一种基于三明治式的容栅式角度传感器的制作方法

本发明涉及角度传感器，特别涉及一种基于三明治式的容栅式角度传感器。

背景技术：

1、容栅式角度传感器是一种基于变面积工作原理、内含相对设立并具有间隔的动栅和定栅，通过动栅旋转时与定栅间相对面积的变化实现容电转换，经电路处理可输出绝对角度值的数字传感器。

2、角度传感器广泛应用于无人机、小型机器人以及高精度稳定平台等场合，现有技术无法满足这些应用中要求的传感器需要具备高精度、小体积、结构简单以及低成本的特点。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于三明治式的容栅式角度传感器，可在降低体积、简化结构的同时保证测量精度。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：

3、一种基于三明治式的容栅式角度传感器，包括以三明治形式布置的精测极定栅、动栅和粗测极定栅，所述精测极定栅、动栅和粗测极定栅之间以空气填充并保持恒定的间距，所述精测极定栅、动栅、粗测极定栅均为圆形印刷线路板形式并在表面附铜，所述精测极定栅与粗测极定栅之间通过电子线连接通讯，所述精测极定栅分上下两层，所述精测极定栅上层外圈均布扇形定栅精测图形，所述精测极定栅上层中心圆环区域为定栅精测极感应环，所述动栅分为上下两层，所述动栅上层外圈为两个偏心圆构成的月牙状动栅粗测图形，所述动栅上层中心圆环区域为动栅粗测极感应环，所述动栅粗测极感应环与动栅粗测图形连通，所述动栅下层外圈均布着连续的正弦/余弦曲线相对组合而成花瓣状动栅精测图形，所述动栅下层中心圆环区域为动栅精测极感应环，所述动栅精测极感应环与动栅精测图形连通，所述粗测极定栅分为上下两层，所述粗测极定栅上层为信号处理电路，所述精测极定栅下层的接线层内设置电子线焊盘将上层精测极感应信号连接至信号处理电路，所述粗测极定栅下层外圈为定栅粗测图形，所述粗测极定栅下层中心圆环区为定栅粗测极感应环。

4、作为本发明的一种优选方案，所述精测极定栅上层的定栅精测图形与所述动栅下层的动栅精测图形隔空相对并保持同心，所述精测极定栅上层的定栅精测感应环与所述动栅下层的动栅精测感应环隔空相对并保持同心，所述定栅精测感应环在通电时表面带正电荷，所述动栅精测感应环和与其相连的动栅精测图形在通电时表面均带负电荷，所述粗测极定栅下层的定栅粗测图形与所述动栅上层的动栅粗测图形隔空相对并保持同心，所述粗测极定栅下层的定栅粗测感应环与所述动栅上层的动栅粗测感应环隔空相对并保持同心，所述定栅粗测感应环在通电时表面带正电荷，所述动栅粗测感应环和与其相连的动栅粗测图形在通电时表面均带负电荷，所述精测极定栅与所述粗测极定栅固定不动，所述动栅可绕其中心轴线自由转动；

5、作为本发明的一种优选方案，所述动栅下层外圈均布着十六个由正弦/余弦曲线相对组合而成的花瓣状动栅精测图形，所述精测极定栅上层外圈均布着六十四块扇形定栅精测图形，相邻的所述四个扇形定栅精测图形构成所述定栅精测图形精测单元，所述定栅精测图形由十六个精测单元均匀圆周阵列而成，十六个所述精测单元相同位号扇形区通过内层走线相连，每个所述精测单元占据22.5°的角度区间，一瓣所述花瓣状动栅精测图形对应一处定栅精测图形中的精测单元。

6、作为本发明的一种优选方案，所述动栅上层外圈为两个偏心圆构成的月牙状的动栅粗测图形，所述粗测极定栅下层外圈均布着由四个扇形粗测单元构成的定栅粗测图形，每个所述粗测单元占据90°的角度区间。

7、作为本发明的一种优选方案，所述精测极定栅和粗测极定栅安装在定栅保持架两侧凹槽内，且精测极定栅在下、粗测极定栅在上，所述定栅保持架下方布置安装座，所述定栅保持架上方布置盒盖，所述安装座、定栅保持架和盒盖由下到上呈三明治形式装配，且通过四个m3×14螺钉固定，所述精测极定栅由安装座和定栅保持架夹紧固定，所述粗测极定栅由定栅保持架和盒盖夹紧固定，所述动栅居中布置在精测极定栅和粗测极定栅中间，且通过动栅压紧法兰和两个m1.2×3螺钉夹紧固定在转轴末端，所述安装座在中心轴线位置设有轴承安装孔，所述转轴中间位置设有凸起的轴肩，所述转轴与安装座之间通过两组轴承连接，所述转轴可相对安装座往任意方向自由转动，所述轴承内圈分别安装在转轴轴肩两侧，所述轴承外圈安装在所述安装座的轴承安装孔内，且通过轴承压紧法兰和四个m2×4螺钉限制转轴及轴承的轴线位移。

8、本发明的有益效果是：由安装座、定栅保持架、盒盖构成的外壳均采用金属材质完全包裹内部电路，极大的增强了抗电磁干扰能力；精测极定栅、动栅、粗测极定栅均使用印刷电路板工艺，在保证结构设计强度的同时，降低生产成本；精测极定栅、动栅、粗测极定栅三明治形式布置，在保证高精度角度测量情况下传感器外形尺寸可以大幅度的缩小，满足更多高端使用环境下对角度传感器“小、精、尖”的需求。

技术特征：

1.一种基于三明治式的容栅式角度传感器，包括以三明治形式布置的精测极定栅(1)、动栅(2)和粗测极定栅(3)，其特征在于：所述精测极定栅(1)、动栅(2)和粗测极定栅(3)之间以空气填充并保持恒定的间距，所述精测极定栅(1)、动栅(2)、粗测极定栅(3)均为圆形印刷线路板形式并在表面附铜，所述精测极定栅(1)与粗测极定栅(3)之间通过电子线(4)连接通讯，所述精测极定栅(1)分上下两层，所述精测极定栅(1)上层外圈均布扇形定栅精测图形(5)，所述精测极定栅(1)上层中心圆环区域为定栅精测极感应环(6)，所述动栅(2)分为上下两层，所述动栅(2)上层外圈为两个偏心圆构成的月牙状动栅粗测图形(7)，所述动栅(2)上层中心圆环区域为动栅粗测极感应环(8)，所述动栅粗测极感应环(8)与动栅粗测图形(7)连通，所述动栅(2)下层外圈均布着连续的正弦/余弦曲线相对组合而成花瓣状动栅精测图形(9)，所述动栅(2)下层中心圆环区域为动栅精测极感应环(10)，所述动栅精测极感应环(10)与动栅精测图形(9)连通，所述粗测极定栅(3)分为上下两层，所述粗测极定栅(3)上层为信号处理电路，所述精测极定栅(1)下层的接线层内设置电子线焊盘将上层精测极感应信号连接至信号处理电路，所述粗测极定栅(3)下层外圈为定栅粗测图形(11)，所述粗测极定栅(3)下层中心圆环区为定栅粗测极感应环(12)。

2.根据权利要求1所述的一种基于三明治式的容栅式角度传感器，其特征在于：所述精测极定栅(1)上层的定栅精测图形(5)与所述动栅(2)下层的动栅精测图形(9)隔空相对并保持同心，所述精测极定栅(1)上层的定栅精测感应环(6)与所述动栅(2)下层的动栅精测感应环(10)隔空相对并保持同心，所述定栅精测感应环(6)在通电时表面带正电荷，所述动栅精测感应环(10)和与其相连的动栅精测图形(9)在通电时表面均带负电荷，所述粗测极定栅(3)下层的定栅粗测图形(11)与所述动栅(2)上层的动栅粗测图形(7)隔空相对并保持同心，所述粗测极定栅(3)下层的定栅粗测感应环(12)与所述动栅上层的动栅粗测感应环(8)隔空相对并保持同心，所述定栅粗测感应环(12)在通电时表面带正电荷，所述动栅粗测感应环(8)和与其相连的动栅粗测图形(7)在通电时表面均带负电荷，所述精测极定栅(1)与所述粗测极定栅(3)固定不动，所述动栅(2)可绕其中心轴线自由转动。

3.根据权利要求1所述的一种基于三明治式的容栅式角度传感器，其特征在于：所述动栅(2)下层外圈均布着十六个由正弦/余弦曲线相对组合而成的花瓣状动栅精测图形(9)，所述精测极定栅(1)上层外圈均布着六十四块扇形定栅精测图形(5)，相邻的所述四个扇形定栅精测图形(5)构成所述定栅精测图形精测单元(13)，所述定栅精测图形(5)由十六个精测单元(13)均匀圆周阵列而成，十六个所述精测单元(13)相同位号扇形区通过内层走线相连，每个所述精测单元(13)占据22.5°的角度区间，一瓣所述花瓣状动栅精测图形(9)对应一处定栅精测图形(5)中的精测单元(13)。

4.根据权利要求1所述的一种基于三明治式的容栅式角度传感器，其特征在于：所述动栅(2)上层外圈为两个偏心圆构成的月牙状的动栅粗测图形(7)，所述粗测极定栅(3)下层外圈均布着由四个扇形粗测单元(14)构成的定栅粗测图形(11)，每个所述粗测单元(14)占据90°的角度区间。

5.根据权利要求1所述的一种基于三明治式的容栅式角度传感器，其特征在于：所述精测极定栅(1)和粗测极定栅(3)安装在定栅保持架(15)两侧凹槽内，且精测极定栅(1)在下、粗测极定栅(3)在上，所述定栅保持架(15)下方布置安装座(16)，所述定栅保持架(15)上方布置盒盖(17)，所述安装座(16)、定栅保持架(15)和盒盖(17)由下到上呈三明治形式装配，且通过四个m3×14螺钉(18)固定，所述精测极定栅(1)由安装座(16)和定栅保持架(15)夹紧固定，所述粗测极定栅(3)由定栅保持架(15)和盒盖(17)夹紧固定，所述动栅(2)居中布置在精测极定栅(1)和粗测极定栅(3)中间，且通过动栅压紧法兰(19)和两个m1.2×3螺钉(20)夹紧固定在转轴(21)末端，所述安装座(16)在中心轴线位置设有轴承安装孔(22)，所述转轴(21)中间位置设有凸起的轴肩(23)，所述转轴(21)与安装座(16)之间通过两组轴承(24)连接，所述转轴(21)可相对安装座(16)往任意方向自由转动，所述轴承(24)内圈分别安装在转轴轴肩(23)两侧，所述轴承(24)外圈安装在所述安装座(16)的轴承安装孔(22)内，且通过轴承压紧法兰(25)和四个m2×4螺钉(26)限制转轴(21)及轴承(24)的轴线位移。

技术总结
本发明公开了一种基于三明治式的容栅式角度传感器，包括以三明治形式布置的精测极定栅、动栅和粗测极定栅，精测极定栅通过安装座和定栅保持架夹紧固定，粗测极定栅通过定栅保持架和盒盖夹紧固定，动栅固定在转轴末端可随转轴自由转动，三者间以空气填充并保持恒定的间距，动栅精测感应环与精测极定栅上层布置的定栅精测图形、定栅精测感应环隔空相对，动栅粗测感应环与粗测极定栅下层布置的定栅粗测图形、定栅粗测感应环隔空相对，动栅沿其中心轴线转动时，基于变面积原理精测极定栅与动栅、粗测极定栅与动栅之间的容值均发生变化，信号处理电路通过分析粗测、精测两组数据可算出动栅目前位置的绝对角度值。

技术研发人员：黄永逾
受保护的技术使用者：江西省智成测控技术研究所有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15