CN202692936U - 一种转角测量装置 - Google Patents

Abstract

一种转角测量装置包括向转角传感器提供激励信号的激励电源E，转角传感器将转角转换成电压信号A、B，它由电容值可变的可变电容器C1、C2和电容值固定的电容器Ca、Cb构成；包括对电压信号A、B进行阻抗变换的电压跟随器A1、A2，将电压跟随器A1、A2输出的电压信号转换成数字信号的模数转换器M1、M2，对数字信号进行运算处理的数据处理器；以及为电压跟随器提供工作电源的运放电源；其特征是：所述的激励电源E为直流稳压电源，所述的电压跟随器A1、A2由高输入阻抗的运算放大器构成。该测量装置的测量电路构成简单，制造成本较低，并且具有较高的转角转换精度和抗电磁干扰性能。

Description

一种转角测量装置

技术领域

一种转角测量装置，包括可变电容器，电容-电压转换电路，模数转换电路，数据处理电路，可变电容器的转轴转动时其电容值可产生与转轴的转角值相对应的变化，可变电容器的转轴与被测旋转物体连接，用于检测旋转物体的旋转角度。

背景技术

通常使用光学编码器、旋转变压器来将旋转物体的转角转换成相应的电信号，再将电信号的数据进行处理，得出相应的转角；光学编码器在高温、严寒、潮湿、高速、高震动的场合无法正常工作，而且光学编码器价格较高，应用领域受到限制；旋转变压器可在恶劣的环境下工作，具有较强的抗干扰性能和较高的转换精度，但与旋转变压器配套的高频激励信号发生电路、测量电路价格较高，增加使用成本。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种转角测量装置，该测量装置的测量电路构成简单，制造成本较低，并且具有较高的转角转换精度和抗电磁干扰性能，其技术方案是：包括向转角传感器1提供激励信号的激励电源E，转角传感器1将转角转换成电压信号A、B，它由电容值可变的可变电容器C1、C2和电容值固定的电容器Ca、Cb构成；包括对电压信号A、B进行阻抗变换的电压跟随器A1、A2，将电压跟随器A1、A2输出的电压信号转换成数字信号的模数转换器M1、M2，对数字信号进行运算处理的数据处理器；以及为电压跟随器提供工作电源的运放电源；

所述的可变电容器C1、C2的动片31、32安装在一转轴4上，转轴4与被测旋转物体连接，动片31、32与转轴4同步旋转；可变电容器C1的定片41和可变电容器C2的定片42固定不动；动片随转轴4旋转时，动片与定片的重合面积发生周期性变化,其变化曲线呈线性；所述的可变电容器的电介质为空气；

所述的电容器Ca的一端与可变电容器C1的定片41电连接，其连接点为电压信号A的输出端；所述的电容器Cb的一端与可变电容器C2的定片42电连接，其连接点为电压信号B的输出端；电容器Ca、Cb的另一端相连，其连接点为激励电源E输入端S；可变电容器C1、C2的动片31、32与激励电源E的地端D电连接；

其特征是：所述的激励电源E为直流稳压电源，所述的电压跟随器A1、A2由高输入阻抗的运算放大器构成，其反相输入端与输出端连接，其同相输入端分别与电压信号A、B的输出端连接。

其有益效果是：现有技术的直流稳压电源技术成熟，稳压效果也相当好，本实用新型的激励电源为直流稳压电源，与旋转变压器所采用的高频（7KHz）电压的激励电源相比制造成本大大降低（旋转变压器的激励电源必需为高频交流电压），同时采用直流稳压电源可省去后级的检波电路、解调电路，另外采用直流稳压电源不会产生由电源本身带来的高频信号噪声干扰，检测的转角信号在传输过程中也不受传输导线的寄生电容影响，因此具有较强的抗干扰性能。

为适应检测高速旋转物体的转角，本转角测量装置还包括一泄流电路2，所述的泄流电路由电阻R1、R2、R3，电位器RW，稳压管DW，电容C3、三极管T1构成；电阻R1与稳压管DW串联；电位器RW与电阻R3串联；电位器RW的滑臂端通过电阻R2与三极管T1的基极连接，三极管T1的发射极接到电阻R1与稳压管DW的连接点；电阻R1的一端、电位器RW的一端以及三极管T1的集电极接激励电源E输入端S；稳压管DW的阳极、电阻R3的一端接到地端D；电容C3的正极接激励电源E输入端S，电容C3的负极接到地端D。

为更好补偿环境温度、湿度变化对转角信号的影响，电容器Ca、Cb，为空气电介质电容器。

为方便使用和防止电磁干扰，所述的转角传感器1、电压跟随器A1、A2、泄流电路2，安装在一金属壳体3内。激励电源E的输入导线、运放电源的输入导线、电压跟随器A1、A2的输出导线从壳体3内引出。

本实用新型的有益效果是：1、传感器的结构采用金属材料来制造实现的，因此可在恶劣的环境中使用，可靠性好，使用寿命长；2、传感器构成的电气电路形式为电容器与可变电容器串联电路，其输出的信号经电容元件分压形成，电容器和可变电容器的电介质均为空气，因此传感器输出的电压信号不受环境温度、湿度变化的影响； 3、该传感器输出转角信号为电压信号，可瞬时测量电压信号的幅值来确定转角的角度，现有模数转换电子模块的采样周期可在50ns以下，因此该传感器可检测高速旋转物体高的转角； 4、所使用传感器制造成本低；与转角传感器配套的测量装置的电子元件性能稳定、价格较低，因此转角测量装置制造成本相应也低。

附图说明

图1为本实用新型的转角测量电路原理图。

图2为本实用新型的传感器结构示意图。

图3为可变电容器的电容值与转角关系曲线图。

具体实施方式

现对照附图说明本实用新型的转角测量电路的构成与原理。

图1所示的转角测量电路包括：

向转角传感器1提供激励信号的激励电源E，激励电源E为直流稳压电源；

将转角转换成转角电压信号的转角传感器1，转角传感器1由电容值可变的可变电容器C1、C2和电容值固定的电容器Ca、Cb构成；所述的电容器Ca的一端与可变电容器C1的定片32电连接，其连接点为电压信号A的输出端；所述的电容器Cb的一端与可变电容器C2的定片42电连接，其连接点为电压信号B输出端；电容器Ca、Cb的另一端相连，其连接点为激励电源E输入端S；可变电容器C1、C2的动片31、32与激励电源E的地端D电连接；

电压信号A、B分别送至电压跟随器A1、A2，电压跟随器A1、A2由高输入阻抗的运算放大器构成，其反相输入端与输出端连接，其同相输入端分别与电压信号A、B的输出端连接。运算放大器的同相输入端具有高输入阻抗，不吸收电压信号A、B的电流，可保证检测的电压信号不失真；运算放大器的反相输入端与输出端连接，可使运算放大器的输出阻抗低具有较强的带负载能力和抗电磁干扰能力。

电压跟随器A1、A2输出的电压信号分别送至模数转换器M1、M2的输入端，模数转换器M1、M2将电压跟随器A1、A2输出的电压信号转换成数字信号；该模数转换器M1、M2输出的数字信号送至数据处理器进行运算处理得出转角的值，供需要的场合使用，所述的模数转换器应具有高的模数转换速率，所述的数据处理器为单片机或数字信号处理器（DSP）。

运放电源向电压跟随器A1、A2提供稳定的工作电源，输出正电压 V+、和负电压V-。

其测量原理为：

所述的可变电容器C1、C2的动片31、32安装在一转轴4上，转轴4与被测旋转物体连接，动片31、32与转轴4同步旋转；可变电容器C1的定片41和可变电容器C2的定片42固定不动；动片随转轴4旋转时，动片与定片的重合面积发生周期性变化即其电容发生周期性变化，其变化曲线呈线性；所述的可变电容器的电介质为空气；

可变电容器C1、C2的电容变化范围相同，电容器Ca、Cb的电容相等。

根据图1可知， 

Ua／U1＝C1f／Caf  （1）；

式1中U1为可变电容器C1上电压（电压信号A）、Ua为电容器Ca上电压、C1f为可变电容器C1的电容、Caf为电容器Ca的电容；

Ua＝Ue－U1  （2）；

式2中Ue为激励信号E的电压；

将式2代入式1中有，

（Ue－U1）／U1＝C1f／Caf  （3）；

整理式3有，

C1f＝Caf×（Ue－U1）／U1  （4）；

式4中Ue和Ca的数值可预先设定， U1的数值可通过测量得知，只要测量出U1的数值按式4进行运算就可求出可变电容器C1的电容C1f。

同理可得出可变电容器C2的电容C2f的表达式如下，

C2f＝Cbf×（Ue－U2）／U2  （5）

式5中C2f为可变电容器C2的电容、Cbf为电容器Cb的电容；U2为可变电容器C2上电压（电压信号B）、Ue和Cbf的数值可预先设定， U2可通过测量得知。

图3为可变电容器C1、C2的电容C1f、C2f随转角变化的曲线图，将可变电容器C1、C2的动片与定片之间重合面积设计为扇形，可使其重合面积与转角的变化成线性关系，其电容也与转角的变化成线性关系。

从图3可看出，可变电容器C1的电容C1f与转角θ之间的关系可表示为，

θ＝k C1f   (0°≦θ﹤180°)     (6)

θ＝360°－k C1f   (180°≦θ﹤360°)   (7)

式6、7中k为角度系数，为一常数，在角度值θ和电容值C1f已知的条件下可求出角度系数k。

转角θ在0-360°范围内，电容Cf1的同一数值对应两个不同的转角，为区分电容C1f所对应的转角，将可变电容器C1的动片31与定片41之间的夹角设置成与可变电容器C2的动片32与定片42之间的夹角不同，即在同一转角下，电容C1f和电容C2f不能同时为最大值，这样参照电容C2f可区分电容C1f所对应的转角。在本实施例中可变电容器C2的电容出现最大值时的转角滞后于可变电容器C1的电容出现最大值时的转角90°。

设电容C1f、C2f的变化范围为0至200PF，根据图3分析得知：

当电容C2f﹤100PF、电容C1f﹤100PF时，

转角角度θ＝k C1f；

当0≦电容C2f﹤100PF、电容C1f≧100PF时，

转角角度θ＝k C1f；

当电容C2f≧100PF、电容C1f≦200PF时，

转角角度θ＝360°－k C1f。

在数据处理器中设置有根据电压Ue、U1、U2以及电容Caf 、Cbf计算转角角度θ的程序，其运行步骤为：

第一步，根据式4， 

C1f＝Caf×（Ue－U1）／U1 ，计算出电容C1f；

第二步，根据式5， 

C2f＝Cbf×（Ue－U2）／U2，计算出电容C2f；

第三步，根据电容C1f、电容C2f，判断转角角度θ所在的象限；

第四步，根据式6、式7，

θ＝k C1f   (0°≦θ﹤180°)；

θ＝360°－k C1f   (180°≦θ﹤360°)；计算出 转角角度θ。

在检测旋转物体的转角时，可变电容器C1、C2的重合面积即其电容随转角变化而变化，当可变电容器的电容由大变小时可变电容器上的电压会由低变高，而电容器Ca、Cb的电容不会变化其电压不会突变，这样可变电容器C1与电容器Ca的串联电压或可变电容器C2与电容器Cb的串联电压就会高于激励电源E的电压Ue；现有技术的直流稳压电源（即激励电源E）的电流是单向输出的，不具有吸收电流的功能，在旋转物体的转速较低（极端情况为每分钟数十转）的情况下，通过直流稳压电源输出端并联的滤波电容（相当于图1中电容C3）来吸收电流，保持输出电压的稳定；但当检测高速旋转物体的转角时（极端情况为每分钟上万转），由于可变电容器C1与电容器Ca的串联电压产生的电流变化较快所述的滤波电容不能立即吸收该电流，使得直流稳压电源的输出端电压值仍大于Ue，这种情况应避免。

为适应检测高速旋转物体的转角，本转角测量装置设置了一泄流电路2，所述的泄流电路由电阻R1、R2、R3，电位器RW，稳压管DW，电容C3、三极管T1构成；电阻R1与稳压管DW串联；电位器RW与电阻R3串联；电位器RW的滑臂端通过电阻R2与三极管T1的基极连接，三极管T1的发射极接到电阻R1与稳压管DW的连接点；电阻R1的一端、电位器RW的一端以及三极管T1的集电极接激励电源E输入端S；稳压管DW的阳极、电阻R3的一端接到地端D；电容C3的正极接激励电源E输入端S，电容C3的负极接到地端D。当可变电容器C1与电容器Ca的串联电压或可变电容器C2与电容器Cb的串联电压大于激励电源E的电压Ue时，电位器RW的滑臂端的电压升高而稳压管DW上的电压不变，使三极管T1的基极电流升高，其集电极电流大大升高从而吸收电流，使激励电源E的电压Ue保持稳定；当可变电容器C1、C2的电容由小变大时，激励电源E具有足够的电流输出能力，可保持激励电源E的电压Ue不变；保证了转角检测精度。

为补偿环境温度、湿度变化对转角信号的影响，电容器Ca、Cb，优选为空气电介质电容器。补偿原理如下：

根据图1可知，可变电容器C1上的电压U1的表达式为：

U1＝Ue×(1/C1f) ÷[(1/Caf)＋(1/C1f)]；

可变电容器C2上的电压U2的表达式为：

U2＝Ue×(1/C2f) ÷[(1/Cbf)＋(1/C2f)]；

由于电容器Ca、Cb，可变电容器C1、C2的电介质为空气，当空气的温度、湿度发生变化时，空气的介电常数ε会发生变化，电容Caf、 Cbf、 C1f、 C2f与空气的介电常数ε成比例关系，从电压U1、 U2的表达式可看出介电常数ε通过除法运算可被消除，使电压U1、 U2的形成不受温度、湿度发变化的影响。

为方便使用和防止电磁干扰，所述的转角传感器1、电压跟随器A1、A2、泄流电路2，安装在一金属壳体3内。激励电源E的输入导线、运放电源的输入导线、电压跟随器A1、A2的输出导线从壳体3内引出。现对照图2说明其结构。

由金属材料制成的套筒形状的外壳3其两端装有金属材料的端盖5，端盖5的圆心部位装有轴承7，安装有可变电容器C1、可变电容器C2的动片31、32的转轴4从轴承7中向外伸出；

转角传感器1的可变电容器C1的定片41和可变电容器C2的定片42分别安装在定片轴6上，定片轴6紧固在端盖5上并且与端盖5无电接触（绝缘）。

转角传感器1的电容器Ca、Cb的结构相同对称设置在定位轴6上，以电容器Ca为例说明其结构，在可变电容器C1的定位轴6的右端凸缘处设置一极板8，极板8通过极板绝缘衬套65、极板绝缘垫圈66与定位轴6绝缘，极板8与相邻的定片41构成电容器Ca；极板8作为激励电源E输入端S，可变电容器C1的定片轴作为电压信号A的输出端，可变电容器C2的定片轴作为电压信号B的输出端，转轴4与端盖5为电接触，端盖5作为可变电容器C1、C2的动片31、32与激励电源E的地端D的电连接点。

所述的电压跟随器A1、A2、泄流电路2的电子元件组装在线路板9上，线路板9安装在定位轴6上，位于电容器Cb极板8的外侧。激励电源E的输入导线、运放电源的输入导线、电压跟随器A1、A2的输出导线通过引线孔91从线路板9上引出。

本转角测量装置采用上述结构，可将转角传感器1、电压跟随器A1、A2、泄流电路2屏蔽不受外部电磁信号干扰；激励电源E和运放电源的内阻很小、电压跟随器A1、A2的输出阻抗很低可吸收导线上可能产生的电磁耦合干扰信号，因此本转角测量装置后级的模数转换器、数据处理器部分可与前级的转角传感器1、电压跟随器A1、A2、泄流电路2部分分离，设置在环境较好的位置避免电磁干扰。另外转角传感器1、电压跟随器A1、A2、泄流电路2集中设置在外壳内，使结构紧凑，引线少方便使用。

Claims (5)

1.一种转角测量装置，包括向转角传感器（1）提供激励信号的激励电源E，转角传感器（1）将转角转换成电压信号A、B，它由电容值可变的可变电容器C1、C2和电容值固定的电容器Ca、Cb构成；

 包括对电压信号A、B进行阻抗变换的电压跟随器A1、A2，将电压跟随器A1、A2输出的电压信号转换成数字信号的模数转换器M1、M2，对数字信号进行运算处理的数据处理器；以及为电压跟随器提供工作电源的运放电源；

所述的可变电容器C1、C2的动片（31、32）安装在一转轴（4）上，转轴（4）与被测旋转物体连接，动片（31、32）与转轴（4）同步旋转；可变电容器C1的定片（41）和可变电容器C2的定片（42）固定不动；动片随转轴（4）旋转时，动片与定片的重合面积发生周期性变化,其变化曲线呈线性；所述的可变电容器的电介质为空气；

所述的电容器Ca的一端与可变电容器C1的定片（41）电连接，其连接点为电压信号A的输出端；所述的电容器Cb的一端与可变电容器C2的定片（42）电连接，其连接点为电压信号B的输出端；电容器Ca、Cb的另一端相连，其连接点为激励电源E输入端S；可变电容器C1、C2的动片（31、32）与激励电源E的地端D电连接；

其特征是：所述的激励电源E为直流稳压电源，所述的电压跟随器A1、A2由高输入阻抗的运算放大器构成，其反相输入端与输出端连接，其同相输入端分别与电压信号A、B的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的转角测量装置，其特征是该转角测量装置还包括一泄流电路（2），所述的泄流电路由电阻R1、R2、R3，电位器RW，稳压管DW，电容C3、三极管T1构成；电阻R1与稳压管DW串联；电位器RW与电阻R3串联；电位器RW的滑臂端通过电阻R2与三极管T1的基极连接，三极管T1的发射极接到电阻R1与稳压管DW的连接点；电阻R1的一端、电位器RW的一端以及三极管T1的集电极接激励电源E输入端S；稳压管DW的阳极、电阻R3的一端接到地端D；电容C3的正极接激励电源E输入端S，电容C3的负极接到地端D。

3.根据权利要求1或2所述的转角测量装置，其特征是所述的电容器Ca、Cb，为空气电介质电容器。

4.根据权利要求2所述的转角测量装置，其特征是所述的转角传感器（1）、电压跟随器A1、A2、泄流电路（2），安装在一金属壳体（3）内，激励电源E的输入导线、运放电源的输入导线、电压跟随器A1、A2的输出导线从壳体（3）内引出。

5.根据权利要求4所述的转角测量装置，其特征是所述的外壳（3）其两端装有金属材料的端盖（5），端盖（5）的圆心部位装有轴承（7），安装有转角传感器（1）的可变电容器C1、可变电容器C2的动片（31、32）的转轴（4）从轴承（7）中向外伸出；

可变电容器C1的定片（41）和可变电容器C2的定片（42）分别安装在定片轴（6）上，定片轴（6）紧固在端盖（5）上并且与端盖（5）无电接触；

转角传感器（1）的电容器Ca是这样构成，在可变电容器C1的定位轴（6）的右端凸缘处设置一极板（8），极板（8）通过极板绝缘衬套（65）、极板绝缘垫圈（66）与定位轴（6）绝缘，极板（8）与相邻的定片（41）构成电容器Ca；转角传感器（1）的电容器Cb与电容器Ca结构相同，对称设置在定位轴（6）上；极板（8）作为激励电源E输入端S，可变电容器C1的定片轴作为电压信号A的输出端，可变电容器C2的定片轴作为电压信号B的输出端，转轴（4）与端盖（5）为电接触，端盖（5）作为可变电容器C1、C2的动片（31、32）与激励电源E的地端D的电连接点；

所述的电压跟随器A1、A2、泄流电路（2）的电子元件组装在线路板（9）上，线路板（9）安装在定位轴（6）上，位于电容器Cb极板（8）的外侧。

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