一種分瓣電容式角位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分瓣電容式角位移傳感器，它包括解調(diào)電路和敏感結(jié)構(gòu)，解調(diào)電路產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)作用于敏感結(jié)構(gòu)，由敏感結(jié)構(gòu)將電容變化信息返回至解調(diào)電路進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)角信息。敏感結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子，在定子表面設(shè)置有保護(hù)電極、激勵(lì)電極和采集電極；在定子表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)均設(shè)置有保護(hù)電極，緊鄰內(nèi)環(huán)保護(hù)電極的外側(cè)設(shè)置有激勵(lì)電極，激勵(lì)電極的外側(cè)設(shè)置有采集電極。轉(zhuǎn)子包括保護(hù)電極、耦合電極和敏感電極，在轉(zhuǎn)子表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)也均設(shè)置有保護(hù)電極，緊鄰內(nèi)環(huán)保護(hù)電極外側(cè)設(shè)置有耦合電極，耦合電極外側(cè)設(shè)置有敏感電極。采集電極和敏感電極呈正對(duì)設(shè)置，組成測量電容。本發(fā)明可減小因徑向跳動(dòng)而導(dǎo)致的測量誤差。
【專利說明】
一種分瓣電容式角位移傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種傳感器，特別是關(guān)于一種在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀器儀表和電 子產(chǎn)品制造業(yè)等領(lǐng)域中使用的分瓣電容式角位移傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，主軸角位移信息和角速度信息在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀器儀表和電子產(chǎn) 品制造業(yè)中都是極為重要的測量參數(shù)，因此開發(fā)廉價(jià)、高精度、高動(dòng)態(tài)的角位移傳感器對(duì)于 工業(yè)化自動(dòng)化有很大的促進(jìn)作用;現(xiàn)有許多類型的角位移測量傳感器、并且精度較高，但是 存在體積比較大，加工復(fù)雜，成本較高、對(duì)環(huán)境要求苛刻，動(dòng)態(tài)特性差等缺點(diǎn)。
[0003] 電感式角位移傳感器精度高、溫度特性好、安裝要求低，但加工復(fù)雜、成本高且對(duì) 電磁環(huán)境敏感；電容式角位移傳感器穩(wěn)定性較高、可以用于非接觸式測量、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、適 應(yīng)惡劣環(huán)境等，已被越來越多的人認(rèn)為是最有發(fā)展前途的傳感器。
[0004] 國內(nèi)外對(duì)于電容式傳感器用于測量角位移的研究很多，也取得了很大的突破:主 要集中在敏感結(jié)構(gòu)改進(jìn)，常規(guī)的敏感結(jié)構(gòu)是扇形分瓣式的，對(duì)角位移信息的獲取能力有限， 靈敏度也受限制與加工精度且解調(diào)電路復(fù)雜。基于上面的分析，需要研發(fā)一種角位移傳感 器，使其具有高精度、高環(huán)境適應(yīng)性、低成本等特點(diǎn);這里結(jié)合傳統(tǒng)電容式角位移傳感器和 電感式角位移傳感器設(shè)計(jì)一種新的形狀的分瓣式電容，提高對(duì)角位移信息獲取能力，同時(shí) 差動(dòng)設(shè)計(jì)克服溫度對(duì)電容式傳感器的影響，改進(jìn)電路，借鑒電感式旋轉(zhuǎn)編碼器的原理，簡化 電路，減低噪聲提高測量精度和動(dòng)態(tài)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種分瓣電容式角位移傳感器，其減小因徑 向跳動(dòng)而導(dǎo)致的測量誤差，測量精度高，而且抗干擾、抗污染能力強(qiáng)，具有較高的可靠性。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種分瓣電容式角位移傳感器，其特 征在于它包括解調(diào)電路和敏感結(jié)構(gòu)，所述解調(diào)電路產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)作用于所述敏感結(jié) 構(gòu)，由所述敏感結(jié)構(gòu)將電容變化信息返回至所述解調(diào)電路進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)角信息;所述敏感結(jié) 構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子和所述轉(zhuǎn)子同軸平行設(shè)置，在所述定子表面設(shè)置有保護(hù)電極、 激勵(lì)電極和采集電極;在所述定子表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)均設(shè)置有圓環(huán)狀的所述保護(hù)電極， 緊鄰內(nèi)環(huán)所述保護(hù)電極的外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的所述激勵(lì)電極，所述激勵(lì)電極的外側(cè)設(shè)置 有圓環(huán)狀的所述采集電極;所述轉(zhuǎn)子包括保護(hù)電極、耦合電極和敏感電極，在所述轉(zhuǎn)子表面 最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)也均設(shè)置有圓環(huán)狀的所述保護(hù)電極，緊鄰內(nèi)環(huán)所述保護(hù)電極外側(cè)設(shè)置有圓 環(huán)狀的所述耦合電極，所述耦合電極外側(cè)設(shè)置有所述敏感電極，所述耦合電極和所述敏感 電極部分相連;所述采集電極和所述敏感電極呈正對(duì)設(shè)置，組成測量電容。
[0007] 優(yōu)選地，所述定子表面設(shè)置有48個(gè)內(nèi)外均勻分布的扇形采集電極;其中，24個(gè)所述 扇形采集電極均勻分布在一個(gè)外圓環(huán)上，并由第一扇形采集電極、第二扇形采集電極、第三 扇形采集電極、第四扇形采集電極為一組構(gòu)成6組電極;另外24個(gè)所述扇形采集電極均勻分 布在另一個(gè)與外圓環(huán)緊鄰的內(nèi)圓環(huán)上，也由所述第一扇形采集電極、所述第二扇形采集電 極、所述第三扇形采集電極、所述第四扇形采集電極為一組構(gòu)成6組電極;外圓環(huán)上的一組 電極中的所述第一扇形采集電極與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中所述第三扇形采集電極緊鄰，外 圓環(huán)上的一組電極中的所述第二扇形采集電極與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中所述第四扇形采 集電極緊鄰，外圓環(huán)上的一組電極中的所述第三扇形采集電極與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中所 述第一扇形采集電極緊鄰，外圓環(huán)上的一組電極中的所述第四扇形采集電極與內(nèi)圓環(huán)上的 一組電極中所述第二扇形采集電極緊鄰。
[0008] 優(yōu)選地，外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的所述第一扇形采集電極均依次連接組成一個(gè)電極， 并與所述敏感電極組成第一電容，外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的所述第二扇形采集電極均依次連接 組成一個(gè)電極，并與所述敏感電極組成第二電容，外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的所述第三扇形采集 電極均依次連接組成一個(gè)電極，并與所述敏感電極組成第三電容，外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的所 述第四扇形采集電極均依次連接組成一個(gè)電極，并與所述敏感電極組成第四電容。
[0009] 優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)子表面的所述敏感電極采用兩瓣以上的花瓣構(gòu)成，所述敏感電極 由函數(shù)fi(9)和f2(9)圍成的區(qū)域；
[0010] fi(9) = ri+Tsin(N* <}> )，f2(9) = r2+Tsin(N* <}>)，
[0011] 其中，N表示花瓣的瓣數(shù)，ri表示敏感電極的內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)半徑，r2表示敏感電極的外 環(huán)的基準(zhǔn)內(nèi)半徑，參數(shù)t滿足關(guān)系：T = (ri+r2)/2。
[0012] 優(yōu)選地，所述激勵(lì)電極與所述耦合電極呈正對(duì)設(shè)置，組成耦合電容。
[0013 ]優(yōu)選地，所述定子和所述轉(zhuǎn)子均采用印制電路板，所述定子采用四層板，其中第一 層為敏感結(jié)構(gòu)層，第二層為地，第三層為連線，第四層為元件;所述轉(zhuǎn)子采用兩層板，第一層 為敏感結(jié)構(gòu)層，第二層為地。
[0014] 優(yōu)選地，所述解調(diào)電路包括旋變解調(diào)芯片、差分放大模塊、低通濾波模塊、激勵(lì)驅(qū) 動(dòng)模塊、C-V轉(zhuǎn)換模塊、后置差分放大模塊、同相放大模塊、反相放大模塊和后置低通濾波模 塊;所述旋變解調(diào)芯片產(chǎn)生兩組正弦激勵(lì)信號(hào)均經(jīng)所述差分放大模塊進(jìn)行放大后，由所述 低通濾波模塊濾除低頻信號(hào)，然后通過所述激勵(lì)驅(qū)動(dòng)模塊作用于所述定子的所述激勵(lì)電 極;所述轉(zhuǎn)子在主軸的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，使得所述敏感電極和所述采集電極正對(duì)面積發(fā)生改變， 進(jìn)而獲得4路電量變化信號(hào)，4路電量變化信號(hào)分別通過所述C-V轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為4路電壓信 號(hào)，4路電壓信號(hào)均經(jīng)所述后置差分放大模塊放大后，其中兩路電壓信號(hào)進(jìn)行所述同相放大 模塊放大，另外兩路電壓信號(hào)進(jìn)行所述反相放大模塊放大，最后均通過所述后置低通濾波 模塊濾除低通信號(hào)后，傳輸至所述旋變解調(diào)芯片。
[0015] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明采用分瓣電容式角位 移傳感器，精度高，成本低，電路更簡單。2、本發(fā)明采用分瓣電容式角位移傳感器，差動(dòng)測 量，良好的魯棒性，動(dòng)態(tài)特性良好、具有一定容錯(cuò)特性。3、本發(fā)明采用分瓣電容式角位移傳 感器，對(duì)機(jī)械和物理污染表現(xiàn)優(yōu)異。4、本發(fā)明采用旋變解調(diào)芯片，互換性更好，跟常用的旋 變編碼器的接口融合，便于推廣和互換。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的原理不意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明的敏感結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是本發(fā)明定子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明解調(diào)電路等效電路示意圖；
[0021] 圖6是本發(fā)明敏感結(jié)構(gòu)經(jīng)電路調(diào)制后輸出的標(biāo)準(zhǔn)SIN函數(shù)波形圖；
[0022] 圖7是本發(fā)明敏感結(jié)構(gòu)經(jīng)電路調(diào)制后輸出的標(biāo)準(zhǔn)C0S函數(shù)波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0024]如圖1~圖4所示，本發(fā)明提供一種分瓣電容式角位移傳感器，其包括解調(diào)電路和 敏感結(jié)構(gòu)1，解調(diào)電路產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)作用于敏感結(jié)構(gòu)1，由敏感結(jié)構(gòu)1將電容變化信息返 回至解調(diào)電路進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)角信息。敏感結(jié)構(gòu)1包括定子2和轉(zhuǎn)子3,定子2和轉(zhuǎn)子3同軸平行設(shè) 置，在定子2表面設(shè)置有保護(hù)電極4、激勵(lì)電極5和采集電極;在定子2表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)均 設(shè)置有圓環(huán)狀的保護(hù)電極4,用于消除平板電容的邊緣效應(yīng)，緊鄰內(nèi)環(huán)保護(hù)電極4的外側(cè)設(shè) 置有圓環(huán)狀的激勵(lì)電極5,激勵(lì)電極5的外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的采集電極。轉(zhuǎn)子3包括保護(hù)電極 4、親合電極6和敏感電極7，在轉(zhuǎn)子3表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)也均設(shè)置有圓環(huán)狀的保護(hù)電極4， 緊鄰內(nèi)環(huán)保護(hù)電極4外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的耦合電極6,耦合電極6外側(cè)設(shè)置有敏感電極7,耦 合電極6和敏感電極7部分相連。采集電極和敏感電極7呈正對(duì)設(shè)置，組成測量電容，用于將 轉(zhuǎn)角信息轉(zhuǎn)換為電容變化。
[0025]上述實(shí)施例中，定子2表面設(shè)置有48個(gè)內(nèi)外均勻分布的扇形采集電極。其中，24個(gè) 扇形采集電極均勻分布在一個(gè)外圓環(huán)上，并由第一扇形采集電極8、第二扇形采集電極9、第 三扇形采集電極10、第四扇形采集電極11為一組構(gòu)成6組電極，如圖3所示，第一扇形采集電 極8為白色、第二扇形采集電極9為深灰色、第三扇形采集電極10為淺灰色，第四扇形采集電 極11為黑色，在本實(shí)施例中，第一扇形采集電極8、第二扇形采集電極9、第三扇形采集電極 10、第四扇形采集電極11用于限定排列順序。另外24個(gè)扇形采集電極均勻分布在另一個(gè)與 外圓環(huán)緊鄰的內(nèi)圓環(huán)上，也由第一扇形采集電極8、第二扇形采集電極9、第三扇形采集電極 10、第四扇形采集電極11為一組構(gòu)成6組電極。外圓環(huán)上的一組電極中的第一扇形采集電極 8與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中第三扇形采集電極10緊鄰，外圓環(huán)上的一組電極中的第二扇形 采集電極9與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中第四扇形采集電極11緊鄰，外圓環(huán)上的一組電極中的 第三扇形采集電極10與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中第一扇形采集電極8緊鄰，外圓環(huán)上的一組 電極中的第四扇形采集電極11與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中第二扇形采集電極9緊鄰。內(nèi)圓環(huán) 的扇形采集電極可以由外圓環(huán)的扇形采集電極順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°得到。外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的 第一扇形采集電極8均依次連接組成一個(gè)電極，并與敏感電極7組成第一電容Q，外圓環(huán)和 內(nèi)圓環(huán)上的第二扇形采集電極9均依次連接組成一個(gè)電極，并與敏感電極7組成第二電容 C 2,外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的第三扇形采集電極10均依次連接組成一個(gè)電極，并與敏感電極7組 成第三電容C3,外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的第四扇形采集電極11均依次連接組成一個(gè)電極，并與 敏感電極7組成第四電容C4。
[0026] 上述各實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子3表面的敏感電極7采用兩瓣以上的花瓣構(gòu)成，敏感電極7由 函數(shù)fi(9)和f2(9)圍成的區(qū)域；
[0027] fi(9) =ri+Tsin(N*<}) ) (1)
[0028] f2(0) =r2+TSin(N*(}) ) (2)
[0029] 其中，N表示花瓣的瓣數(shù)，ri表示敏感電極的內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)半徑，r2表示敏感電極的外 環(huán)的基準(zhǔn)內(nèi)半徑，參數(shù)t滿足關(guān)系：T = (ri+r2)/2。
[0030] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子3表面的敏感電極7設(shè)置為近似六角形，敏感電極7由函 數(shù)f3(0)和f4(0)圍成的區(qū)域。敏感電極7的每個(gè)角為標(biāo)準(zhǔn)的半個(gè)周期正弦波形，并共包含6個(gè) 半個(gè)周期的正弦波形。
[0031] f3(9) =ri+Tsin(6*<}) ) (3)
[0032] f4(0) =r2+TSin(6*(j> ) (4)
[0033] 上述實(shí)施例中，激勵(lì)電極5與耦合電極6呈正對(duì)設(shè)置，組成耦合電容Co。耦合電容Co 的有效正對(duì)面積不隨轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變，耦合電容Co的電壓相位與激勵(lì)信號(hào)的相位相同。
[0034] 上述各實(shí)施例中，定子2和轉(zhuǎn)子3均采用印制電路板，定子2采用四層板，其中第一 層為敏感結(jié)構(gòu)層，第二層為地，第三層為連線，第四層為元件。轉(zhuǎn)子3采用兩層板，第一層為 敏感結(jié)構(gòu)層，第二層為地，能夠減少其他極板和走線之間的耦合。
[0035]上述各實(shí)施例中，如圖1、圖5所示，解調(diào)電路包括旋變解調(diào)芯片12、差分放大模塊 13、低通濾波模塊14、激勵(lì)驅(qū)動(dòng)模塊15、C-V轉(zhuǎn)換模塊16、后置差分放大模塊17、同相放大模 塊18、反相放大模塊19和后置低通濾波模塊20。旋變解調(diào)芯片12產(chǎn)生兩組正弦激勵(lì)信號(hào)均 經(jīng)差分放大模塊13進(jìn)行放大后，由低通濾波模塊14濾除低頻信號(hào)，然后通過激勵(lì)驅(qū)動(dòng)模塊 15作用于定子2的激勵(lì)電極5。轉(zhuǎn)子3在主軸21的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角發(fā)生改變，使得敏感電極7 和采集電極正對(duì)面積發(fā)生改變，將轉(zhuǎn)角變化轉(zhuǎn)化為電容的變化，進(jìn)而獲得4路電量變化信 號(hào)，4路電量變化信號(hào)分別通過C-V轉(zhuǎn)換模塊16轉(zhuǎn)換為4路電壓信號(hào)，4路電壓信號(hào)均經(jīng)后置 差分放大模塊17放大后，其中兩路電壓信號(hào)進(jìn)行同相放大模塊18放大，另外兩路電壓信號(hào) 進(jìn)行反相放大模塊19放大，最后均通過后置低通濾波模塊20濾除低通信號(hào)后，傳輸至旋變 解調(diào)芯片12,得到轉(zhuǎn)角信息。
[0036] 基于上述裝置，本發(fā)明還提供一種分瓣電容式角位移傳感器的使用方法，其具體 步驟如下：
[0037] 1)設(shè)置一解調(diào)電路和敏感結(jié)構(gòu)，解調(diào)電路產(chǎn)生兩組正弦激勵(lì)信號(hào)作用于敏感結(jié) 構(gòu)，轉(zhuǎn)子在主軸的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的第一扇形采集電極均依次連接組成一 個(gè)電極，并與敏感電極組成第一電容心，外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的第二扇形采集電極均依次連 接組成一個(gè)電極，并與敏感電極組成第二電容C 2，外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的第三扇形采集電極 均依次連接組成一個(gè)電極，并與敏感電極組成第三電容C3,外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的第四扇形 采集電極均依次連接組成一個(gè)電極，并與敏感電極組成第四C4;
[0038] 2)第一電容&隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：
[0039] Si = N*(A+B sin(N9)) (5)
[0040] 其中，N表示花瓣的瓣數(shù)，A表示測量電容正對(duì)面積的常值分量，B表示振幅，0表示 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度；
[0041 ]第二電容&隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：
[0042] S2 = N*(A-B sin(N9)) (6)
[0043]第三電容C3隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：
[0044] S3 = N*(A+B cos(N9)) (7)
[0045] 第四電容C4隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：
[0046] S4=N*(A-B cos(N9)) (8)
[0055] 4)C_V轉(zhuǎn)換模塊將四個(gè)電容上的電荷信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出：
[0056] Ui = U sin(wt)*(A+B sin(N9)) (13)
[0057] U2 = U sin(wt)*(A_B sin(N9)) (14)
[0058] U3 = U sin(wt)*(A+B cos(N9)) (15)
[0059] U4=U sin(wt)*(A_B cos(N9)) (16)
[0060] 5)將獲得的四路電壓信號(hào)輸入后置差分放大模塊，可獲得兩路類似于電感變壓器 的正交旋變信號(hào)：
[0061] Usin = U sin(wt)sin(N9) (17)
[0062] Uc〇s = U sin(wt)cos(N9) (18)
[0063] 6)信號(hào)UPlUs通過反相放大模塊得到信號(hào)U-sin、U-ccls;將信號(hào)UPlUs通過同相 放大模塊；
[0064] U-sin=-U sin(wt)sin(N9) (19)
[0065] U-c〇s = -U sin(wt)cos(N9) (20)
[0066] 7)將1]心、1]_、1]-&和1]-_均傳輸至后置低通濾波模塊，濾除低頻信號(hào)后，傳輸至 旋變解調(diào)芯片；
[0067] 8)旋變解調(diào)芯片SIN引腳接收Usin的信號(hào)，;^引腳接收1]-^的信號(hào)，C0S引腳接收 U?s的信號(hào)，COS引腳接收U-ras的信號(hào)，得到精確的轉(zhuǎn)角信息。
[0068]上述實(shí)施例中，旋變解調(diào)芯片輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位移動(dòng)必須在：（咐180°-44° )-(N*180°+44° )(N為整數(shù))范圍內(nèi)，旋變解調(diào)芯片輸入差分峰值信號(hào)范圍為:最小值為 2.3￥，典型值為3.15￥，最大值為4.(^。
[0069]本發(fā)明在使用時(shí)，如圖6、圖7所示，虛線表示理想的旋變器處理的信號(hào)，實(shí)線表示 的是本發(fā)明獲得的實(shí)際信號(hào)。
[0070]上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設(shè)置位置及形狀都是可以 有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等 同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分瓣電容式角位移傳感器，其特征在于:它包括解調(diào)電路和敏感結(jié)構(gòu)，所述解調(diào) 電路產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)作用于所述敏感結(jié)構(gòu)，由所述敏感結(jié)構(gòu)將電容變化信息返回至所述 解調(diào)電路進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)角信息;所述敏感結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子和所述轉(zhuǎn)子同軸平 行設(shè)置，在所述定子表面設(shè)置有保護(hù)電極、激勵(lì)電極和采集電極;在所述定子表面最內(nèi)側(cè)和 最外側(cè)均設(shè)置有圓環(huán)狀的所述保護(hù)電極，緊鄰內(nèi)環(huán)所述保護(hù)電極的外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的所 述激勵(lì)電極，所述激勵(lì)電極的外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的所述采集電極;所述轉(zhuǎn)子包括保護(hù)電極、 耦合電極和敏感電極，在所述轉(zhuǎn)子表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)也均設(shè)置有圓環(huán)狀的所述保護(hù)電 極，緊鄰內(nèi)環(huán)所述保護(hù)電極外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的所述耦合電極，所述耦合電極外側(cè)設(shè)置有 所述敏感電極，所述耦合電極和所述敏感電極部分相連;所述采集電極和所述敏感電極呈 正對(duì)設(shè)置，組成測量電容。2. 如權(quán)利要求1所述的一種分瓣電容式角位移傳感器，其特征在于:所述定子表面設(shè)置 有48個(gè)內(nèi)外均勾分布的扇形米集電極;其中，24個(gè)所述扇形米集電極均勾分布在一個(gè)外圓 環(huán)上，并由第一扇形采集電極、第二扇形采集電極、第三扇形采集電極、第四扇形采集電極 為一組構(gòu)成6組電極；另外24個(gè)所述扇形采集電極均勻分布在另一個(gè)與外圓環(huán)緊鄰的內(nèi)圓 環(huán)上，也由所述第一扇形采集電極、所述第二扇形采集電極、所述第三扇形采集電極、所述 第四扇形采集電極為一組構(gòu)成6組電極;外圓環(huán)上的一組電極中的所述第一扇形采集電極 與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中所述第三扇形采集電極緊鄰，外圓環(huán)上的一組電極中的所述第二 扇形采集電極與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中所述第四扇形采集電極緊鄰，外圓環(huán)上的一組電極 中的所述第三扇形采集電極與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中所述第一扇形采集電極緊鄰，外圓環(huán) 上的一組電極中的所述第四扇形采集電極與內(nèi)圓環(huán)上的一組電極中所述第二扇形采集電 極緊鄰。3. 如權(quán)利要求2所述的一種分瓣電容式角位移傳感器，其特征在于:外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上 的所述第一扇形采集電極均依次連接組成一個(gè)電極，并與所述敏感電極組成第一電容，外 圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的所述第二扇形采集電極均依次連接組成一個(gè)電極，并與所述敏感電極組 成第二電容，外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的所述第三扇形采集電極均依次連接組成一個(gè)電極，并與 所述敏感電極組成第三電容，外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)上的所述第四扇形采集電極均依次連接組成 一個(gè)電極，并與所述敏感電極組成第四電容。4. 如權(quán)利要求1所述的一種分瓣電容式角位移傳感器，其特征在于:所述轉(zhuǎn)子表面的所 述敏感電極采用兩瓣以上的花瓣構(gòu)成，所述敏感電極由函數(shù)fi (Θ)和f 2 (Θ)圍成的區(qū)域； fi(9) =ri+Tsin(N* Φ ), f2(9) = r2+Tsin(N* Φ )， 其中，N表示花瓣的瓣數(shù)，ri表示敏感電極的內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)半徑，^表示敏感電極的外環(huán)的 基準(zhǔn)內(nèi)半徑，參數(shù)τ滿足關(guān)系：τ = (ri+r2 )/2。5. 如權(quán)利要求1所述的一種分瓣電容式角位移傳感器，其特征在于:所述激勵(lì)電極與所 述耦合電極呈正對(duì)設(shè)置，組成耦合電容。6. 如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的一種分瓣電容式角位移傳感器，其特征在于:所述定子 和所述轉(zhuǎn)子均采用印制電路板，所述定子采用四層板，其中第一層為敏感結(jié)構(gòu)層，第二層為 地，第三層為連線，第四層為元件;所述轉(zhuǎn)子采用兩層板，第一層為敏感結(jié)構(gòu)層，第二層為 地。7.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的一種分瓣電容式角位移傳感器，其特征在于:所述解調(diào) 電路包括旋變解調(diào)芯片、差分放大模塊、低通濾波模塊、激勵(lì)驅(qū)動(dòng)模塊、C-V轉(zhuǎn)換模塊、后置 差分放大模塊、同相放大模塊、反相放大模塊和后置低通濾波模塊;所述旋變解調(diào)芯片產(chǎn)生 兩組正弦激勵(lì)信號(hào)均經(jīng)所述差分放大模塊進(jìn)行放大后，由所述低通濾波模塊濾除低頻信 號(hào)，然后通過所述激勵(lì)驅(qū)動(dòng)模塊作用于所述定子的所述激勵(lì)電極;所述轉(zhuǎn)子在主軸的帶動(dòng) 下轉(zhuǎn)動(dòng)，使得所述敏感電極和所述采集電極正對(duì)面積發(fā)生改變，進(jìn)而獲得4路電量變化信 號(hào)，4路電量變化信號(hào)分別通過所述C-V轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為4路電壓信號(hào)，4路電壓信號(hào)均經(jīng)所 述后置差分放大模塊放大后，其中兩路電壓信號(hào)進(jìn)行所述同相放大模塊放大，另外兩路電 壓信號(hào)進(jìn)行所述反相放大模塊放大，最后均通過所述后置低通濾波模塊濾除低通信號(hào)后， 傳輸至所述旋變解調(diào)芯片。
【文檔編號(hào)】G01B7/30GK106052546SQ201610341028
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】張嶸, 周斌, 侯波, 林志輝, 宋明亮
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)