專(zhuān)利名稱：數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于角位移傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器及其檢測(cè)方法背景技術(shù)傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計(jì)屬于純機(jī)械式，通過(guò)電磁感應(yīng)耦合和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針顯示或者遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)向遠(yuǎn)端傳輸。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了電容式角位移式金屬管浮子流量計(jì)，其原理是將浮子直線位移的變化轉(zhuǎn)換為外部連桿角度的變化，而角度的變化又轉(zhuǎn)化為電容值的變化，即通過(guò)檢測(cè)電容來(lái)測(cè)量浮子的位置，最終獲得流量。其核心部件為電容式角位移傳感器。
一般來(lái)說(shuō)，電容式角位移傳感器用于測(cè)量固定部件(定子)與轉(zhuǎn)動(dòng)部件(轉(zhuǎn)子)之間的旋轉(zhuǎn)角度，因其具有非接觸式測(cè)量、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航行器、汽車(chē)、航天、管道閥門(mén)定位等領(lǐng)域的角度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。其基本原理是待測(cè)電容值的大小與機(jī)械旋轉(zhuǎn)角度成正比，即由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度的變化，導(dǎo)致被測(cè)電容有效測(cè)量面積的不同，因此電容值的大小不同，通過(guò)測(cè)量電容值的大小可得到轉(zhuǎn)子角度的相對(duì)變化。盡管這一原理非常簡(jiǎn)單，但在應(yīng)用中出現(xiàn)的一些實(shí)際問(wèn)題，影響到這種傳感器的應(yīng)用與推廣。問(wèn)題主要包括(1)測(cè)量范圍有限。傳統(tǒng)的電容角位移傳感器的測(cè)量角度一般由定子和轉(zhuǎn)子的每瓣角度值決定，測(cè)量范圍有限，一般為360°/n(n為定子的分瓣數(shù))，難以適應(yīng)不同角度圍測(cè)量的需求。如果將其運(yùn)用于金屬管浮子流量計(jì)中，不同口徑和流量范圍對(duì)應(yīng)的浮子的直線位移也不相同，導(dǎo)致電容傳感器角度變化范圍不同。因此，為適應(yīng)流量測(cè)量范圍的不同需求，需經(jīng)常改變電容傳感器敏感元件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這就增加了整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
(2)非線性。由于上述原理是基于平行板電容器的，而只有平行板面積無(wú)限大時(shí)才是理想，測(cè)量時(shí)才不會(huì)在邊緣處形成非線性電場(chǎng)，即無(wú)電場(chǎng)邊緣效應(yīng)存在。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于幾何結(jié)構(gòu)的限制，電容面積往往很小，因此在其邊緣處會(huì)表現(xiàn)出明顯的非線性特性。如果將其運(yùn)用于金屬管浮子流量計(jì)中，則不可避免地會(huì)將非線性疊加入該系統(tǒng)之中，導(dǎo)致整體系統(tǒng)的非線性加劇(由于流量傳感器單元本身二次項(xiàng)的存在，即已經(jīng)存明顯的非線性特性)。
(3)溫漂大。電容傳感器的溫度特性通常并不理想，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，敏感元件、電子器件本身的溫度特性會(huì)影響到傳感器的性能，例如，由于環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致的電容極板面積的改變、極板厚度的熱脹冷縮、動(dòng)靜極板間隙的變化，同時(shí)介電常數(shù)也會(huì)隨溫度而改變，這些因素將直接導(dǎo)致電容計(jì)算值的波動(dòng)；另外，電子器件溫漂指標(biāo)的好壞也會(huì)直接影響到測(cè)量準(zhǔn)確度及使用范圍。如果將其運(yùn)用于金屬管浮子流量計(jì)中，由于金屬管浮子流量計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，如同一地域室內(nèi)室外溫度不同、晝夜溫度不同、春夏秋冬環(huán)境溫度不同，另外，不同地域溫度差異更大，為保障整體系統(tǒng)的輸出信號(hào)穩(wěn)定、工作點(diǎn)穩(wěn)定，要求電容傳感器的溫度特性穩(wěn)定，漂移小。
(4)功耗大。難以實(shí)現(xiàn)電池供電。如果將其運(yùn)用于金屬管浮子流量計(jì)中，現(xiàn)場(chǎng)顯示型的數(shù)字流量計(jì)一般需要電池供電，這就要求與之配套的核心單元，即電容角位移傳感器具有較低的功耗。
(5)模擬式。不具有嵌入式微處理器，只有模擬信號(hào)輸出，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示和與其它儀器儀表直接進(jìn)行數(shù)字信號(hào)通訊。
(6)輸出形式單一，使用不便。有些模擬式電容角位移傳感器雖然可以輸出4～20mA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，卻無(wú)法根據(jù)測(cè)量角的量程變化進(jìn)行任意編程，即不能針對(duì)于不同的角度變化范圍進(jìn)行編程，達(dá)到輸出同樣的4～20mA的目的。如果將其直接應(yīng)用到金屬管浮子流量計(jì)中，計(jì)量精度難于保證。因?yàn)榱髁坑?jì)的口徑不同、流量范圍不同，浮子的直線位移也不相同，因此導(dǎo)致作為機(jī)電轉(zhuǎn)換核心部件的電容角位移傳感器的角度變化范圍也不同。
(7)電刷型。電容式傳感器雖然具有非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，但在其敏感元件與測(cè)量電路的連接上，通常采取通過(guò)導(dǎo)線或金屬觸點(diǎn)直接連接至金屬轉(zhuǎn)動(dòng)極板上，即含電刷設(shè)計(jì)。如果將其運(yùn)用于金屬管浮子流量計(jì)中，由于浮子漂浮在流場(chǎng)中，流場(chǎng)呈湍流狀態(tài)，浮子受來(lái)流速度的變化而改變其平衡位置，即便是來(lái)流速度比較平穩(wěn)時(shí)，浮子也將在其平衡位置附近顫動(dòng)，變化速度是ms級(jí)。因此，長(zhǎng)此以往，有電刷設(shè)計(jì)的電容角位移傳感器會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械磨損，可靠性降低。
上述問(wèn)題的存在與電容式角位移傳感器的測(cè)量原理、敏感元件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、激勵(lì)模式的設(shè)計(jì)、動(dòng)靜極板材料甚至轉(zhuǎn)軸的材料、電子元器件以及嵌入式微處理器的性能，甚至軟件設(shè)計(jì)思想等均有關(guān)系。這些因素均在不同程度上限制了傳感器性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述金屬管浮子流量計(jì)中已有的電容式角位移傳感器的缺點(diǎn)(1)克服根據(jù)金屬管浮子流量計(jì)中浮子的直線位移而設(shè)計(jì)電容式角位移傳感器敏感元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)；(2)克服由于電容角位移傳感器的非線性導(dǎo)致金屬管浮子流量計(jì)整體系統(tǒng)非線性疊加的缺點(diǎn)；(3)克服在惡劣現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行中，因其溫漂特性而導(dǎo)致的整體系統(tǒng)輸出信號(hào)漂移、信噪比降低、工作點(diǎn)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)；(4)克服功耗大、模擬輸出、輸出形式單一等制約其在金屬管浮子流量計(jì)中的廣泛使用等缺點(diǎn)。
(5)克服由于電刷設(shè)計(jì)而導(dǎo)致的金屬管浮子流量計(jì)整體使用壽命降低等缺點(diǎn)。
為此，本發(fā)明提供一種超低溫漂、超低功耗、具有較好線性度和靈敏度、測(cè)量范圍180°、魯棒性好的數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器，其產(chǎn)生的角位移信號(hào)可以送LCD單元直接顯示；也可以輸出對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)角度輸入的4～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)或者輸出根據(jù)實(shí)際需的可編程輸入范圍內(nèi)的4～20mA信號(hào)。本發(fā)明還進(jìn)一步提出一種利用此種傳感器檢測(cè)角位移的方法。
本發(fā)明是通過(guò)下述的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明包括轉(zhuǎn)軸11，平行地套設(shè)在轉(zhuǎn)軸11上的接收極板5、發(fā)射極板6、轉(zhuǎn)動(dòng)極板7，轉(zhuǎn)動(dòng)極板7位于中間，與轉(zhuǎn)軸11固定連接，與發(fā)射極板6和接收極板7間隙均小于0.5mm；發(fā)射極板6分成8等分，每瓣角度為45°，對(duì)頂角電氣相連，共計(jì)A、B、C、D 4組分瓣單元A，B，C，D，轉(zhuǎn)動(dòng)極板7由對(duì)項(xiàng)角90°的兩瓣板構(gòu)成，接收極板7上設(shè)置有感生電荷的有效測(cè)量部件H。安裝在電氣組合件19內(nèi)的測(cè)量部件、智能部件、接口部件。測(cè)量部件包括選擇單元、激勵(lì)源、電荷檢測(cè)電路。選擇單元用以根據(jù)智能部件輸出的激勵(lì)模式選擇信號(hào)，選通所要激勵(lì)的發(fā)射極板的單元組，控制激勵(lì)源對(duì)發(fā)射極板6的充放電時(shí)間。接收極板5上設(shè)置有與電荷檢測(cè)電路的輸入端相連的有效測(cè)量部件H，電荷檢測(cè)電路的輸出端與智能部件相連接，智能部件與接口部件相連接。
作為優(yōu)選方案，轉(zhuǎn)軸11與轉(zhuǎn)動(dòng)極板7由相同的具有低膨脹特性的金屬材質(zhì)構(gòu)成，兩者之間設(shè)置有絕緣套和絕緣墊。
作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案，在接收極板5、發(fā)射極板6、轉(zhuǎn)動(dòng)極板7之中，轉(zhuǎn)動(dòng)極板7半徑最大，發(fā)射極板6有效面半徑次之，接收極板7有效面半徑最小。有效測(cè)量部件H為中央圓環(huán)，發(fā)射極板6上也設(shè)置有中央圓環(huán)，其半徑大于接收極板5上作為有效測(cè)量部件H的中央圓環(huán)的半徑；發(fā)射極板6和接收極板5的相背面，以及兩者相對(duì)面的上述的兩個(gè)中央圓環(huán)內(nèi)外側(cè)均設(shè)置有接地保護(hù)環(huán)E。
測(cè)量部件與發(fā)射極板6和接收極板5之間設(shè)置用以實(shí)現(xiàn)電氣連接的6組金屬插針，6組插針包括發(fā)射極板6的4組分瓣單元A，B，C，D的激勵(lì)信號(hào)引線、接收極板5上的有效測(cè)量部件H的引線以及發(fā)射極板6和接收極板5上的接地保護(hù)環(huán)E的公共引線。
針對(duì)本發(fā)明的角位移傳感器，設(shè)計(jì)了兩種形式的接口，一種接口包括顯示單元、輸出單元和輸入單元，由輸出單元將來(lái)自智能部件的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)；另一種接口采用通信接口。
本發(fā)明還針對(duì)此種角位移傳感器，建立了下述的檢測(cè)方法，通過(guò)以下步驟完成一次測(cè)量循環(huán)1)智能部件向選擇單元輸出4種激勵(lì)模式選擇信號(hào)中的一種；
2)激勵(lì)源對(duì)選擇單元選中的發(fā)射極板6進(jìn)行充放電；3)接收極板5的有效測(cè)量部件H上產(chǎn)生感應(yīng)電荷；4)電荷檢測(cè)電路測(cè)量感生電荷大??；5)智能元件對(duì)由電荷檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)采樣，獲得采樣值；6)改變激勵(lì)模式選擇信號(hào)，重復(fù)上述的1)至5)的步驟3次，共取得在所述的4種激勵(lì)模式下的4個(gè)采樣值m1，m2，m3，m4；7)計(jì)算M1＝m1-m2，M2＝m3-m4；8)根據(jù)M1、M2的符號(hào)和下表，判斷偏移角Δθ值

9)根據(jù)公式θ=π8·M1-M2·sign(M1M2)M1·sign(M2M1)+M2+Δθ]]>計(jì)算角位移θ。
作為優(yōu)選方案，4種激勵(lì)模式為L(zhǎng)1、L2、L3、L4，不同模式選通發(fā)射極板6的A、B、C、D的不同分瓣單元，當(dāng)為L(zhǎng)1模式時(shí)，A、B選通，C、D截止；L2模式時(shí)，C、D選通，A、B截止；L3模式時(shí)，A、D選通，C、B截止；L4模式時(shí)，C、B選通，A、D截止；對(duì)上述選通的分瓣單元施以相同的高頻脈沖激勵(lì)，對(duì)未選通的分瓣單元置低電平。由程序根據(jù)電荷檢測(cè)電路的充放電時(shí)間常數(shù)和采樣值的穩(wěn)定性判據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)4種模式的周期長(zhǎng)短。
本發(fā)明的電容式角位移傳感器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于作為敏感元件的發(fā)射極板6和接收極板5均為溫度特性良好的光銅覆沉金材質(zhì)的PCB板制作而成，且其表面無(wú)附加氧化層；轉(zhuǎn)動(dòng)極板7材質(zhì)為具有低膨脹特性的金屬材料；為保證膨脹特性的一致性，轉(zhuǎn)軸11材料的選擇與轉(zhuǎn)動(dòng)極板7完全相同在空間位置上，轉(zhuǎn)動(dòng)極板7位于發(fā)射極板6和接收極板5之間，彼此間隙為0.5mm以下，三者嚴(yán)格同軸平行安裝；在電氣設(shè)計(jì)上，金屬材質(zhì)的轉(zhuǎn)動(dòng)極板7采取電氣懸空設(shè)計(jì)思想，即與電子線路的信號(hào)“地”無(wú)任何“觸點(diǎn)”連接，且通過(guò)絕緣套16和絕緣墊17與轉(zhuǎn)軸11電氣隔絕；按照特殊編碼激勵(lì)模式，推導(dǎo)角度計(jì)算公式和角度象限判斷準(zhǔn)則；這種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是其一，不存在任何機(jī)械損，使用壽命延長(zhǎng)；其二，所獲得的角度計(jì)算公式僅適用于轉(zhuǎn)動(dòng)極板7為金屬材質(zhì)，且無(wú)電刷設(shè)計(jì)的具體條件；其三，靈敏度明顯高于金屬轉(zhuǎn)動(dòng)極板7接地設(shè)計(jì)或者用非金屬材質(zhì)制作而成的傳感器；其四，光銅覆沉金材質(zhì)以及低膨脹合金材質(zhì)的選用，使得傳感器的溫漂指標(biāo)進(jìn)一步降低，保障實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超低溫漂的設(shè)計(jì)目的；其五，通過(guò)對(duì)特殊編碼激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制，可大幅度降低系統(tǒng)功耗，實(shí)現(xiàn)超低功耗和電池供電的設(shè)計(jì)目的。


圖1本發(fā)明的機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖1、外罩 2、壓緊螺母 3、墊圈 4、絕緣墊 5、接收極板 6、發(fā)射極板 7、轉(zhuǎn)動(dòng)極板 8、本體 9、頂絲 10、墊圈 11、軸 12、軸承 13、軸承 14、固定螺絲 15、定位銷(xiāo) 16、絕緣套 17、絕緣墊 18、螺母 19、電子組合件圖2本發(fā)明的敏感元件圖11、轉(zhuǎn)軸 5、接收極板 6、發(fā)射極板 7、轉(zhuǎn)動(dòng)極板圖3本發(fā)明的實(shí)施例1的電氣系統(tǒng)原理框4智能部件原理54～20mA模塊原理6LCD模塊原理7小鍵盤(pán)模塊原理8JTAG接口原理9本發(fā)明的實(shí)施例2的電氣系統(tǒng)原理框10本發(fā)明的實(shí)施例2的通訊接口電路原理11本發(fā)明的程控激勵(lì)模式圖12本發(fā)明的敏感元件象限判斷準(zhǔn)則示意13本發(fā)明的電荷檢測(cè)電路原理14本發(fā)明的角度計(jì)算與象限判斷子程序流程圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明還將結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例作進(jìn)一步詳述本發(fā)明實(shí)施例1的數(shù)字電容式角位移傳感器是一種交變可編程輸出型角位移傳感器，其機(jī)械部分按照?qǐng)D1制作，敏感元件部分按照?qǐng)D2制作，電氣部分按照?qǐng)D3～圖8制作。
參照附圖1，所述的傳感器的機(jī)械部分包括外罩1、本體8、發(fā)射極板6、接收極板5、轉(zhuǎn)動(dòng)極板7、轉(zhuǎn)軸11、軸承12與13等關(guān)鍵部件；同時(shí)還包括壓緊螺母2、墊圈3與10、絕緣墊6、頂絲9、固定螺絲14、定位銷(xiāo)15、絕緣套16、絕緣墊17和螺母18等附屬零件；其中關(guān)鍵裝配環(huán)節(jié)是接收極板5、發(fā)射極板6、轉(zhuǎn)動(dòng)極板7的平行、同軸、同心安裝，保證彼此互不摩擦且間隙盡量??；轉(zhuǎn)動(dòng)極板7固定裝配在轉(zhuǎn)軸11上，兩者均為低膨脹特性的金屬材質(zhì)，但依靠絕緣套16和絕緣墊17實(shí)現(xiàn)彼此絕緣；通過(guò)雙軸承12和13支撐轉(zhuǎn)軸11，防止其傾斜，同時(shí)為節(jié)省空間采取在中間點(diǎn)支撐的方式，軸承12和13采用間隙小、靈敏度高、耐磨損、低膨脹的精密微型陶瓷軸承；接收極板5與發(fā)射極板6通過(guò)絕緣墊4與金屬外罩隔絕，其間隙通過(guò)墊圈3保障，并通過(guò)壓緊螺母2將其緊錮；通過(guò)螺母18壓緊絕緣墊17，從而緊錮轉(zhuǎn)動(dòng)極板7。
該傳感器的電氣部分安裝在敏感元件上方的電子組合件19內(nèi)，涵蓋全部的測(cè)量電路、智能部件以及接口部件；所述的接收極板5與發(fā)射極板6通過(guò)6組共計(jì)12個(gè)金屬插針實(shí)現(xiàn)與電子組合件19的電氣連接，此6組插針均勻分布在敏感元件的圓周上。
參照附圖2，所述的6組插針包括發(fā)射極板6的4組分瓣單元A，B，C，D的激勵(lì)信號(hào)線、接收極板6上感生電荷的測(cè)量部件H的引線以及兩極板上的屏蔽電磁干擾作用的接地保護(hù)線E。
敏感元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍為180°；轉(zhuǎn)動(dòng)極板7為對(duì)頂角90°的兩個(gè)扇形單元構(gòu)成；發(fā)射極板6外形為圓形，內(nèi)外側(cè)設(shè)計(jì)有接地保護(hù)環(huán)E，中央圓環(huán)部分，即作為被測(cè)電容的激勵(lì)端，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將其分割為8等分，每對(duì)頂角兩瓣采用過(guò)孔連線方式相連，即在電氣上分為A、B、C、D共4個(gè)組成部分；圓形接收極板5用于收集感生電荷，其上的中央圓環(huán)為有效感應(yīng)面積，作為感應(yīng)電荷有效測(cè)量部件H，中央圓環(huán)的內(nèi)外側(cè)同樣設(shè)計(jì)有接地保護(hù)環(huán)E。為提高電磁兼容性和減小電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，發(fā)射極板6上也設(shè)置有中央圓環(huán)，其半徑應(yīng)大于接收極板5的中央圓環(huán)的半徑，同時(shí)，確保轉(zhuǎn)動(dòng)極板7的半徑最大。
參照附圖3，本實(shí)施例中，所述的電氣系統(tǒng)部分包括敏感元件、測(cè)量部件、智能部件、接口部件；智能部件選用TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149。該單片機(jī)擁有包括A/D、硬件乘法器在內(nèi)的豐富的外圍模塊，是硬件功能實(shí)現(xiàn)的核心部件，從根本上保障了低功耗設(shè)計(jì)，其主要工作模塊包括I/O模塊、A/D模塊、濾波模塊、計(jì)算模塊。
由I/O模塊輸出特定激勵(lì)模式的激勵(lì)信號(hào)給選擇單元，即信號(hào)S1、S2、S3、S4；選擇單元根據(jù)激勵(lì)信號(hào)S1、S2、S3、S4高低電平的變化決定是否選中發(fā)射極板6上的A、B、C、D子單元，若被選中，則由激勵(lì)源對(duì)其施加頻率為640KHz的激勵(lì)；與此同時(shí)，在接收極板5上形成感生電荷，其大小由電荷檢測(cè)電路進(jìn)行測(cè)量，且該電路的輸出電壓與被測(cè)電容值成正比，將電壓信號(hào)接入智能部件的A/D采樣單元進(jìn)行采樣，經(jīng)濾波模塊濾波后，進(jìn)入計(jì)算模塊，完成對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)極板7的旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算。
參見(jiàn)角度計(jì)算與象限判斷子程序流程圖，即圖14，本實(shí)施例的激勵(lì)模式共有L1、L2、L3、L4四組，時(shí)序由單片機(jī)的定時(shí)器TimerA定時(shí)中斷產(chǎn)生，定時(shí)中斷為1ms，分別經(jīng)所述智能部件的4路I/O輸出，用以選通發(fā)射極板A～D四對(duì)中的兩對(duì)；高電平選通，低電平截止；當(dāng)為L(zhǎng)1模式時(shí)，A、B選通，C、D截止；L2模式時(shí)，C、D選通，A、B截止；L3模式時(shí)，A、D選通，C、B截止；L4模式時(shí)，C、B選通，A、D截止；L1～L4激勵(lì)模式下，A/D采樣值分別為m1，m2，m3，m4。角度的計(jì)算公式基于此4組采樣值分析計(jì)算得到。
角度計(jì)算公式根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)極板7為金屬材質(zhì)，且為懸空設(shè)計(jì)(亦稱無(wú)電刷設(shè)計(jì))的硬件設(shè)計(jì)而建立，方法如下四個(gè)激勵(lì)模式下對(duì)應(yīng)的感生電荷值分別為m1，m1，m2，m2，參照?qǐng)D5，轉(zhuǎn)動(dòng)極板7在0～180°內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)區(qū)域位置不同，將其劃分為4個(gè)區(qū)間，即四個(gè)象限，且進(jìn)行如下定義在每個(gè)象限內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)極板7逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)；以每個(gè)象限的22.5°，即該分瓣45°的角平分線處定義為當(dāng)前象限的“起始角度”，約定為當(dāng)前象限的“0°”度；規(guī)定以第一個(gè)象限的“0°”之前的22.5°為180°測(cè)量范圍(全局)的0°起始點(diǎn)；由此，從第一象限到第四象限，每個(gè)象限相對(duì)于全局零點(diǎn)的偏移角度定義為Δθ，則偏移量分別是π/8、3π/8，5π/8，7π/8；將轉(zhuǎn)動(dòng)極板7相對(duì)于當(dāng)前象限內(nèi)的“0°”線轉(zhuǎn)過(guò)的角度定義為θ1；則對(duì)于整個(gè)180°測(cè)量范圍的0°起始點(diǎn)，動(dòng)片轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ＝θ1+Δθ；對(duì)于平行板電容器，其電容值大小正比于有效電容面積，因此接收極板5上形成的感生電荷也正比于此電容面積。設(shè)每個(gè)分瓣單元的面積為F(即45°扇形面積)，轉(zhuǎn)動(dòng)極板7邊緣與當(dāng)前象限角平分線形成的面積，即未被覆蓋的面積設(shè)為A(θ1扇形面積)，則施加激勵(lì)后在接收極板5上產(chǎn)生的感生電荷由兩部分組成，其中之一正比于未被覆蓋的面積2(F/2+A)，另一部分正比于已被覆蓋的面積2(F/2-A)。若轉(zhuǎn)動(dòng)極板7為金屬材質(zhì)，且若電氣接地設(shè)計(jì)時(shí)，則接收極板5上被覆蓋的面積——2(F/2-A)中的感生電荷為零，即電荷被接地的金屬轉(zhuǎn)動(dòng)極板7屏蔽；反之，若改為電氣懸空設(shè)計(jì)，則不為零。固本設(shè)計(jì)中采取金屬轉(zhuǎn)動(dòng)極板7懸空設(shè)計(jì)的無(wú)電刷思想，既避免了因電刷而產(chǎn)生的機(jī)械磨損，又有利于提高測(cè)量信號(hào)的靈敏度。令系統(tǒng)的增益誤差系數(shù)為λ1、λ2，系統(tǒng)的偏移誤差為ξ，則4個(gè)激勵(lì)模式下對(duì)應(yīng)的感生電荷的計(jì)算公式L1m1＝λ1×2(F/2+A)+λ2[2F+2(F/2-A)]+ξ(1)L2m2＝λ1[2F+2(F/2-A)]+λ2×2(F/2+A)+ξ(2)L3m3＝λ1[2F+2(F/2+A)]+λ2×2(F/2-A)+ξ(3)L4m4＝λ1×2(F/2-A)+λ2[2F+2(F/2+A)]+ξ(4)其中，λ1＝ε/d1，λ2＝ε/d2，ε是空氣的介電常數(shù)，d1，d2是發(fā)射極板6和接受極板5之間的有效距離，當(dāng)有轉(zhuǎn)動(dòng)極板7遮擋時(shí)，d2＝d1-δ，δ是金屬轉(zhuǎn)動(dòng)極板7的厚度，設(shè)M1＝m1-m2；M2＝m3-m4，則M1＝m1-m2＝λ1(4A-2F)+λ2(2F-4A)＝2(F-2A)(λ2-λ1) (5)M2＝m3-m4＝λ1(2F+4A)+λ2(-2F-4A)＝2(F+2A)(λ1-λ2)(6)由(5)，(6)可以得到A＝M1+M2/8(λ1-λ2)；F＝M1-M2/4(λ2-λ1) (7)因旋轉(zhuǎn)角度與有效面積成正比，故有θ1＝π·[(M1+M2)/(-M1+M2)]/8 (8)θ1是轉(zhuǎn)動(dòng)極板7分別在1，2，3，4象限內(nèi)相對(duì)于各自的0°線所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。因此相對(duì)于全局“0°”線，轉(zhuǎn)過(guò)的角度應(yīng)為θ1θ=π8·M1-M2·sign(M1M2)M1·sign(M2M1)+M2+Δθ---(9)]]>
總結(jié)上述公式，可以得到金屬轉(zhuǎn)動(dòng)極7懸空設(shè)計(jì)時(shí)的象限判斷標(biāo)準(zhǔn)，參見(jiàn)上面對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行描述時(shí)列出的表。
本發(fā)明的意義可從以上角度計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程中看出，在計(jì)算結(jié)果中消除掉了系統(tǒng)的增益誤差λ1、λ2，以及偏移誤差ξ，因此可在相當(dāng)程度上補(bǔ)償電氣誤差，如放大電路的增益誤差、電子器件的影響等；補(bǔ)償機(jī)械誤差，如安裝時(shí)的軸向偏移，極板傾斜等的影響；同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度、潮濕、灰塵等共模干擾具有良好的抑制作用；轉(zhuǎn)動(dòng)極板7的懸空設(shè)計(jì)思想，在提高了測(cè)量靈敏度的同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與地之間不再需要電刷方式連接，從根本上消除了機(jī)械磨損，提高了系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
本實(shí)施例中，由于敏感元件的電容值非常小，極板7轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，引起電容的變化僅有幾pF，所以對(duì)微小電容變化量的檢測(cè)是關(guān)鍵，否則電路中的分布電容和雜散電容會(huì)將有用信號(hào)淹沒(méi)。本實(shí)施例中，利用S.M.HUANG的基于充放電原理的微小電容檢測(cè)電路消除電路中的雜散電容和分布電容，利用微分方程的數(shù)值解法實(shí)現(xiàn)針對(duì)具體被測(cè)電容的電路網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
參照附圖11，本實(shí)施例中，由程序根據(jù)電荷檢測(cè)電路充放電時(shí)間常數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間和采樣信號(hào)的穩(wěn)定性判據(jù)，自動(dòng)控制4種模式的周期長(zhǎng)度，故又可稱為程控激勵(lì)模式。當(dāng)被選中單元施加激勵(lì)后，產(chǎn)生的感生電荷流入電荷檢測(cè)電路，當(dāng)充放電時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，電荷檢測(cè)電路上的輸出電壓穩(wěn)定、硬件濾波后(總計(jì)時(shí)間T1)，立即啟動(dòng)A/D進(jìn)行采樣(即TA/D時(shí)刻開(kāi)始采樣)，為提高精度，采樣次數(shù)提高為n次，當(dāng)n次AD采樣結(jié)束時(shí)，送入濾波單元評(píng)定n次采樣信號(hào)的穩(wěn)定性，若滿足設(shè)計(jì)要求，則通過(guò)單片機(jī)程序控制I/O單元，強(qiáng)迫中止對(duì)被測(cè)電容的選通，同時(shí)使被測(cè)電容發(fā)射極板6上的激勵(lì)中斷，并強(qiáng)制拉回低電平，即程序可控時(shí)間為T(mén)2；這種程控激勵(lì)模式的設(shè)計(jì)不僅充分節(jié)約了時(shí)間，提高了采樣精度，而且有效降低了傳感器功耗。
參考附圖13，本實(shí)施例中激勵(lì)源輸出頻率為640K、幅值為3.3V的方波信號(hào)，由640KHz晶振、反相器G1、電阻R14、電容C16和C17組成；該信號(hào)用以控制電路中K1，K2，K3，K4模擬開(kāi)關(guān)的交替導(dǎo)通和截至，K1、K2的控制時(shí)序相同，與K3、K4相，通過(guò)反向器G2和G3保證；為保證K2、K4充分導(dǎo)通，額外附加了延時(shí)電路，分別由D3、R15并聯(lián)及D4、R16并聯(lián)構(gòu)成；開(kāi)關(guān)的輸入端分別接電源和地；在每個(gè)充放電周期內(nèi)，電容充電后在接收極板5上產(chǎn)生的感生電荷，通過(guò)運(yùn)算放大器的反饋電阻R16、R17和反饋電容C19、C20放電，并在運(yùn)放的輸出端產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓Vo，該電壓與被測(cè)電容Cx、反饋電阻R19//R20和充放電頻率f成正比，即，Vo＝f×(R19//R20)×Cx×Vcc。在本實(shí)施例中，通過(guò)調(diào)整傳感器電荷檢測(cè)電路的反饋電阻和反饋電容即可實(shí)現(xiàn)理想輸出。
參照附圖13，本實(shí)施例中，根據(jù)所述的程控激勵(lì)模式對(duì)被測(cè)電容某組單元進(jìn)行有序選擇激勵(lì)，這一功能由單片機(jī)4路I/O控制4個(gè)單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，即在電氣信號(hào)連接上將4路IO輸出信號(hào)分別接入多路單刀雙擲開(kāi)關(guān)(Q1、Q2、Q3、Q4)的4個(gè)控制端(連線端子標(biāo)記為S1～S4)；根據(jù)激勵(lì)模式，單片機(jī)I/O口輸出高低變化電平，多路單刀雙擲開(kāi)關(guān)各自獨(dú)立判斷選通單元高電平選通，低電平截至，同時(shí)對(duì)選中單元施加激勵(lì)，進(jìn)行充放電，后經(jīng)電荷檢測(cè)電路獲得與被測(cè)電容成正比的電壓輸出信號(hào)；而未被選中的電容單元接地，激勵(lì)源不對(duì)其進(jìn)行施加激勵(lì)，因此接收極板5與此單元相對(duì)應(yīng)的感生電荷量為零。多路單刀雙擲開(kāi)關(guān)芯片中，每個(gè)開(kāi)關(guān)的一端與發(fā)射極板6的A、B、C、D單元之一相連，另一端接入“激勵(lì)源”。
參考圖4～圖8，本實(shí)施例中，智能部件利用了超低功耗單片機(jī)MSP430F149，與外圍電路模塊的接口設(shè)計(jì)分別為4路激勵(lì)模式控制輸出端口S1、S2、S3、S4；一路AD-IN信號(hào)采樣輸入端口；驅(qū)動(dòng)LCD的輸出接口P0～P17；與AM402的接口；K1～K3小鍵盤(pán)接口；JTAG接口TDO、TDI、TMS、TSK。
單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器B用于實(shí)現(xiàn)PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)輸出，該信號(hào)與二階無(wú)源濾波器連接，由R3、C6與RW2、C7構(gòu)成，其輸出信號(hào)與電壓-電流(V-I)轉(zhuǎn)換模塊連接；V-I轉(zhuǎn)換模塊由AM402及其外圍電路構(gòu)成，包括電阻R4、R5、R6、R7、R8、電位器RW1、三極管Q1和二極管D2，最終將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出；AM402管腳16輸出電壓為5V，通過(guò)π型濾波器(電感L2、電容C8、C9)與芯片AAT3221管腳1相連；AAT3221為降壓芯片，輸出3.3V電壓，該電壓作為MSP430F149的供電電源。
本發(fā)明的角位移傳感器，實(shí)施例2參見(jiàn)圖9和圖10，實(shí)施例2的機(jī)械部分與實(shí)施例1相同，電氣部分也基本相同，所不同的是實(shí)施例2是將由智能部件輸出的角位移數(shù)字信號(hào)通過(guò)通信接口發(fā)送到上位機(jī)，并通過(guò)與上位機(jī)之間的通信實(shí)現(xiàn)量程的可編程調(diào)節(jié)。
參見(jiàn)圖10，串行通訊單元由MAX3232芯片及外圍電路構(gòu)成，與單片機(jī)的接口分別為RXD、TXD和SS，其特點(diǎn)是利用MSP430單片機(jī)豐富的I/O口線(本實(shí)施例中為SS)實(shí)現(xiàn)與MAX3232的硬件握手。
本實(shí)施例中，交變可編程輸出功能是通過(guò)用于人機(jī)交互的鍵盤(pán)設(shè)定的，并由程序控制實(shí)現(xiàn)的；具體分為兩種模式，其一為標(biāo)準(zhǔn)模式、其二為隨機(jī)模式；所述的標(biāo)準(zhǔn)模式含義為輸入角度量程范圍在0～45°；0～90°；0～180°時(shí)，均可對(duì)應(yīng)輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，根據(jù)需求利用鍵盤(pán)選擇某一范圍；所述的隨機(jī)模式為對(duì)于不確定的靜態(tài)工作點(diǎn)，例如始動(dòng)角度為任意值，工作范圍不定，則可現(xiàn)場(chǎng)在線標(biāo)定具體的使用量程，通過(guò)鍵盤(pán)確定最大與最小測(cè)量角度，給出與現(xiàn)場(chǎng)條件相吻合的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)，即達(dá)到交變可編程輸出信號(hào)的目的。
參考附圖11，本實(shí)施例中，微處理器MSP430的A/D模塊是12位精度，容易受干擾。傳感器電氣系統(tǒng)內(nèi)既有A/D模擬信號(hào)，又有I/O控制信號(hào)輸出等數(shù)字信號(hào)，故在本傳感器中對(duì)電源和地分為兩類(lèi)——即數(shù)字式和模擬式電源包含模擬電源AVCC和數(shù)字電源DVCC；地包含模擬地GND和數(shù)字地DVSS，兩者分別通過(guò)零歐姆和磁珠相連，這樣既可保證兩者電位相同，又可以有效的抑制數(shù)字量對(duì)模擬量的干擾，有利于提高A/D采樣精度。
需要說(shuō)明的是，這里以本發(fā)明的實(shí)施例為中心展開(kāi)了詳細(xì)的說(shuō)明，所描述的優(yōu)選方式或某些特性的具體體現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)理解為本說(shuō)明書(shū)僅僅是通過(guò)給出實(shí)施例的方式來(lái)描述發(fā)明，實(shí)際上在組成、構(gòu)造、測(cè)量方法和使用的某些細(xì)節(jié)上會(huì)有所變化，包括部件的組合和組配，這些變形和應(yīng)用都應(yīng)該屬于本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。
數(shù)字電容式超低功耗無(wú)電刷型角位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)精巧，造價(jià)適中，無(wú)需溫度補(bǔ)償、電池供電、無(wú)電刷設(shè)計(jì)。本實(shí)施例制作的電容式角位移傳感器具有以下特性(1)無(wú)電刷，耐磨損，壽命長(zhǎng)；(2)對(duì)溫度、濕露、灰塵等共模信號(hào)的影響具有良好的抑制作用，無(wú)需附加溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)；(3)在一定程度上能夠克服軸向偏移、傾斜引起的測(cè)量誤差；(4)電磁兼容性好；(5)角位移的輸入范圍在0～180°；(6)超低功耗，電池供電500μA。
(7)響應(yīng)速度快，每秒鐘的角度計(jì)算次數(shù)可達(dá)到500次；(8)串行通訊，數(shù)字信號(hào)遠(yuǎn)傳；本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、民用等用于角度定位監(jiān)控系統(tǒng)之中，如海上與空中航行器的定位，汽車(chē)方向的控制、管道閥門(mén)開(kāi)度的監(jiān)測(cè)與控制等領(lǐng)域。另外，還可用于將直線位移轉(zhuǎn)換為角位移的測(cè)量領(lǐng)域，如作為金屬管浮子流量計(jì)中的轉(zhuǎn)換器。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器，包括轉(zhuǎn)軸，同軸平行地套設(shè)在轉(zhuǎn)軸上的敏感元件接收極板、發(fā)射極板、轉(zhuǎn)動(dòng)極板，其中轉(zhuǎn)動(dòng)極板位于中間，與轉(zhuǎn)軸固定連接，與發(fā)射極板和接收極板的間隙均小于0.5mm；發(fā)射極板分成8等分，每瓣角度為45°，對(duì)頂角電氣相連，共計(jì)A、B、C、D四個(gè)單元組，轉(zhuǎn)動(dòng)極板由對(duì)頂角90°的兩瓣金屬極板構(gòu)成，接收極板上設(shè)置有接受感生電荷的有效測(cè)量部件(H)；安裝在電氣組合件內(nèi)的測(cè)量部件、智能部件、接口部件；測(cè)量部件包括選擇單元、激勵(lì)源、電荷檢測(cè)電路；選擇單元根據(jù)智能部件輸出的激勵(lì)模式，選通所要激勵(lì)的發(fā)射極板的單元組，控制激勵(lì)源對(duì)發(fā)射極板的充放電時(shí)間；接收極板上設(shè)置有與電荷檢測(cè)電路的輸入端相連的有效測(cè)量部件(H)，電荷檢測(cè)電路的輸出端與智能部件相連接，智能部件與接口部件相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)軸與所述轉(zhuǎn)動(dòng)極板由相同的具有低膨脹特性的金屬材質(zhì)構(gòu)成，兩者之間設(shè)置有絕緣套和絕緣墊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器，其特征在于，在所述的接收極板、發(fā)射極板、轉(zhuǎn)動(dòng)極板三者中，轉(zhuǎn)動(dòng)極板半徑最大，發(fā)射極板有效面半徑次之，接收極板有效面半徑最小，所述的有效測(cè)量部件(H)為中央圓環(huán)，發(fā)射極板上也設(shè)置有中央圓環(huán)，其半徑大于接收極板上作為有效測(cè)量部件(H)的中央圓環(huán)的半徑；發(fā)射極板和接收極板的相背面，以及兩者相對(duì)面的上述的兩個(gè)中央圓環(huán)內(nèi)外側(cè)均設(shè)置有接地保護(hù)環(huán)(E)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)軸上架設(shè)有位于中部支撐點(diǎn)的雙軸承，其上設(shè)置有頂絲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器，其特征在于，所述測(cè)量部件與所述發(fā)射極板和所述接收極板之間設(shè)置用以實(shí)現(xiàn)電氣連接的6組金屬插針，6組插針包括所述發(fā)射極板的4組分瓣單元A，B，C，D的激勵(lì)信號(hào)引線、所述接收極板上的有效測(cè)量部件(H)的引線以及所述發(fā)射極板和所述接收極板上的接地保護(hù)環(huán)(E)的引線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器，其特征在于，所述接口部件包括顯示單元、輸出單元和輸入單元，由輸出單元將來(lái)自智能部件的角度信息的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器，其特征在于，所述接口部件為通信部件。
8.一種使用權(quán)利要求1-7所述的任意一種的角位移傳感器檢測(cè)角位移的方法，其特征在于，通過(guò)以下步驟完成一次測(cè)量循環(huán)a)智能部件向選擇單元輸出4種激勵(lì)模式選擇信號(hào)中的一種；b)激勵(lì)源對(duì)選擇單元選中的發(fā)射極板進(jìn)行充放電；c)接收極板的有效測(cè)量部件(H)上產(chǎn)生感應(yīng)電荷；d)電荷檢測(cè)電路測(cè)量感生電荷大??；e)智能元件對(duì)由電荷檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)采樣，獲得采樣值；f)改變激勵(lì)模式選擇信號(hào)，重復(fù)上述的a)至e)的步驟3次，共取得在所述的4種激勵(lì)模式下的4個(gè)采樣值m1，m2，m3，m4；g)計(jì)算M1＝m1-m2，M2＝m3-m4；根據(jù)M1、M2的符號(hào)和下表判斷偏移角Δθ值；
h)根據(jù)公式計(jì)算角位移θ。θ=π8·M1-M2·sign(M1M2)M1·sign(M2M1)+M2+Δθ]]>
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述的4種激勵(lì)模式為L(zhǎng)1、L2、L3、L4，不同模式選通發(fā)射極板A、B、C、D的不同組分瓣單元，當(dāng)為L(zhǎng)1模式時(shí)，A、B選通，C、D截止；L2模式時(shí)，C、D選通，A、B截止；L3模式時(shí)，A、D選通，C、B截止；L4模式時(shí)，C、B選通，A、D截止；對(duì)上述選通的分瓣單元施以相同的高頻脈沖激勵(lì)，對(duì)未選通的分瓣單元置低電平。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量方法，其特征在于，由智能元件的運(yùn)行程序根據(jù)電荷檢測(cè)電路的充放電時(shí)間常數(shù)和采樣值的穩(wěn)定性判據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)4種模式的周期。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字電容式無(wú)電刷型角位移傳感器，由機(jī)械和電氣兩大環(huán)節(jié)構(gòu)成；其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括電容角位移傳感器敏感元件(由發(fā)射極板、轉(zhuǎn)動(dòng)極板、接收極板組成)以及轉(zhuǎn)軸等；電氣結(jié)構(gòu)包括測(cè)量部件(由選擇單元、激勵(lì)源和電荷檢測(cè)電路組成)、智能部件(由I/O單元、A/D單元、濾波單元、計(jì)算單元組成)和接口部件。工作原理是傳感器轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)位于發(fā)射和接收極板之間的轉(zhuǎn)動(dòng)極板與之同步旋轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)是反映角位移大小的幾何機(jī)械量，該機(jī)械量的變化引起敏感元件電容值的變化，經(jīng)電荷檢測(cè)電路測(cè)量，獲得與輸入電容大小成線性關(guān)系的電壓信號(hào)。本發(fā)明還提供一種采用此種方式的傳感器檢測(cè)角位移的方法。本發(fā)明提供的傳感器及其檢測(cè)方法的突出特性是溫漂小，具有良好的魯棒性和抗干擾能力。
文檔編號(hào)G01D5/24GK1687711SQ20051001357
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月31日
發(fā)明者徐英, 張濤, 孫宏軍, 李剛, 李巧珍, 陳得余, 劉金川, 魏惠蘭 申請(qǐng)人:天津大學(xué)