CN1687710A

CN1687710A - 数字电容式交变可编程输出型角位移传感器

Info

Publication number: CN1687710A
Application number: CN 200510013574
Authority: CN
Inventors: 徐英; 张涛; 李刚; 孙宏军; 李巧珍; 陈得余; 刘金川; 魏惠兰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: CN100365388C

Abstract

本发明涉及一种数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，由机械和电气两大环节构成；其中，机械结构包括电容角位移传感器敏感元件(由发射极板、转动极板、接收极板组成)、旋转轴、轴承、本体和外罩等；电气结构包括测量部件(由选择单元、激励源和电荷检测电路组成)、智能部件(由I/O单元、A/D单元、滤波单元、计算单元组成)和接口部件。工作原理是传感器转轴的转动带动位于发射和接收极板之间的转动极板与之同步旋转，输入信号是反映角位移大小的几何机械量，该机械量的变化引起敏感元件电容值的变化，经电荷检测电路测量，获得与输入电容大小成线性关系的电压信号。本发明的传感器的突出特性是交变可编程模拟输出工业标准信号、温漂小，具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。

Description

数字电容式交变可编程输出型角位移传感器

技术领域

本发明属于智能传感器技术领域，具体而言，涉及一种数字电容式角位移传感器

背景技术

传统的金属管浮子流量计属于纯机械式，通过电磁感应耦合和机械连杆机构带动指针显示或者远传机构向远端传输。随着电子技术的进步，材料科学、计算机技术的发展，出现了电容式角位移式金属管浮子流量计，其原理是将浮子直线位移的变化转换为外部连杆角度的变化，而角度的变化又转化为电容值的变化，即通过检测电容来测量浮子的位置，最终获得流量。其核心部件为电容式角位移传感器。

一般来说，电容式角位移传感器用于测量固定部件(定子)与转动部件(转子)之间的旋转角度，因其具有非接触式测量、动态响应好、适应恶劣环境等优点而广泛应用于航行器、汽车、航天、管道阀门定位等领域的角度监测系统中。其基本原理是：待测电容值的大小与机械旋转角度成正比，即由于转子旋转角度的变化，导致被测电容有效测量面积的不同，因此电容值的大小不同，通过测量电容值的大小可得到转子角度的相对变化。尽管这一原理非常简单，但在应用中出现的一些实际问题，影响到这种传感器的应用与推广。问题主要包括：

(1)测量范围有限。传统的电容角位移传感器的测量角度一般由定子和转子的每瓣角度值决定，测量范围有限，一般为360°/n(n为定子的分瓣数)，难以适应不同角度围测量的需求。如果将其运用于金属管浮子流量计中，不同口径和流量范围对应的浮子的直线位移也不相同，导致电容传感器角度变化范围不同。因此，为适应流量测量范围的不同需求，需经常改变电容传感器敏感元件的拓扑结构，这就增加了整体设计的复杂性。

(2)非线性。由于上述原理是基于平行板电容器的，而只有平行板面积无限大时才是理想，测量时才不会在边缘处形成非线性电场，即无电场边缘效应存在。在实际设计中，由于几何结构的限制，电容面积往往很小，因此在其边缘处会表现出明显的非线性特性。如果将其运用于金属管浮子流量计中，则不可避免地会将非线性叠加入该系统之中，导致整体系统的非线性加剧(由于流量传感器单元本身二次项的存在；即已经存明显的非线性特性)。

(3)温漂大。电容传感器的温度特性通常并不理想，当环境温度变化时，敏感元件、电子器件本身的温度特性会影响到传感器的性能，例如，由于环境温度变化而导致的电容极板面积的改变、极板厚度的热胀冷缩、动静极板间隙的变化，同时介电常数也会随温度而改变，这些因素将直接导致电容计算值的波动；另外，电子器件温漂指标的好坏也会直接影响到测量准确度及使用范围。如果将其运用于金属管浮子流量计中，由于金属管浮子流量计的应用现场情况复杂，如，同一地域室内室外温度不同、昼夜温度不同、春夏秋冬环境温度不同，另外，不同地域温度差异更大，为保障整体系统的输出信号稳定、工作点稳定，要求电容传感器的温度特性稳定，漂移小。

(4)功耗大。难以实现电池供电。如果将其运用于金属管浮子流量计中，现场显示型的数字流量计一般需要电池供电，这就要求与之配套的核心单元，即电容角位移传感器具有较低的功耗。

(5)模拟式。不具有嵌入式微处理器，只有模拟信号输出，无法实现数字显示和与其它仪器仪表直接进行数字信号通讯。

(6)输出形式单一，使用不便。有些模拟式电容角位移传感器虽然可以输出4～20mA的工业标准信号，却无法根据测量角的量程变化进行任意编程，即不能针对于不同的角度变化范围进行编程，达到输出同样的4～20mA的目的。如果将其直接应用到金属管浮子流量计中，计量精度难于保证。因为流量计的口径不同、流量范围不同，浮子的直线位移也不相同，因此导致作为机电转换核心部件的电容角位移传感器的角度变化范围也不同。

上述问题的存在与电容式角位移传感器的测量原理、敏感元件的拓扑结构、激励模式的设计、动静极板材料甚至转轴的材料、电子元器件以及嵌入式微处理器的性能，甚至软件设计思想等均有关系。这些因素均在不同程度上限制了传感器性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述金属管浮子流量计中已有的电容式角位移传感器的缺点：

(1)克服根据金属管浮子流量计中浮子的直线位移而设计电容式角位移传感器敏感元件拓扑结构的缺点；

(2)克服由于电容角位移传感器的非线性导致金属管浮子流量计整体系统非线性叠加的缺点；

(3)克服在恶劣现场长期运行中，因其温漂特性而导致的整体系统输出信号漂移、信噪比降低、工作点不稳定等缺点；

(4)克服功耗大、模拟输出、输出形式单一等制约其在金属管浮子流量计中的广泛使用等缺点。

为此，本发明提供一种超低温漂、超低功耗、具有较好线性度和灵敏度、测量范围180°、鲁棒性好的数字电容式交变可编程输出型角位移传感器。其信号可送LCD单元直接显示；也可输出对应标准角度输入的4～20mA工业标准信号，或者输出根据实际需要的可编程输入范围内的4～20mA信号。

本发明是通过下述的技术方案实现的：

本发明包括转轴11，平行地套设在转轴11上的接收极板5、发射极板6、转动极板7，转动极板7位于中间，与转轴11固定连接，与发射极板6和接收极板7间隙均小于0.5mm；发射极板6分成8等分，每瓣角度为45°，对顶角电气相连，共计A、B、C、D四组分瓣单元A，B，C，D，转动极板7由对顶角90°的两瓣板构成，接收极板7上设置有感生电荷的有效测量部件H。安装在电气组合件19内的测量部件、智能部件、接口部件。测量部件包括选择单元、激励源、电荷检测电路；选择单元用以根据智能部件输出的激励模式选择信号，选通所要激励的发射极板的单元组，控制激励源对发射极板的充放电时间。接收极板5上设置有与电荷检测电路的输入端相连的有效测量部件H，电荷检测电路的输出端与智能部件相连接，智能部件与接口部件相连接。

作为优选方案，转轴11与转动极板7由相同的具有低膨胀特性的金属材质构成，两者之间设置有绝缘套和绝缘垫。

作为进一步的优选方案，在接收极板5、发射极板6、转动极板7之中，转动极板7半径最大，发射极板6有效面半径次之，接收极板7有效面半径最小。有效测量部件H为中央圆环，发射极板6上也设置有中央圆环，其半径大于接收极板上作为有效测量部件H的中央圆环的半径；发射极板6和接收极板5的相背面，以及两者相对面的上述的两个中央圆环内外侧均设置有接地保护环E。

测量部件与发射极板6和接收极板5之间设置用以实现电气连接的6组金属插针，6组插针包括发射极板的4组分瓣单元A，B，C，D的激励信号引线、接收极板5上的有效测量部件H的引线以及发射极板6和接收极板5上的接地保护环E的公共引线。

针对本发明，设计了两种形式的接口，一种接口包括显示单元、输出单元和输入单元，由输出单元将来自智能部件的数字信号转换为4-20mA标准模拟信号，通过输入单元选择角度量程范围，或设定始动角、最小和最大测量角度，还可以实现交变可编程输出；另一种接口采用通信接口。

本发明的电容式角位移传感器，与现有技术相比，其有益效果在于：

作为敏感元件的发射极板6和接收极板5均为温度特性良好的光铜覆沉金材质的PCB板制作而成，且其表面无附加氧化层；转动极板7材质为具有低膨胀特性的金属材料；为保证膨胀特性的一致性，转轴11材料的选择与转动极板7完全相同；在空间位置上，转动极板7位于发射极板6和接收极板5之间，彼此间隙为0.5mm以下，三者严格同轴平行安装；在电气设计上，转动的金属极板采取电气悬空设计思想，即与电子线路的信号“地”无任何“触点”连接，且通过绝缘套16和绝缘垫17与转轴11电气隔绝；按照特殊编码激励模式，推导角度计算公式和角度象限判断准则；这种设计的特点是：其一，不存在任何机械损，使用寿命延长；其二，所获得的角度计算公式仅适用于转动极板7为金属材质，且无电刷设计的具体条件；其三，灵敏度明显高于金属转动极板7接地设计或者用非金属材质制作而成的传感器；其四，光铜覆沉金材质以及低膨胀合金材质的选用，使得传感器的温漂指标进一步降低，保障实现系统超低温漂的设计目的；其五，通过对特殊编码激励信号的调制，可大幅度降低系统功耗，实现超低功耗和电池供电的设计目的。

附图说明

图1本发明的机械部分结构图

1、外罩 2、压紧螺母 3、垫圈 4、绝缘垫 5、接收极板 6、发射极板 7、转动极板 8、本体 9、顶丝 10、垫圈 11、轴 12、轴承 13、轴承 14、固定螺丝 15、定位销 16、绝缘套 17、绝缘垫 18、螺母 19、电子组合件

图2本发明的敏感元件图

11、转轴 5、接收极板 6、发射极板 7、转动极板

图3本发明的实施例1的电气系统原理框图

图4智能部件原理图

图54～20mA模块原理图

图6LCD模块原理图

图7小键盘模块原理图

图8JTAG接口原理图

图9本发明的实施例2的电气系统原理框图

图10本发明的实施例2的通讯接口电路原理图

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：

本发明实施例1的数字电容式角位移传感器是一种交变可编程输出型角位移传感器，其机械部分按照图1制作，敏感元件部分按照图2制作，电气部分按照图3～图8制作。

参照附图1，所述的传感器的机械部分包括：外罩1、本体8、发射极板6、接收极板5、转动极板7、转轴11、轴承12与13等关键部件；同时还包括压紧螺母2、垫圈3与10、绝缘垫6、顶丝9、固定螺丝14、定位销15、绝缘套16、绝缘垫17和螺母18等附属零件；其中关键装配环节是接收极板5、发射极板6、转动极板7的平行、同轴、同心安装，保证彼此互不摩擦且间隙尽量小；转动极板7固定装配在转轴11上，两者均为低膨胀特性的金属材质，但依靠绝缘套16和绝缘垫17实现彼此绝缘；通过双轴承12和13支撑转轴11，防止其倾斜，同时为节省空间采取在中间点支撑的方式，轴承12和13采用间隙小、灵敏度高、耐磨损、低膨胀的精密微型陶瓷轴承；接收极板5与发射极板6通过绝缘垫4与金属外罩隔绝，其间隙通过垫圈3保障，并通过压紧螺母2将其紧锢；通过螺母18压紧绝缘垫17，从而紧锢转动极板7。

该传感器的电气部分安装在敏感元件上方的电子组合件19内，涵盖全部的测量电路、智能部件以及接口部件；所述的接收极板5与发射极板6通过6组共计12个金属插针实现与电子组合件19的电气连接，此6组插针均匀分布在敏感元件的圆周上。

参照附图2，所述的6组插针包括发射极板的4组分瓣单元A，B，C，D的激励信号线、接收极板上感生电荷的测量部件H的引线以及两极板上的屏蔽电磁干扰作用的接地保护线E。

敏感元件拓扑结构可实现测量范围为180°；转动极板7为对顶角90°的两个扇形单元构成；发射极板6外形为圆形，内外侧设计有接地保护环E，中央圆环部分，即作为被测电容的激励端，在结构设计上将其分割为8等分，每对顶角两瓣采用过孔连线方式相连，即在电气上分为A、B、C、D共4个组成部分；圆形接收极板用于收集感生电荷，其上的中央圆环为有效感应面积，作为感应电荷有效测量部件H，中央圆环的内外侧同样设计有接地保护环E。为提高电磁兼容性和减小电场的边缘效应，发射极板6上也设置有中央圆环，其半径应大于接收极板5的中央圆环的半径，同时，确保转动极板5的半径最大。

参照附图3，本实施例中，所述的电气系统部分包括敏感元件、测量部件、智能部件、接口部件；智能部件选用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149。该单片机拥有包括A/D、硬件乘法器在内的丰富的外围模块，是硬件功能实现的核心部件，从根本上保障了低功耗设计，其主要工作模块包括I/O模块、A/D模块、滤波模块、计算模块；由I/O模块输出某种激励模式给选择单元，即信号S1、S2、S3、S4；选择单元根据激励信号S1、S2、S3、S4高低电平的变化决定是否选中发射极板6上的A、B、C、D子单元，若被选中，则由激励源对其施加频率为640KHz的激励；与此同时，在接收极板5上形成感生电荷，其大小由电荷检测电路进行测量，且该电路的输出电压与被测电容值成正比，将电压信号接入智能部件的A/D采样单元进行采样，经滤波模块滤波后，进入计算模块，完成对转动极板7的旋转角度的计算。

本实施例中，激励模式共有L1、L2、L3、L4四组，时序由单片机的定时器Timer A定时中断产生，定时中断为1ms，分别经所述智能部件的4路I/O输出，用以选通发射极板A～D四对中的两对；高电平选通，低电平截止；当为L1模式时，A、B选通，C、D截止；L2模式时，C、D选通，A、B截止；L3模式时，A、D选通，C、B截止；L4模式时，C、B选通，A、D截止；L1～L4激励模式下，A/D采样值分别为m1，m2，m3，m4。角度的计算公式基于此4组采样值分析计算得到。

设M₁＝m1-m2；M₂＝m3-m4，θ₁是转动极板分别在1，2，3，4象限内相对于各自的0°线所转过的角度。因此相对于全局“0°”线，转过的角度应为：

θ = \frac{π}{8} \cdot \frac{M_{1} - M_{2} \cdot sign (M_{1} M_{2})}{M_{1} \cdot sign (M_{2} M_{1}) + M_{2}} + Δθ

其中，Δθ值下表判断。

象限	1	2	3	4
象限	1	2	3	4	判断标准	M₁≥0，M₂＜0	M₁＜0，M₂≤0	M₁≤0，M₂＞0	M₁＞0，M₂≥0
偏移角Δθ	π/8	3π/8	5π/8	7π/8	判断标准	M₁≥0，M₂＜0	M₁＜0，M₂≤0	M₁≤0，M₂＞0	M₁＞0，M₂≥0
偏移角Δθ	π/8	3π/8	5π/8	7π/8	θ1*8/π	(+M₁+M₂)/(-M₁+M₂)	(+M₁-M₂)/(M₁+M₂)	(+M₁+M₂)/(-M₁+M₂)	(+M₁-M₂)/(+M₁+M₂)

本实施例中，由于敏感元件的电容值非常小，极板转动时，引起电容的变化仅有几pF，所以对微小电容变化量的检测是关键，否则电路中的分布电容和杂散电容会将有用信号淹没。本实施例中，利用S.M.HUANG的基于充放电原理的微小电容检测电路消除电路中的杂散电容和分布电容，利用微分方程的数值解法实现针对具体被测电容的电路网络参数的优化设计。

参考图4～图8，本实施例中，所述的智能部件利用了超低功耗单片机MSP430F149，与外围电路模块的接口设计分别为：4路激励模式控制输出端口S1、S2、S3、S4；一路AD-IN信号采样输入端口；驱动LCD的输出接口P0～P17；与AM402的接口；K1-K3小键盘接口；JTAG接口TDO、TDI、TMS、TSK；

单片机内部的定时器B用于实现PWM脉冲宽度调制信号输出，该信号与二阶无源滤波器连接，由R3、C6与RW2、C7构成，其输出信号与电压-电流(V-I)转换模块连接：V-I转换模块由AM402及其外围电路构成，包括电阻R4、R5、R6、R7、R8、电位器RW1、三极管Q1和二极管D2，最终将PWM信号转换为4～20mA工业标准信号输出；AM402管脚16输出电压为5V，通过π型滤波器(电感L2、电容C8、c9)与芯片AAT3221管脚1相连；AAT3221为降压芯片，输出3.3V电压，该电压作为MSP430F149的供电电源，其外围电路包括所述的π型滤波器和电阻R9。

本实施例中，交变可编程输出功能是通过用于人机交互的键盘设定的，并由程序控制实现的；具体分为两种模式，其一为标准模式、其二为随机模式；所述的标准模式含义为输入角度量程范围在0～45°；0～90°；0～180°时，均可对应输出4～20mA标准信号，根据需求利用键盘选择某一范围；所述的随机模式为对于不确定的静态工作点，例如始动角度为任意值，工作范围不定，则可现场在线标定具体的使用量程，通过键盘确定最大与最小测量角度，给出与现场条件相吻合的4～20mA标准输出信号，即达到交变可编程输出信号的目的。

参考附图4，本实施例中，微处理器MSP430的A/D模块是12位精度，容易受干扰。传感器电气系统内既有A/D模拟信号，又有I/O控制信号输出等数字信号，故在本传感器中对电源和地分为两类——即数字式和模拟式：电源包含模拟电源AVCC和数字电源DVCC：地包含模拟地GND和数字地DVSS，两者分别通过零欧姆和磁珠相连，这样既可保证两者电位相同，又可以有效的抑制数字量对模拟量的干扰，有利于提高A/D采样精度。

数字电容式交变可编程输出型角位移传感器的优点为：结构精巧，造价适中，输出工业标准信号且可编程，可实现电池供电，无需温度补偿。

本实施例制作的电容式角位移传感器具有以下特性：

(1)旋转角度的标准测量范围：0～45°；0～90°；0～180°；

(2)随机测量范围：可编程，任意角度范围；

(3)回差：≤0.5％；

(4)可编程标准模式输入时，对应输出4～20mA；

(5)可编程随机模式输入时，对应输出4～20mA；

(6)输出电流波动度(峰峰值)(供电电压：6～35V)：≤0.04％P.P.

(7)LCD显示输出角度测量值，分辨率0.001°；

(8)响应速度：700μS；

(9)信号制式：2线制；

(10)附加小键盘，操作方面灵活；

(11)对温度、湿露、灰尘等共模信号的影响具有良好的抑制作用；无需附加温度补偿环节；

(12)在一定程度上能够克服轴向偏移、倾斜引起的测量误差；

(13)传感器电磁兼容性设计良好；

本发明的实施例2参见图9和图10，其机械部分与实施例1相同，电气部分也基本相同，所不同的是实施例2是将由智能部件输出的角位移数字信号通过通信接口发送到上位机，并通过与上位机之间的通信实现量程的可编程调节。

参见图10，串行通讯单元由MAX3232芯片及外围电路构成，与单片机的接口分别为RXD、TXD和SS，其特点是利用MSP430单片机丰富的I/O口线(本实施例中为SS)实现与MAX3232的硬件握手。

需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本实用新型的范围内。

Claims

1、一种数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，包括：

转轴，同轴平行地套设在转轴上的敏感元件：接收极板、发射极板、转动极板，其中转动极板位于中间，与转轴固定连接，与发射极板和接收极板的间隙均小于0.5mm；

发射极板分成8等分，每瓣角度为45°，对顶角电气相连，共计A、B、C、D四个单元组，转动极板由对顶角90°的两瓣金属极板构成，接收极板上设置有接受感生电荷的有效测量部件(H)；

安装在电气组合件内的测量部件、智能部件、接口部件；

测量部件包括选择单元、激励源、电荷检测电路；

选择单元根据智能部件输出的激励模式，选通所要激励的发射极板的单元组，控制激励源对发射极板的充放电时间；

接收极板上设置有与电荷检测电路的输入端相连的有效测量部件(H)，电荷检测电路的输出端与智能部件相连接，智能部件与接口部件相连接。

2、根据权利要求1所述的数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，在所述的接收极板、发射极板、转动极板之中，转动极板半径最大，发射极板有效面半径次之，接收极板有效面半径最小。

3、根据权利要求1或2所述的数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，所述的有效测量部件(H)为中央圆环，发射极板上也设置有中央圆环，其半径大于接收极板上作为有效测量部件(H)的中央圆环的半径；发射极板和接收极板的相背面，以及两者相对面的上述的两个中央圆环内外侧均设置有接地保护环(E)。

4、根据权利要求1所述的数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，其特征在于所述转轴与所述转动极板由相同的具有低膨胀特性的金属材质构成，两者之间设置绝缘套和绝缘垫。

5、根据权利要求1或2所述的数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，其特征在于所述发射极板和所述接收极板均为光铜覆沉金材质的PCB板。

6、根据权利要求1所述的数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，其特征在于所述转轴上架设有位于中部支撑点的双轴承，其上设置有顶丝。

7、根据权利要求1所述的数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，其特征在于所述测量部件与所述发射极板和所述接收极板之间设置用以实现电气连接的6组金属插针，6组插针包括所述发射极板的4组分瓣单元A，B，C，D的激励信号引线、所述接收极板上的有效测量部件(H)的引线以及所述发射极板和所述接收极板上的接地保护环(E)的引线。

8、根据权利要求1所述的数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，其特征在于所述接口部件包括显示单元、输出单元和输入单元，由输出单元将来自智能部件的角度信息的数字信号转换为4-20mA标准模拟信号。

9、据权利要求8所述的数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，其特征在于，通过输入单元选择角度量程范围，或设定始动角、最小和最大测量角度，实现交变可编程输出。

10、根据权利要求1所述的数字电容式交变可编程输出型角位移传感器，其特征在于所述接口部件为通信部件。