专利名称：一种转角传感器的制作方法
技术领域：
一种转角传感器，具体说涉及一种由定片和动片构成的平行板式电容器，动片固定在转轴上，转轴转动时其电容值可产生与转轴的转角值相对应的变化，用于检测被测物体的旋转角度。
背景技术：
伺服电机在在自动控制系统中能方便的定位、换向，使用寿命长，适合于各种环境。而检测伺服电机旋转角度的光学编码器，在高温、严寒、潮湿、高速、高震动的场合无法正常工作，限制了伺服电机的应用，而且光学编码器价格较高，增加了使用成本。公开号为CN1661332A的实用新型专利申请公开说明书，公开了一种旋转角度传感器，将可变电容器的移动电极安装并固定于要被检测旋转角度的物体上，固定电极与该·被测物体的旋转无关地固定，移动电极的旋转角度变化时，电极之间的静电电容也发生变化，通过一 C-V转换电路(电容-电压转换电路)将旋转角度转换成电压信号，并公开了该旋转角度传感器的构造，但该旋转角度传感器在高温、严寒、潮湿、高速、高震动的场合也无法正常工作。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是，提供一种转角传感器，该转角传感器具有较高的转角转换精度，可在恶劣环境条件使用，而且制造成本较低。该本实用新型的转角传感器，包括电介质为空气的第一可变电容器I、第二可变电容器2、套筒形状的外壳3，所述的可变电容器装在外壳3内，外壳3的两端装有端盖5，端盖5的圆心部位装有轴承7，靠近端盖5圆周的部位等分设有多个定位孔51 ;定位孔51的个数优选为4个。安装有第一可变电容器I、第二可变电容器2的第一动片11、第二动片21的转轴4从轴承7的内孔中向外伸出；第一可变电容器I的第一定片12和第二可变电容器2的第二定片22分别安装在定片轴6上,定片轴6通过定位孔51固定在端盖5上,定片轴6与定位孔51绝缘；第一定片12之间、第二定片22之间的间隔相等；第一动片11位于相邻的第一定片12中间位置，第二动片21位于相邻的第二定片22中间位置；所述的动片与定片平行；所述的动片平面形状主体为半圆形，定片为圆形，其中间部位挖出一与动片平面形状相同的部分，动片随转轴4旋转时，动片与定片的重合面积发生周期性变化；第一可变电容器I的第一定片12与第二可变电容器2的第二定片22相互错开一个定位孔51的孔位角度固定在端盖5上，使得第一可变电容器I的动片与定片出现最大重合面积时的转角与第二可变电容器2的动片与定片出现最大重合面积时的转角不相同。所述的转角传感器还包括电容值固定的第一电容器la、第二电容器Ib,第一电容器Ia的一端与第一可变电容器I的定片轴6电连接，其连接点为转角信号输出端A ;第二电容器Ib的一端与第二可变电容器2的定片轴6电连接，其连接点为转角信号输出端B ;第一电容器la、第二电容器Ib的另一端相连,其连接点为电压激励信号输入端S ;所述的外壳为激励信号、转角信号的地端D。为更好补偿环境温度、湿度变化对转角信号的影响，所述的电容值固定的第一电容器la、第二电容器Ib,为空气电介质电容器。为减小旋转时可变电容器产生的振动，所述的第一动片11与第二动片21在转轴4上平衡对称设置。本实用新型的有益效果是1、传感器的结构采用金属材料来制造实现的，因此可在恶劣的环境中使用，可靠性好，使用寿命长；2、传感器构成的电气电路形式为电容器与可变电容器串联电路，其输出的信号经电容元件分压形成，电容器和可变电容器的电介质均为空气，因此传感器输出的电压信号不受环境温度、湿度变化的影响；3、该传感器输出转角信号为电压信号，可瞬时测量电压信号的幅值来确定转角的角度，现有模数转换电子模块的采样周期可在50ns以下，因此该传感器可检测高速旋转物体高的转角；4、传感器由双 联可变电容器构成，第一可变电容器I和第二可变电容器2出现最大电容值的转角不同，通过比较第一可变电容器I和第二可变电容器2的电容值，除了能测量被测旋转物体的转角夕卜，还能判别正、反转，计算出转速、转数；5、该传感器加工方便,制造成本较低；与本转角传感器配套的测量装置的电子元件性能稳定、价格较低，因此转角测量装置制造成本相应也低。
图I为本实用新型第一实施例的结构示意图。图2为第一可变电容器I的动片形状示意图。图3为第二可变电容器2的动片形状示意图。图4为本实用新型的定片形状示意图。图5为采用本实用新型测量转角的测量装置方框图。图6为电容值与转角关系曲线图。图7为本实用新型的第二实施例的结构示意图。图8为第一电容器la、第二电容器Ib的极板的形状示意图。标号说明I一第一可变电容器I ;2—可变电容器；3—外壳；4一转轴；5一端盖；6—定片轴；7—轴承；8—第一电容器la、第二电容器Ib的极板11、21—第一可变电容器I、第二可变电容器2的动片；19—弦边；12、22—第一可变电容器I、第二可变电容器2的定片；23—导向孔；31—引线孔；41—隔尚套；42—动片垫圈；43—夹持垫圈；51—定位孔；52—螺母；53—螺钉；61—定片垫圈；62—绝缘衬套；63—绝缘垫圈；65—极板绝缘衬套；66—极板绝缘垫圈。
具体实施方式
现对照附图I说明本实用新型的第一实施例。本实用新型的转角传感器，包括第一可变电容器I、第二可变电容器2、套筒形状的外壳3,第一可变电容器I、第二可变电容器2装在外壳3内，外壳3的两端装有端盖5,端盖5呈圆板形状,端盖5的一侧设有与外壳3内圆配合的凸台,端盖5的圆心部位装有轴承7，靠近端盖5圆周的部位等分设有3至6个定位孔51，定位孔51的个数优选为4个。安装有第一可变电容器I、第二可变电容器2的第一动片11、第二动片21的转轴4从轴承7中向外伸出；所述的转轴4的中段套有隔离套41，转轴4的左、右段分别套有夹持垫圈43，夹持垫圈43与隔离套41之间分别套有第一第一动片11、第二第二动片21，第一动片11之间套有动片垫圈42，第二动片21之间也套有动片垫圈42，拧紧端盖5上的螺钉53，使轴承7内圈的端面夹压夹持垫圈43将第一动片11、第二动片21固定在转轴4上；所述的轴承7为深沟球轴承或角接触球轴承。 为消除第一可变电容器I、第二可变电容器2的定片之间杂散电容的影响，所述的隔离套41的长度为所述的动片与定片之间间隙长度的100至300倍。第一可变电容器I的第一定片12和第二可变电容器2的第二定片22分别套在定片轴6上，定片轴6的一端具有螺纹，另一端具有凸缘，定片轴6的中间部分为定片，定片之间套有定片垫圈61,套有第一定片12的定片轴6的螺纹端从端盖5的定位孔51沿向左方向伸出，套有第二定片22的定片轴6的螺纹端从端盖5的定位孔51沿向右方向伸出；定位孔51与定片轴6之间设有绝缘材料制成的绝缘衬套62，定片轴6通过绝缘材料制成的绝缘垫圈63、螺母52，紧固在端盖5上，使定片与动片无电接触。所述的定片垫圈61和动片垫圈42的厚度相等，第一动片11位于相邻的第一定片12中间位置，第二动片21位于相邻的第二定片22中间位置；所述的动片与定片平行。所述的转角传感器除绝缘衬套62、绝缘垫圈63外，其余部分采用铝材料或不锈钢材料制成。所述的第一动片11、第二动片21的主体为半圆形，其弦边19中部有一向外凸出一半圆形的耳部15，在动片的圆心部位设有圆孔13，该圆孔的边部设有向圆心凸出的条形齿17，该条形齿的方向与弦边垂直，动片套在转轴4上时该条形齿插在转轴4的键槽44中。采用上述结构使第一动片11、第二动片21和第一定片12、第二定片22的位置固
定可罪，抗震动。第一定片12、第二定片22为圆形，其中间部位挖出一部分，该挖出部分的形状与第一动片11、第二动片21的形状相同，第一定片12、第二定片22的外圆边处等分设有多个导向孔23，导向孔23的位置与端盖5的定位孔51相对应。第一动片11、第二动片21和第一定片12、第二定片22的圆心在转轴4的轴线上，所述的动片随转轴4转动时，在O至360°内，动片与定片的重合面积发生周期性线性变化，会出现动片与定片的某一重合面积对应两个转角(参见图6)，为区分这两个转角，第一可变电容器I的第一定片12与第二可变电容器2的第二定片22相互错开一个定位孔51的孔位角度固定在端盖5上，使得第一可变电容器I的动片与定片出现最大重合面积时的转角与第二可变电容器2的动片与定片出现最大重合面积时的转角不相同。为减小旋转时可变电容器产生的振动，所述的第一动片11与第二动片21在转轴4上平衡对称设置，即第一动片11与第二动片21在转轴4上的角度相互错开180°，为此所述的第一动片11、第二动片21的条形齿17在圆孔13上的位置也相互错开180°。与所述的第一动片11、第二动片21对应的第一定片12、第二定片22相互错开90°固定在端盖5上。所述的转角传感器还包括电容值固定的第一电容器la、第二电容器Ib,第一电容器Ia的一端与第一可变电容 器I的定片轴6电连接，其连接点为转角信号输出端A ;第二电容器Ib的一端与第二可变电容器2的定片轴6电连接，其连接点为转角信号输出端B ;第一电容器la、第二电容器Ib的另一端相连,其连接点为激励信号E的输入端S ;所述的外壳为激励信号、转角信号的地端D。为更好补偿环境温度、湿度变化对转角信号的影响，所述的第一电容器la、第二电容器Ib,为空气电介质电容器。图7为本实用新型第二实施例的结构示意图，与图I的区别是所述的第一电容器la、第二电容器Ib也设置在外壳3内，第一电容器la、第二电容器Ib的结构相同，以第一电容器Ia为例作说明，其结构为，在第一可变电容器I的定位轴6的凸缘处设置一极板8，极板8通过极板绝缘衬套65、极板绝缘垫圈66与定位轴6绝缘，极板8与相邻的第一定片12构成第一电容器Ia ;极板8用导线从引线孔31引出作为转角传感器的输入端S，第一可变电容器I的定片轴作为转角信号输出端A，第二可变电容器2的定片轴作为转角信号输出端B0所述的极板8的结构参见图8,极板8为圆板形，圆心部位为一圆孔其直径略大于隔离套41的外径，圆周部位上等分设有孔24，孔24的直径略大于极板绝缘衬套65的外径，孔24的位置与所述定片的导向孔23相对应。采用该结构可使转角传感器的结构紧凑，安装、使用方便，同时极板8为圆板形可有效地消除第一定片11、第二定片12之间杂散电容的影响。现对照图5、图6说明本实用新型的检测原理，图5中第一电容器Ia的一端与第一可变电容器I的定片连接，其连接点为转角信号输出端A ;第二电容器Ib的一端与第二可变电容器2的定片连接，其连接点为转角信号输出端B ;第一电容器la、第二电容器Ib的另一端相连，其连接点为激励信号E的输入端S ;激励信号的地端D与第一可变电容器I、第二可变电容器2的动片相连接。第一可变电容器I、第二可变电容器2的电容变化范围相同,第一电容器la、第二电容器Ib的电容相等。根据图5可知，Ua / Ul = Cl / Ca (I)；式I中Ul为第一可变电容器I上电压、Ua为第一电容器Ia上电压、Cl为第一可变电容器I的电容、Ca为第一电容器Ia的电容；Ua = Ue — Ul (2)；式2中Ue为激励信号E的电压；将式2代入式I中有，(Ue — Ul) / Ul = Cl / Ca (3)；整理式3有，[0060]Cl = CaX (Ue — Ul) / Ul (4)；式4中Ue和Ca的数值可预先设定，Ul的数值可通过测量得知，只要测量出Ul的数值按式4进行运算就可求出第一可变电容器I的电容Cl。同理可的出第二可变电容器2的电容C2的表达式如下，C2 = CbX (Ue - U2) / U2 (5)式5中C2为第二可变电容器2的电容、Cb为第二电容器Ib的电容；U2为第二可变电容器2上电压、Ue和Cb的数值可预先设定，U2可通过测量得知。需要特别说明的是，在上述电容元件串联电路中，电压Ul的表达式为Ul = UeX (1/Cl) +[(1/Ca) + (1/C1)]；·电压U2的表达式为U2 = UeX (1/C2) + [ (1/Cb) + (1/C2)];由于第一电容器la、第二电容器Ib,可变电容器Cl、C2的电介质为空气，当空气的温度、湿度发生变化时，空气的介电常数ε会发生变化，电容Ca、Cb、Cl、C2与空气的介电常数ε成比例关系，从电压Ul、U2的表达式可看出介电常数ε通过除法运算可被消除，电压Ul、U2不受温度、湿度发变化的影响。图6为第一可变电容器I、第二可变电容器2的电容C1、C2随转角变化的曲线图，由于第一可变电容器I、第二可变电容器2的动片与定片之间重合区为扇形，其面积与转角的变化成线性关系，所以其电容也与转角的变化成线性关系。从图6可看出，第一可变电容器I的电容Cl与转角Θ之间的关系可表示为，Θ = k Cl (O。兰 Θ < 180。)(6)Θ = 360。一 k Cl (180。^ Θ < 360。) (7)式6、7中k为角度系数，为一常数，在角度值Θ和电容值Cl已知的条件下可求出角度系数k。转角Θ在0-360°范围内，电容Cl的同一数值对应两个不同的转角，为区分电容Cl所对应的转角，将第一可变电容器I的第一动片11与第一定片12之间的夹角设置成与第二可变电容器2的第二动片21与第二定片22之间的夹角不同，即在同一转角下，电容Cl和电容C2不能同时为最大值，这样参照电容C2可区分电容Cl所对应的转角。在本实施例中第一可变电容器I的动片、定片之间的夹角与第二可变电容器2的动片、定片之间的夹角的差值为90°。设电容Cl、C2的变化范围为O至200PF，根据图6分析得知当电容C2 < 100PF、电容 Cl < 100PF 时，转角角度Θ = k Cl ；当O 兰电容 C2 < 100PF,电容 Cl ^ 100PF 时，转角角度Θ = k Cl ；当电容C2芎100PF、电容Cl兰200PF时，转角角度Θ = 360。- k Cl。图5为使用该转角传感器的测量装置原理方框图，该装置包括激励信号发生器、转角传感器、电压跟随器a、b、相敏检波器a、b、模数转换器a、b、数据处理器，转角传感器的输入端S、D与激励信号发生器的输出端连接,转角传感器的输出端A对地电压Ul (第一可变电容器I上的电压)输出端B对地电压U2 (第二可变电容器2上的电压)分别输送至电压跟随器a、电压跟随器b，所述的电压跟随器具有很高的输入阻抗不吸收电流，具有较低的输出阻抗可带负载，电压跟随器a、电压跟随器b的输出分别送至相敏检波器a、相敏检波器b，所述的相敏检波器将交流电压信号转换成直流电压信号，相敏检波器a、相敏检波器b的输出分别送至模数转换器a、模数转换器b，所述的模数转换器将电压信号转换成数字信号送至数据处理器，数据处理器中设置有程序能进行如下运算第一步，根据接受的第一可变电容器I上的电压Ul的数据和预先设定的激励信号电压Ue的数据、预先设定的第一电容器Ia的电容Ca的数据，按式4 Cl = CaX (Ue — Ul) / Ul (4)；计算出第一可变电容器I的电容Cl ；第二步，根据接受的第二可变电容器2上的电压U2的数据和预先设定的激励信号电压Ue的数据、预先设定的第二电容器Ib的电容Cb的数据，按式5 C2 = CbX (Ue - U2) / U2 (5)；计算出第二可变电容器2的电容C2。第三步、根据电容Cl电容C2的数据判断，转角Θ是在0-180°范围内还是在180° -360°范围内；第四步、根据预先设定的转角系数k(在转角Θ和电容Cl已知的条件下可得出转角系数k)，按式6、式7 Θ = k Cl (O。兰 Θ < 180。)(6)；Θ = 360。一 k Cl (180。^ Θ < 360。) (7)；计算出转角Θ，当然根据转角Θ还可以计算出转速、转数。图5的测量装置原理方框图所表示的激励信号为交流电压，如果激励信号为直流电压可去掉相敏检波器，将电压跟随器a、b的输出直接分别送至模数转换器a、b，其余部分保持不变。由于本转角传感器输出信号的为电压信号，现有的模数转换器采样速度、数据处理器运算速度都很快，因此能够瞬时测量高速旋转物体的角度，选用高分辨率模数转换器可获得较高的测量精度。上述的测量装置中电子元件均为通用的电子元件，如电压跟随器、相敏检波器可由运算放大器构成，数据处理器可由单片机构成，这些元件性能稳定、价格较低，因此与本转角传感器配套的测量装置制造成本相应也低。
权利要求1.一种转角传感器，包括电介质为空气的第一可变电容器(I)、第二可变电容器(2),套筒形状的外壳(3)，所述的可变电容器装在外壳(3)内，外壳(3)的两端装有端盖(5)，端盖(5)的圆心部位装有轴承(7)，靠近端盖(5)圆周的部位对称设有3至6个定位孔(51); 安装有第一可变电容器(I)、第二可变电容器(2)的第一动片(11)、第二动片(21)的转轴(4)从轴承(7)的内孔中向外伸出； 第一可变电容器(I)的第一定片(12)和第二可变电容器(2)的第二定片(22)分别安装在定片轴(6)上,定片轴(6)通过定位孔(51)固定在端盖(5)上,定片轴(6)与定位孔(51)绝缘； 第一定片(12)之间的间隔相等、第二定片(22)之间的间隔相等；第一动片(11)位于相邻的第一定片(12 )的中间位置，第二动片(21)位于相邻的第二定片(22 )的中间位置；所述的动片与定片平行； 所述的动片平面形状主体为半圆形，定片为圆形，其中间部位挖出一与动片平面形状相同的部分，动片随转轴(4)旋转时，动片与定片的重合面积发生周期性变化； 第一可变电容器(I)的第一定片(12)与第二可变电容器(2)的第二定片(22)相互错开一个定位孔(51)的孔位角度固定在端盖(5)上，使得第一可变电容器(I)的动片与定片出现最大重合面积时的转角与第二可变电容器(2)的动片与定片出现最大重合面积时的转角不相同； 所述的转角传感器还包括电容值固定的第一电容器(la)、第二电容器(Ib),第一电容器(Ia)的一端与第一可变电容器(I)的定片轴(6)电连接,其连接点为转角信号输出端(A);第二电容器(Ib)的一端与第二可变电容器(2)的定片轴(6)电连接，其连接点为转角信号输出端(B);第一电容器(la)、第二电容器(Ib)的另一端相连,其连接点为电压激励信号输入端(S);所述的外壳为激励信号、转角信号的地端(D)。
2.根据权利要求I所述的转角传感器，其特征是所述的第一电容器(la)、第二电容器(Ib),为空气电介质电容器。
3.根据权利要求I或2所述的转角传感器，其特征是所述的第一动片(11)与第二动片(21)之间设有隔离套(41)，隔离套(41)的长度为所述的动片与定片之间间隙长度的100至300 倍。
4.根据权利要求I或2所述的转角传感器，其特征是所述的第一动片(11)与第二动片(21)在转轴(4)上平衡对称设置。
5.根据权利要求I或2所述的转角传感器，其特征是所述的端盖(5)上的定位孔(51)的个数为4个。
6.根据权利要求2所述的转角传感器，其特征是所述的第一电容器(la)、第二电容器(Ib)设置在外壳(3)内，第一电容器(la)、第二电容器(Ib)结构为,在定位轴(6)的凸缘处设置一极板(8 ),极板(8 )通过极板绝缘衬套(65 )、极板绝缘垫圈(66 )与定位轴(6 )绝缘,极板(8)与相邻的定片构成第一电容器(la)、第二电容器(Ib);极板(8)用导线从引线孔(31)引出作为转角传感器的输入端S，第一可变电容器(I)的定片轴作为转角信号输出端A，第二可变电容器(2)的定片轴作为转角信号输出端B。
7.根据权利要求6所述的转角传感器，其特征是所述的极板(8)为圆板形，圆心部位为一圆孔其直径大于隔离套(41)的外径，圆周部位上等分设有孔(24)，孔(24)的直径略大于极板 绝缘衬套(65)的外径，孔(24)的位置与所述定片的导向孔(23)相对应。
专利摘要一种转角传感器，包括电介质为空气的第一可变电容器(1)、第二可变电容器(2)、套筒形状的外壳(3)，所述的可变电容器装在外壳(3)内，外壳(3)的两端装有端盖(5)，端盖的圆心部位装有轴承(7)，转轴转动时其电容值可产生与转轴的转角值相对应的变化，用于检测被测物体的旋转角度，所述的转角传感器还包括电容值固定的第一电容器(1a)、第二电容器(1b)，分别与第一可变电容器(1)、第二可变电容器(2)串联，其信号输出能消除环境温度、湿度变化的影响，该转角传感器能在高温、严寒、潮湿、高速、高震动的场合工作，具有较高的转角转换精度。传感器的结构采用金属材料来制造实现的，可靠性好，使用寿命长。
文档编号G01B7/30GK202747995SQ20122040138
公开日2013年2月20日 申请日期2012年8月15日 优先权日2012年8月15日
发明者高玉琴 申请人:高玉琴