CN204854720U - 倾角传感器敏感头结构及其信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种倾角传感器敏感头结构及其信号处理电路，该倾角传感器敏感头结构包括：铍铜振动元件，设置于上述敏感头结构的中间层，包括：铍青铜外框，铍青铜弹性梁，铍青铜质量块，其中，上述铍青铜质量块通过上述铍青铜弹性梁与上述铍青铜外框相连接；敷铜有机板，分别设置于上述振动元件的上层和下层，其中，上层有机板的下表面与上述铍青铜质量块相对的位置以及下层有机板的上表面与上述铍青铜质量块相对的位置，均敷有铜层，且上述上层有机板和上述下层有机板分别与上述铍青铜质量块之间留有间隙。根据本实用新型提供的倾角传感器敏感头结构，稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统，并且差动电容可以消除干扰，并受温度影响不大，灵敏度高，结构制作工艺简单。

Description

倾角传感器敏感头结构及其信号处理电路

技术领域

本实用新型涉及自动化领域，具体而言，涉及一种倾角传感器敏感头结构及其信号处理电路。

背景技术

倾斜仪在地震、军事、海洋、建筑、农业及电子产品等领域有广阔的应用。

相关技术中，通常采用水银珠水平器或液体摆式倾角传感器进行倾角测量。然而上述仪器测量范围小，稳定测量时间较长，不便动态测量，不能用于自动控制系统。利用固体摆的原理研制的倾角传感器可获得到较高测量精度，但传感器体积较大和抗冲击性能差。

因此，设计一种的稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统的倾角传感器，是目前亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于公开一种倾角传感器敏感头结构及其信号处理电路，以解决相关技术中还缺乏稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统的倾角传感器的问题。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种倾角传感器敏感头结构。

根据本实用新型的倾角传感器敏感头结构包括：铍铜振动元件，设置于所述敏感头结构的中间层，包括：铍青铜外框，铍青铜弹性梁，铍青铜质量块，其中，所述铍青铜质量块通过所述铍青铜弹性梁与所述铍青铜外框相连接；敷铜有机板，分别设置于所述铍铜振动元件的上层和下层，其中，上层有机板的下表面与所述铍青铜质量块相对的位置以及下层有机板的上表面与所述铍青铜质量块相对的位置，均敷有铜层，且所述上层有机板和所述下层有机板分别与所述铍青铜质量块之间留有间隙。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种倾角传感器敏感头结构的信号处理电路。

根据本实用新型的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路包括：用于供电的稳压电源；脉冲发生电路，与所述稳压电源相连接，用于输出周期性的矩形波；电容电压变换电路，与所述脉冲发生电路相连接，包括：敏感头结构，其中，所述敏感头结构的上层有机板敷铜层和下层有机板敷铜层焊接的电极引线分别连接至差分放大电路中运算放大器的正负输入端，所述敏感头结构的铍铜振动元件上焊接的电极引线接地；所述差分放大电路，与所述电容电压变换电路相连接，用于将所述电容电压变换电路输出的电压进行放大。

与现有技术相比，本实用新型实施例至少具有以下优点：由于铍青铜材料弹性好，密度大，耐疲劳、适于做惯性振动元件。采用铍青铜材料作为振动元件，结合“三明治”式差动电容检测结构，设计制作的倾角传感器，稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统，并且差动电容可以消除干扰，并受温度影响不大，灵敏度高，结构制作工艺简单。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的示意图；

图2是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路的结构框图；

图3是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路的稳压电源的示意图；

图4是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路的脉冲发生电路的示意图；

图5是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路的电容电压变换电路的示意图；

图6是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路的差分放大电路的示意图；

图7是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的制作工艺的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实现方式做一详细描述。

根据本实用新型实施例，提供了一种倾角传感器敏感头结构。

图1是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的示意图。如图1所示，该倾角传感器敏感头结构包括：

铍铜振动元件10，设置于所述敏感头结构的中间层，包括：铍青铜外框100，铍青铜弹性梁101，铍青铜质量块102，其中，所述铍青铜质量块102通过所述铍青铜弹性梁101与所述铍青铜外框100相连接；

敷铜有机板12，分别设置于所述铍铜振动元件的上层和下层，其中，上层有机板120的下表面与所述铍青铜质量块相对的位置以及下层有机板121的上表面与所述铍青铜质量块相对的位置，均敷有铜层122，且所述上层有机板120和所述下层有机板121分别与所述铍青铜质量块102之间留有间隙。

由此可见，铍青铜质量块和上下极板间均有间隙，形成电容C1和C2，当传感器发生倾斜，铍青铜质量块就在方向上产生偏离，导致两个电容发生相对变化，测出电容变化的大小，就可以获取倾角的大小。由于铍青铜材料弹性好，密度大，耐疲劳、适于做惯性振动元件。采用铍青铜材料作为振动元件，结合“三明治”式差动电容检测结构，设计制作的倾角传感器，稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统，并且差动电容可以消除干扰，并受温度影响不大，灵敏度高，结构制作工艺简单。

其中，所述上层有机板120敷铜层焊接有电极引线，所述下层有机板121敷铜层焊接有电极引线，所述振动元件焊接有电极引线。这样，上下层有机板以及中间的铍铜振动元件共焊接有三根电极引线。

通过上述电极引线将上述倾角传感器敏感头结构结合其他元器件形成信号处理电路，将差动电容的变化转化为电压，根据测量得到的电压确定传感器倾角的大小。

在优选实施过程中，中间层的铍青铜振动元件的铍铜质量块和左右极板间有间隙，形成电容C1和C2。对于两个平行板电容器，其电容的大小可由下式决定：

C＝εS/d

其中，S为电容的两板覆盖面积，d为两板的间距。可以看到电容大小的改变可以通过两种途径实现，面积改变和间距改变。

铍铜质量块和左右极板间形成的电容C1和C2，由于倾斜角度不同会改变铍铜质量块和左右极板间的间距。这样就改变了C1,C2的大小。再把这种电容的变化通过信号处理电路转换成电压，根据输出的电压确定倾角大小。

其中，在所述上层有机板与所述铍青铜外框之间，以及所述下层有机板与所述铍青铜外框之间均粘结有绝缘衬垫圈，以满足绝缘和调整振动间隙的作用。

在敷铜有机板和铍青铜外框之间粘结绝缘衬垫圈，是为了使铍青铜振动质量和敷铜有机板之间形成预定大小的间隙，优选地，所述上层有机板和所述下层有机板分别与所述铍青铜质量块之间留有的间隙均为500μm。

采用铍青铜材料制作的电容式传感器具有以下优点:(1)阻抗很高，功率极低，因而所需的输入功率小，输入能量也要求不高。(2)良好的温度稳定性。电容式传感器结构相对来说比较简单，而且容易被生产出来，容易保证高精度的优点。电容式传感器通常是由金属电极，因此它可以工作在极端温度中，而且可以在高辐射和强磁场环境中，可以极大地经受温度变化时，耐高压，耐冲击，过载；也可以在超高压和较低压差时测量，还可以测量磁性元件。(3)结构非常简单而且适应能力强，被测物体可以是导体也可以是半导体，可工作在任何恶劣的环境之中。电容式传感器，两极板之间的静电引力小，所需的能量也很小，并且它的可动部分形状可以非常小，非常薄，质量也可以很轻，因此固有振动频率是非常高的，动态的响应所需时间也很短。它还可用于快速变化的参数测量，例如振动的测量，瞬时压力的测量。(4)快速动态响应、自动发热影响小、灵敏度高、误差相对比较小。(5)对工作环境没有太大需求，在恶劣的环境下也一样可以工作。

根据本实用新型实施例，提供了一种倾角传感器敏感头结构的信号处理电路。

图2是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路的结构框图。如图2所示，该信号处理电路包括：用于供电的稳压电源20；脉冲发生电路21，与所述稳压电源相连接，用于输出周期性的矩形波；电容电压变换电路22，与所述脉冲发生电路相连接，包括：敏感头结构，其中，所述敏感头结构的上层有机板上敷铜层和下层有机板上敷铜层焊接的电极引线分别连接至差分放大电路中运算放大器的正负输入端，所述敏感头结构的振动元件上焊接的电极引线接地；所述差分放大电路23，与所述电容电压变换电路相连接，用于将所述电容电压变换电路输出的电压进行放大。

由此可见，图2提供了一种差动电容敏感式传感器的信号处理电路。该信号处理电路中，电容电压变换电路将倾角传感器敏感头结构的差动电容的变化转化为电压，由此根据测量得到的电压确定传感器倾角的大小，电路设计简单且易实现。

以下结合图3至图6进一步描述上述信号处理电路。

图3是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路的稳压电源的示意图。如图3所示，该稳压电源为ANALOGDEVICE公司生产的REF-02，它可以精确提供5V电压，同时带温度输出。REF-02的温度系数为8.5ppm/℃(max)(2ppm/℃(type))，故温度稳定性较好。该电压源价格低、噪声低、功率低，而且带有温度输出。图3中的电容在电路中用以进一步稳定电压。

图4是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路的脉冲发生电路的示意图。如图4所示，该脉冲发生电路包括：施密特触发器、第一电阻(图中R₁)，和第一电容(图中C₁)，其中，所述第一电阻C₁连接于所述施密特触发器的输入端与输出端之间，所述第一电容连接于所述施密特触发器的输入端与地之间。由于施密特触发器在输入电压达到一定值时，便从静止状态翻转到工作状态，而输入电压降到一定值后，又从工作状态翻转到静止状态，加上R₁的反馈和C₁的充放电，最后输出周期性的矩形波。

图5是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路的电容电压变换电路的示意图。如图5所示，该电容电压变换电路包括：所述上层有机板敷铜层与所述敏感头结构的质量块形成第一差动电容C_S1，所述下层有机板敷铜层与所述敏感头结构的质量块形成第二差动电容C_S2；第一二极管D₁以及第二二极管D₂，第二电阻R₂以及第三电阻R₃；其中，所述第一二极管D₁和第二电阻R₂并联连接后与所述第一差动电容C_S1串联连接于所述脉冲发生电路输出端与地之间，所述第二二极管D₂和第三电阻R₃并联连接后与所述第二差动电容C_S2串联连接于所述脉冲发生电路输出端与地之间，所述第一二极管D₁以及第二二极管D₂的负极与所述脉冲发生电路输出端Ugen连接在一起。

图6是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的信号处理电路的差分放大电路的示意图。如图6所示，该差分放大电路包括：运算放大器AD620、第四电阻R₄、第五电阻R₅、第六电阻R₆、第二电容C₂、第三电容C₃，其中，所述AD620的正负输入端分别通过所述第四电阻R₄和所述第五电阻R₅与所述敷铜层焊接的电极引线相连接，所述AD620的正负输入端与地之间分别连接有所述第二电容C₂和所述第三电容C₃，所述AD620的R_G引脚间连接有所述第六电阻R₆。其中，差分放大是由AD620实现的，其内部结构实际上是由三个运算放大器组成的仪表放大器，其放大倍数由R₆大小决定。

以下进一步描述上述电路的工作原理。

脉冲发生器产生一个频率由R₁和C₁决定的矩形，脉冲电压U_gen，其高电压为+5V,低电压为0V，传感器比例系数正比于幅度U_gen。

可变电压U_gen加在电桥上，电桥的上面两臂是电阻R₂、R₃和D₁、D₂的并联，下面两臂是拾取信号电容器C_S1和C_S2，电流通过R₂、R₃对电容器C_S1和C_S2充电，当然也通过反向二极管。但是，通过二极管的电流小，在实际情况下，可以忽略，特别是考虑到器件的输出信号不会受到反向电流的绝对值的影响，而只和它们的差值有关。这样，电容器C_S1和C_S2拾取的电压为脉冲电压U_sens。

在t＝0～T₁(U_gen＝5V)时，电容器拾取的电压U_sens取决于电容器的值，而在t＝T₁～T(U_gen＝0V)时，电压是由二极管的特性决定，可以视为0。

下面分别分析充电和放电过程，并求出输出信号和电容变化的关系。

在充电过程中，即kT≤t≤kT+T₁

由基尔霍夫定律得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{IR}}_2+U_{Csens1}=U_m\\ I-C_{S1}\frac{{\mathrm{dU}}_{Csens1}}{dt}=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

(1)式中，U_m为激励信号U_gen的幅值，U_sens1为电容器C_S1的电压，I为流经R₁的电流，如图4所示。解方程(1)得到：

$U_a=U_m(1-e^{-\frac{t}{R_2{C}_{S1}}})---\left(2\right)$

同理：

$U_b=U_m(1-e^{-\frac{t}{R_3{C}_{S2}}})---\left(3\right)$

在放电过程中，即

kT+T₁≤t≤(k+1)Tk＝0,±1,±2…，

由于二极管的正向导电电阻很小，电容器C_S1的电荷通过二极管的D1瞬间释放为0，所以U_a＝0。

电桥在a端输出压电的直流成分为：

${\stackrel{\‾}{U}}_a=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T_1}{\∫}}{U}_{a}dt=\frac{U_m}{T}\[T_1-R_2{C}_{S1}(1-e^{\frac{-T_1}{R_2{C}_{S1}}})\]---\left(4\right)$

考虑到敏感头的实际结构，设C_S1＝C₀-ΔC,C_S2＝C₀+ΔC，

其中，C₀为敏感头在不受力时极板间的固有电容，ΔC为受力后的电容变化量，由于

ΔC《C₀，所以C_S1＝C₀-ΔC≈C₀，故

${\stackrel{\‾}{U}}_a\≈\frac{U_m}{T}\[T_1-R_2(C_0-\mathrm{\Δ}C)(1-e^{\frac{-T_1}{R_2{C}_0}})\]---\left(5\right)$

同理：

${\stackrel{\‾}{U}}_b\≈\frac{U_m}{T}\[T_1-R_3(C_0+\mathrm{\Δ}C)(1-e^{\frac{-T_1}{R_3{C}_0}})\]---\left(6\right)$

取R2＝R3，则

${\stackrel{\‾}{U}}_{ab}\≈{\stackrel{\‾}{U}}_a-{\stackrel{\‾}{U}}_b=\frac{2U_m{R}_2}{T}(1-e^{\frac{-T_1}{R_2{C}_0}})\·\mathrm{\Δ}C---\left(7\right)$

放大器AD620对由电桥输出的电压值进行放大后，表示为：

$U_{out}=G{\stackrel{\‾}{U}}_{ab}---\left(8\right)$

其中G为AD620的放大倍数，G＝49.4kΩ/R₆+1，如图5所示。

(8)式进一步表示为：

U_out＝KΔC(9)

由此可得 $K=\frac{2U_m{R}_2}{T}(1-e^{\frac{-T_1}{R_2{C}_0}})\·G---\left(10\right)$

由于R₂、R₃、R₆、R₁、C₁是选定的，G不变，T和T₁是由脉冲发生器和其相连的R₁、C₁决定，为固定值，激励信号U_gen的幅值U_m由REF-02确定，因此K为常数。输出信号和电容变化的大小成正比，K为输出信号对电容变化的比例系数。

图7是根据本实用新型实施例的倾角传感器敏感头结构的制作工艺的流程图。如图7所示，该倾角传感器敏感头结构的制作工艺包括：

步骤S701：将硝酸溶液浓度调节至预定浓度，将掩模后的铍青铜放入配置好的硝酸溶液中进行腐蚀至需要的敏感头结构；

步骤S702：将敷铜有机板用带极板版图的防腐膜覆盖，放入氯化铁溶液中腐蚀，将腐蚀后的所述敷铜有机板进行切割，并在敷铜层上焊接电极引线；

步骤S703：在所述敷铜有机板与所述敏感头结构的铍青铜外框之间粘结绝缘衬垫圈以使铍青铜振动质量和所述敷铜有机板之间形成预定大小的间隙，在粘合胶凝固后在铍青铜质量块上焊接电极引线。

需要说明的是，上述步骤S701和步骤S702没有先后执行顺序，即可以先执行步骤S701再执行步骤S702，也可以先执行步骤S702再执行步骤S701，或者同时执行步骤S701和步骤S702。

在优选实施过程中，上述步骤S701可以进一步包括以下处理：通常在室温下，把掩模后的铍青铜放入配置好的硝酸溶液中腐蚀，得到腐蚀后的铍青铜结构；采用另一张掩模把腐蚀后的铍青铜结构封装起来，仅裸露铍青铜弹性梁位置，再次放入所述硝酸溶液中进行腐蚀，控制所述铍青铜弹性梁的厚度，直至得到所述需要的敏感头结构。由于铍青铜弹性梁的厚度小于铍青铜外框和铍青铜质量块，所以对铍青铜弹性梁用另外一套掩模进行腐蚀加工。

综上所述，借助本实用新型提供的上述实施例，利用铍青铜材料优良的弹性特点，加工制作成振动元件，和上、下电极构成“三明治”结构，形成电容敏感式倾角传感器敏感头。将电路和敏感头结合起来，将倾角传感器敏感头结构的差动电容的变化转化为电压，由此根据测量得到的电压确定传感器倾角的大小。该倾角传感器，稳定性好，体积小巧，并可以用于自动控制系统，并且差动电容可以消除干扰，并受温度影响不大，灵敏度高，结构制作工艺简单。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种倾角传感器敏感头结构，其特征在于，包括：

铍铜振动元件，设置于所述敏感头结构的中间层，包括：铍青铜外框，铍青铜弹性梁，铍青铜质量块，其中，所述铍青铜质量块通过所述铍青铜弹性梁与所述铍青铜外框相连接；

敷铜有机板，分别设置于所述铍铜振动元件的上层和下层，其中，上层有机板的下表面与所述铍青铜质量块相对的位置以及下层有机板的上表面与所述铍青铜质量块相对的位置，均敷有铜层，且所述上层有机板和所述下层有机板分别与所述铍青铜质量块之间留有间隙。

2.根据权利要求1所述的倾角传感器敏感头结构，其特征在于，

所述上层有机板上敷铜层焊接有一根电极引线，所述下层有机板上敷铜层焊接有一根电极引线，所述铍铜振动元件上焊接有一根电极引线。

3.根据权利要求1所述的倾角传感器敏感头结构，其特征在于，

在所述上层有机板与所述铍青铜外框之间，以及所述下层有机板与所述铍青铜外框之间均粘结有绝缘衬垫圈。

4.根据权利要求1所述的倾角传感器敏感头结构，其特征在于，

所述上层有机板和所述下层有机板分别与所述铍青铜质量块之间留有的所述间隙均为500μm。

5.一种信号处理电路，应用于权利要求1至4中任一项所述的倾角传感器敏感头结构，其特征在于，包括：

用于供电的稳压电源；

脉冲发生电路，与所述稳压电源相连接，用于输出周期性的矩形波；

电容电压变换电路，与所述脉冲发生电路相连接，包括：敏感头结构，其中，所述敏感头结构的上层有机板上敷铜层和下层有机板上敷铜层焊接的电极引线分别连接至差分放大电路中运算放大器的正负输入端，所述敏感头结构的铍铜振动元件上焊接的电极引线接地；

所述差分放大电路，与所述电容电压变换电路相连接，用于将所述电容电压变换电路输出的电压进行放大。

6.根据权利要求5所述的信号处理电路，其特征在于，所述脉冲发生电路包括：施密特触发器、第一电阻，和第一电容，其中，所述第一电阻连接于所述施密特触发器的输入端与输出端之间，所述第一电容连接于所述施密特触发器的输入端与地之间。

7.根据权利要求5所述的信号处理电路，其特征在于，包括：

所述上层有机板敷铜层与所述敏感头结构的质量块形成的第一差动电容，所述下层有机板敷铜层与所述敏感头结构的质量块形成第二差动电容，第一二极管以及第二二极管，第二电阻以及第三电阻；

其中，所述第一二极管和第二电阻并联连接后与所述第一差动电容串联连接于所述脉冲发生电路输出端与地之间，所述第二二极管和第三电阻并联连接后与所述第二差动电容串联连接于所述脉冲发生电路输出端与地之间，所述第一二极管以及第二二极管的负极与所述脉冲发生电路输出端连接在一起。

8.根据权利要求5所述的信号处理电路，其特征在于，所述差分放大电路包括：运算放大器AD620、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二电容、第三电容，其中，所述AD620的正负输入端分别通过所述第四电阻和所述第五电阻与所述敷铜层焊接的电极引线相连接，所述AD620的正负输入端与地之间分别连接有所述第二电容和所述第三电容，所述AD620的R_G引脚间连接有所述第六电阻。