CN1229618C - 变间距电容式非接触型角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信号检测所用的变间距电容式非接触型角位移传感器，包括：机械传动结构和一测量电路；所述的一角变换电容器电容量测量电路包括变频式脉冲发生器部分，整形射极跟随器部分和控制与门部分；其中电路的输入端和接地端通过电线和分别连接到机械传动结构中的中电容动片和下电容定片上，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电路的处理后输出相应函数的电信号变量。该结构简单，灵敏度高。

Description

变间距电容式非接触型角位移传感器

                        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非接触型角位移传感器。

                        背景技术

原旧型舵位指示器又可称为“接触型电位器式舵角位移传感器”。其原理为：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。在这个电阻上外加了一个可移动的机械压簧电刷，通过调整电刷在电阻上的位置，输出的电阻随着压簧电刷的改变而变化，这就是电位器。旧型舵角位移传感器的工作原理：在电位器的两端加上标准电压，通过舵位轴转动角的变化，带动电位器的可移动压簧电刷的位置改变，可使得移动压簧电刷的端子输出的电压信号的变化随着舵位轴转动角的变化而变化。电位器式角位移传感器就是根据这个原理来检测舵角位移的状况。此类旧型舵角位移传感器有许多缺陷是电位器的可移动压簧电刷所致。在较理想的客观条件下，电位器式传感器呈现出良好地输入输出的外特性、体积小巧、调解灵活、结构简单、无需保养。因此在民间工业，电位器式角位移传感器在很多的领域中被广泛地应用。但由于压簧电刷的基本机械属性，在某些特殊地场合又是它们的弱点。如下：

(1)在高强度冲击力的场合，易使电位器式角位移传感器的可移动压簧电刷受创、变形、折断，从而导致传感器的损坏。

(2)由于热力机工作可形成较强震动的环境，这个较强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电阻膜的接触点上，压簧电刷的强震动磨擦易使电阻膜造成沟痕创伤，导致电位器式角位移传感器的失效、损坏、信号漂移、工作点的不稳定等问题发生。

(3)电位器式舵角位移传感器的压簧电刷与电阻膜是两种不同的金属材料，通过接触点形成电通路。在有一定湿度的环境下存放，这两种不同的金属材料在接触点上很容易发生原电池的化学反应，从而产生锈点，使得接触点电通路形成阻碍，影响传感器的性能的发挥。

(4)压簧电刷与电阻膜的接触点在高次数的机械磨擦中进行信号的能量转换，民品的寿命约为2万次，军品的寿命约为10万次，在高速的控制系统中，这种消耗是很容易达到的，从而使电位器进入软故障的发生期，使得电路的不稳定性及不可靠

                     发明内容

本发明的目的在于克服上述已有传感器的可移动压簧电刷在长期使用中受创、变形、折断，易使传感器的损坏的缺点；另外，为了克服由于压簧电刷与电阻膜是用两种不同的金属材料制作的，通过接触点形成电通路，在接触点上很容易发生原电池的化学反应而产生锈点，使得接触点电通路形成阻碍，影响传感器的性能的发挥的缺点；为了提高传感器的灵敏度和稳定性，从而提供一种动态范围大、动态响应快和稳定性好的非接触电容式角位移传感器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的非接触电容式角位移传感器，包括：机械转动机构和测量电路，其特征是：所述的机械转动机构包括：一底座、和在其上的屏蔽壳罩，在底座上开有两个孔，一孔内安装一轴承，在该轴内通过轴承盖固定一传递角位移量的参考轴，轴承盖用沉头螺钉固定在底座上；丝杠末端通过一套在传递角位移量的参考轴末端的铜圈与参考轴配合，丝杠固定在下固定板的另一孔中，该孔与底座的轴承孔垂直相对；固定轴下端部带有螺纹，通过螺帽固定在底座的孔中，固定轴上顺序套入下定板、垫片、下电容定片、垫片用一螺帽固定在其中部，垫片安装在下固定板与下电容定片之间；固定轴上端在两螺帽中间固定一上固定板；上固定板的另一侧的底面凸出一中空园柱体，其中空园柱体的内径与丝杠外径配合，丝杠外侧壁上车出一条平面与中空园柱体的内腔壁形成一窄槽；上固定板的凸出的中空园柱体外侧壁开有一带螺纹的通孔，其孔内安装一螺钉，螺钉穿过窄槽顶在丝杠外壁的平面上，丝杠顶部呈中空，并插入到上固定板底面凸出的中空园柱体的空腔内，丝杠中空底部与上固定板之间安有一弹簧；一个由上电容片、下电容定片和中电容片形成的电容；并三片之间留有空隙平行安装形成的电容，中电容动片、下电容定片各连接一根导线；丝杠穿过上电容定片、中电容动片、下电容定片，并且上和下电容定片固定在丝杠上，上、下电容定片、通过短路线短路；所述的一角变换电容器电容量的测量电路包括：变频式脉冲发生器，整形射极跟随器和控制与门部分电路，其测量电路输入端和接地端通过电线和分别连接到上述中电容动片和下电容定片上。

所述变频式脉冲发生器部分包括：运算放大器G₁、电阻R₄、电阻R₃组成的滞后比较器和一个阻容电路，其中电容器C包括角位移变换电容器C_x，即上述上电容定片，中电容动片和下电容定片形成的电容器和输入补偿电容器C₁，电容器C₁用于补偿角位移变换电容器C_x的边缘效应对输出频率F的影响。R₃连接在运算放大器G₁的正向输入端和输出之间，电阻R₄连接在运算放大器G₁的反向输入端和输出之间，电阻R₄连接在运算放大器G₁的电源输入端和输出端之间；在运算放大器的正向输入端和电源输入端之间还连接电阻R₁，R的阻值为R₁，R₂和R₃的并联阻值。该变频式脉冲发生器产生电脉冲，其脉冲频率F随着电容器C的电容量的变化而变化，因而测量脉冲频率F就可以得到电容量，由于电容量随着参考轴(螺杆)的角位移而变化，所以测量频率F的变化就可以得到参考轴的角位移量。

所述的整形射极跟随器部分由包括三端稳压器7805的稳压器和三极管G₂、电阻R₇和电阻R₆，用于保证变频式脉冲发生器的输出有足够的负载能力并使变频式脉冲发生器的输出脉冲电平与负载兼容。其中R₇连接在运算放大器的输出端和三极管G₂的发射极之间，电容器C₂、电阻R₅和电阻R₆构成整形射极跟随器的三极管G₂微分偏置分压电路，该电路使整形射极跟随器的有源器件只工作在饱和或截止两种工作状态，以便对输出脉冲进行整形。电容器C₂和电阻R₅串联在运算放大器G₁的输出端和三极管G₂的基极之间，电阻R₆连接在三极管G₂的集电极和基极之间。输出(+5V)三端稳压器(7805)使输出脉冲电平与TTL(晶体管-晶体管逻辑)电路负载兼容。电容器C₂起隔直流的作用。

所述的控制与门电路由二极管D₁、D₂和电阻R₈分离元器件构成。用于由计数控制控端A脉冲的输出，以便对脉冲频率进行测量。当A端为高电平(+5V)时，开通输出端O，使数字脉冲串输出。其中二极管D₁连接在三极管G₂的发射极和电路的输出端之间。二极管D₂连接在电路的输出端和A端之间。R₈连接在稳压电源的输出端和电路的输出端之间。当A端为低电平(0V)时，关闭输出端O根据一定时间内测得的脉冲数来计算出脉冲频率F，再根据频率F与角变换电容器电容量的关系得到角变换电容器电容量，再根据该电容量的变化求得角度位移。这样就完成了非接触式角位移传感器的工作。数字串行输出型电路的优点是电路简单，造价便宜。

本发明的变间距电容式非接触型角位移传感器是由非接触变间距式电容器组件的机械装置和变频振荡电路以及若干个整形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处理系统，角位移的变量信号在电路的处理后输出相应函数的电信号变量。

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

由于电容传感器可动部分的质量较小，因此固有频率很高，可以工作在几兆赫的范围以内，因此有较宽的频率范围。

(3)灵敏度高

应用比率式变压器，可测电容值的10^-7的变化量。

(4)自身发热影响小

由于电容传感器采用真空，空气，或者其它气体作为绝缘介质，介质的损失是比较小的。因此，传感器本身的发热率可以忽略不计。

(5)稳定性好

合理选择材料，灵敏度的温度系数可在1*10^-6C⁰以下。

(6)非接触式测量

(7)结构简单，适应性强：电容传感器多采用无机材料，用有金属作电极，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。

                    附图说明

图1本发明的非接触式角位移机械结构剖面图

图2数字串行输出型电路原理图

图3数字串行输出电路的工作波形图

图面说明如下：

1-固定轴       2-螺帽        3-上固定板    4-弹簧

5-螺钉         6-丝杠        7-螺母        8-上电容定片

9-中电容动片   10-下电容定片               11-下固定板

12-铜圈        13-沉头螺钉                 14-轴承

15-参考轴      16-轴承盖     17-下垫片     18-上垫片

19-底座        20-短路线     21、22-电线   23-空腔

24-窄槽        25-屏蔽壳罩                 26-平面

                 具体实施方式

实施例1

本实施例的非接触电容式角位移传感器机械部分按图1制作，电路部分按图2制作。该传感器包括：一个用于传递角位移机械量的参考轴15，参考轴15在屏蔽罩25内设计为标准细牙螺杆，配合参考轴15的机械结构为丝杠6，当螺杆旋转1周(360度)时，丝杠的轴向移动为3mm；当螺杆旋转5周(5*360度)时，丝杠的轴向移动为15mm。在底座19的另一边上开有一孔，孔内安装一轴承14，在该轴内通过轴承盖16固定一传递角位移量的参考轴15，轴承盖16用沉头螺钉固定在底座19上；丝杠6末端通过一套在传递角位移量的参考轴15末端的铜圈与参考轴15配合，丝杠6固定在下固定板11的另一孔中，该孔与底座9的轴承14孔垂直相对；其中屏蔽壳由底座19与壳罩25组成，在底座19上开有一用于固定轴1穿入的孔，固定轴1下端部带有螺纹，通过螺帽固定在底座19的孔中，固定轴1上顺序套入下固定板11、下垫片17下电容定片10、上垫片18用一螺帽固定在其中部，下垫片17安装在下固定板11与下电容定片10之间；下垫片17用于调节下电容定片10与下固定板11的距离。上垫片18安装在上电容定片9与下电容定片10之间，上垫片18用于调节上电容定片与下电容定片之间的距离。固定轴1上端在两螺帽2中间固定一上固定板3；上固定板3的另一侧的底面凸出一中空园柱体，其中空园柱体的内径与丝杠6外径配合，丝扛6外侧壁上车出一条平面26与中空园柱体的内腔壁形成一窄槽24；上固定板3的凸出的中空园柱体外侧壁开有一带螺纹的通孔，其孔内安装一螺钉5，螺钉5穿过窄槽24顶在丝杠外壁的平面上26，他用于导向并限定丝杠的移动。铜圈12用于加强丝杠与参考轴15间的螺纹配合强度。一个由上电容定片8、下电容定片10和中电容动片9，并三片之间留有空隙平行安装形成的电容，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。丝杠6穿过上电容定片8、中电容动片9、下电容定片10，并且上和下电容定片固定在丝杠6上，上、下电容定片8、10通过一根短路线20短路，设置上电容定片是为了补偿边缘电容效应。丝杠6顶部呈中空，并插入到上固定板3底面凸出的中空园柱体的空腔23内，丝杠6中空底部与上固定板3之间安有一弹簧4；用于使丝杠的螺纹始终顶压参考轴的螺纹，以消除丝杠上下变向移动时由于罗纹间的配合间隙所产生的位移误差。

当参考轴旋转时，驱动丝杠移动，丝杠的移动带动中电容动片相对上电容定片和下电容定片的移动，改变中电容动片相对下电容定片的距离，从而改变电容器的电容量，这样就实现了从角位移到电容量变化的转换。

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。于是参考轴15的角位移量与电容量的改变量就联系起来了。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。

电路部分用于测量上述角位移变换电容器的电容量，该电路的原理图表示在图2中，它是数字串行输出型电路，包括：变频式脉冲发生器，整形射极跟随器和控制与门电路；电路的输入端和接地端通过输入导线21、22分别连接到上述中电容动片9和下电容定片10或上述中电容动片9和上电容定片8上。

所述变频式脉冲发生器包括：运算放大器G₁、电阻R₁、电阻R₃组成的滞后比较器和一个阻容电路，其中电容C包括角位移变换电容器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电容器C₁，C₁用于补偿角位移变换电容器C_x的边缘效应对输出频率F的影响。R₃连接在运算放大器G₁的正向输入端和输出之间，R₄连接在运算放大器G₁的反向输入端和输出端之间，R₄连接在运算放大器G₁的电源输入端和输出端之间；在运算放大器的正向输入端和电源输入端之间还连接电阻R₁，R的阻值为R₁，R₂和R₃的并联阻值。变频式脉冲发生器产生电脉冲，其脉冲频率F随着电容器C的电容量的变化而变化，因而测量脉冲频率F就可以得到电容量，由于电容量随着参考轴(螺杆)15的角位移而变化，所以测量频率F的变化就可以得到参考轴15的角位移量。图3表示频率F与角度的关系。

所述的整形射极跟随器由包括三端稳压器7805的稳压器和三极管G₂、电阻R₇和电阻R₆，用于保证变频式脉冲发生器的输出有足够的负载能力并使变频式脉冲发生器的输出脉冲电平与负载兼容。其中R₇连接在运算放大器的输出端和三极管G₂的发射极之间，电容器C₂、电阻R₅和电阻R₆构成整形射极跟随器的三极管G₂微分偏置分压电路，该电路使整形射极跟随器的有源器件只工作在饱和或截止两种工作状态，以便对输出脉冲进行整形。C₂和R₅串联在运算放大器G₁的输出端和三极管G₂的基极之间，电阻R₆连接在三极管G₂的集电极和基极之间。输出(+5V)三端稳压器(7805)使输出脉冲电平与TTL(晶体管-晶体管逻辑)电路负载兼容。C₂起隔直流的作用。

所述的控制与门电路由二极管D₁、D₂和电阻R₈分离元器件构成，其中二极管D₁连接在三极管G₂的发射极和电路的输出端之间。二极管D₂连接在电路的输出端和A端之间。电阻R₈连接在稳压电源的输出端和电路的输出端之间。该电路用于由A端控制脉冲的输出，以便对脉冲频率进行测量。当A端为高电平(+5V)时，开通输出端O，使数字脉冲串输出。当A端为低电平(0V)时，关闭输出端O根据一定时间内测得的脉冲数来计算出脉冲频率F，再根据频率F与角变换电容器电容量的关系得到角变换电容器电容量，再根据该电容量的变化求得角度位移。这样就完成了非接触式角位移传感器的工作。数字串行输出型电路的优点是电路简单，造价便宜。

本实施例制作的非接触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)数字串行输出型的输出电平规定：0V～5V；

(3)数字串行输出型输入电压范围为：+7V～+30V；

(6)传感器系列响应时间小于10ms；

(7)传感器有良好的电磁兼容性。

Claims (6)

1.一种变间距电容式非接触型角位移传感器，包括：机械传动结构和角变换电容电容量的测量电路，其特征是：所述的机械传动结构包括：一底座(19)、和在其上的屏蔽壳罩(25)，在底座(19)上开有两个孔，一孔内安装一轴承(14)，在该轴内通过轴承盖(16)固定一传递角位移量的参考轴(15)，轴承盖(16)用沉头螺丝固定在底座(19)上；丝杠(6)末端通过一套在传递角位移量的参考轴(15)末端的铜圈与参考轴(15)配合，丝杠(6)固定在下固定版(11)的一孔中，该孔与底座(19)的轴承(14)孔垂直相对；固定轴(1)下端部带有螺纹，通过螺帽固定在底座(19)的另一孔中，固定轴(1)上顺序套入下固定板(11)、下垫片(17)、下电容定片(10)上垫片(18)用一螺帽固定在其中部，下垫片(17)安装在下固定板(11)与下电容定片(10)之间；固定轴(1)上端在两螺帽(2)中间固定一上固定板(3)；上固定板(3)的丝杠(6)一侧的底面凸出一中空园柱体，其中空园柱体的内径与丝杠(6)外径配合，丝扛(6)外侧壁上车出一条平面(26)与中空园柱体的内腔壁形成一窄槽(24)；上固定板(3)的突出的中空园柱体外侧壁开有一带螺纹的通孔，其孔内安装一螺钉(5)，螺钉(5)穿过窄槽(24)顶在丝杠外壁的平面上(26)，丝杠(6)顶部呈中空，并插入到上固定板(3)底面凸出的中空园柱体的空腔(23)内，丝杠(6)中空底部与上固定板(3)之间安有一弹簧(4)；一个由上电容定片(8)、下电容定片(10)和中电容动片(9)，并三片之间留有空隙平行安装形成的电容；中电容动片(9)、下电容定片(10)各连接一根导线(21)(22)；丝杠(6)穿过上电容定片(8)、中电容动片(9)、下电容定片(10)，并且上电容定片(8)和下电容定片(10)固定在丝杠(6)上，上、下电容定片(8)、(10)通过一根短路线(20)连接；所述的一角变换电容器电容量的测量电路包括：变频式脉冲发生器，整形射极跟随器和控制与门电路，其测量电路输入端和接地端通过导线(21)(22)分别连接到上述中电容动片(9)和下电容定片(10)上。

2.按权利要求1所述的变间距电容式非接触型角位移传感器，其特征是：所述的参考轴(15)在屏蔽壳罩(25)内为标准细牙螺杆。

3.按权利要求1所述的变间距电容式非接触型角位移传感器，其特征是：所述变频式脉冲发生器部分包括：运算放大器G₁、电阻R₄、电阻R₃组成的滞后比较器和一个阻容电路，其中电容C包括角位移变换电容器C_x，为上述上电容定片(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电容器C₁，C₁用于补偿角位移变换电容器C_x的边缘效应对输出频率F的影响；电阻R₃连接在运算放大器G₁的正向输入端和输出之间，电阻R₄连接在运算放大器G₁的反向输入端和输出端之间，电阻R₄连接在运算放大器G₁的电源输入端和输出端之间；在运算放大器的正向输入端和电源输入端之间还连接电阻R₁，电阻R的阻值为R₁，R₂和R₃的并联阻值。

4.按权利要求3所述的变间距电容式非接触型角位移传感器，其特征是：整形射极跟随器部分由包括三端稳压器7805的稳压器和三极管G₂、电阻R₇和电阻R₆，其中R₇连接在三端稳压器7805的输出端和三极管G₂的发射极之间，电容器C₂、电阻R₅和电阻R₆构成整形射极跟随器的三极管G₂微分偏置分压电路，该电路使整形射极跟随器的有源器件只工作在饱和或截止两种工作状态，以便对输出脉冲进行整形；电容器C₂和电阻R₅串联在运算放大器G₁的输出端和三极管G₂的基极之间，电阻R₆连接在三极管G₂的集电极和基极之间；输出三端稳压器7805使输出脉冲电平与晶体管-晶体管逻辑电路负载兼容；电容器C₂起隔直流的作用。

5.按权利要求4所述的变间距电容式非接触型角位移传感器，其特征是：所述的控制与门电路由二极管D₁、D₂和电阻R₈分离元器件构成；当计数控制端(A)为高电平+5V时，开通输出端0，使数字脉冲串输出；其中二极管D₁连接在三极管G₂的发射极和电路的输出端之间；二极管D₂连接在电路的输出端和计数控制端(A)之间；电阻R₈连接在三端稳压器7805的输出端和电路的输出端之间；当计数控制端(A)为低电平0V时，关闭输出端0根据一定时间内测得的脉冲数来计算出脉冲频率F，再根据频率F与角变换电容器电容量的关系得到角变换电容器电容量，再根据该电容量的变化求得角度位移。

6.按权利要求4所述的变间距电容式非接触型角位移传感器，其特征是：所述的输出三端稳压器7805是输出+5V三端稳压器7805。

Images