CN1464283A - 变面积电容式脉宽调制输出型角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变面积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分别连接到角位移机械结构中的电容定片和电容动片上；该位移传感器角位移传动轮输入机械性的角位移变量，经过齿轮的传动使得电容器片面积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

变面积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面积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“接触型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：当环形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、可靠性高的变面积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：

一种变面积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、外壳、电容动片和电容定片；角位移传动轮通过传动轴带动角位移输出轮，角位移输出轮与电容器主动轮啮合；电容器主动轮固定在电容动片轴上，电容动片与电容定片交叉排列；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即由电容动片和电容定片组成的电容与振荡电路相连，振荡电路输出的信号与分频电路相连，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电容定片和电容定片上。

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E_C，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E_C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V_C升高到大于V₁时，比较器输出电压V₀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V_C小于V₁时，比较器的输出电压V₀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＝2.2R₄C_X，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面积式电容器组件的机械装置和若干处理电路等部分所组成。该位移传感器是从角位移传动轮输入机械性的角位移变量，经过齿轮的传动使得电容器片面积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

1-角位移传动轮  2-传动轴  3-角位移输出轮

4-电容器主动轮  5-底座  6-外壳  7-动片

8-定片  9-压盖  10-定片信号引线

11-角位移电容测量线路板  12-接线柱

图2是本发明的角变换电容器电容量测量电路原理图

图3是本发明的角变换电容器电容量测量电路图

具体实施方式

本发明还将结合附图对实施例作进一步详述：

本实施例的一种变面积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、3制作。

该传感器的角位移机械部分包括：底座5、外壳6、电容动片7和电容定片8；在外壳6上通过轴承设有传动轴2，传动轴2的一固连有角位移传动轮1；角位移传动轮1通过传动轴2带动外壳6内的角位移输出轮3，角位移输出轮3与电容器主动轮4啮合；电容器主动轮4固定在电容电容动片7轴上，电容动片7与电容定片8交叉排列；在电容动片7和电容定片8两端设有压盖9。在外壳6内还设有角位移电容测量线路板11。在电容定片8上还设有定片信号引线10与角位移测量线路板11相连，在角位移测量线路板11上设有接线柱12。由角位移传动轮1通过传动轴2及角位移输出轮3带动电容器主动轮4，从而改变电容定片8与电容动片7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。

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分别连接到电容定片8和电容动片7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＝2.2R₄C_X。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。

变面积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：-108°＜θ＜+108°；

(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、一种变面积电容式脉宽调制输出型角位移传感器，包括角位移电容器机械结构部分和角变换电容器电容量测量电路，所述的角位移电容器机械结构部分包括底座(5)、外壳(6)、电容动片(7)和电容定片(8)；其特征在于所述的角位移电容器机械结构部分是由一角位移传动轮(1)通过传动轴(2)带动角位移输出轮(3)，角位移输出轮(3)与电容器主动轮(4)啮合；电容器主动轮(4)固定在电容动片(7)轴上，电容动片(7)与电容定片(8)交叉排列；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即电容动片(7)和电容定片(8)组成的电容与振荡电路相连，振荡电路输出的信号与分频电路相连，分频电路将数据输出用于计数。

2、如权利要求1所述的变面积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电容动片(7)和电容定片(8)两端设有压盖(9)。

3、如权利要求1所述的变面积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外壳(6)内设有角位移电容测量线路板(11)。

4、如权利要求1所述的变面积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电容定片(8)上还设有定片信号引线(10)。

5、按权利要求1所述的变面积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的一端连接在运算器放大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所述的变面积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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