CN206131980U - 一种差分电容角位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的一种差分电容角位移传感器，包括外壳、空气差分可变电容和差动电容‑电压转换电路；空气差分可变电容和差动电容‑电压转换电路封装在金属外壳内并进行电气连接，空气差分可变电容包括动子、定子和轴；外壳中心轴处设有轴，定子上下端均设置有限位器和轴承使其与轴的位置相对固定，轴上固定有动子，动子嵌于定子内腔，动子和定子通过各自的引出端与差动电容‑电压转换电路进行电气连接，差动电容‑电压转换电路的外引腿由外壳底部引出。该传感器低成本、低功耗、高精度、抗机械冲击和抗扰度，确保了在强磁场环境下传感器可靠正常的工作。
Description
技术领域
本实用新型属于一种能将角度位移以差分电容的形式转化为电压的传感器，尤其涉及一种差分电容角位移传感器。
背景技术
目前普遍使用旋转变压器来实现角度位置测量的功能，但旋转变压器不仅使用成本高，在机械安装和电气连接上都有很高的要求，并且其本身的磁场比较弱，当外部有强磁场靠近时（例如在电动机中），会影响旋转变压器的磁场和其绕组端的磁状态，进而产生误差电势。
实用新型内容
本实用新型为了解决上述技术问题，提供了一种结构相对简单、成本低且不受磁场影响的差分电容角位移传感器，具有低成本、低功耗、高精度、抗机械冲击和抗扰度，确保了在强磁场环境下传感器可靠正常的工作。
本实用新型是通过以下技术方案来实现：
一种差分电容角位移传感器，包括外壳、空气差分可变电容和差动电容-电压转换电路；空气差分可变电容和差动电容-电压转换电路封装在外壳内并进行电气连接，空气差分可变电容包括动子、定子和轴；外壳中心轴处设有轴，定子相对固定在轴上，定子上下端均设置有相互配合来保证与轴和外壳的相对位置不变的限位器和轴承，轴上固定有动子，动子嵌于定子内腔，动子和定子通过各自的引出端与差动电容-电压转换电路进行电气连接，差动电容-电压转换电路的外引腿由外壳底部引出。
所述的动子嵌于定子内腔，通过轴承和限位器配合，与定子腔壁保持0.375mm间距并可通过轴的转动进行旋转。
所述的动子和定子分别通过各自的动子引出端和定子引出端与差动电容-电压转换电路进行电气连接。
所述的外壳为金属外壳。
所述的差动电容-电压转换电路包括三角波发生器、电容检测电路、两个运算放大器和比较器；所述的比较器的输入端正极与三角波发生器连接后，一同接入恒流源，比较器的输入端负极与输出端连接后，一同与电容检测电路相连，电容检测电路与运算放大器相连，运算放大器与另一个运算放大器连接。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
该传感器以差动电容的旋转反应为电压的变化，经计算可得出角度的变化。该器件特点是：体积小、结构简单，抗冲击能强，可靠性高，寿命长，低耗电，工作温度≥200℃。在使用中，只需提供±15V电源即可工作。可替代旋转变压器测角用。
该传感器可实现±15V供电，能将360°最小细分到0.1°，以电压的形式从-15V到+15V线性输出。具有低成本、低功耗、高精度、抗机械冲击和抗扰度，确保在强磁场环境下传感器可靠正常的工作，且最高工作温度≥200℃。同时，差分电容角位移传感器，结构相对简单，在降低使用成本的同时也降低了对机械安装和电气连接的要求，也不受磁场的影响。
附图说明
图1为本实用新型提供的差分电容角位移传感器结构剖面示意图；
图2为本实用新型提供的差动电容-电压转换电路功能图；
图3为本实用新型提供的差分电容角位移传感器封装图一；
图4为本实用新型提供的差分电容角位移传感器封装图二；
图5为本实用新型提供的差分电容角位移传感器应用结构示意图。
其中，1为轴；2为轴承；3为限位器；4为动子；5为定子；6为动子引出端；7为差动电容-电压转换电路；8为外引退；9为定子引出端；10为外壳。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
参见图1至图5，一种差分电容角位移传感器，包括外壳10、空气差分可变电容和差动电容-电压转换电路7；空气差分可变电容和差动电容-电压转换电路7封装在外壳10内并进行电气连接，空气差分可变电容包括动子4、定子5和轴1；外壳10中心轴处设有轴1，定子5相对固定在轴1上，定子5上下端均设置有相互配合来保证与轴和外壳的相对位置不变的限位器3和轴承2，轴1上固定有动子4，动子4嵌于定子内腔，动子4和定子5通过各自的引出端与差动电容-电压转换电路进行电气连接，差动电容-电压转换电路的外引腿8由外壳底部引出。
所述的动子4嵌于定子内腔，通过轴承和限位器配合，与定子腔壁保持0.375mm间距并可通过轴的转动进行旋转。
所述的动子4和定子5分别通过各自的动子引出端6和定子引出端9与差动电容-电压转换电路进行电气连接。
所述的外壳10为金属外壳。
图2中，IO为恒流源，C为三角波发生器，A3为比较器，IC为电容检测电路，A1、A2为运算放大器。
其中，所述的差动电容-电压转换电路7包括三角波发生器C、电容检测电路IC、两个运算放大器A1、A2和比较器A3；所述的比较器A3的输入端正极与三角波发生器C连接后，一同接入恒流源IO，比较器A3的输入端负极与输出端连接后，一同与电容检测电路IC相连，电容检测电路IC与运算放大器A1相连，运算放大器A1与另一个运算放大器A2连接。
具体的，1，将空气差分可变电容的容值变化转化为角度的变化。
传感器机械部分即空气差分可变电容包括定子、动子、轴承、轴和限位器等，需要做到容值分配均匀性和一致性，并且耐高温、耐冲击、抗电磁干扰等能力；电路结构需将微小电容变化转成电压变化，并实现单片集成化。
2，本实用新型提供的差分电容角位移传感器，用集成装配的方式，将空气差分可变电容的机械部分精确设计和装配，与差动电容-电压转换电路封装在一个金属外壳内并进行电气连接，构成机械与电路一体化的差分电容角位移传感器。差分电容角位移传感器内包含空气差分可变电容和差动电容-电压转换电路。
图1为差分电容角位移传感器结构剖面图，图2是差动电容-电压转换电路功能图。其中定子与外壳固定，并配合轴承和限位器来保证与轴和外壳的相对位置不变；动子与轴固定，并嵌于定子内腔，通过轴承和限位器配合，与定子腔壁保持0.375mm间距；定子和动子通过各自的引出端与差动电容-电压转换电路进行电气连接；差动电容-电压转换电路的外引腿由外壳底部引出。
图4所示的典型应用中，给出的阻值、容值仅供参考，用户可根据实际情况调整；R1设置第一级放大倍数，反相比例放大形式，内部集成输入电阻2.5K左右，放大倍数R1/2.5k；R4和R3设置第二级放大器放大倍数，同相比例放大形式，放大倍数（1+R4/R3）；CT是频率调整电容，通常不需要，引脚悬空。若需降低频率或调节12和13脚的三角波斜率，可以对地外接几十pF级的陶瓷电容。R5、R6是调零电阻，在12脚和13脚电容相同时，调节R6使得Vo=0V。电路11脚与gnd之间内置3个串联二极管，外接R0电阻到Vcc可以测试温度。依据pn结电压随温度升高而降低的特性。由于是3个二极管串联，常温下电压2V左右，温度每升高1℃，电压降低6mV左右。
本实用新型属于一种能将角度位移以差分电容的形式转化为电压的传感器，可单独作为测角元件用，直接和角度信号变换单元连接，有角度变换单元输出角度信号数据。具体是将一个精密空气差分可变电容和差动电容-电压转换电路集成在一个金属腔体内。
该传感器以差动电容的旋转反应为电压的变化，经计算可得出角度的变化。该器件特点是：体积小、结构简单，抗冲击能强，可靠性高，寿命长，低耗电，工作温度≥200℃。在使用中，只需提供±15V电源即可工作。可替代旋转变压器测角用。
该传感器可实现±15V供电，能将360°最小细分到0.1°，以电压的形式从-15V到+15V线性输出。具有低成本、低功耗、高精度、抗机械冲击和抗扰度，确保在强磁场环境下传感器可靠正常的工作，且最高工作温度≥200℃。同时，差分电容角位移传感器，结构相对简单，在降低使用成本的同时也降低了对机械安装和电气连接的要求，也不受磁场的影响。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种差分电容角位移传感器，其特征在于，包括外壳(10)、空气差分可变电容和差动电容-电压转换电路(7)；空气差分可变电容和差动电容-电压转换电路(7)封装在外壳(10)内并进行电气连接，空气差分可变电容包括动子(4)、定子(5)和轴(1)；外壳(10)中心轴处设有轴(1)，定子(5)相对固定在轴(1)上，定子(5)上下端均设置有相互配合来保证与轴和外壳的相对位置不变的限位器(3)和轴承(2)，轴(1)上固定有动子(4)，动子(4)嵌于定子内腔，动子(4)和定子(5)通过各自的引出端与差动电容-电压转换电路进行电气连接，差动电容-电压转换电路的外引腿(8)由外壳底部引出。
2.根据权利要求1所述的差分电容角位移传感器，其特征在于，所述的动子(4)嵌于定子内腔，通过轴承和限位器配合，与定子腔壁保持0.375mm间距并可通过轴的转动进行旋转。
3.根据权利要求1所述的差分电容角位移传感器，其特征在于，所述的动子(4)和定子(5)分别通过各自的动子引出端(6)和定子引出端(9)与差动电容-电压转换电路进行电气连接。
4.根据权利要求1所述的差分电容角位移传感器，其特征在于，所述的外壳(10)为金属外壳。
5.根据权利要求1所述的差分电容角位移传感器，其特征在于，所述的差动电容-电压转换电路(7)包括三角波发生器(C)、电容检测电路(IC)、两个运算放大器(A1、A2)和比较器(A3)；所述的比较器(A3)的输入端正极与三角波发生器(C)连接后，一同接入恒流源(IO)，比较器(A3)的输入端负极与输出端连接后，一同与电容检测电路(IC)相连，电容检测电路(IC)与运算放大器(A1)相连，运算放大器(A1)与另一个运算放大器(A2)连接。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111137838A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-05-12 | 清华大学 | 一种mems容栅式角位移传感器及其制造方法 |
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2016
- 2016-11-02 CN CN201621168728.6U patent/CN206131980U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN111137838A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-05-12 | 清华大学 | 一种mems容栅式角位移传感器及其制造方法 |
| CN111137838B (zh) * | 2019-12-20 | 2022-08-30 | 清华大学 | 一种mems容栅式角位移传感器及其制造方法 |
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