CN1168629C - 变间距电容式模拟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模拟调制输出型角位移传感器，包括一由振荡电路、检测电路、放大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，角位移的变量信号在充放电变换后经过积分放大电路处理后，输出相应函数的模拟电信号变量；该传感器的结构简单，灵敏度高。

Description

变间距电容式模拟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模拟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模拟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：

一种变间距电容式模拟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、检测电路和放大电路；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检测电路电连接，振荡电路输出的信号与检测电路电连接，检测电路输出信号与放大电路电连接，放大电路输出信号用于采样；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：由反相器G₁、晶振T₁、电阻R₂、电容C₁、C₂，晶振T₁与电阻R₂并联跨接在反相器G₁的两端，并与电容C₁、C₂一端连接，电容C₁、C₂的另一端接地。

所述的检测电路包括充放电路和电荷检测电路。其中充放电路包括两个反相器G₂、G₃、两个电子开关S₁、S₂和角位移变换电容C_x；两个反相器G₂、G₃串接，即反相器G₂的输出端与反相器G₃的输入端连接，反相器G₂的输入端与振荡电路中的反相器G₁的输出端相连，反相器G₂的输出端与电子开关S₁的输入控制端相连，反相器G₃的输出端与电子开关S₂的输入控制端相连。由于两个反相器G₂、G₃串接，使两个反相器G₂、G₃的输出端电信号的逻辑量输出，各自反相180度，也就是说控制电子开关S₁、S₂的状态是交替变化，即电子开关S1关断时，电子开关S2开通；电子开关S₁开通时，电子开关S₂关断。当反相器G2的输出脉冲为正脉冲时，电子开关S1开通，此时电源通过被开通的开关S1向角位移变换电容器C_x充电。电容器C_x的容量是输入角位移的函数，所以电容器C_x的充电电压也就直接反映了角位移的变化；当反相器G2输出的正脉冲消失时，电子开关S1关断，从而切断了电源对开关S1的充电回路。电子开关S1关断的同时，反相器G3向电子开关S2输入正脉冲而使电子开关S2开通，此时电容器C_x通过被开通的电子开关S2输出的电压正是前次被充电的电压。或者说，电子开关S1开通时，是对角位移变换电容器C_x充电的时间区域。电子开关S2开通时，是输出角位移变换电容器C_x电压并向外放电的时间区域。电子开关S2的输出连接电荷检测电路。

所述的电荷检测电路包括一个由运算放大器G4、电阻R3、电容C5、C6所组成的积分放大器。电子开关S2的输出连接积分放大器的反相输入端，电阻R3和电容C6并联后跨接在积分放大器的输出端和反相输入端之间。当电子开关S2开通时，输出角位移变换电容器C_x电压向电荷检测电路放电。角位移的电参数信号通过积分放大器处理后输入到10倍比例反相放大器，积分放大器与10倍比例反相放大器连接。

所述的10比例反相放大电路包括一个由运算放大器G5、电阻R4、R5、R6所组成的放大器。10倍比例反相放大器G5的输入与积分放大器G4的输出端连接，电阻R5跨接在运算放大器G5的输入端与输出端之间，电阻R4跨接在运算放大器G5和积分放大器G4的输出端之间，电阻R6跨接在运算放大器G5的同相输入端与地之间。10倍比例反相放大电路的输出端与差分放大电路的同相输入端连接。

所述的调零电路包括一个由运算放大器G6、电阻R7、R8和微调电位VR1所组成的电压跟随器。电阻R7、R8和微调电位VR1串连，电阻R7的上端连接电源，微调电位VR1的下端接地。运算放大器G6的输出端与反相输入端短接，同相输入端与电阻R7、R8的接点相连，构成分压型电压跟随器。分压型电压跟随器的输出电压与同相输入电压保持相同，输出与差分放大电路的反相输入端连接。

所述的差分放大电路包括一个由运算放大器G7、电阻R9、R10、R11、R12和微调电位VR2所组成的差分放大器。电阻R9、R11串接，其串接点与运算放大器G7的同相输入端连接，电阻R9的上端连接10倍比例放大器的输出端，电阻R11的下端接地。电阻R10跨接在运算放大器G7的反相输入端和运算放大器G6的输出端之间。电阻R12和微调电位器VR2串连，一端与运算放大器G7的反相输入端相接，另一端与运算放大器G7的输出端相连。差分放大电路输出角位移传感器的电性输出量。电容角位移模拟输出型电路的优点是电路简单、造价便宜，便于进行信号采样，信号电压直观方便，其外输出特性与电位器式的角位移传感器的外输出特性相同。

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；本发明所说的动态范围是以变换器输入非电量的最大值与最小值之比来进行量度的。这个比值对于金属应变片为1％；对于半导体应变片为20％；对于电容变换器可以大于100％。

(2)动态响应快；

(3)灵敏度高；

(4)自身发热影响小；电容传感器采用真空、空气或者其它气体作为绝缘介质，介质的损失是很小的，传感器本身的发热系数可以忽略不计。

(5)稳定性好；

(6)非接触式测量；避免了接触式测量的不足。

(7)结构简单，适应性强；电容传感器多采用无机材料，用金属作电极，所以结构简单，可以作的非常小，以便进行某些特殊的测量。由于这种传感器没有特殊的有机材料和磁性材料，因此，可以工作在温度变化比较大或具有各种辐射的恶劣的环境中。

(8)测量线性度高；

附图说明

图1为本发明的机械部分结构图

图2为本发明的角变换电容器电容量测量电路原理框图

图3为本发明的角变换电容器电容量测量电路图

具体实施方式

实施例1

本实施例的一种变间距电容式模拟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，它是模拟调制输出型电路。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、检测电路、放大电路和电源等部分，图2为电路原理框图。

所述的振荡电路部分包括：由反相器G₁、晶振T₁、电阻R₂、电容C₁、C₂，晶振T₁与电阻R₂并联跨接在反相器G₁的两端，并与电容C₁、C₂一端连接，电容C₁、C₂的另一端接地。其功能为输出稳定频率的电脉冲。

所述的检测电路包括充放电路和电荷检测电路。其中充放电路包括两个反相器G₂、G₃、两个电子开关S₁、S₂和角位移变换电容C_x，即上述上电容定片8、中电容动片9和下电容定片10形成的电容器和输入补偿C1，它用于补偿角位移变换电容器C_x的边缘效应的影响；两个反相器G₂、G₃串接，即反相器G₂的输出端与反相器G₃的输入端连接，反相器G₂的输入端与振荡电路中的反相器G₁的输出端相连，反相器G₂的输出端与电子开关S₁的输入控制端相连，反相器G3的输出端与电子开关S₂的输入控制端相连。由于两个反相器G₂、G₃串接，使两个反相器G₂、G₃的输出端电信号的逻辑量输出，各自反相180度，也就是说控制电子开关S₁、S₂的状态是交替变化，即电子开关S1关断时，电子开关S2开通；电子开关S₁开通时，电子开关S₂关断。当反相器G2的输出脉冲为正脉冲时，电子开关S1开通，此时电源通过被开通的开关S1向角位移变换电容器C_x充电。电容器C_x的容量是输入角位移的函数，所以电容器C_x的充电电压也就直接反映了角位移的变化；当反相器G2输出的正脉冲消失时，电子开关S1关断，从而切断了电源对开关S1的充电回路。电子开关S1关断的同时，反相器G3向电子开关S2输入正脉冲而使电子开关S2开通，此时电容器C_x通过被开通的电子开关S2输出的电压正是前次被充电的电压。或者说，电子开关S1开通时，是对角位移变换电容器C_x充电的时间区域。电子开关S2开通时，是输出角位移变换电容器C_x电压并向外放电的时间区域。电子开关S2的输出连接电荷检测电路。

所述的电荷检测电路包括一个由运算放大器G4、电阻R3、电容C5、C6所组成的积分放大器。电子开关S2的输出连接积分放大器的反相输入端，电阻R3和电容C6并联后跨接在积分放大器的输出端和反相输入端之间。当电子开关S2开通时，输出角位移变换电容器C_x电压向电荷检测电路放电。角位移的电参数信号通过积分放大器处理后输入到10倍比例反相放大器，积分放大器与10倍比例反相放大器连接。

所述的10比例反相放大电路包括一个由运算放大器G5、电阻R4、R5、R6所组成的放大器。10倍比例反相放大器G5的输入与积分放大器G4的输出端连接，电阻R5跨接在运算放大器G5的输入端与输出端之间，电阻R4跨接在运算放大器G5和积分放大器G4的输出端之间，电阻R6跨接在运算放大器G5的同相输入端与地之间。10倍比例反相放大电路的输出端与差分放大电路的同相输入端连接。

所述的调零电路包括一个由运算放大器G6、电阻R7、R8和微调电位VR1所组成的电压跟随器。电阻R7、R8和微调电位VR1串连，电阻R7的上端连接电源，微调电位VR1的下端接地。运算放大器G6的输出端与反相输入端短接，同相输入端与电阻R7、R8的接点相连，构成分压型电压跟随器。分压型电压跟随器的输出电压与同相输入电压保持相同，输出与差分放大电路的反相输入端连接。

所述的差分放大电路包括一个由运算放大器G7、电阻R9、R10、R11、R12和微调电位VR2所组成的差分放大器。电阻R9、R11串接，其串接点与运算放大器G7的同相输入端连接，电阻R9的上端连接10倍比例放大器的输出端，电阻R11的下端接地。电阻R10跨接在运算放大器G7的反相输入端和运算放大器G6的输出端之间。电阻R12和微调电位器VR2串连，一端与运算放大器G7的反相输入端相接，另一端与运算放大器G7的输出端相连。差分放大电路输出角位移传感器的电性输出量。电容角位移模拟输出型电路的优点是电路简单、造价便宜，便于进行信号采样，信号电压直观方便，其外输出特性与电位器式的角位移传感器的外输出特性相同。

本发明的振荡电路、检测电路包括充放电路和电荷检测电路、放大电路包括反相放大电路、调零电路和差分放大电路还可采用其演绎电路和其他公知电路。

变间距电容式模拟调制输出型电路的优点为：电路结构简单，造价便宜，便于进行信号采样，输出信号电压直观方便，其外输出特性与电位器式的角位移传感器的外输出特性相同。

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)模拟调制输出电平范围为：0.5V～4.5V之间；

(3)模拟调制输出型输入电源电压范围为：+7V～+30V；

(4)模拟调制输出型最大输出电平为：0-5V之间；

(5)传感器系列响应时间小于10μs；

(6)传感器有良好的电磁兼容性设计；

Claims (9)

1、一种变间距电容式模拟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、检测电路和放大电路；其中角位移测量电容C_x即由上电容定片(8)、中电容动片(9)、下电容定片(10)组成的电容与检测电路电连接，振荡电路输出的信号与检测电路电连接，检测电路输出信号与放大电路电连接，放大电路输出信号用于采样；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模拟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模拟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模拟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模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的振荡电路由反相器(G₁)、晶振(T₁)、电阻(R₂)、电容(C₁)、(C₂)，晶振(T₁)与电阻(R₂)并联跨接在反相器(G₁)的两端，并与电容(C₁)、(C₂)一端连接，电容(C₁)、(C₂)的另一端接地。

6、如权利要求1所述的变间距电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的检测电路包括充放电路和电荷检测电路。

7、如权利要求6所述的变间距电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的充放电路包括两个反相器(G₂)、(G₃)、两个电子开关(S₁)、(S₂)和角位移变换电容(C_x)，两个反相器(G₂)、(G₃)串接，即反相器(G₂)的输出端与反相器(G₃)的输入端连接，反相器(G₂)的输入端与振荡电路中的反相器(G₁)的输出端相连，反相器(G₂)的输出端与电子开关(S₁)的输入控制端相连，反相器(G₃)的输出端与电子开关(S₂)的输入控制端相连。

8、如权利要求6所述的变间距电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的电荷检测电路包括一个由运算放大器(G4)、电阻(R3)、电容(C5)、(C6)所组成的积分放大器；充放电路的电子开关(S2)的输出端连接积分放大器(G4)的反相输入端，电阻(R3)和电容(C6)并联后跨接在积分放大器的输出端和反相输入端之间。

9、如权利要求1所述的变间距电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的放大电路包括一个10倍比例放大电路、一个调零电路、一个差分放大电路；其中电荷检测电路的积分放大器输出的信号与10比例放大电路相连，由10比例放大电路输出信号与调零电路的信号一起与差分放大电路的输入端相连，由其输出采样信号。

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