專利名稱：變面積電容式模擬調(diào)制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)所用的變面積電容式模擬調(diào)制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2萬次，軍品的旋轉(zhuǎn)使用壽命約為10萬次。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)不能超過安全的臨界值，超過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、可靠性高的變面積電容式模擬調(diào)制輸出型角位移傳感器。
本發(fā)明的目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)一種變面積電容式模擬調(diào)制輸出型角位移傳感器，包括角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)和一角變換電容器電容量測(cè)量電路；所述的角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)包括底座、外殼、電容動(dòng)片和電容定片；一角位移傳動(dòng)輪通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)角位移輸出輪，角位移輸出輪與電容器主動(dòng)輪嚙合；電容器主動(dòng)輪固定在電容動(dòng)片軸上，電容動(dòng)片與電容定片交叉排列；所述的角變換電容器電容量測(cè)量電路包括振蕩電路、檢測(cè)電路和放大電路；其中角位移測(cè)量電容Cx即由電容定片和電容動(dòng)片組成的電容與檢測(cè)電路相連，振蕩電路輸出的信號(hào)與檢測(cè)電路相連，檢測(cè)電路輸出信號(hào)與放大電路相連，放大電路輸出信號(hào)用于采樣；所述測(cè)量電路的輸入端和接地端通過電線分別連接到所述的角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)中的電容定片和電容動(dòng)片上。
所述的振蕩電路部分包括由反相器G1、晶振T1、電阻R1、電容C1、C2，晶振T1與電阻R1并聯(lián)跨接在反相器G1的兩端，并與電容C1、C2一端連接，電容C1、C2的另一端接地。
所述的檢測(cè)電路包括充放電路和電荷檢測(cè)電路。其中充放電路包括兩個(gè)反相器G2、G3、四個(gè)電子開關(guān)S1、S2、S3、S4和角位移變換電容Cx；兩個(gè)反相器G2、G3串接，即反相器G2的輸出端與反相器G3的輸入端連接，反相器G2的輸入端與振蕩電路中的反相器G1的輸出端相連，反相器G2的輸出端與電子開關(guān)S2的輸入控制端及通過電阻R2和二極管D1的并聯(lián)電路與電子開關(guān)S1的輸入控制端相連，電子開關(guān)S1輸出端通過角位移變換電容Cx與電子開關(guān)S2的輸入端相連；反相器G3的輸出端與電子開關(guān)S4的輸入控制端及通過電阻R3和二極管D2的并聯(lián)電路與電子開關(guān)S3的輸入控制端相連，電子開關(guān)S3的輸出端通過角位移變換電容Cx與電子開關(guān)S4的輸入端相連。由于兩個(gè)反相器G2、G3串接，使兩個(gè)反相器G2、G3的輸出端電信號(hào)的邏輯量輸出，各自反相180度，也就是說控制電子開關(guān)S1和S2與電子開關(guān)S3和S4的狀態(tài)是交替變化，即電子開關(guān)S1、S2關(guān)斷時(shí)，電子開關(guān)S3、S4開通；電子開關(guān)S1、S2開通時(shí)，電子開關(guān)S3、S4關(guān)斷。當(dāng)反相器G2的輸出脈沖為正脈沖時(shí)，電子開關(guān)S1、S2開通與角位移變換電容器Cx形成閉路，此時(shí)電源通過被開通的開關(guān)S1向角位移變換電容器Cx充電。電容器Cx的容量是輸入角位移的函數(shù)，所以電容器Cx的充電電壓也就直接反映了角位移的變化；當(dāng)反相器G2輸出的正脈沖消失時(shí)，電子開關(guān)S1、S2關(guān)斷，從而切斷了電源對(duì)開關(guān)S1、S2的充電回路。電子開關(guān)S1、S2關(guān)斷的同時(shí)，反相器G3向電子開關(guān)S3、S4輸入正脈沖而使電子開關(guān)S3、S4開通，此時(shí)電容器Cx通過被開通的電子開關(guān)S3、S4輸出的電壓正是前次被充電的電壓?；蛘哒f，電子開關(guān)S1、S2開通時(shí)，是對(duì)角位移變換電容器Cx充電的時(shí)間區(qū)域。電子開關(guān)S3、S4開通時(shí)，是輸出角位移變換電容器Cx電壓并向外放電的時(shí)間區(qū)域。電子開關(guān)S3、S4的輸出連接電荷檢測(cè)電路。
所述的電荷檢測(cè)電路包括一個(gè)由運(yùn)算放大器G4、電阻R4、電容C3、C4所組成的積分放大器。電子開關(guān)S4的輸出連接積分放大器的反相輸入端，電阻R4和電容C3并聯(lián)后跨接在積分放大器的輸出端和反相輸入端之間。當(dāng)電子開關(guān)S4開通時(shí)，輸出角位移變換電容器Cx電壓向電荷檢測(cè)電路放電。角位移的電參數(shù)信號(hào)通過積分放大器處理后與差分放大電路的運(yùn)算放大器G5的同相端相連。
所述的調(diào)零電路包括一個(gè)由運(yùn)算放大器G6、電阻R6、R7和R17組成的電壓跟隨器。電阻R6、R7串連，電阻R6的上端連接電源，電阻R17的下端接地。運(yùn)算放大器G6的輸出端與反相輸入端短接，同相輸入端與電阻R6、R7的接點(diǎn)相連，構(gòu)成分壓型電壓跟隨器。分壓型電壓跟隨器的輸出電壓與同相輸入電壓保持相同，輸出與差分放大電路的反相輸入端連接，調(diào)零電路的輸出端與差分放大電路的運(yùn)算放大器G5的反相端相連。
所述的差分放大電路包括一個(gè)由運(yùn)算放大器G5、電阻R5、R8、R9和R10所組成的差分放大器。電阻R5、R9串接，其串接點(diǎn)與運(yùn)算放大器G5的同相輸入端連接，電阻R5的上端連接積分放大器的輸出端，電阻R9的另一端接地。電阻R8跨接在運(yùn)算放大器G5的反相輸入端和運(yùn)算放大器G6的輸出端之間。電阻R10跨接在運(yùn)算放大器G7的反相輸入端和輸出端之間。差分放大電路輸出角位移傳感器的電性輸出量與10倍比反相放大電路相連。
所述的10比例反相放大電路包括一個(gè)由運(yùn)算放大器G7、電阻R11、R13、R12、R14、R16所組成的放大器。10倍比例反相放大器G7的輸入與差分放大電路G5的輸出端連接，電阻R14、R16跨接在運(yùn)算放大器G7的輸入端與輸出端之間，電阻R11跨接在運(yùn)算放大器G7和差分放大器G5的輸出端之間，電阻R13跨接在運(yùn)算放大器G7的同相輸入端與地之間。
在角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的外殼6內(nèi)還設(shè)有溫度傳感，溫度傳感器的溫度信號(hào)可用于補(bǔ)償角位移電容器電容測(cè)量電路的輸出信號(hào)。電容角位移模擬輸出型電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜，便于進(jìn)行信號(hào)采樣，信號(hào)電壓直觀方便，其外輸出特性與電位器式的角位移傳感器的外輸出特性相同。
本傳感器是由非接觸變面積式電容器組件的機(jī)械裝置和若干處理電路等部分所組成。該位移傳感器是由角位移傳動(dòng)輪輸入機(jī)械性的角位移變量，經(jīng)過齒輪的傳動(dòng)使得電容器片面積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機(jī)械傳遞來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)充放電的處理系統(tǒng)，角位移的變量信號(hào)在積分放大電路的處理后輸出相應(yīng)函數(shù)的模擬電信號(hào)變量。因此本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)動(dòng)態(tài)范圍大；本發(fā)明所說的動(dòng)態(tài)范圍是以變換器輸入非電量的最大值與最小值之比來進(jìn)行量度的。這個(gè)比值對(duì)于金屬應(yīng)變片為1％；對(duì)于半導(dǎo)體應(yīng)變片為20％；對(duì)于電容變換器可以大于100％。
(2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；(3)靈敏度高；(4)自身發(fā)熱影響小；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)的損失是很小的，傳感器本身的發(fā)熱系數(shù)可以忽略不計(jì)。
(5)穩(wěn)定性好；(6)非接觸式測(cè)量；避免了接觸式測(cè)量的不足。
(7)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)；電容傳感器多采用無機(jī)材料，用金屬作電極，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以作的非常小，以便進(jìn)行某些特殊的測(cè)量。由于這種傳感器沒有特殊的有機(jī)材料和磁性材料，因此，可以工作在溫度變化比較大或具有各種輻射的惡劣的環(huán)境中。
(8)測(cè)量線性度高；


圖1為本發(fā)明的機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖1-角位移傳動(dòng)輪2-傳動(dòng)軸3-角位移輸出輪4-電容器主動(dòng)輪5-底座6-外殼7-動(dòng)片8-定片9-壓蓋10-定片信號(hào)引線11-角位移電容測(cè)量線路板12-接線柱圖2為本發(fā)明的角變換電容器電容量測(cè)量電路原理3為本發(fā)明的角變換電容器電容量測(cè)量電路圖該傳感器的角位移機(jī)械部分包括底座5、外殼6、電容動(dòng)片7和電容定片8；在外殼6上通過軸承設(shè)有傳動(dòng)軸2，傳動(dòng)軸2的一固連有角位移傳動(dòng)輪1；角位移傳動(dòng)輪1通過傳動(dòng)軸2帶動(dòng)外殼6內(nèi)的角位移輸出輪3，角位移輸出輪3與電容器主動(dòng)輪4嚙合；電容器主動(dòng)輪4固定在電容電容動(dòng)片7軸上，電容動(dòng)片7與電容定片8交叉排列；在電容動(dòng)片7和電容定片8兩端設(shè)有壓蓋9。在外殼6內(nèi)還設(shè)有角位移電容測(cè)量線路板11。在電容定片8上還設(shè)有定片信號(hào)引線10與角位移測(cè)量線路板11相連，在角位移測(cè)量線路板11上設(shè)有接線柱12。由角位移傳動(dòng)輪1通過傳動(dòng)軸2及角位移輸出輪3帶動(dòng)電容器主動(dòng)輪4，從而改變電容定片8與電容動(dòng)片7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。
電路部分用于測(cè)量上述角位移變換電容器的電容量，電路原理圖表示在圖2中，它是模擬調(diào)制輸出型電路。電路的輸入端和接地端通過電線分別連接到上述電容定片8和電容動(dòng)片7上。
電路部分包括振蕩電路、檢測(cè)電路、放大電路和電源等部分，圖2為電路原理框圖。
所述的振蕩電路部分包括由反相器G1、晶振T1、電阻R1、電容C1、C2，晶振T1與電阻R1并聯(lián)跨接在反相器G1的兩端，并與電容C1、C2一端連接，電容C1、C2的另一端接地。其功能為輸出穩(wěn)定頻率的電脈沖。
所述的檢測(cè)電路包括充放電路和電荷檢測(cè)電路。其中充放電路包括兩個(gè)反相器G2、G3、四個(gè)電子開關(guān)S1、S2、S3、S4和角位移變換電容Cx；兩個(gè)反相器G2、G3串接，即反相器G2的輸出端與反相器G3的輸入端連接，反相器G2的輸入端與振蕩電路中的反相器G1的輸出端相連，反相器G2的輸出端與電子開關(guān)S2的輸入控制端及通過電阻R2和二極管D1的并聯(lián)電路與電子開關(guān)S1的輸入控制端相連，電子開關(guān)S1輸出端通過角位移變換電容Cx與電子開關(guān)S2的輸入端相連；反相器G3的輸出端與電子開關(guān)S4的輸入控制端及通過電阻R3和二極管D2的并聯(lián)電路與電子開關(guān)S3的輸入控制端相連，電子開關(guān)S3的輸出端通過角位移變換電容Cx與電子開關(guān)S4的輸入端相連。由于兩個(gè)反相器G2、G3串接，使兩個(gè)反相器G2、G3的輸出端電信號(hào)的邏輯量輸出，各自反相180度，也就是說控制電子開關(guān)S1和S2與電子開關(guān)S3和S4的狀態(tài)是交替變化，即電子開關(guān)S1、S2關(guān)斷時(shí)，電子開關(guān)S3、S4開通；電子開關(guān)S1、S2開通時(shí)，電子開關(guān)S3、S4關(guān)斷。當(dāng)反相器G2的輸出脈沖為正脈沖時(shí)，電子開關(guān)S1、S2開通與角位移變換電容器Cx形成閉路，此時(shí)電源通過被開通的開關(guān)S1向角位移變換電容器Cx充電。電容器Cx的容量是輸入角位移的函數(shù)，所以電容器Cx的充電電壓也就直接反映了角位移的變化；當(dāng)反相器G2輸出的正脈沖消失時(shí)，電子開關(guān)S1、S2關(guān)斷，從而切斷了電源對(duì)開關(guān)S1、S2的充電回路。電子開關(guān)S1、S2關(guān)斷的同時(shí)，反相器G3向電子開關(guān)S3、S4輸入正脈沖而使電子開關(guān)S3、S4開通，此時(shí)電容器Cx通過被開通的電子開關(guān)S3、S4輸出的電壓正是前次被充電的電壓?；蛘哒f，電子開關(guān)S1、S2開通時(shí)，是對(duì)角位移變換電容器Cx充電的時(shí)間區(qū)域。電子開關(guān)S3、S4開通時(shí)，是輸出角位移變換電容器Cx電壓并向外放電的時(shí)間區(qū)域。電子開關(guān)S3、S4的輸出連接電荷檢測(cè)電路。
所述的檢測(cè)電路包括充放電路和電荷檢測(cè)電路。其中充放電路包括兩個(gè)反相器G2、G3、四個(gè)電子開關(guān)S1、S2、S3、S4和角位移變換電容Cx；兩個(gè)反相器G2、G3串接，即反相器G2的輸出端與反相器G3的輸入端連接，反相器G2的輸入端與振蕩電路中的反相器G1的輸出端相連，反相器G2的輸出端與電子開關(guān)S2的輸入控制端及通過電阻R2和二極管D1的并聯(lián)電路與電子開關(guān)S1的輸入控制端相連，電子開關(guān)S1輸出端通過角位移變換電容Cx與電子開關(guān)S2的輸入端相連；反相器G3的輸出端與電子開關(guān)S4的輸入控制端及通過電阻R3和二極管D2的并聯(lián)電路與電子開關(guān)S3的輸入控制端相連，電子開關(guān)S3的輸出端通過角位移變換電容Cx與電子開關(guān)S4的輸入端相連。由于兩個(gè)反相器G2、G3串接，使兩個(gè)反相器G2、G3的輸出端電信號(hào)的邏輯量輸出，各自反相180度，也就是說控制電子開關(guān)S1和S2與電子開關(guān)S3和S4的狀態(tài)是交替變化，即電子開關(guān)S1、S2關(guān)斷時(shí)，電子開關(guān)S3、S4開通；電子開關(guān)S1、S2開通時(shí)，電子開關(guān)S3、S4關(guān)斷。當(dāng)反相器G2的輸出脈沖為正脈沖時(shí)，電子開關(guān)S1、S2開通與角位移變換電容器Cx形成閉路，此時(shí)電源通過被開通的開關(guān)S1向角位移變換電容器Cx充電。電容器Cx的容量是輸入角位移的函數(shù)，所以電容器Cx的充電電壓也就直接反映了角位移的變化；當(dāng)反相器G2輸出的正脈沖消失時(shí)，電子開關(guān)S1、S2關(guān)斷，從而切斷了電源對(duì)開關(guān)S1、S2的充電回路。電子開關(guān)S1、S2關(guān)斷的同時(shí)，反相器G3向電子開關(guān)S3、S4輸入正脈沖而使電子開關(guān)S3、S4開通，此時(shí)電容器Cx通過被開通的電子開關(guān)S3、S4輸出的電壓正是前次被充電的電壓?；蛘哒f，電子開關(guān)S1、S2開通時(shí)，是對(duì)角位移變換電容器Cx充電的時(shí)間區(qū)域。電子開關(guān)S3、S4開通時(shí)，是輸出角位移變換電容器Cx電壓并向外放電的時(shí)間區(qū)域。電子開關(guān)S3、S4的輸出連接電荷檢測(cè)電路。
所述的電荷檢測(cè)電路包括一個(gè)由運(yùn)算放大器G4、電阻R4、電容C3、C4所組成的積分放大器。電子開關(guān)S4的輸出連接積分放大器的反相輸入端，電阻R4和電容C3并聯(lián)后跨接在積分放大器的輸出端和反相輸入端之間。當(dāng)電子開關(guān)S4開通時(shí)，輸出角位移變換電容器Cx電壓向電荷檢測(cè)電路放電。角位移的電參數(shù)信號(hào)通過積分放大器處理后與差分放大電路的運(yùn)算放大器G5的同相端相連。
所述的調(diào)零電路包括一個(gè)由運(yùn)算放大器G6、電阻R6、R7和R17組成的電壓跟隨器。電阻R6、R7串連，電阻R6的上端連接電源，電阻R17的下端接地。運(yùn)算放大器G6的輸出端與反相輸入端短接，同相輸入端與電阻R6、R7的接點(diǎn)相連，構(gòu)成分壓型電壓跟隨器。分壓型電壓跟隨器的輸出電壓與同相輸入電壓保持相同，輸出與差分放大電路的反相輸入端連接，調(diào)零電路的輸出端與差分放大電路的運(yùn)算放大器G5的反相端相連。
所述的差分放大電路包括一個(gè)由運(yùn)算放大器G5、電阻R5、R8、R9和R10所組成的差分放大器。電阻R5、R9串接，其串接點(diǎn)與運(yùn)算放大器G5的同相輸入端連接，電阻R5的上端連接積分放大器的輸出端，電阻R9的另一端接地。電阻R8跨接在運(yùn)算放大器G5的反相輸入端和運(yùn)算放大器G6的輸出端之間。電阻R10跨接在運(yùn)算放大器G7的反相輸入端和輸出端之間。差分放大電路輸出角位移傳感器的電性輸出量與10倍比反相放大電路相連。
所述的10比例反相放大電路包括一個(gè)由運(yùn)算放大器G7、電阻R11、R13、R12、R14、R16所組成的放大器。10倍比例反相放大器G7的輸入與差分放大電路G5的輸出端連接，電阻R14、R16跨接在運(yùn)算放大器G7的輸入端與輸出端之間，電阻R11跨接在運(yùn)算放大器G7和差分放大器G5的輸出端之間，電阻R13跨接在運(yùn)算放大器G7的同相輸入端與地之間。
在角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的外殼6內(nèi)還設(shè)有溫度傳感，溫度傳感器的溫度信號(hào)可用于補(bǔ)償角位移電容器電容測(cè)量電路的輸出信號(hào)。
電容角位移模擬輸出型電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜，便于進(jìn)行信號(hào)采樣，信號(hào)電壓直觀方便，其外輸出特性與電位器式的角位移傳感器的外輸出特性相同。
本發(fā)明的振蕩電路、檢測(cè)電路包括充放電路和電荷檢測(cè)電路、放大電路包括反相放大電路、調(diào)零電路和差分放大電路還可采用其演繹電路和其他公知電路。
變面積電容式模擬調(diào)制輸出型電路的優(yōu)點(diǎn)為電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，便于進(jìn)行信號(hào)采樣，輸出信號(hào)電壓直觀方便，其外輸出特性與電位器式的角位移傳感器的外輸出特性相同。
本實(shí)施例制作的電容式角位移傳感器具有以下特性(1)角位移的輸入范圍為-108°＜θ＜+108°；(2)模擬調(diào)制輸出電平范圍為0.5V～4.5V之間；(3)模擬調(diào)制輸出型輸入電源電壓范圍為+7V～+30V；(4)模擬調(diào)制輸出型最大輸出電平為0-5V之間；(5)傳感器系列響應(yīng)時(shí)間小于10μs；(6)傳感器有良好的電磁兼容性設(shè)計(jì)；
權(quán)利要求
1.一種變面積電容式模擬調(diào)制輸出型角位移傳感器，包括角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)和一角變換電容器電容量測(cè)量電路；所述的角位移電容器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括底座(5)、外殼(6)、電容動(dòng)片(7)和電容定片(8)；其特征在于所述的角位移電容器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分是由一角位移傳動(dòng)輪(1)通過傳動(dòng)軸(2)帶動(dòng)角位移輸出輪(3)，角位移輸出輪(3)與電容器主動(dòng)輪(4)嚙合；電容器主動(dòng)輪(4)固定在電容動(dòng)片(7)軸上，電容動(dòng)片(7)與電容定片(8)交叉排列；所述的角變換電容器電容量測(cè)量電路包括振蕩電路、檢測(cè)電路和放大電路；其中角位移測(cè)量電容Cx即由電容定片(8)和電容動(dòng)片(7)組成的電容與檢測(cè)電路相連，振蕩電路輸出的信號(hào)與檢測(cè)電路相連，檢測(cè)電路輸出信號(hào)與放大電路相連，放大電路輸出信號(hào)用于采樣。
2.如權(quán)利要求1所述的變面積電容式模擬調(diào)制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)部分中的電容動(dòng)片(7)和電容定片(8)兩端設(shè)有壓蓋(9)。
3.如權(quán)利要求1所述的變面積電容式模擬調(diào)制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)部分中的電容定片(8)上還設(shè)有定片信號(hào)引線(10)。
4.如權(quán)利要求1所述的變面積電容式模擬調(diào)制輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的振蕩電路包括反相器G1、晶振T1、電阻R1、電容C1、C2，晶振T1與電阻R1并聯(lián)跨接在反相器G1的兩端，并與電容C1、C2一端連接，電容C1、C2的另一端接地。
5.如權(quán)利要求1所述的變面積電容式模擬調(diào)制輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的檢測(cè)電路包括充放電路和電荷檢測(cè)電路。
6.如權(quán)利要求6所述的變面積電容式模擬調(diào)制輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的充放電路包括兩個(gè)反相器G2、G3、四個(gè)電子開關(guān)S1、S2、S3、S4和角位移變換電容Cx；兩個(gè)反相器G2、G3串接，即反相器G2的輸出端與反相器G3的輸入端連接，反相器G2的輸入端與振蕩電路中的反相器G1的輸出端相連，反相器G2的輸出端與電子開關(guān)S2的輸入控制端及通過電阻R2和二極管D1的并聯(lián)電路與電子開關(guān)S1的輸入控制端相連，電子開關(guān)S1輸出端通過角位移變換電容Cx與電子開關(guān)S2的輸入端相連；反相器G3的輸出端與電子開關(guān)S4的輸入控制端及通過電阻R3和二極管D2的并聯(lián)電路與電子開關(guān)S3的輸入控制端相連，電子開關(guān)S3的輸出端通過角位移變換電容Cx與電子開關(guān)S4的輸入端相連。
7.如權(quán)利要求6所述的變面積電容式模擬調(diào)制輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的電荷檢測(cè)電路包括一個(gè)由運(yùn)算放大器G4、電阻R4、電容C3、C4所組成的積分放大器。電子開關(guān)S4的輸出連接積分放大器的反相輸入端，電阻R4和電容C3并聯(lián)后跨接在積分放大器的輸出端和反相輸入端之間。
8.如權(quán)利要求1所述的變面積電容式模擬調(diào)制輸出型角位移傳感器，其特征在于所述的放大電路包括一個(gè)10倍比例放大電路、一個(gè)調(diào)零電路、一個(gè)差分放大電路；其中電荷檢測(cè)電路的積分放大器輸出的信號(hào)與調(diào)零電路的信號(hào)一起與差分放大電路的輸入端相連，差分放大電路的輸出端與10比例放大電路相連，由10比例放大電路輸出采樣信號(hào)。
9.如權(quán)利要求1所述的變面積電容式模擬調(diào)制輸出型角位移傳感器，其特征在于在角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的外殼6內(nèi)還放溫度傳感器，由其輸出溫度信號(hào)補(bǔ)償角變換電容器電容量測(cè)量電路的輸出信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變面積電容式模擬調(diào)制輸出型角位移傳感器，包括一由振蕩電路、檢測(cè)電路、放大電路和電源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)；其中振蕩電路的輸入端和接地端通過電線分別連接到角位移機(jī)械結(jié)構(gòu)中的電容定片和電容動(dòng)片上；該位移傳感器是由角位移傳動(dòng)輪輸入機(jī)械性的角位移變量，經(jīng)過齒輪的傳動(dòng)使得電容器片面積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機(jī)械傳遞來改變電容器容量變化的目的，角位移的變量信號(hào)在充放電變換后經(jīng)過積分放大電路處理后，輸出相應(yīng)函數(shù)的模擬電信號(hào)變量；該傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高。
文檔編號(hào)G01B7/30GK1465951SQ0212346
公開日2004年1月7日 申請(qǐng)日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月28日
發(fā)明者趙志忠, 馬慧, 劉宇, 楊樹元, 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