專利名稱：變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，特別是涉及一種指示信號(hào)檢測(cè)所用的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器。
航行器原舊型舵角位移傳感器的工作原理把電位器作為舵角位移傳感器，在旋轉(zhuǎn)式電位器最長(zhǎng)電阻軌道的兩端加上設(shè)定的工作電壓，通過(guò)舵位參考軸轉(zhuǎn)動(dòng)角的變化，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)式電位器的可移動(dòng)壓簧電刷角位置的改變，使得可移動(dòng)壓簧電刷端子的輸出電壓信號(hào)隨著舵位參考軸轉(zhuǎn)動(dòng)角的變化而變化。電位器式模擬輸出型角位移傳感器就是根據(jù)這個(gè)原理來(lái)檢測(cè)航行器舵角位移的運(yùn)行狀況的。
航行器的此類舊型舵角位移傳感器有許多缺陷，主要是由于電位器中可移動(dòng)壓簧電刷所致。在較理想的客觀條件下，由于壓簧電刷的存在，電位器式舵角位移傳感器呈現(xiàn)出良好地輸入輸出特性、體積小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)靈活、無(wú)需保養(yǎng)和功能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。因此在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電位器式角位移傳感器在很多領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。但是，由于電位器壓簧電刷的基本屬性所致，在某些特殊場(chǎng)合和客觀條件苛刻的環(huán)境中有它們的致命弱點(diǎn)。如下(1)在高強(qiáng)度沖擊力的場(chǎng)合，高強(qiáng)度沖擊中含有豐富的諧波分量，當(dāng)可移動(dòng)壓簧電刷的固有頻率與沖擊波的某一諧波分量共振時(shí)，易使電位器式角位移傳感器的可移動(dòng)壓簧電刷受創(chuàng)、變形、疲勞和折斷，從而導(dǎo)致傳感器損壞的概率大大提高。
(2)由于熱動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)可形成較強(qiáng)的震動(dòng)，這種較強(qiáng)的震動(dòng)可通過(guò)電位器式角位移傳感器的壓簧電刷傳遞到電位器軌道電阻膜的接觸點(diǎn)上，壓簧電刷的強(qiáng)震動(dòng)磨擦易使電阻膜軌道上造成溝痕性創(chuàng)傷，導(dǎo)致電位器式角位移傳感器失效、電刷損壞、信號(hào)漂移、壽命縮短、信躁比下降和工作點(diǎn)不穩(wěn)定等問(wèn)題發(fā)生的概率大大提高。
(3)電位器式舵角位移傳感器中的壓簧電刷與電阻膜是由兩種不同的金屬材料制成的，通過(guò)壓簧電刷與電阻膜的接觸點(diǎn)形成電通路。在有一定濕度的環(huán)境下存放，這兩種不同的材料，在接觸點(diǎn)上很容易發(fā)生原電池的化學(xué)反應(yīng)，從而在壓簧電刷與電阻膜的接觸點(diǎn)之間產(chǎn)生被氧化的銹點(diǎn)，形成一定的觸點(diǎn)電阻使得接觸點(diǎn)的電通路形成阻礙，影響傳感器的初始性能。
(4)電位器式舵角位移傳感器中的壓簧電刷與電阻膜的接觸點(diǎn)，在進(jìn)行著信號(hào)能量形式的轉(zhuǎn)換和傳遞中要經(jīng)受多次的機(jī)械磨擦，一般而言，民品的旋轉(zhuǎn)使用壽命約為2萬(wàn)次，軍品的旋轉(zhuǎn)使用壽命約為10萬(wàn)次。在毫秒級(jí)高速運(yùn)行的控制系統(tǒng)中，電位器旋轉(zhuǎn)使用的次數(shù)不能超過(guò)安全的臨界值，超過(guò)臨界值后電位器式舵角位移傳感器進(jìn)入了軟故障的發(fā)生期，由此增加了整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性及不可靠性。
為了提高角位移傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性，從而提供一種動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，包括角位移電容器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和角變換電容器電容量測(cè)量電路，其中所述的角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)包括底座及其上的屏蔽罩；在底座上及其屏蔽罩內(nèi)平行設(shè)有一參考軸和一固定軸；參考軸的一端與一移動(dòng)桿活動(dòng)連接，在固定軸上和移動(dòng)桿兩端分別套設(shè)有上固定板和下固定板；在上、下固定板之間的固定軸和絲杠上均平行穿有上電容定片、中電容動(dòng)片和下電容定片；其中上電容定片和中電容動(dòng)片固定在移動(dòng)桿上，下電容定片固定在參考軸上，上、下電容定片由短路線連接；所述的角變換電容器電容量測(cè)量電路包括變頻式脈沖發(fā)生器、反相器、控制與門(mén)電路和八位計(jì)數(shù)器，其中變頻脈沖式發(fā)生器輸出脈沖信號(hào)與反相器電連接，反相器將整形后的脈沖輸出與控制與門(mén)電路電連接，控制與門(mén)電路與八位計(jì)算器電連接；所述測(cè)量電路的輸入端和接地端通過(guò)電線分別連接到所述的角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)中的中電容定片和下電容定片上。
所述的變頻式脈沖發(fā)生器包括一角變換電容C、一運(yùn)算放大器G1、一由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4組成的滯后比較器和一阻容電路；其中角變換電容C包括一角位移變換電容器Cx，所述的角位移變換電容器CX為由所述的上電容定片、中電容動(dòng)片和下電容定片組成的電容器；所述的角變換電容C與運(yùn)算放大器G1的正向輸入端相連；滯后比較器的電阻R3連接在運(yùn)算放大器G1的正向輸入端和輸出端之間，電阻R4連接在運(yùn)算放大器G1的反向輸入端和輸出端之間，在運(yùn)算放大器G1的正向輸入端和電源Ec輸入端之間還連接電阻R1。
在所述的變頻式脈沖發(fā)生器中還包括一阻容電路，所述的阻容電路的交流等效電阻值為電阻R1、電阻R2和電阻R3的并聯(lián)值。
所述的反相器包括三端穩(wěn)壓器7805、三極管G2、電阻R7和電阻R6；其中電阻R7連接在三端穩(wěn)壓器7805和三極管G2集電極之間，電容C2、電阻R5和電阻R6構(gòu)成微分偏置分壓電路；電容C2和電阻R5串接在運(yùn)算放大器G1的輸出端和三極管G2的基極之間，電阻R6連接在三極管G2的發(fā)射極和基極之間；電容C3和電容C4接在三端穩(wěn)壓器7805的輸入端和輸出端。
所述的控制與門(mén)部分包括二極管D1、二極管D2和電阻R8；其中二極管D1的一端與控制輸入端A端相連，其另一端連接在八位計(jì)數(shù)器Q1輸入端CP和電阻R8之間的接點(diǎn)上；二極管D2跨接在反相器的三極管G2集電極與計(jì)數(shù)器Q1的輸出端CP之間。
所述的八位計(jì)數(shù)器是由八只觸發(fā)器單元組成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)電路串聯(lián)而成，由八位計(jì)數(shù)器的每一個(gè)輸出端Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8形成并聯(lián)輸出；每一計(jì)數(shù)器的清零控制端R端并聯(lián)相接后再與外部輸出控制端連接。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器是由非接觸變間距式電容器組件的機(jī)械裝置和變頻振蕩電路以及若干個(gè)整形處理電路等部分所組成。該位移傳感器是從轉(zhuǎn)動(dòng)參考軸輸入機(jī)械性的角位移變量，經(jīng)過(guò)機(jī)械螺桿的傳動(dòng)使得電容器片間距的變化與輸入角位移成線性變化的關(guān)系，達(dá)到輸入角位移的變量通過(guò)機(jī)械傳遞來(lái)改變電容器容量變化的目的，電容器與相應(yīng)的電路構(gòu)成電信號(hào)處理系統(tǒng)，角位移的變量信號(hào)在電路的處理后輸出相應(yīng)函數(shù)的電信號(hào)變量。因此，該角位移傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)動(dòng)態(tài)范圍大；(2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；由于電容器轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量較小，因此固有頻率很高，可以工作在幾兆赫的范圍內(nèi)，有較寬的頻率范圍。
(3)靈敏度高；可測(cè)電容值的10-7的變化量。
(4)自身發(fā)熱影響小由于電容傳感器采用真空、空氣，或者其它氣體作為絕緣介質(zhì)，介質(zhì)的損失是比較小的。因此，傳感器本身的發(fā)熱率可以忽略不計(jì)。
(5)穩(wěn)定性好合理選擇材料，靈敏度的溫度系數(shù)可在1×10-6C°以下。
(6)非接觸式測(cè)量；(7)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)；


圖1本發(fā)明的機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖1-固定軸 2-螺帽 3-上固定板 4-彈簧 5-調(diào)節(jié)螺釘6-移動(dòng)桿 8-上電容定片 9-中電容動(dòng)片 10-下電容定片11-下固定板 12-銅圈 13-沉頭螺釘 14-軸承15-參考軸 16-軸承蓋 17-墊片 18-墊片 19-底座21、22-電線 23-中空?qǐng)A柱 24-窄槽 25-屏蔽罩圖2本發(fā)明的數(shù)字并行輸出型電路原理3本發(fā)明的數(shù)字并行輸出電路的工作波形圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明還將結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例作進(jìn)一步詳述本實(shí)施例的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器機(jī)械部分按圖1制作，電路部分按圖2制作。
該傳感器的角位移機(jī)械部分包括一個(gè)用于傳遞角位移量的參考軸(螺桿)15，參考軸15在屏蔽殼25內(nèi)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)細(xì)牙螺桿，配合螺桿的機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)桿6為絲杠，當(dāng)螺桿15旋轉(zhuǎn)1周(360度)時(shí)，絲杠6的軸向移動(dòng)為3mm；當(dāng)螺桿15旋轉(zhuǎn)5周(5*360度)時(shí)，絲杠6的軸向移動(dòng)為15mm。一個(gè)由上電容定片8、下電容定片10和中電容動(dòng)片9形成的電容；其中上電容定片8與中電容動(dòng)片9緊密固定在絲杠6上，絲杠6是非金屬材料制成的，使上電容定片8與中電容動(dòng)片9成為電絕緣的。下電容定片10是固定在參考軸15上，并通過(guò)短路線20與上電容定片8電連接。參考軸15穿過(guò)軸承14安裝在底底19上、軸承14被安裝在軸承蓋16中，軸承蓋16用沉頭螺釘13固定在底座19上；絲杠6被置于下固定板11、下電容片10和上固定板3的孔中。當(dāng)參考軸(螺桿)15轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠6在上述孔中沿軸向移動(dòng)，并帶動(dòng)上電容定片8和中電容動(dòng)片9的移動(dòng)，這樣就改變了中電容動(dòng)片9和下電容定片10之間的距離，從而改變中電容動(dòng)片9和下電容定片所形成的電容量，測(cè)量電容量的變化量就可以得到角度的位移量。上電容定片用于補(bǔ)償電容器的邊緣容量效應(yīng)和加固中電容動(dòng)片9。一塊底面帶有中空?qǐng)A柱體23的上固定板3，該上固定板3的中空?qǐng)A柱體23中插入絲杠6，絲杠6的頂與上固定板3的中空?qǐng)A柱體23之間留有空隙，一彈簧4固定在絲杠6頂部與上固定板3的中空?qǐng)A柱體的中空部分之間，該彈簧4的彈力使絲杠6的螺紋始終頂壓參考軸15的螺紋，以消除絲杠6上下變向移動(dòng)時(shí)由于螺紋間的配合間隙所產(chǎn)生的位移誤差。在絲杠6上部的一外側(cè)有一個(gè)窄槽2，一個(gè)螺釘5穿過(guò)上固定板3的中空?qǐng)A柱體的外側(cè)壁進(jìn)入絲杠6的頂部窄槽24中，調(diào)節(jié)螺釘5與窄槽24用于導(dǎo)向并限定絲杠6的移動(dòng)。銅圈12用于加強(qiáng)絲杠6與參考軸(螺桿)15間的螺紋配合強(qiáng)度。
一用于固定上固定板3、下固定板11和固定下電容定片10的固定軸1緊固在底座19上，墊片17安裝在下固定板11與下電容定片10之間；墊片17用于調(diào)節(jié)下電容定片與下固定板11的距離。墊片18安裝在上電容定片9與下電容定片10之間，墊片18用于調(diào)節(jié)上電容片與下電容定片之間的距離。還包括一外殼。
所述的角變換電容器電容量測(cè)量電路包括變頻式脈沖發(fā)生器(振蕩器)、反相器、控制與門(mén)電路、8位記數(shù)器和8位三態(tài)門(mén)部分；其中變頻式脈沖發(fā)生器(振蕩器)電路的輸入端和接地端通過(guò)電線21和22分別連接到上述中電容片9和下電容定片10上，上電容定片9與下電容定片10用一根短路線連接。
參照?qǐng)D2，所述的變頻式脈沖發(fā)生器(振蕩器)部分包括運(yùn)算放大器G1、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4組成的滯后比較器和一個(gè)阻容電路。其中電容器C包括角位移變換電容器Cx，即上述上電容片8，中電容片9和下電容定片10形成的電容器和輸入補(bǔ)償電容器C1，電容器C1用于補(bǔ)償角位移變換電容器Cx的邊緣電容效應(yīng)對(duì)輸出頻率的影響。電阻R3連接在運(yùn)算放大器G1的正向輸入端和輸出之間，電阻R4連接在運(yùn)算放大器G1的反向輸入端和輸出端之間，在運(yùn)算放大器G1的正向輸入端和電源Ec輸入端之間還連接電阻R1，阻容電路的交流等效電阻值為電阻R1、電阻R2和電阻R3的并聯(lián)值。變頻式脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電脈沖，其脈沖頻率F隨著電容器C的電容量的變化而變化，因而測(cè)量脈沖頻率就可以得到電容量。
反相器包括三端穩(wěn)壓器7805的穩(wěn)壓器和三極管G2、電阻R7和電阻R6，用于保證變頻式脈沖發(fā)生器的輸出有足夠的負(fù)載能力并使變頻式脈沖發(fā)生器的輸出脈沖電平與負(fù)載兼容。其中R7連接在運(yùn)算放大器的輸出端和三極管G2的發(fā)射極之間，C2、R5和R6構(gòu)成反相器的三極管G2微分偏置分壓電路，該電路使反相器的有源器件只工作在飽和或截止兩種工作狀態(tài)，以便對(duì)輸出脈沖進(jìn)行整形。C2和R5串聯(lián)在運(yùn)算放大器G1的輸出端和三極管G2的柵極之間，R6連接在三極管G2的集電極和柵極之間，確保反相器部分輸出(+5V)的電壓，三端穩(wěn)壓器(7805)使輸出脈沖電平與TTL(晶體管-晶體管邏輯)電路負(fù)載兼容。C2起隔直流的作用。
控制與門(mén)電路由二極管D1、二極管D2和電阻R8分離元器件所構(gòu)成。用于計(jì)數(shù)控制端A控制與門(mén)脈沖的輸出，以便對(duì)脈沖頻率進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)計(jì)數(shù)控制端A為邏輯高電平(+5V)時(shí)，控制與門(mén)開(kāi)通，使數(shù)字脈沖串輸出到八位記數(shù)器的輸入端CP。其中二極管D2連接在反相器的三極管G2集電極和八位記數(shù)器的輸入端CP之間。二極管D1連接在電阻R8的一端和計(jì)數(shù)控制端A之間。R8連接在穩(wěn)壓電源(+5V)輸出端和八位記數(shù)器輸入端CP的輸出端之間。當(dāng)計(jì)數(shù)控制端A為邏輯低電平(0V)時(shí)，關(guān)閉與門(mén)；當(dāng)計(jì)數(shù)控制端A為邏輯高電平(+5V)時(shí)，開(kāi)啟與門(mén)，使與門(mén)輸出脈沖去進(jìn)行數(shù)據(jù)串并形式的轉(zhuǎn)換。根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)測(cè)得的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算出脈沖頻率F，再根據(jù)頻率F與角變換電容器電容量的關(guān)系得到角變換電容器電容量，再根據(jù)該電容量的變化求得角度位移。這樣就完成了非接觸式角位移傳感器的工作。
八位計(jì)數(shù)器的設(shè)立可以完成信號(hào)脈沖串行輸出向并行輸出的轉(zhuǎn)換。它的轉(zhuǎn)換方式是由八只D觸發(fā)器單元組成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)電路串聯(lián)而成，由八位計(jì)數(shù)器的每一個(gè)輸出端Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8形成并聯(lián)輸出。清“0”控制端R的設(shè)立是清除八位計(jì)數(shù)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備下一次數(shù)據(jù)的記錄，計(jì)數(shù)器Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的R端并聯(lián)相接后再與外部控制端連接。八位計(jì)數(shù)器即可用分立觸發(fā)器單元組成，也可以用專用集成電路制成，為了進(jìn)一步減少體積可采用貼片電路。
八位三態(tài)門(mén)電路D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7的設(shè)立是為了使本傳感器與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線掛接提供方便，三態(tài)門(mén)電路起到一個(gè)隔離和采樣的作用。八位三態(tài)門(mén)電路有三種狀態(tài)當(dāng)輸出控制端C輸入邏輯高電平時(shí)，八位三態(tài)門(mén)電路輸出端的邏輯電位等于輸入端的邏輯電位；當(dāng)輸出控制端C輸入邏輯低電平時(shí)，三態(tài)門(mén)電路呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)，相當(dāng)于將八位三態(tài)門(mén)電路輸出端和輸入端的通路斷開(kāi)。在向八位三態(tài)門(mén)電路的輸出控制端C輸入邏輯低電平時(shí)，八位三態(tài)門(mén)電路呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)，切斷了本傳感器與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線的聯(lián)系。D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7是8只三態(tài)門(mén)電路，八位三態(tài)門(mén)電路是由8只三態(tài)門(mén)電路組合而成，八位三態(tài)門(mén)電路的8只輸入端與八位計(jì)數(shù)器的輸出端Q直接相接既Q1輸出端連接D0輸入端、Q2輸出端連接D1輸入端、Q3輸出端連接D2輸入端、Q4輸出端連接D3輸入端、Q5輸出端連接D4輸入端、Q6輸出端連接D5輸入端、Q7輸出端連接D6輸入端、Q8輸出端連接D7輸入端。八位計(jì)數(shù)器Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的輸出端通過(guò)被開(kāi)通的八位三態(tài)門(mén)電路D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7向外輸出本傳感器的二進(jìn)制編碼的角位移數(shù)字變量信息。八位三態(tài)門(mén)電路的8只輸出控制端并連相接在控制的C端，八位三態(tài)門(mén)電路的8只輸出端與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線直接相接。
計(jì)數(shù)控制端A、清“0”控制端B、輸出控制端C要在外系統(tǒng)控制時(shí)序脈沖的同配下來(lái)使用，可以參照?qǐng)D3的數(shù)字并行輸出電路的工作波形圖來(lái)分配時(shí)序。
本發(fā)明的角位移傳感器由于電容量隨著參考軸(螺桿)的角位移量而變化，從測(cè)量脈沖頻率的變化量就可以得到參考軸角位移的變化量。被測(cè)量的脈沖頻率連續(xù)不斷的向控制與門(mén)輸入時(shí)當(dāng)計(jì)算機(jī)向控制與門(mén)的計(jì)數(shù)控制端A發(fā)出低電平的指令時(shí)，與門(mén)關(guān)閉，停止對(duì)八位計(jì)數(shù)器的信息輸入，此時(shí)八位計(jì)數(shù)器也完成對(duì)信號(hào)的(串/并)轉(zhuǎn)換；而后計(jì)算機(jī)向輸出控制端C發(fā)出高電平的指令時(shí)，八位三態(tài)門(mén)電路被全部開(kāi)通，本傳感器的二進(jìn)制編碼的角位移數(shù)字變量信息通過(guò)8根數(shù)據(jù)輸出線被提供到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線上。
其時(shí)序控制的原理計(jì)算機(jī)向本傳感器的輸出控制端C發(fā)出邏輯高電平的指令時(shí)，本傳感器的數(shù)據(jù)信息被提供到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線上，由計(jì)算機(jī)來(lái)讀?。欢笥?jì)算機(jī)向本傳感器的輸出控制端C發(fā)出邏輯低電平的指令時(shí)，八位三態(tài)門(mén)電路D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7全部處于高阻狀態(tài)，等效為本傳感器的8位輸出與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線脫離。
本發(fā)明的角位移傳感器8位輸出與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線脫離后，而后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)又向本傳感器的控制端B發(fā)出“清0”邏輯高電平的指令脈沖，清除傳感器中八位計(jì)數(shù)器中現(xiàn)存的全部數(shù)據(jù)，使得八位計(jì)數(shù)器的邏輯狀態(tài)全部為零。
八位計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)被清除后，計(jì)算機(jī)向控制與門(mén)的計(jì)數(shù)控制端A發(fā)出邏輯高電平的指令時(shí)，計(jì)數(shù)控制與門(mén)被開(kāi)放，重新對(duì)八位計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量頻率脈沖的輸入，此時(shí)八位計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)信號(hào)進(jìn)行從零位計(jì)數(shù)的(串/并)轉(zhuǎn)換。以上幾個(gè)操作循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行。
在一定的時(shí)間內(nèi)測(cè)得的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算出脈沖頻率，根據(jù)頻率與角變換電容器電容量的關(guān)系得到角變換電容器的電容量，而后再根據(jù)該電容量的變化求得角度位移的變化量。這樣就完成了變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器的不同物理量信息轉(zhuǎn)換傳遞的工作。
本發(fā)明所述的角變換電容器電容量測(cè)量電路除采用上述實(shí)施例所述的電路及其演變電路外，還可選用其他公知電路。
本實(shí)施例制作的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器具有以下特性(1)參考軸角位移的輸入范圍為0°＜θ＜1440°；(2)輸出電平為0V～5V；(3)輸出方式為8位二進(jìn)制編碼(可直接與數(shù)據(jù)總線掛接)；(4)輸入電源電壓范圍為+7V～+30V；(5)傳感器系列響應(yīng)時(shí)間小于10μs；(6)傳感器具有良好的電磁兼容性；(7)可直接與計(jì)算機(jī)接口；(8)外設(shè)“清0端”輸入端；(9)外設(shè)“計(jì)數(shù)控制端”輸入端(可直接與地址總線掛接)。
權(quán)利要求
1.一種變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，包括角位移電容器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和角變換電容器電容量測(cè)量電路，其特征在于所述的角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)包括底座(19)及其上的屏蔽罩(25)；在底座(19)上及其屏蔽罩(25)內(nèi)平行設(shè)有一參考軸(15)和一固定軸(1)；參考軸(15)的一端與一移動(dòng)桿(6)活動(dòng)連接，在固定軸(1)上和移動(dòng)桿(6)兩端分別套設(shè)有上固定板(3)和下固定板(11)；在上、下固定板(3)(11)之間的固定軸(1)和移動(dòng)桿(6)上均平行穿有上電容定片(8)、中電容動(dòng)片(9)和下電容定片(10)；其中上電容定片(8)和中電容動(dòng)片(9)固定在移動(dòng)桿(6)上，下電容定片(10)固定在參考軸(15)上，上、下電容定片(8)(10)由短路線(20)連接；所述的角變換電容器電容量測(cè)量電路包括變頻式脈沖發(fā)生器、反相器、控制與門(mén)電路和八位計(jì)數(shù)器，其中變頻脈沖式發(fā)生器輸出脈沖信號(hào)與反相器電連接，反相器將整形后的脈沖輸出與控制與門(mén)電路電連接，控制與門(mén)電路與八位計(jì)算器電連接；所述測(cè)量電路的輸入端和接地端通過(guò)電線(21)、(22)分別連接到所述的角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)中的中電容定片(9)和下電容定片(10)上。
2.如權(quán)利要求1所述的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的角位移電容器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分中的上固定板(3)與移動(dòng)桿(6)的連接處均為一中空?qǐng)A柱體(23)，在上固定板(3)的中空?qǐng)A柱體(23)與移動(dòng)桿(6)的中空部分之間放有彈簧(4)。
3.如權(quán)利要求1所述的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，其特征在于在所述的角位移電容器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分中的移動(dòng)桿(6)外側(cè)壁設(shè)有一窄槽(24)，在窄槽(24)上設(shè)有穿過(guò)上固定板(3)側(cè)壁的調(diào)節(jié)螺釘(5)。
4.如權(quán)利要求1所述的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，其特征在于在所述的角位移電容器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分中的上、下電容定片(8)(10)之間及下電容定片(10)與下固定板(11)之間分別設(shè)有墊片(18)和墊片(17)。
5.如權(quán)利要求1所述的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的角變換電容器電容量測(cè)量電路中的變頻式脈沖發(fā)生器包括一角變換電容C、一運(yùn)算放大器G1和一由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4組成的滯后比較器；其中角變換電容C包括一角位移變換電容器Cx，所述的角位移變換電容器CX為由所述的上電容定片(8)、中電容動(dòng)片(9)和下電容定片(10)組成的電容器；所述的角變換電容C與運(yùn)算放大器G1的正向輸入端相連；滯后比較器的電阻R3連接在運(yùn)算放大器G1的正向輸入端和輸出端之間，電阻R4連接在運(yùn)算放大器G1的反向輸入端和輸出端之間，在運(yùn)算放大器G1的正向輸入端和電源Ec輸入端之間還連接電阻R1。
6.如權(quán)利要求5所述的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的變頻式脈沖發(fā)生器還一阻容電路。
7.如權(quán)利要求5所述的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，其特征在于在所述的角變換電容C上還并接有一輸入補(bǔ)償電容C1。
8.如權(quán)利要求1所述的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，其特征是在于所述的角變換電容器電容量測(cè)量電路中的反相器包括三端穩(wěn)壓器7805、三極管G2、電阻R7和電阻R6；其中電阻R7連接在三端穩(wěn)壓器7805和三極管G2集電極之間，電容C2、電阻R5和電阻R6構(gòu)成微分偏置分壓電路；電容C2和電阻R5串接在運(yùn)算放大器G1的輸出端和三極管G2的基極之間，電阻R6連接在三極管G2的發(fā)射極和基極之間；電容C3和電容C4接在三端穩(wěn)壓器7805的輸入端和輸出端。
9.按權(quán)利要求1所述的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的角變換電容器電容量測(cè)量電路中的控制與門(mén)部分包括二極管D1、二極管D2和電阻R8；其中二極管D1的一端與控制輸入端A端相連，其另一端連接在八位計(jì)數(shù)器Q1輸入端CP和電阻R8之間的接點(diǎn)上；二極管D2跨接在反相器的三極管G2集電極與計(jì)數(shù)器Q1的輸出端CP之間。
10.如權(quán)利要求1所述的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的八位計(jì)數(shù)器是由八只觸發(fā)器單元組成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)電路串聯(lián)而成，由八位計(jì)數(shù)器的每一個(gè)輸出端Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8并聯(lián)輸出；每一計(jì)數(shù)器的清零控制端R端并聯(lián)相接后再與外部輸出控制端連接。
11.如權(quán)利要求1所述的變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的角變換電容器電容量測(cè)量電路中的還可包括一八位三態(tài)門(mén)電路；由所述的八位計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)與八位三態(tài)門(mén)電路電連接；所述的八位三態(tài)門(mén)部分是由8只三態(tài)門(mén)電路D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7組合而成，八位三態(tài)門(mén)電路的8只輸入端與八位計(jì)數(shù)器的輸出端Q對(duì)應(yīng)相連；八位三態(tài)門(mén)電路的8只輸出控制端并連相接在輸出控制端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器，包括一由變頻式脈沖發(fā)生器、反相器、控制與門(mén)電路和8位計(jì)數(shù)器組成的角變換電容器電容量測(cè)量電路和角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)；其中變頻式脈沖發(fā)生器電路的輸入端和接地端通過(guò)電線和分別連接到角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)中的電容片和下電容定片上，上電容定片與下電容定片用一根短路線連接；該位移傳感器是從轉(zhuǎn)動(dòng)參考軸輸入機(jī)械性的角位移變量，經(jīng)過(guò)螺紋桿的傳動(dòng)使得電容器片間距的變化與輸入角位移成線性變化的關(guān)系，而后再根據(jù)該電容量的變化求得角度位移的變化量；通過(guò)控制與門(mén)電路和8位計(jì)數(shù)器完成變間距電容式數(shù)字并行輸出型角位移傳感器的不同物理量信息轉(zhuǎn)換傳遞的工作。
文檔編號(hào)B63H25/06GK1463887SQ0212120
公開(kāi)日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月10日
發(fā)明者趙志忠, 馬慧, 劉宇, 楊樹(shù)元, 侯朝煥, 王文魁, 馮波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所