专利名称：变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，特别是涉及一种指示信号检测所用的变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器。
航行器原旧型舵角位移传感器的工作原理把电位器作为舵角位移传感器，在旋转式电位器最长电阻轨道的两端加上设定的工作电压，通过舵位参考轴转动角的变化，带动旋转式电位器的可移动压簧电刷角位置的改变，使得可移动压簧电刷端子的输出电压信号随着舵位参考轴转动角的变化而变化。电位器式模拟输出型角位移传感器就是根据这个原理来检测航行器舵角位移的运行状况的。
航行器的此类旧型舵角位移传感器有许多缺陷，主要是由于电位器中可移动压簧电刷所致。在较理想的客观条件下，由于压簧电刷的存在，电位器式舵角位移传感器呈现出良好地输入输出特性、体积小巧、结构简单、调节灵活、无需保养和功能价格比高等优点。因此在自动控制系统中，电位器式角位移传感器在很多领域被广泛地应用。但是，由于电位器压簧电刷的基本属性所致，在某些特殊场合和客观条件苛刻的环境中有它们的致命弱点。如下(1)在高强度冲击力的场合，高强度冲击中含有丰富的谐波分量，当可移动压簧电刷的固有频率与冲击波的某一谐波分量共振时，易使电位器式角位移传感器的可移动压簧电刷受创、变形、疲劳和折断，从而导致传感器损坏的概率大大提高。
(2)由于热动力发动机在运行时可形成较强的震动，这种较强的震动可通过电位器式角位移传感器的压簧电刷传递到电位器轨道电阻膜的接触点上，压簧电刷的强震动磨擦易使电阻膜轨道上造成沟痕性创伤，导致电位器式角位移传感器失效、电刷损坏、信号漂移、寿命缩短、信躁比下降和工作点不稳定等问题发生的概率大大提高。
(3)电位器式舵角位移传感器中的压簧电刷与电阻膜是由两种不同的金属材料制成的，通过压簧电刷与电阻膜的接触点形成电通路。在有一定湿度的环境下存放，这两种不同的材料，在接触点上很容易发生原电池的化学反应，从而在压簧电刷与电阻膜的接触点之间产生被氧化的锈点，形成一定的触点电阻使得接触点的电通路形成阻碍，影响传感器的初始性能。
(4)电位器式舵角位移传感器中的压簧电刷与电阻膜的接触点，在进行着信号能量形式的转换和传递中要经受多次的机械磨擦，一般而言，民品的旋转使用寿命约为2万次，军品的旋转使用寿命约为10万次。在毫秒级高速运行的控制系统中，电位器旋转使用的次数不能超过安全的临界值，超过临界值后电位器式舵角位移传感器进入了软故障的发生期，由此增加了整个系统的不稳定性及不可靠性。
为了提高角位移传感器的灵敏度、稳定性和可靠性，从而提供一种动态范围大、响应速度快、稳定性好、可靠性高的变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器。
本发明的目的可通过如下措施来实现一种变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，包括角位移机械结构和一角变换电容器电容量测量电路；所述的角位移机械结构包括底座、外壳、电容动片和电容定片；一角位移传动轮通过传动轴带动角位移输出轮，角位移输出轮与电容器主动轮啮合；电容器主动轮固定在电容动片轴上，电容动片与电容定片交叉排列；所述的角变换电容器电容量测量电路包括振荡电路、检测电路和放大电路；其中角位移测量电容Cx即由电容定片和电容动片组成的电容与检测电路相连，振荡电路输出的信号与检测电路相连，检测电路输出信号与放大电路相连，放大电路输出信号用于采样；所述测量电路的输入端和接地端通过电线分别连接到所述的角位移机械结构中的电容定片和电容动片上。
所述的振荡电路部分包括由反相器G1、晶振T1、电阻R1、电容C1、C2，晶振T1与电阻R1并联跨接在反相器G1的两端，并与电容C1、C2一端连接，电容C1、C2的另一端接地。
所述的检测电路包括充放电路和电荷检测电路。其中充放电路包括两个反相器G2、G3、四个电子开关S1、S2、S3、S4和角位移变换电容Cx；两个反相器G2、G3串接，即反相器G2的输出端与反相器G3的输入端连接，反相器G2的输入端与振荡电路中的反相器G1的输出端相连，反相器G2的输出端与电子开关S2的输入控制端及通过电阻R2和二极管D1的并联电路与电子开关S1的输入控制端相连，电子开关S1输出端通过角位移变换电容Cx与电子开关S2的输入端相连；反相器G3的输出端与电子开关S4的输入控制端及通过电阻R3和二极管D2的并联电路与电子开关S3的输入控制端相连，电子开关S3的输出端通过角位移变换电容Cx与电子开关S4的输入端相连。由于两个反相器G2、G3串接，使两个反相器G2、G3的输出端电信号的逻辑量输出，各自反相180度，也就是说控制电子开关S1和S2与电子开关S3和S4的状态是交替变化，即电子开关S1、S2关断时，电子开关S3、S4开通；电子开关S1、S2开通时，电子开关S3、S4关断。当反相器G2的输出脉冲为正脉冲时，电子开关S1、S2开通与角位移变换电容器Cx形成闭路，此时电源通过被开通的开关S1向角位移变换电容器Cx充电。电容器Cx的容量是输入角位移的函数，所以电容器Cx的充电电压也就直接反映了角位移的变化；当反相器G2输出的正脉冲消失时，电子开关S1、S2关断，从而切断了电源对开关S1、S2的充电回路。电子开关S1、S2关断的同时，反相器G3向电子开关S3、S4输入正脉冲而使电子开关S3、S4开通，此时电容器Cx通过被开通的电子开关S3、S4输出的电压正是前次被充电的电压。或者说，电子开关S1、S2开通时，是对角位移变换电容器Cx充电的时间区域。电子开关S3、S4开通时，是输出角位移变换电容器Cx电压并向外放电的时间区域。电子开关S3、S4的输出连接电荷检测电路。
所述的电荷检测电路包括一个由运算放大器G4、电阻R4、电容C3、C4所组成的积分放大器。电子开关S4的输出连接积分放大器的反相输入端，电阻R4和电容C3并联后跨接在积分放大器的输出端和反相输入端之间。当电子开关S4开通时，输出角位移变换电容器Cx电压向电荷检测电路放电。角位移的电参数信号通过积分放大器处理后与差分放大电路的运算放大器G5的同相端相连。
所述的调零电路包括一个由运算放大器G6、电阻R6、R7和R17组成的电压跟随器。电阻R6、R7串连，电阻R6的上端连接电源，电阻R17的下端接地。运算放大器G6的输出端与反相输入端短接，同相输入端与电阻R6、R7的接点相连，构成分压型电压跟随器。分压型电压跟随器的输出电压与同相输入电压保持相同，输出与差分放大电路的反相输入端连接，调零电路的输出端与差分放大电路的运算放大器G5的反相端相连。
所述的差分放大电路包括一个由运算放大器G5、电阻R5、R8、R9和R10所组成的差分放大器。电阻R5、R9串接，其串接点与运算放大器G5的同相输入端连接，电阻R5的上端连接积分放大器的输出端，电阻R9的另一端接地。电阻R8跨接在运算放大器G5的反相输入端和运算放大器G6的输出端之间。电阻R10跨接在运算放大器G7的反相输入端和输出端之间。差分放大电路输出角位移传感器的电性输出量与10倍比反相放大电路相连。
所述的10比例反相放大电路包括一个由运算放大器G7、电阻R11、R13、R12、R14、R16所组成的放大器。10倍比例反相放大器G7的输入与差分放大电路G5的输出端连接，电阻R14、R16跨接在运算放大器G7的输入端与输出端之间，电阻R11跨接在运算放大器G7和差分放大器G5的输出端之间，电阻R13跨接在运算放大器G7的同相输入端与地之间。
在角位移机械结构部分的外壳6内还设有温度传感，温度传感器的温度信号可用于补偿角位移电容器电容测量电路的输出信号。电容角位移模拟输出型电路的优点是电路简单、造价便宜，便于进行信号采样，信号电压直观方便，其外输出特性与电位器式的角位移传感器的外输出特性相同。
本传感器是由非接触变面积式电容器组件的机械装置和若干处理电路等部分所组成。该位移传感器是由角位移传动轮输入机械性的角位移变量，经过齿轮的传动使得电容器片面积的变化与输入角位移成线性变化的关系，达到输入角位移的变量通过机械传递来改变电容器容量变化的目的，电容器与相应的电路构成电信号充放电的处理系统，角位移的变量信号在积分放大电路的处理后输出相应函数的模拟电信号变量。因此本发明的优点在于(1)动态范围大；本发明所说的动态范围是以变换器输入非电量的最大值与最小值之比来进行量度的。这个比值对于金属应变片为1％；对于半导体应变片为20％；对于电容变换器可以大于100％。
(2)动态响应快；(3)灵敏度高；(4)自身发热影响小；电容传感器采用真空、空气或者其它气体作为绝缘介质，介质的损失是很小的，传感器本身的发热系数可以忽略不计。
(5)稳定性好；(6)非接触式测量；避免了接触式测量的不足。
(7)结构简单，适应性强；电容传感器多采用无机材料，用金属作电极，所以结构简单，可以作的非常小，以便进行某些特殊的测量。由于这种传感器没有特殊的有机材料和磁性材料，因此，可以工作在温度变化比较大或具有各种辐射的恶劣的环境中。
(8)测量线性度高；
图1为本发明的机械部分结构图1-角位移传动轮2-传动轴3-角位移输出轮4-电容器主动轮5-底座6-外壳7-动片8-定片9-压盖10-定片信号引线11-角位移电容测量线路板12-接线柱图2为本发明的角变换电容器电容量测量电路原理3为本发明的角变换电容器电容量测量电路图该传感器的角位移机械部分包括底座5、外壳6、电容动片7和电容定片8；在外壳6上通过轴承设有传动轴2，传动轴2的一固连有角位移传动轮1；角位移传动轮1通过传动轴2带动外壳6内的角位移输出轮3，角位移输出轮3与电容器主动轮4啮合；电容器主动轮4固定在电容电容动片7轴上，电容动片7与电容定片8交叉排列；在电容动片7和电容定片8两端设有压盖9。在外壳6内还设有角位移电容测量线路板11。在电容定片8上还设有定片信号引线10与角位移测量线路板11相连，在角位移测量线路板11上设有接线柱12。由角位移传动轮1通过传动轴2及角位移输出轮3带动电容器主动轮4，从而改变电容定片8与电容动片7形成的电容量，测量电容量的变化量就可以得到角度的位移量。
电路部分用于测量上述角位移变换电容器的电容量，电路原理图表示在图2中，它是模拟调制输出型电路。电路的输入端和接地端通过电线分别连接到上述电容定片8和电容动片7上。
电路部分包括振荡电路、检测电路、放大电路和电源等部分，图2为电路原理框图。
所述的振荡电路部分包括由反相器G1、晶振T1、电阻R1、电容C1、C2，晶振T1与电阻R1并联跨接在反相器G1的两端，并与电容C1、C2一端连接，电容C1、C2的另一端接地。其功能为输出稳定频率的电脉冲。
所述的检测电路包括充放电路和电荷检测电路。其中充放电路包括两个反相器G2、G3、四个电子开关S1、S2、S3、S4和角位移变换电容Cx；两个反相器G2、G3串接，即反相器G2的输出端与反相器G3的输入端连接，反相器G2的输入端与振荡电路中的反相器G1的输出端相连，反相器G2的输出端与电子开关S2的输入控制端及通过电阻R2和二极管D1的并联电路与电子开关S1的输入控制端相连，电子开关S1输出端通过角位移变换电容Cx与电子开关S2的输入端相连；反相器G3的输出端与电子开关S4的输入控制端及通过电阻R3和二极管D2的并联电路与电子开关S3的输入控制端相连，电子开关S3的输出端通过角位移变换电容Cx与电子开关S4的输入端相连。由于两个反相器G2、G3串接，使两个反相器G2、G3的输出端电信号的逻辑量输出，各自反相180度，也就是说控制电子开关S1和S2与电子开关S3和S4的状态是交替变化，即电子开关S1、S2关断时，电子开关S3、S4开通；电子开关S1、S2开通时，电子开关S3、S4关断。当反相器G2的输出脉冲为正脉冲时，电子开关S1、S2开通与角位移变换电容器Cx形成闭路，此时电源通过被开通的开关S1向角位移变换电容器Cx充电。电容器Cx的容量是输入角位移的函数，所以电容器Cx的充电电压也就直接反映了角位移的变化；当反相器G2输出的正脉冲消失时，电子开关S1、S2关断，从而切断了电源对开关S1、S2的充电回路。电子开关S1、S2关断的同时，反相器G3向电子开关S3、S4输入正脉冲而使电子开关S3、S4开通，此时电容器Cx通过被开通的电子开关S3、S4输出的电压正是前次被充电的电压。或者说，电子开关S1、S2开通时，是对角位移变换电容器Cx充电的时间区域。电子开关S3、S4开通时，是输出角位移变换电容器Cx电压并向外放电的时间区域。电子开关S3、S4的输出连接电荷检测电路。
所述的检测电路包括充放电路和电荷检测电路。其中充放电路包括两个反相器G2、G3、四个电子开关S1、S2、S3、S4和角位移变换电容Cx；两个反相器G2、G3串接，即反相器G2的输出端与反相器G3的输入端连接，反相器G2的输入端与振荡电路中的反相器G1的输出端相连，反相器G2的输出端与电子开关S2的输入控制端及通过电阻R2和二极管D1的并联电路与电子开关S1的输入控制端相连，电子开关S1输出端通过角位移变换电容Cx与电子开关S2的输入端相连；反相器G3的输出端与电子开关S4的输入控制端及通过电阻R3和二极管D2的并联电路与电子开关S3的输入控制端相连，电子开关S3的输出端通过角位移变换电容Cx与电子开关S4的输入端相连。由于两个反相器G2、G3串接，使两个反相器G2、G3的输出端电信号的逻辑量输出，各自反相180度，也就是说控制电子开关S1和S2与电子开关S3和S4的状态是交替变化，即电子开关S1、S2关断时，电子开关S3、S4开通；电子开关S1、S2开通时，电子开关S3、S4关断。当反相器G2的输出脉冲为正脉冲时，电子开关S1、S2开通与角位移变换电容器Cx形成闭路，此时电源通过被开通的开关S1向角位移变换电容器Cx充电。电容器Cx的容量是输入角位移的函数，所以电容器Cx的充电电压也就直接反映了角位移的变化；当反相器G2输出的正脉冲消失时，电子开关S1、S2关断，从而切断了电源对开关S1、S2的充电回路。电子开关S1、S2关断的同时，反相器G3向电子开关S3、S4输入正脉冲而使电子开关S3、S4开通，此时电容器Cx通过被开通的电子开关S3、S4输出的电压正是前次被充电的电压。或者说，电子开关S1、S2开通时，是对角位移变换电容器Cx充电的时间区域。电子开关S3、S4开通时，是输出角位移变换电容器Cx电压并向外放电的时间区域。电子开关S3、S4的输出连接电荷检测电路。
所述的电荷检测电路包括一个由运算放大器G4、电阻R4、电容C3、C4所组成的积分放大器。电子开关S4的输出连接积分放大器的反相输入端，电阻R4和电容C3并联后跨接在积分放大器的输出端和反相输入端之间。当电子开关S4开通时，输出角位移变换电容器Cx电压向电荷检测电路放电。角位移的电参数信号通过积分放大器处理后与差分放大电路的运算放大器G5的同相端相连。
所述的调零电路包括一个由运算放大器G6、电阻R6、R7和R17组成的电压跟随器。电阻R6、R7串连，电阻R6的上端连接电源，电阻R17的下端接地。运算放大器G6的输出端与反相输入端短接，同相输入端与电阻R6、R7的接点相连，构成分压型电压跟随器。分压型电压跟随器的输出电压与同相输入电压保持相同，输出与差分放大电路的反相输入端连接，调零电路的输出端与差分放大电路的运算放大器G5的反相端相连。
所述的差分放大电路包括一个由运算放大器G5、电阻R5、R8、R9和R10所组成的差分放大器。电阻R5、R9串接，其串接点与运算放大器G5的同相输入端连接，电阻R5的上端连接积分放大器的输出端，电阻R9的另一端接地。电阻R8跨接在运算放大器G5的反相输入端和运算放大器G6的输出端之间。电阻R10跨接在运算放大器G7的反相输入端和输出端之间。差分放大电路输出角位移传感器的电性输出量与10倍比反相放大电路相连。
所述的10比例反相放大电路包括一个由运算放大器G7、电阻R11、R13、R12、R14、R16所组成的放大器。10倍比例反相放大器G7的输入与差分放大电路G5的输出端连接，电阻R14、R16跨接在运算放大器G7的输入端与输出端之间，电阻R11跨接在运算放大器G7和差分放大器G5的输出端之间，电阻R13跨接在运算放大器G7的同相输入端与地之间。
在角位移机械结构部分的外壳6内还设有温度传感，温度传感器的温度信号可用于补偿角位移电容器电容测量电路的输出信号。
电容角位移模拟输出型电路的优点是电路简单、造价便宜，便于进行信号采样，信号电压直观方便，其外输出特性与电位器式的角位移传感器的外输出特性相同。
本发明的振荡电路、检测电路包括充放电路和电荷检测电路、放大电路包括反相放大电路、调零电路和差分放大电路还可采用其演绎电路和其他公知电路。
变面积电容式模拟调制输出型电路的优点为电路结构简单，造价便宜，便于进行信号采样，输出信号电压直观方便，其外输出特性与电位器式的角位移传感器的外输出特性相同。
本实施例制作的电容式角位移传感器具有以下特性(1)角位移的输入范围为-108°＜θ＜+108°；(2)模拟调制输出电平范围为0.5V～4.5V之间；(3)模拟调制输出型输入电源电压范围为+7V～+30V；(4)模拟调制输出型最大输出电平为0-5V之间；(5)传感器系列响应时间小于10μs；(6)传感器有良好的电磁兼容性设计；
权利要求
1.一种变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，包括角位移机械结构和一角变换电容器电容量测量电路；所述的角位移电容器机械结构部分包括底座(5)、外壳(6)、电容动片(7)和电容定片(8)；其特征在于所述的角位移电容器机械结构部分是由一角位移传动轮(1)通过传动轴(2)带动角位移输出轮(3)，角位移输出轮(3)与电容器主动轮(4)啮合；电容器主动轮(4)固定在电容动片(7)轴上，电容动片(7)与电容定片(8)交叉排列；所述的角变换电容器电容量测量电路包括振荡电路、检测电路和放大电路；其中角位移测量电容Cx即由电容定片(8)和电容动片(7)组成的电容与检测电路相连，振荡电路输出的信号与检测电路相连，检测电路输出信号与放大电路相连，放大电路输出信号用于采样。
2.如权利要求1所述的变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的角位移电容器机械结构部分中的电容动片(7)和电容定片(8)两端设有压盖(9)。
3.如权利要求1所述的变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于在所述的角位移电容器机械结构部分中的电容定片(8)上还设有定片信号引线(10)。
4.如权利要求1所述的变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的振荡电路包括反相器G1、晶振T1、电阻R1、电容C1、C2，晶振T1与电阻R1并联跨接在反相器G1的两端，并与电容C1、C2一端连接，电容C1、C2的另一端接地。
5.如权利要求1所述的变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的检测电路包括充放电路和电荷检测电路。
6.如权利要求6所述的变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的充放电路包括两个反相器G2、G3、四个电子开关S1、S2、S3、S4和角位移变换电容Cx；两个反相器G2、G3串接，即反相器G2的输出端与反相器G3的输入端连接，反相器G2的输入端与振荡电路中的反相器G1的输出端相连，反相器G2的输出端与电子开关S2的输入控制端及通过电阻R2和二极管D1的并联电路与电子开关S1的输入控制端相连，电子开关S1输出端通过角位移变换电容Cx与电子开关S2的输入端相连；反相器G3的输出端与电子开关S4的输入控制端及通过电阻R3和二极管D2的并联电路与电子开关S3的输入控制端相连，电子开关S3的输出端通过角位移变换电容Cx与电子开关S4的输入端相连。
7.如权利要求6所述的变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的电荷检测电路包括一个由运算放大器G4、电阻R4、电容C3、C4所组成的积分放大器。电子开关S4的输出连接积分放大器的反相输入端，电阻R4和电容C3并联后跨接在积分放大器的输出端和反相输入端之间。
8.如权利要求1所述的变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于所述的放大电路包括一个10倍比例放大电路、一个调零电路、一个差分放大电路；其中电荷检测电路的积分放大器输出的信号与调零电路的信号一起与差分放大电路的输入端相连，差分放大电路的输出端与10比例放大电路相连，由10比例放大电路输出采样信号。
9.如权利要求1所述的变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，其特征在于在角位移机械结构部分的外壳6内还放温度传感器，由其输出温度信号补偿角变换电容器电容量测量电路的输出信号。
全文摘要
本发明涉及一种变面积电容式模拟调制输出型角位移传感器，包括一由振荡电路、检测电路、放大电路和电源组成的角变换电容器电容量测量电路和角位移机械结构；其中振荡电路的输入端和接地端通过电线分别连接到角位移机械结构中的电容定片和电容动片上；该位移传感器是由角位移传动轮输入机械性的角位移变量，经过齿轮的传动使得电容器片面积的变化与输入角位移成线性变化的关系，达到输入角位移的变量通过机械传递来改变电容器容量变化的目的，角位移的变量信号在充放电变换后经过积分放大电路处理后，输出相应函数的模拟电信号变量；该传感器的结构简单，灵敏度高。
文档编号G01B7/30GK1465951SQ0212346
公开日2004年1月7日 申请日期2002年6月28日 优先权日2002年6月28日
发明者赵志忠, 马慧, 刘宇, 杨树元, 侯朝焕, 王文魁, 冯波 申请人:中国科学院声学研究所