專利名稱：一種電容式角度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電容式角度傳感器，特別是一種高靈敏度低溫漂電容式角度 傳感器，可作為工業(yè)級(jí)溫度(-40°C +85°C)環(huán)境下的無(wú)接觸有限角測(cè)角傳感器，擺動(dòng)電機(jī) 的角度傳感器。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)內(nèi)外采用的電容式角度傳感器分為變間隙，變面積，變介質(zhì)等，同時(shí)在還 采用差分式結(jié)構(gòu)，但均會(huì)有溫漂現(xiàn)象，由于電容本身的特點(diǎn)，在高溫條件下極板材料的變 形，極板間隙的改變，極板間有效面積的改變，元器件固有的溫度特性等，都會(huì)帶來(lái)溫漂。用 在幀掃電機(jī)上的角度傳感器，是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)角位置要求非常嚴(yán)格，要求在工業(yè)級(jí)溫度 范圍內(nèi)輸入控制電壓與位置反饋嚴(yán)格成一定比例關(guān)系，如果角度傳感器出現(xiàn)大的溫度漂移 將會(huì)直接影響電機(jī)的掃描精度。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電容式角度傳感 器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、溫漂低、靈敏度高。 本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種電容式角度傳感器，包括前極板、軸、陶瓷介
質(zhì)、后極板、墊片，陶瓷介質(zhì)固定在軸上，前極板和后極板穿過軸通過墊片保持極板間的間
隙固定，并保持與陶瓷介質(zhì)的間隙相同，所述的前極板為1/4扇形極板，陶瓷介質(zhì)的形狀與
前極板的形狀相同，前極板和后極板采用碳?xì)浠衔锾沾刹牧希皹O板上設(shè)置電容差分調(diào)
幅電路將角度傳感器的輸出電容進(jìn)行差分轉(zhuǎn)換成電壓值，后極板上設(shè)置激磁信號(hào)電路為角
度傳感器提供激磁信號(hào)，激磁信號(hào)電路由外部自動(dòng)增益控制電路提供激磁電源。 所述的前極板、后極板為R04350B型碳?xì)浠衔锾沾刹牧稀?所述的后極板中激磁信號(hào)電路產(chǎn)生的激磁信號(hào)頻率為2Mhz、峰峰值為500V。 所述的墊片、軸采用鈦合金材料。 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是本實(shí)用新型通過采用低線脹系數(shù)的碳 氫化合物陶瓷極板材料，有效減小了電容式角度傳感器固有溫度漂移，在兩極板上分別設(shè) 置激磁信號(hào)電路和電容差分調(diào)幅電路，簡(jiǎn)化了傳感器的結(jié)構(gòu)，激磁信號(hào)電路產(chǎn)生更高頻率 的激磁信號(hào)，提高了電容式角度傳感器的靈敏度與角度精度，同時(shí)利用外部自動(dòng)增益控制 電路，使電容式角度傳感器的靈敏度在高溫情況下基本不變，使電容式角度傳感器在工業(yè) 級(jí)溫度范圍內(nèi)從以前漂移的50角分減小到了 2角分。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本實(shí)用新型前極板的平面圖； 圖3為本實(shí)用新型后極板的平面圖；[0012] 圖4為本實(shí)用新型電容差分調(diào)幅電路圖； 圖5為本實(shí)用新型激磁信號(hào)電路圖； 圖6為本實(shí)用新型采用的自動(dòng)增益控制電路圖； 圖7為本實(shí)用新型高低溫漂移測(cè)試原理圖。
具體實(shí)施方式如圖1所示，軸2事先安裝在電機(jī)上，先將圖2所示的前極板1通過兩個(gè)銷釘定位 貼在電機(jī)的底板殼體上，然后將陶瓷介質(zhì)3套在軸2上，用四個(gè)墊片5把圖2所示的前極板 1與圖3所示的后極板4之間的間隙固定，并用螺釘固定擰緊，把外接電路控制板的信號(hào)通 過DB9連接器連接傳感器，構(gòu)成整個(gè)測(cè)角系統(tǒng)，最后用頂絲將陶瓷介質(zhì)3與軸2固定，并保 證陶瓷介質(zhì)3與兩極板間的間隙dl，d2 —樣。其中圖2所示的前極板1的形狀為1/4扇形 極板，陶瓷介質(zhì)3的形狀與圖2所示的前極板1的形狀、大小相同，軸2帶動(dòng)陶瓷介質(zhì)3轉(zhuǎn) 動(dòng)，使圖1所示的電容式角度傳感器的極板面積發(fā)生改變，從而使輸出電容值改變即可以 測(cè)量角度。該電容式角度傳感器為絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的差分式平板電容 器，旋轉(zhuǎn)陶瓷介質(zhì)3在兩個(gè)定極板間形成一個(gè)介質(zhì)，它的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致介質(zhì)的改變，電容也隨之 改變，再由前極板1上設(shè)置的電容差分調(diào)幅電路6對(duì)其兩路電容進(jìn)行容值的電壓變換，然后 再采用差分放大將陶瓷介質(zhì)3旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為電壓量，由差分放大兩路信號(hào)與基準(zhǔn)電壓形 成一個(gè)自動(dòng)增益控制電路為后極板4上的激磁信號(hào)電路7提供激磁電源。 目前，國(guó)內(nèi)極板一般采用低溫度線脹系數(shù)的陶瓷材料，或者石英材料，由于本傳感 器的后極板4上還帶有激磁信號(hào)電路7，前極板1上設(shè)置有電容差分調(diào)幅電路6，所以前、后 極板材料采用低介電常數(shù)、低線脹系數(shù)的高頻復(fù)合陶瓷材料，本實(shí)用新型主要采用R04350B 型碳?xì)浠衔锾沾刹牧稀?本實(shí)用新型在前極板1上設(shè)置電容差分調(diào)幅電路6，如圖4所示，電路由四個(gè)二極 管D1、D2、D3、D4和電容C1、C2組成，差分電容Sl通過正接二極管Dl或D2和Cl組成的整 流電路轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)VI，差分電容S2通過正接二極管D3或D4和C2組成的整流電路轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)V2，其中電容C1、C2起濾波作用。 本實(shí)用新型在后極板4上設(shè)置激磁信號(hào)電路7，如圖5所示，電路由電阻R10、R11、 三極管Q3、 Q4以及罐型磁芯變壓器JP2組成，該電路可以通過罐型磁芯變壓器JP2輸出激 磁振蕩信號(hào)，該電路采用自激推挽式產(chǎn)生高頻交流信號(hào)，通過改變變壓器JP2磁芯電感改
變激磁頻率，由于容抗^ = ^T隨著頻率升高，容抗減小，輸出電壓增大，傳感器靈敏度
的提高依靠傳感器激磁信號(hào)的頻率，所以提高激磁頻率也就意味著提高傳感器的靈敏度， 高變壓比將交流信號(hào)峰峰值放大到幾百伏，這樣的信號(hào)在兩路差分電容極板上感應(yīng)出峰峰 值幾伏的同頻率交流信號(hào)，本實(shí)用新型激磁信號(hào)電路產(chǎn)生的激磁信號(hào)頻率為2Mhz、峰峰值 為500V。 圖5所示的激磁信號(hào)電路7的輸入電壓AGC由如圖6所示的AGC電路輸出，AGC電 路由可變電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、可變電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、 由二極管D5、電容C3和運(yùn)算放大器LM324組成的反向比例放大電路以及三極管Ql組成，可 變電阻Rl的兩端接±5伏電壓，電阻R7的一端接_5伏電壓，另一端連接放大器LM324的伏輸入端、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容C3以及二極管D5的正極，三極管的集電 極接正15伏電壓，放大器LM324的正輸入端接地。提高本實(shí)用新型的靈敏度是降低溫漂的 一種重要手段，只有靈敏度高了電容才能敏感微小變化，采用自動(dòng)增益控制電路(即AGC) 對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行校正。該電路的工作原理是當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，由于極板材料的膨 脹電容間隙減小，電容增大，附圖4中兩相調(diào)幅信號(hào)VI、 V2也增大，經(jīng)過低通濾波相應(yīng)放大 成附圖6電路中的VA和VB， VA與VB和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行求和，得到的誤差就減小，將誤差進(jìn)行 積分，積分結(jié)果連接到三極管Q1的基極，三極管將此電流放大并通過電阻R9輸出AGC電壓 給電容角度傳感器做激磁電源，激磁電壓變小，則兩路調(diào)幅后的信號(hào)VA和VB也減小，所以 AGC電路始終可以保證傳感器的靈敏度不變，也就是保證VA與VB不變。 本實(shí)用新型的元器件采用低溫漂元器件，檢波二極管Dl、 D2、 D3、 D4、 D5均采用 陣列二極管，運(yùn)算放大器LM324采用工業(yè)級(jí)的四運(yùn)放，其余電阻、電容均采用溫度系數(shù)為 50卯m廣C以下的元器件。 對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行高低溫漂移測(cè)試，測(cè)試原理如圖7所示，將本實(shí)用新型所述的 電容式角度傳感器安裝在幀掃電機(jī)72上并與電路控制板放入高低溫箱71，將幀掃電機(jī)72 上電，用激光器73發(fā)出的激光光束透過高低溫箱的玻璃74打到電機(jī)負(fù)載鏡片75上，并反 射到對(duì)面的坐標(biāo)紙76上。在常溫通電5分鐘后，用精密直流穩(wěn)流器調(diào)節(jié)給定電壓值Ul (該 試驗(yàn)中給定士5V， 士7V， 士9V)，分別在坐標(biāo)紙76上做出這6個(gè)電壓值相應(yīng)的刻線標(biāo)記，標(biāo) 記完關(guān)機(jī)。然后先高溫+60°C ，保溫lh后再用精密直流穩(wěn)流器調(diào)節(jié)給定電壓值Ul (該試驗(yàn) 中給定±5V， ±7V， 士9V)，記錄下相應(yīng)的輸出電壓U2'(表l中引腳3)。觀察光點(diǎn)位置， 在坐標(biāo)紙76上做出標(biāo)記，標(biāo)記完關(guān)機(jī)，此時(shí)標(biāo)記的位置和常溫時(shí)標(biāo)記的位置有一個(gè)變化， 在坐標(biāo)紙上量出這個(gè)差值后除以對(duì)應(yīng)的該點(diǎn)到鏡子的距離得到漂移的弧度值，再換算成角 度值記為a(a有正負(fù)號(hào)，單位為角分)，a就是溫度為+6(TC對(duì)應(yīng)輸入電壓的角度漂移值。 帶入公式|U2-U2' I X120' -a，計(jì)算出漂移位置精度(U2為常溫下對(duì)應(yīng)相同Ul的輸出電 壓)。在高溫保溫情況下，由AGC電路輸出的電壓一直在減小，也就是由于高溫的影響電容 式角度傳感器靈敏度改變了，出現(xiàn)了漂移，AGC電路一直在對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行校正，光 點(diǎn)以前漂移50角分，現(xiàn)在漂移在2角分以內(nèi)，溫漂結(jié)果大大減小，也就是實(shí)現(xiàn)了低溫漂電容 式角度傳感器。 本實(shí)用新型未說(shuō)明內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求一種電容式角度傳感器，其特征在于包括前極板(1)、軸(2)、陶瓷介質(zhì)(3)、后極板(4)、墊片(5)，陶瓷介質(zhì)(3)固定在軸(2)上，前極板(1)和后極板(4)穿過軸(2)通過墊片(5)保持極板間的間隙固定，并保持與陶瓷介質(zhì)(3)的間隙相同，所述前極板(1)為1/4扇形極板，陶瓷介質(zhì)(3)的形狀與前極板(1)的形狀相同，前極板(1)和后極板(4)采用碳?xì)浠衔锾沾刹牧?，前極板(1)上設(shè)置電容差分調(diào)幅電路(6)將角度傳感器的輸出電容進(jìn)行差分轉(zhuǎn)換成電壓值，后極板(4)上設(shè)置激磁信號(hào)電路(7)為角度傳感器提供激磁信號(hào)，激磁信號(hào)電路(7)由外部自動(dòng)增益控制電路提供激磁電源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種電容式角度傳感器，其特征在于所述的前極板(1)、后 極板(4)為R04350B型碳?xì)浠衔锾沾刹牧稀?br> 3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種電容式角度傳感器，其特征在于所述的后極板(4)中 激磁信號(hào)電路(7)產(chǎn)生的激磁信號(hào)頻率為2Mhz、峰峰值為500V。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種電容式角度傳感器，其特征在于所述的墊片(5)、軸 (2)采用鈦合金材料。
專利摘要一種電容式角度傳感器，包括前極板、軸、陶瓷介質(zhì)、后極板、墊片，陶瓷介質(zhì)固定在軸上，前極板和后極板穿過軸通過墊片保持極板間的間隙固定，并保持與陶瓷介質(zhì)的間隙相同，前極板和后極板采用碳?xì)浠衔锾沾刹牧希皹O板上設(shè)置激磁信號(hào)電路，激磁信號(hào)電路由外部自動(dòng)增益控制電路提供激磁電源，后極板上設(shè)置電容差分調(diào)幅電路。本實(shí)用新型采用低線脹系數(shù)的碳?xì)浠衔锾沾蓸O板材料，有效減小了電容式角度傳感器固有溫度漂移，在兩極板上分別設(shè)置激磁信號(hào)電路和電容差分調(diào)幅電路，簡(jiǎn)化了傳感器的結(jié)構(gòu)，激磁信號(hào)電路產(chǎn)生更高頻率的激磁信號(hào)，提高了傳感器的靈敏度與角度精度，同時(shí)利用外部自動(dòng)增益控制電路，使傳感器的靈敏度在高溫情況下基本不變。
文檔編號(hào)G01B7/30GK201463833SQ200920109710
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者孫昕, 才小士, 李建春, 肖躍華, 譚映戈, 鄭浩然 申請(qǐng)人:北京航天控制儀器研究所