁)的同相输入端，另一端与接地；电阻(R₁)和稳压二极管DW串接成稳压电路，电阻(R₁)的一端接电源，与稳压管二极管DW连接后的另一端连接地；电阻(R₂)跨接在运算放大器(G₁)的同相输入端和电阻(R₁)与稳压二极管DW相接点上。

6、如权利要求1所述的变间距电容式脉宽调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的分频电路是由电阻(R₆)和两个16位的计数器(G₂)、(G₃)组合而成；第一级计数器(G₂)的输入端与前级振荡器的输出端相连，第二级计数器(G₃)的输入端与第一级计数器(G₂)的输出端相连，第二级计数器(G₃)的输出端输出数据。

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