CN208887563U - 一种双极板电容角位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双极板电容角位移传感器，由上极板和下极板组成，下极板中半径为r的圆周上等间距的排列设置有N个电极，单个电极对应角位移为α₂，相邻两电极之间的夹角为α₁＝2π/N，电极的径向长度为l₁，下极板上所有电极连接至第一电气端子G；上极板中半径为r的圆周上设置有第一电极、第二电极和第三电极，第一电极、第二电极和第三电极每个电极对应的角位移为α₂，第一电极与第二电极之间的夹角为α₃、第二电极与第三电极之间的夹角为α₄，α₃＝α₄＝3α₁/4，第一电极、第二电极和第三电极的径向长度为l₂，该可快速、准确地解算出角位移。

Description

一种双极板电容角位移传感器

技术领域

本实用新型属于传感器领域，具体涉及一种双极板电容角位移传感器，用于对角位移进行精确测量。

背景技术

角位移和角速度测量在自动控制和工业生产中有着广泛的应用，因此高精度、高可靠、成本低廉、结构简单的角位移传感器需求十分迫切。目前常用的非接触角位移传感器为光电式角传感器和电磁式角传感器。借用细分技术，光电式可以达到几个角秒的分辨率，但它在恶劣环境例如机械振动、烟尘中使用受限，且价格昂贵；电磁式角传感器有较强的环境适应能力，但其分辨率十分有限。相较而言电容式角传感器兼顾了高精度和鲁棒性强的优点，并且大多结构简单、价格低廉。电容式角传感器是一种变面积型电容传感器，利用角度变化引起极板间重叠面积变化带来的电容量改变进行测量。然而，由于边缘效应的存在，电容量随角度变化通常是高度非线性的。为此，有人设计出了三极板电容传感器，对其中一块极板上电极进行分瓣，并对不同瓣电极按照一定时序施加驱动电压，从而得到了与角位移呈高度线性关系的电压输出。尽管这样的设计获得了非常高的精度，并且可以消除安装偏心以及倾斜对于测量结果的影响，但驱动电压的时序要求使得它的测量速度很低，不适合于动态测量。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种双极板电容角位移传感器，该传感器只需要两个极板，通过合理调整极板间距产生三路相位差固定且与角位移呈正弦关系的输出，并能够利用它们快速、准确地解算出角位移。根据三组相位差为90°的电容输出可实现角位移的精密测量，并且可以显著减小安装偏心、倾斜对测量结果的影响；该传感器结合相位解包裹技术可以实现任意范围的角位移测量，解除了传统方法测量上限的限制。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双极板电容角位移传感器，由上极板和下极板组成，下极板中半径为r的圆周上等间距的排列设置有N个电极，单个电极对应角位移为α₂，相邻两电极之间的夹角为α₁＝2π/N，电极的径向长度为l₁，下极板上所有电极连接至第一电气端子G；上极板中半径为r的圆周上设置有第一电极、第二电极和第三电极，第一电极、第二电极和第三电极每个电极对应的角位移为α₂，第一电极与第二电极之间的夹角为α₃、第二电极与第三电极之间的夹角为α₄，α₃＝α₄＝3α₁/4，第一电极、第二电极和第三电极的径向长度为l₂，第一电极连接至第二电气端子，第二电极连接至第三电气端子，第三电极连接至第四电气端子；第二电气端子和第一电气端子构成输出电容C_XG的输出端子，第三电气端子和第一电气端子构成输出电容C_YG的输出端子，第四电气端子和第一电气端子构成输出电容C_ZG的输出端子；N为大于1的正整数。为了减小安装偏心测量结果的影响，l₁长度不等于l₂。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

1.该传感器由两块极板构成，通过合理调整上极板和下极板间的间距可以输出三路与角位移呈正弦关系的电容，其中第一路与第二路相位差为90度，第一路与第三路相位差为180度，通过这三路信号结合反正切细分技术可以快速、精确地求解出角度值，并且可以显著减小安装偏心、倾斜对测量结果的影响；

2.通过相位解包裹技术还可以实现任意范围的角位移测量，解除传统方法测量范围小于360度的限制。

附图说明

图1-1为本实用新型传感器中下极板的结构示意图。

图1-2为本实用新型传感器中上极板的结构示意图。

图2为未使用相位解包裹算法仿真式(1)求解角位移的结果。

图3为使用了相位解包裹算法仿真式(1)求解角位移的结果。

图4为上极板和下极板安装示意图。

图5为仿真电容C_ZG、C_YG和C_XG随角位移变化的曲线。

图6为仿真式(1)解调角位移的误差曲线，其中虚线为下极板电极数量为N＝8时的误差，实线为下极板电极数量为N＝32时的误差。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型保护一种双极板电容角位移传感器，传感器由两块极板构成，如图1-1和图1-2所示；其中下极板A上有N个电极F₁-F_N且均匀分布在半径为r的圆周上，单个电极对应角位移为α₂，相邻两电极之间的夹角为α₁＝2π/N，电极的径向长度为l₁，板上所有电极连接到一个共同的电气端子G；上级板B上三个电极M₁、M₂、M₃也分布在半径为r的圆周上，单个电极对应角位移为α₂，相邻两电极之间的夹角为α₃＝α₄＝3α₁/4，电极的径向长度为l₂，电极M₁连接到电气端子X，电极M₂连接到电气端子Y，电极M₃连接到电气端子Z。电气端子X和电气端子G一起构成输出电容C_XG的输出端子，电气端子Y和电气端子G构成输出电容C_YG的输出端子，电气端子Z和电气端子G构成输出电容C_ZG的输出端子；为了减小安装偏心测量结果的影响，l₁长度不等于l₂。

图4为上、下极板安装的示意图，两极板相对放置，中心距离为d，上极板安装轴和下极板安装轴之间的夹角为θ；当θ＝0时不存在安装倾斜，θ≠0时存在安装倾斜；由于边缘效应的存在，合理调整两极板间距d可以使得输出电容C_XG、C_YG和C_ZG与角位移β的关系为正弦曲线，且其周期为α₁＝2π/N；此外，他们之间的相位关系是确定的，若设C_ZG＝s_ZG+q_ZGcosNβ，则有C_YG＝s_YG+q_YGsinNβ，C_XG＝s_XG-q_XGcosNβ，其中s_ZG、s_YG、s_XG分别为C_ZG、C_YG和C_XG的偏置，q_ZG、q_YG、q_XG分别为C_ZG、C_YG和C_XG的幅值；在无安装偏心、倾斜的情况下，s_ZG＝s_YG＝s_XG，q_ZG＝q_YG＝q_XG；若设C₁＝(C_ZG+C_XG)/2，则

由于反三角函数的结果只能位于[0,2π]的范围，所以计算出来的角度值是不连续的，如图2所示；通过相位解包裹(相位解包裹算法详见：D.Ghiglia and M.Pritt,Two-Dimensional Phase Unwrapping:Theory,Algorithms and Software.New York:Wiley,1998)之后，可以得到连续的测量结果，如图3所示，且测量范围没有限制；安装偏心的影响可以通过使l₁和l₂长度不等显著减小，然而安装倾斜却很难消除；在安装倾斜存在的情况下，电容值与角位移关系曲线的偏置s_ZG、s_YG、s_XG和幅值q_ZG、q_YG、q_XG都是变化的，如图5所示，其中N＝8，α₁＝2π/8，α₂＝2π/16，d＝1，存在安装倾斜且Rsinθ＝0.1；带正方形标记的曲线为C_ZG，带圆形标记的曲线为C_YG，带星形标记的曲线为C_XG。尽管由于相位差的影响，s_YG和s_XG相对s_ZG的变化有一定的滞后性，q_YG和q_XG相对q_ZG的变化有一定的滞后性但是利用式(1)计算角位移能够在很大程度上减小测量误差，且N越大效果越好，如图6所示，图6中虚线为下极板电极数量为N＝8时的误差，实线为下极板电极数量为N＝32时的误差。

本实用新型并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本实用新型的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双极板电容角位移传感器，其特征在于，由上极板和下极板组成，所述下极板中半径为r的圆周上等间距的排列设置有N个电极，单个电极对应角位移为α₂，相邻两电极之间的夹角为α₁＝2π/N，电极的径向长度为l₁，下极板上所有电极连接至第一电气端子(G)；所述上极板中半径为r的圆周上设置有第一电极、第二电极和第三电极，第一电极、第二电极和第三电极每个电极对应的角位移为α₂，第一电极与第二电极之间的夹角为α₃、第二电极与第三电极之间的夹角为α₄，α₃＝α₄＝3α₁/4，第一电极、第二电极和第三电极的径向长度为l₂，第一电极连接至第二电气端子(X)，第二电极连接至第三电气端子(Y)，第三电极连接至第四电气端子(Z)；第二电气端子(X)和第一电气端子(G)构成输出电容C_XG的输出端子，第三电气端子(Y)和第一电气端子(G)构成输出电容C_YG的输出端子，第四电气端子(Z)和第一电气端子(G)构成输出电容C_ZG的输出端子；N为大于1的正整数。

2.根据权利要求1所述一种双极板电容角位移传感器，其特征在于，l₁长度不等于l₂。