CN1687711A - 数字电容式无电刷型角位移传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字电容式无电刷型角位移传感器，由机械和电气两大环节构成；其中，机械结构主要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)以及转轴等；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。本发明还提供一种采用此种方式的传感器检测角位移的方法。本发明提供的传感器及其检测方法的突出特性是温漂小，具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。

Description

数字电容式无电刷型角位移传感器及其检测方法

技术领域

本发明属于角位移传感器技术领域，具体而言，涉及一种数字电容式无电刷型角位移传感器及其检测方法

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。

(7)电刷型。电容式传感器虽然具有非接触式测量的特点，但在其敏感元件与测量电路的连接上，通常采取通过导线或金属触点直接连接至金属转动极板上，即含电刷设计。如果将其运用于金属管浮子流量计中，由于浮子漂浮在流场中，流场呈湍流状态，浮子受来流速度的变化而改变其平衡位置，即便是来流速度比较平稳时，浮子也将在其平衡位置附近颤动，变化速度是ms级。因此，长此以往，有电刷设计的电容角位移传感器会产生严重的机械磨损，可靠性降低。

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。

(5)克服由于电刷设计而导致的金属管浮子流量计整体使用寿命降低等缺点。

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无电刷型角位移传感器，其产生的角位移信号可以送LCD单元直接显示；也可以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的可编程输入范围内的4～20mA信号。本发明还进一步提出一种利用此种传感器检测角位移的方法。

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 4组分瓣单元A，B，C，D，转动极板7由对项角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6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5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6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。

针对本发明的角位移传感器，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；另一种接口采用通信接口。

本发明还针对此种角位移传感器，建立了下述的检测方法，通过以下步骤完成一次测量循环：

1)智能部件向选择单元输出4种激励模式选择信号中的一种；

2)激励源对选择单元选中的发射极板6进行充放电；

3)接收极板5的有效测量部件H上产生感应电荷；

4)电荷检测电路测量感生电荷大小；

5)智能元件对由电荷检测电路输出的电压信号采样，获得采样值；

6)改变激励模式选择信号，重复上述的1)至5)的步骤3次，共取得在所述的4种激励模式下的4个采样值：m1，m2，m3，m4；

7)计算M₁＝m1-m2，M₂＝m3-m4；

8)根据M₁、M₂的符号和下表，判断偏移角Δθ值

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

9)根据公式 $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{8}\·\frac{M_1-M_2\·\mathrm{sign}\left(M_1{M}_2\right)}{M_1\·\mathrm{sign}\left(M_2{M}_1\right)+M_2}+\mathrm{\Δ\θ}$ 计算角位移θ。

作为优选方案，4种激励模式为L1、L2、L3、L4，不同模式选通发射极板6的A、B、C、D的不同分瓣单元，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；对上述选通的分瓣单元施以相同的高频脉冲激励，对未选通的分瓣单元置低电平。由程序根据电荷检测电路的充放电时间常数和采样值的稳定性判据，自动调节4种模式的周期长短。

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，金属材质的转动极板7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

图11本发明的程控激励模式

图12本发明的敏感元件象限判断准则示意图

图13本发明的电荷检测电路原理图

图14本发明的角度计算与象限判断子程序流程图

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6的4组分瓣单元A，B，C，D的激励信号线、接收极板6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5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7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模块输出特定激励模式的激励信号给选择单元，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。

参见角度计算与象限判断子程序流程图，即图14，本实施例的激励模式共有L1、L2、L3、L4四组，时序由单片机的定时器TimerA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。

角度计算公式根据转动极板7为金属材质，且为悬空设计(亦称无电刷设计)的硬件设计而建立，方法如下：

四个激励模式下对应的感生电荷值分别为m1，m1，m2，m2，参照图5，转动极板7在0～180°内转动，根据区域位置不同，将其划分为4个区间，即四个象限，且进行如下定义：在每个象限内，转动极板7逆时针方向转动；以每个象限的22.5°，即该分瓣45°的角平分线处定义为当前象限的“起始角度”，约定为当前象限的“0°”度；规定以第一个象限的“0°”之前的22.5°为180°测量范围(全局)的0°起始点；由此，从第一象限到第四象限，每个象限相对于全局零点的偏移角度定义为Δθ，则偏移量分别是π/8、3π/8，5π/8，7π/8；将转动极板7相对于当前象限内的“0°”线转过的角度定义为θ₁；则对于整个180°测量范围的0°起始点，动片转过的角度为θ＝θ₁+Δθ；对于平行板电容器，其电容值大小正比于有效电容面积，因此接收极板5上形成的感生电荷也正比于此电容面积。设每个分瓣单元的面积为F(即45°扇形面积)，转动极板7边缘与当前象限角平分线形成的面积，即未被覆盖的面积设为A(θ₁扇形面积)，则施加激励后在接收极板5上产生的感生电荷由两部分组成，其中之一正比于未被覆盖的面积2(F/2+A)，另一部分正比于已被覆盖的面积2(F/2-A)。若转动极板7为金属材质，且若电气接地设计时，则接收极板5上被覆盖的面积——2(F/2-A)中的感生电荷为零，即电荷被接地的金属转动极板7屏蔽；反之，若改为电气悬空设计，则不为零。固本设计中采取金属转动极板7悬空设计的无电刷思想，既避免了因电刷而产生的机械磨损，又有利于提高测量信号的灵敏度。令系统的增益误差系数为λ₁、λ₂，系统的偏移误差为ξ，则4个激励模式下对应的感生电荷的计算公式：

L1：m1＝λ₁×2(F/2+A)+λ₂[2F+2(F/2-A)]+ξ    (1)

L2：m2＝λ₁[2F+2(F/2-A)]+λ₂×2(F/2+A)+ξ    (2)

L3：m3＝λ₁[2F+2(F/2+A)]+λ₂×2(F/2-A)+ξ    (3)

L4：m4＝λ₁×2(F/2-A)+λ₂[2F+2(F/2+A)]+ξ    (4)

其中，λ₁＝ε/d₁，λ₂＝ε/d₂，ε是空气的介电常数，d₁，d₂是发射极板6和接受极板5之间的有效距离，当有转动极板7遮挡时，d₂＝d₁-δ，δ是金属转动极板7的厚度，设M₁＝m1-m2；M₂＝m3-m4，则

M₁＝m1-m2＝λ₁(4A-2F)+λ₂(2F-4A)＝2(F-2A)(λ₂-λ₁)     (5)

M₂＝m3-m4＝λ₁(2F+4A)+λ₂(-2F-4A)＝2(F+2A)(λ₁-λ₂)    (6)

由(5)，(6)可以得到

A＝M₁+M₂/8(λ₁-λ₂)；F＝M₁-M₂/4(λ₂-λ₁)           (7)

因旋转角度与有效面积成正比，故有

θ₁＝π·[(M₁+M₂)/(-M₁+M₂)]/8                          (8)

θ₁是转动极板7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：θ₁

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{8}\·\frac{M_1-M_2\·\mathrm{sign}\left(M_1{M}_2\right)}{M_1\·\mathrm{sign}\left(M_2{M}_1\right)+M_2}+\mathrm{\Δ\θ}---\left(9\right)$

总结上述公式，可以得到金属转动极7悬空设计时的象限判断标准，参见上面对技术方案进行描述时列出的表。

本发明的意义可从以上角度计算公式的推导过程中看出，在计算结果中消除掉了系统的增益误差λ₁、λ₂，以及偏移误差ξ，因此可在相当程度上补偿电气误差，如放大电路的增益误差、电子器件的影响等；补偿机械误差，如安装时的轴向偏移，极板倾斜等的影响；同时对环境温度、潮湿、灰尘等共模干扰具有良好的抑制作用；转动极板7的悬空设计思想，在提高了测量灵敏度的同时，转动轴与地之间不再需要电刷方式连接，从根本上消除了机械磨损，提高了系统的可靠性和鲁棒性。

本实施例中，由于敏感元件的电容值非常小，极板7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。

参照附图11，本实施例中，由程序根据电荷检测电路充放电时间常数、A/D转换时间和采样信号的稳定性判据，自动控制4种模式的周期长度，故又可称为程控激励模式。当被选中单元施加激励后，产生的感生电荷流入电荷检测电路，当充放电时间常数一定时，电荷检测电路上的输出电压稳定、硬件滤波后(总计时间T₁)，立即启动A/D进行采样(即T_A/D时刻开始采样)，为提高精度，采样次数提高为n次，当n次AD采样结束时，送入滤波单元评定n次采样信号的稳定性，若满足设计要求，则通过单片机程序控制I/O单元，强迫中止对被测电容的选通，同时使被测电容发射极板6上的激励中断，并强制拉回低电平，即程序可控时间为T₂；这种程控激励模式的设计不仅充分节约了时间，提高了采样精度，而且有效降低了传感器功耗。

参考附图13，本实施例中激励源输出频率为640K、幅值为3.3V的方波信号，由640KHz晶振、反相器G1、电阻R14、电容C16和C17组成；该信号用以控制电路中K1，K2，K3，K4模拟开关的交替导通和截至，K₁、K₂的控制时序相同，与K₃、K₄相，通过反向器G2和G3保证；为保证K₂、K₄充分导通，额外附加了延时电路，分别由D₃、R₁₅并联及D₄、R₁₆并联构成；开关的输入端分别接电源和地；在每个充放电周期内，电容充电后在接收极板5上产生的感生电荷，通过运算放大器的反馈电阻R₁₆、R₁₇和反馈电容C₁₉、C₂₀放电，并在运放的输出端产生一个输出电压Vo，该电压与被测电容C_x、反馈电阻R₁₉//R₂₀和充放电频率f成正比，即，Vo＝f×(R₁₉//R₂₀)×C_x×Vcc。在本实施例中，通过调整传感器电荷检测电路的反馈电阻和反馈电容即可实现理想输出。

参照附图13，本实施例中，根据所述的程控激励模式对被测电容某组单元进行有序选择激励，这一功能由单片机4路I/O控制4个单刀双掷模拟开关实现，即在电气信号连接上将4路IO输出信号分别接入多路单刀双掷开关(Q1、Q2、Q3、Q4)的4个控制端(连线端子标记为S1～S4)；根据激励模式，单片机I/O口输出高低变化电平，多路单刀双掷开关各自独立判断选通单元：高电平选通，低电平截至，同时对选中单元施加激励，进行充放电，后经电荷检测电路获得与被测电容成正比的电压输出信号；而未被选中的电容单元接地，激励源不对其进行施加激励，因此接收极板5与此单元相对应的感生电荷量为零。多路单刀双掷开关芯片中，每个开关的一端与发射极板6的A、B、C、D单元之一相连，另一端接入“激励源”。

参考图4～图8，本实施例中，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。

本发明的角位移传感器，实施例2参见图9和图10，实施例2的机械部分与实施例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。

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11，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。

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、测量方法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。

数字电容式超低功耗无电刷型角位移传感器的优点为：结构精巧，造价适中，无需温度补偿、电池供电、无电刷设计。本实施例制作的电容式角位移传感器具有以下特性：

(1)无电刷，耐磨损，寿命长；

(2)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；

(3)在一定程度上能够克服轴向偏移、倾斜引起的测量误差；

(4)电磁兼容性好；

(5)角位移的输入范围在：0～180°；

(6)超低功耗，电池供电500μA。

(7)响应速度快，每秒钟的角度计算次数可达到500次；

(8)串行通讯，数字信号远传；

本发明可广泛应用于军事、工业、民用等用于角度定位监控系统之中，如海上与空中航行器的定位，汽车方向的控制、管道阀门开度的监测与控制等领域。另外，还可用于将直线位移转换为角位移的测量领域，如作为金属管浮子流量计中的转换器。

Claims (10)

1、一种数字电容式无电刷型角位移传感器，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所述的数字电容式无电刷型角位移传感器，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，两者之间设置有绝缘套和绝缘垫。

3、根据权利要求1所述的数字电容式无电刷型角位移传感器，其特征在于，在所述的接收极板、发射极板、转动极板三者中，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，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所述的数字电容式无电刷型角位移传感器，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。

5、根据权利要求1所述的数字电容式无电刷型角位移传感器，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。

6、根据权利要求1所述的数字电容式无电刷型角位移传感器，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。

7、根据权利要求1所述的数字电容式无电刷型角位移传感器，其特征在于，所述接口部件为通信部件。

8、一种使用权利要求1-7所述的任意一种的角位移传感器检测角位移的方法，其特征在于，通过以下步骤完成一次测量循环：

a)智能部件向选择单元输出4种激励模式选择信号中的一种；

b)激励源对选择单元选中的发射极板进行充放电；

c)接收极板的有效测量部件(H)上产生感应电荷；

d)电荷检测电路测量感生电荷大小；

e)智能元件对由电荷检测电路输出的电压信号采样，获得采样值；

f)改变激励模式选择信号，重复上述的a)至e)的步骤3次，共取得在所述的4种激励模式下的4个采样值：m1，m2，m3，m4；

g)计算M₁＝m1-m2，M₂＝m3-m4；

根据M₁、M₂的符号和下表判断偏移角Δθ值； 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

h)根据公式计算角位移θ。

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{8}\·\frac{M_1-M_2\·\mathrm{sign}\left(M_1{M}_2\right)}{M_1\·\mathrm{sign}\left(M_2{M}_1\right)+M_2}+\mathrm{\Δ\θ}$

9、根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述的4种激励模式为L1、L2、L3、L4，不同模式选通发射极板A、B、C、D的不同组分瓣单元，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；对上述选通的分瓣单元施以相同的高频脉冲激励，对未选通的分瓣单元置低电平。

10、根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，由智能元件的运行程序根据电荷检测电路的充放电时间常数和采样值的稳定性判据，自动调节4种模式的周期。

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