CN1217156C - 角度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种角度传感器，由一个空心的封闭直管型腔体(1)，绕于该腔体上的线圈(2)，一个可以在此腔体内沿腔体轴向自由灵活移动的铁磁材料(4)，安装于该腔体中点的沿轴向排列的三个电极构成的两个电容传感器(3)，一个电容桥电路(6)，差分电压放大器(7)，电流放大器(8)和信号输出(10)组成，构成了一有源闭合回路，差分电压放大器的输出电压幅度与偏斜角度成比例，为此角度传感器的输出信号(10)，改变有源闭合回路的控制增益，无需对传感器的物理几何尺寸作改变，可改变该角度传感器精度和量程，用本发明原理可以制造出体积极其精小的固体传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用来对物体的倾斜角度进行检测的电子传感技术——角度传感器。
背景技术
现有技术的角度传感器共同特点是使用三电极和在电极检测量程内的封闭于一个腔体内的能在重力场吸引下发生位移的物理材料，通过检测该三电极构成的两个电容或电阻在此物理材料的位移影响下的电容值或电阻值之间的差值来达到测量此物理材料的位置的目的。
现有的加速度传感器共同构造特点是使用封闭于一个腔体内的能沿腔体并在三电极之间自由移动的物理材料，当腔体在外力的作用下发生位移时，腔体内的物理材料根据惯性原理保持原位而向受力的反方向作相对于腔体的运动。通过检测该三电极构成的两个电容或电阻在此物理材料的位移影响下的电容值或电阻值之间的差值测出此物理材料的相对位移而换算出腔体的加速度。此外，物理材料并非完全无摩擦地在腔体内自由位移，一方面该物理材料与腔体有一定的摩擦，另一方面腔体内还灌有某种弹性材料以提供机械复位和测量的目的。
这种方法的共同缺陷有三方面：1)检测精度和量程同腔体几何尺寸之间的矛盾；2)体积大；3)不能更改。如果腔体几何尺寸太小，微小的物理材料位移所造成的电容差或电阻差信号就会淹没在噪声信号之中。反之，只有足够大的腔体才能保证足够的检测分辨率和检测量程。此外测量量程还局限于腔体内的物理材料的质量和填充的弹性材料的物理属性(如弹性系数)。
发明内容
本发明的目的是要开发一种体积小、传感灵敏度，测量精度和分辨率高、使用软设置方法就可以改变精度和量程的新型角度传感器技术。
本发明提出的技术方案是这样实现的：一种角度传感器，由封闭于一个腔体内的能在重力场吸引下发生位移的物理材料及用来构成电容的电极，与电极相连的检测电路构成，腔体(1)为直管型，在直管型腔体上(1)绕有线圈(2)，腔体内的物理材料是可以在此腔体内沿腔体轴向自由灵活移动的铁磁材料(4)，在腔体中点沿轴向安装有三个电极，构成了两个电容传感器(3)，检测电路是这样构成的，由包含两个电容传感器(3)在内的四个电容组成了一电容桥电路(6)，电容桥电路(6)上接有一高频激励信号源(5)，该电容桥电路的输出端连接到差分电压放大器(7)的输入端，差分电压放大器的输出端连接到电流放大器(8)、模数转换器(9)的输入端，电流放大器(8)的输出端连接到了线圈(2)上，检测电路与线圈(2)构成了一有源闭合回路。电流放大器(8)是一增益可调电流放大器，在该电流放大器的控制端输入有一可以通过角度传感器的应用系统的接口电路获得的用来改变电流放大器增益的信号。差分电压放大器(7)输出的是一其直流成分幅度与腔体(1)偏斜角度成比例的高频交流电压。电流放大器(8)输出的是一其频率足够高使得该铁磁材料(4)无法发生机械震动而位于线圈腔体(1，2)以及两个电容传感器(3)的中点、幅度足够大，在线圈腔体(1，2)最大倾斜角度的情况下该铁磁材料(4)不会偏出线圈腔体(1，2)和电容传感器(3)物理范围的高频交流电流。差分电压放大器(7)输出的高频交流电压的直流成分幅度作为角度传感器的输出信号(10)，此输出信号(10)再经过一个数模转换器(9)转变成数字信号(11)输出，对此输出信号(10、11)的处理在与传感器相连接的应用系统中以软件或硬件方式进行，将输出信号(10，11)的直流成分对时间作一次微分，得出角速度；将输出信号的直流成分对时间作两次微分，得出加速度。绕在直管型腔体(1)上的线圈(2)带中心抽头并抽头接地。
实际使用时，当腔体(1)与地面水平时，铁磁材料(4)处于这两个电容传感器(3)的中点，这两个电容传感器(3)的容量保持平衡，电容桥(6)-差分电压(7)-增益可调电流放大器(8)输出直流成分为零的高频交流电流。当腔体(1)沿轴向发生倾斜时，腔体中的铁磁材料(4)在地球引力场的作用下朝较低端的方向偏移。电容桥(6)-差分电压(7)-增益可调电流放大器(8)则输出直流成分非零的高频交流电流，在此直流成分非零电流的驱动下，线圈(2)产生的磁场将此铁磁材料(4)朝这两个电容传感器(3)中点方向推，直到该闭合电路恢复到一个新的平衡点。
通过改变增益可调电流放大器(8)的增益，可实现角度传感器测量精度和测量量程的设置。设置信号(12)可以为数字信号也可以是模拟信号，取决于实际使用的增益可调电流放大器(8)的控制接口的具体要求。设置信号(12)可以通过该传感器的应用系统的接口电路获得，也可以用跨线设置的方法来实现。
用这种传感器既可以用作角度传感器也可以用作加速度传感器，只取决于对其输出信号的处理方法。对此输出信号的处理可以在此传感器自身以外的应用环境中的数字处理器中进行，比如接口电路中的微处理器或应用系统的主控计算机等；既可以由硬件功能块，也可以运行于主控计算机中的软件来实现。若将输出信号(10，11)的直流成分对时间作一次微分，可以得出角速度；将输出信号的直流成分对时间作两次微分，可以得出加速度。
由于铁磁材料(4)是在一个高频交流电流和磁场的控制下，该铁磁材料(4)与腔体(1)的摩擦非常小，因此传感的灵敏度，测量精度和分辨率可以远远高于现有的各种传感器。
从上面的叙述我们可以看出：用本发明实现的新型角度传感器技术确实可以做到体积小、传感灵敏度，测量精度和分辨率高、使用软设置方法就可以改变其精度和量程。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明：
图1：本发明的电路原理图。
图2：腔体构造图。
图中：1-直管型腔体、2-绕在直管型腔体上的线圈、3-沿直管型腔体轴向排列的三个电极构成的两个电容传感器、4-铁磁材料、5-高频激励信号源、6-电容桥电路、7-差分电压放大器、8-增益可调电流放大器、9-数模转换器、10-角度传感器的输出信号、11-数模转换器输出的数字信号、12-由应用系统向增益可调电流放大器控制端口提供的设置信号。
具体实施方式
作为本发明的一个具体实施例，由于铁磁材料是在一个有源闭合回路的控制下，所需的位移空间远远小于现有的各种传感器就可以达到同样的测量精度和测量量程，因此我们使用目前已很成熟的厚膜或半导体制造工艺来制做极微型的固体器件，从而实现本发明提出的新型角度传感器技术。
Claims (6)
1、一种角度传感器，由封闭于一个腔体内的能在重力场吸引下发生位移的物理材料及用来构成电容的电极，与电极相连的检测电路构成，其特征在于：腔体(1)为直管型，在直管型腔体(1)上绕有线圈(2)，腔体内的物理材料是可以在此腔体内沿腔体轴向自由灵活移动的铁磁材料(4)，在腔体中点沿轴向安装有三个电极，构成了两个电容传感器(3)，检测电路是这样构成的，由包含两个电容传感器(3)在内的四个电容组成了一电容桥电路(6)，电容桥电路(6)上接有一高频激励信号源(5)，该电容桥电路的输出端连接到差分电压放大器(7)的输入端，差分电压放大器的输出端连接到电流放大器(8)、模数转换器(9)的输入端，电流放大器(8)的输出端连接到了线圈(2)上，检测电路与线圈(2)构成了一有源闭合回路。
2、根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于：电流放大器(8)是一增益可调电流放大器，在该电流放大器的控制端输入有一可以通过角度传感器的应用系统的接口电路获得的用来改变电流放大器增益的信号。
3、根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于：差分电压放大器(7)输出的是一其直流成分幅度与腔体(1)偏斜角度成比例的高频交流电压。
4、根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于：电流放大器(8)输出的是一其频率足够高使得该铁磁材料(4)无法发生机械震动而位于线圈腔体(1，2)以及两个电容传感器(3)的中点、幅度足够大，在线圈腔体(1，2)最大倾斜角度的情况下该铁磁材料(4)不会偏出线圈腔体(1，2)和电容传感器(3)物理范围的高频交流电流。
5、根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于：差分电压放大器(7)输出的高频交流电压的直流成分幅度作为角度传感器的输出信号(10)，此输出信号(10)再经过一个数模转换器(9)转变成数字信号(11)输出，对此输出信号(10、11)的处理在与传感器相连接的应用系统中以软件或硬件方式进行，将输出信号(10，11)的直流成分对时间作一次微分，得出角速度；将输出信号的直流成分对时间作两次微分，得出加速度。
6、根据权利要求1所述的角度传感器，其特征在于：绕在直管型腔体(1)上的线圈(2)带中心抽头并抽头接地。
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| CN 02133471 CN1217156C (zh) | 2002-07-11 | 2002-07-11 | 角度传感器 |
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Families Citing this family (1)
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2002
- 2002-07-11 CN CN 02133471 patent/CN1217156C/zh not_active Expired - Fee Related
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