專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于電容的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及扭矩傳感器，尤其涉及一種基于電容的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器。
背景技術(shù)：
目前，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器主要采用電阻應(yīng)變式原理，應(yīng)變式扭矩傳感器存在 的問(wèn)題是彈性軸上的應(yīng)變電橋檢測(cè)到的扭矩信號(hào)和電源如何可靠的在彈性軸 和外部靜止部分之間傳遞。目前通常的做法是集流環(huán)法或電感耦合法，例如中
國(guó)專(zhuān)利ZL96238424.0所示的高精度應(yīng)變式扭矩傳感器，使用的就是集流環(huán)傳 輸技術(shù)，因?yàn)榧鳝h(huán)傳輸技術(shù)屬于接觸式傳輸，存在機(jī)械摩擦，發(fā)熱，壽命短， 費(fèi)用高的缺陷，只適用于短期低精度的測(cè)量，中國(guó)專(zhuān)利ZL99232869.1所示的 應(yīng)變式電感耦合傳遞型扭矩傳感器，這類(lèi)傳感器是利用電感耦合的原理來(lái)實(shí)現(xiàn) 電源和扭矩信號(hào)的非接觸傳遞，但整個(gè)傳感器體積及質(zhì)量較大，加工、安裝、 調(diào)試復(fù)雜，成本高。所以使用電阻應(yīng)變式原理的扭矩傳感器總體來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，成本較高，長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性不高。
目前電容式扭矩傳感器，例如中國(guó)專(zhuān)利ZL93100254.0所示的電容式扭矩 傳感器，利用容柵位移測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量扭矩的目的，但由于它的發(fā)射電極 的每一極片都要引出導(dǎo)線與驅(qū)動(dòng)輸出相連，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)扭矩的測(cè) 量，而且由于節(jié)距數(shù)量的有限，測(cè)量精度較低，不適用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。又 如專(zhuān)利ZL200520007587.5所示的一種電容式角度扭矩雙信號(hào)車(chē)用傳感器，主 要是通過(guò)測(cè)量扭桿兩端的因扭變引起的相對(duì)于圓周角起點(diǎn)累計(jì)的角位移差值， 從而獲取對(duì)應(yīng)的扭矩信號(hào)，主要應(yīng)用于汽車(chē)扭桿的扭轉(zhuǎn)角度和扭矩的測(cè)量。但 這類(lèi)方法只適用于轉(zhuǎn)速較低且累計(jì)轉(zhuǎn)角受限的情況，而且由于其所使用的源極 板組內(nèi)的極板數(shù)受限制，不能達(dá)到較大量級(jí)，因此測(cè)量的精度較低，只能輸出 一定轉(zhuǎn)角范圍，這種扭矩傳感器只能在特定場(chǎng)合使用，無(wú)法用于高轉(zhuǎn)速、高精 度要求的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供通過(guò)差動(dòng)電容傳感器實(shí)現(xiàn)的一種基于電容的動(dòng) 態(tài)扭矩傳感器。
本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是 方案一本實(shí)用新型包括外殼、彈性軸、兩個(gè)軸承、兩個(gè)靜基板、兩個(gè)動(dòng)基板、兩
個(gè)激勵(lì)電容的靜電極、兩個(gè)感應(yīng)電容的靜電極和兩個(gè)動(dòng)電極；彈性軸安裝在外 殼內(nèi)并支撐在兩端的軸承中，靠近兩端軸承內(nèi)側(cè)的外殼孔內(nèi)均鑲嵌環(huán)形靜基 板，嵌環(huán)形靜基板內(nèi)圈從軸向由外至內(nèi)依次裝有感應(yīng)電容的靜電極和激勵(lì)電容 的靜電極，與感應(yīng)電容的靜電極和激勵(lì)電容的靜電極相對(duì)應(yīng)的兩端彈性軸外圓 上，裝有一圈動(dòng)基板，動(dòng)基板上裝有一片動(dòng)電極，兩個(gè)激勵(lì)電容的靜電極、兩 個(gè)感應(yīng)電容的靜電極和兩個(gè)動(dòng)電極組成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的電容器組。
所述激勵(lì)電容的靜電極的形狀為圓環(huán)形，感應(yīng)電容的靜電極的形狀是軸向 寬度按線性、正弦或余弦規(guī)律變化的圓環(huán)，動(dòng)電極的軸向?qū)挾纫笥诩?lì)電容 的靜電極和感應(yīng)電容的靜電極的軸向?qū)挾戎汀?br> 方案二
本實(shí)用新型包括外殼、彈性軸、兩個(gè)軸承、兩個(gè)靜基板、兩個(gè)動(dòng)基板、兩
個(gè)激勵(lì)電容的靜電極、兩個(gè)感應(yīng)電容的靜電極和兩個(gè)動(dòng)電極；彈性軸安裝在外 殼內(nèi)并支撐在兩端的軸承中，靠近兩端軸承內(nèi)側(cè)的外殼孔槽內(nèi)側(cè)裝有靜基板， 靜基板從徑向由外至內(nèi)依次裝有感應(yīng)電容的靜電極和激勵(lì)電容的靜電極，靜基 板對(duì)應(yīng)的軸上垂直安裝動(dòng)基板，動(dòng)基板上裝有動(dòng)電極，兩個(gè)激勵(lì)電容的靜電極、 兩個(gè)感應(yīng)電容的靜電極和兩個(gè)動(dòng)電極組成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的電容器組。
所述激勵(lì)電容的靜電極的形狀為圓環(huán)形，感應(yīng)電容的靜電極的形狀是徑向 寬度按線性、正弦或余弦規(guī)律變化的圓環(huán)，動(dòng)電極的徑向?qū)挾纫笥诩?lì)電容 的靜電極和感應(yīng)電容的靜電極的徑向?qū)挾戎汀?br> 本實(shí)用新型具有的有益效果是
本實(shí)用新型的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，由于了采用電容原理，省去了目前的應(yīng)變 式扭矩傳感器必需的軸與外部靜止部分電能和信號(hào)傳遞的復(fù)雜設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，大幅度的降低了成本，并且可將整個(gè)傳感器的體積和質(zhì)量控制在一個(gè)較小 的范圍。利用了差動(dòng)電容技術(shù)，在扭矩值連續(xù)變化時(shí)，電容差值也作連續(xù)變化 而不是階梯變化，因此大幅提高了分辨率，實(shí)現(xiàn)了扭矩的精確測(cè)量，而且同時(shí) 還能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的測(cè)量。本實(shí)用新型可用高轉(zhuǎn)速環(huán)境的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的 基于電容的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器。

圖1是一種基于電容的扭矩傳感器的原理示意圖。
圖1A是圖1中電容器組的靜基板和靜電極的環(huán)形展開(kāi)圖。 圖1B是圖1中電容器組的動(dòng)基板和動(dòng)電極的環(huán)形展開(kāi)圖。圖2是另一種基于電容的扭矩傳感器的原理示意圖。
圖2A是圖2中電容器組的靜基板和靜電極的形狀。 圖2B是圖2中電容器組的動(dòng)基板和動(dòng)電極的形狀。 圖3是電容器組的測(cè)量電路。
圖中l(wèi)-外殼；2-彈性軸；3-滾動(dòng)軸承；4-端蓋；5-靜基板；6-動(dòng)基板；7a-激勵(lì)電容的靜電極；7b-感應(yīng)電容的靜電極；7c-動(dòng)電極；8-外殼；9-彈性軸；10-滾動(dòng)軸承；ll-端蓋；12-靜基板；13-動(dòng)基板；14a-激勵(lì)電容的靜電極；14b-感 應(yīng)電容的靜電極；14c-動(dòng)電極。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖1所示，本實(shí)用新型包括外殼1、彈性軸2、兩個(gè)軸承3、兩個(gè)端蓋4、 兩個(gè)靜基板5、兩個(gè)動(dòng)基板6、兩個(gè)激勵(lì)電容的靜電極7a、兩個(gè)感應(yīng)電容的靜 電極7b和兩個(gè)動(dòng)電極7c;彈性軸2安裝在外殼1內(nèi)并支撐在兩端的軸承3中， 蓋上端蓋4，靠近兩端軸承3內(nèi)側(cè)的外殼1孔內(nèi)均鑲嵌環(huán)形靜基板5，嵌環(huán)形 靜基板5內(nèi)圈從軸向由外至內(nèi)依次裝有感應(yīng)電容的靜電極7b和激勵(lì)電容的靜 電極7a,與感應(yīng)電容的靜電極7b和激勵(lì)電容的靜電極7a相對(duì)應(yīng)的兩端彈性軸 2外圓上，裝有一圈動(dòng)基板6，動(dòng)基板6上裝有一片動(dòng)電極7c，兩個(gè)激勵(lì)電容 的靜電極7a、兩個(gè)感應(yīng)電容的靜電極7b和兩個(gè)動(dòng)電極7c組成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的 電容器組。
激勵(lì)電容的靜電極7a的形狀為圓環(huán)形，如圖1A所示激勵(lì)電容的靜電極 7a的環(huán)形展開(kāi)形狀為矩形；感應(yīng)電容的靜電極7b的形狀是軸向?qū)挾劝淳€性、 正弦或余弦規(guī)律變化的圓環(huán)，本實(shí)例中使用了線性規(guī)律變化的圓環(huán)，如圖1A 所示，感應(yīng)電容的靜電極7b的環(huán)形展開(kāi)形狀為三角形；如圖1B所示，動(dòng)電極 7c的展開(kāi)形狀為一小片矩形。動(dòng)電極7c的軸向?qū)挾纫笥诩?lì)電容的靜電極 7a和感應(yīng)電容的靜電極7b的軸向?qū)挾戎汀?br> 動(dòng)電極7c隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電容靜電極處的有效接觸面積區(qū)域發(fā)生變化。由于 動(dòng)電極7c的軸向?qū)挾纫笥诩?lì)電容的靜電極7a和感應(yīng)電容的靜電極7b的 軸向?qū)挾戎?，從而保證電容兩電極有效接觸面積的變化完全由電容靜電極的 形狀決定的。這樣，激勵(lì)電容的兩電極有效接觸面積保持不變，感應(yīng)電容的兩 電極有效接觸面積按照所選規(guī)律周期變化，在軸的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，激勵(lì)電容的電 容值保持不變，感應(yīng)電容的電容值按照所選規(guī)律周期變化，因此通過(guò)測(cè)量感應(yīng) 電容的大小便可知彈性軸相對(duì)外殼的位置。由于兩個(gè)電容組是對(duì)稱(chēng)安裝的，所以在不受扭矩作用時(shí)兩個(gè)電容器組的電容值相等，當(dāng)彈性軸2受扭轉(zhuǎn)動(dòng)，彈性 軸2兩端的電容信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生相位差。如圖3所示的測(cè)試電路，在兩電容器組 的激勵(lì)電容的靜電極7a處加以激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)感應(yīng)電容靜電極7b處 的電壓信號(hào)，就可以得到兩個(gè)電容器組的電容差值，從而得到相應(yīng)的扭矩值大 小，并可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的測(cè)量。
如圖2所示，本實(shí)用新型包括外殼8、彈性軸9、兩個(gè)軸承IO、兩個(gè)端蓋
11、 兩個(gè)靜基板12、兩個(gè)動(dòng)基板13、兩個(gè)激勵(lì)電容的靜電極14a、兩個(gè)感應(yīng)電 容的靜電極14b和兩個(gè)動(dòng)電極14c;彈性軸9安裝在外殼8內(nèi)并支撐在兩端的 軸承10中，蓋上端蓋11，靠近兩端軸承10內(nèi)側(cè)的外殼8孔槽內(nèi)側(cè)裝有靜基板
12, 靜基板12從徑向由外至內(nèi)依次裝有感應(yīng)電容的靜電極14b和激勵(lì)電容的 靜電極14a，靜基板12對(duì)應(yīng)的軸上垂直安裝動(dòng)基板13，動(dòng)基板13上裝有動(dòng)電 極14c，兩個(gè)激勵(lì)電容的靜電極14a、兩個(gè)感應(yīng)電容的靜電極14b和兩個(gè)動(dòng)電 極Mc組成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的電容器組。
如圖2A所示，激勵(lì)電容的靜電極14a的形狀為圓環(huán)形；如圖B所示，感 應(yīng)電容的靜電極14b的形狀選用了徑向?qū)挾劝淳€性規(guī)律變化的圓環(huán)；如圖2B 所示，動(dòng)電極14c的形狀為圓環(huán)形。動(dòng)電極14c的徑向?qū)挾纫笥诩?lì)電容的 靜電極14a和感應(yīng)電容的靜電極14b的徑向?qū)挾戎汀?br> 由于動(dòng)電極14c的隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電容靜電極處的有效接觸面積區(qū)域發(fā)生變化。 電容兩電極有效接觸面積的變化完全由電容靜電極的形狀決定的。激勵(lì)電容的 兩電極有效接觸面積保持不變，感應(yīng)電容的兩電極有效接觸面積按照一定規(guī)律 周期變化，在軸的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，激勵(lì)電容的電容值保持不變，感應(yīng)電容的電容 值按照一定規(guī)律周期變化。因此通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電容的大小便可知彈性軸相對(duì)外 殼的位置。由于兩個(gè)電容組是對(duì)稱(chēng)安裝的，所以在不受扭矩作用時(shí)兩個(gè)電容器 組的電容值相等，當(dāng)彈性軸9受扭轉(zhuǎn)動(dòng)，彈性軸9兩端的電容信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生相 位差。從而也可以運(yùn)用圖3所示的測(cè)試電路，通過(guò)對(duì)電容信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)扭 矩測(cè)量的目的。
權(quán)利要求1、一種基于電容的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，其特征在于包括外殼(1)、彈性軸(2)、兩個(gè)軸承(3)、兩個(gè)靜基板(5)、兩個(gè)動(dòng)基板(6)、兩個(gè)激勵(lì)電容的靜電極(7a)、兩個(gè)感應(yīng)電容的靜電極(7b)和兩個(gè)動(dòng)電極(7c)；彈性軸(2)安裝在外殼(1)內(nèi)并支撐在兩端的軸承(3)中，靠近兩端軸承(3)內(nèi)側(cè)的外殼(1)孔內(nèi)均鑲嵌環(huán)形靜基板(5)，嵌環(huán)形靜基板(5)內(nèi)圈從軸向由外至內(nèi)依次裝有感應(yīng)電容的靜電極(7b)和激勵(lì)電容的靜電極(7a)，與感應(yīng)電容的靜電極(7b)和激勵(lì)電容的靜電極(7a)相對(duì)應(yīng)的兩端彈性軸(2)外圓上，裝有一圈動(dòng)基板(6)，動(dòng)基板(6)上裝有一片動(dòng)電極(7c)，兩個(gè)激勵(lì)電容的靜電極(7a)、兩個(gè)感應(yīng)電容的靜電極(7b)和兩個(gè)動(dòng)電極(7c)組成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的電容器組。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，其特征在于 所述激勵(lì)電容的靜電極(7a)的形狀為圓環(huán)形，感應(yīng)電容的靜電極(7b)的形狀是 軸向?qū)挾劝淳€性、正弦或余弦規(guī)律變化的圓環(huán)，動(dòng)電極(7c)的軸向?qū)挾纫笥?激勵(lì)電容的靜電極(7a)和感應(yīng)電容的靜電極(7b)的軸向?qū)挾戎汀?br> 3、 一種基于電容的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，其特征在于包括外殼(8)、彈性軸 (9)、兩個(gè)軸承(IO)、兩個(gè)靜基板(12)、兩個(gè)動(dòng)基板(13)、兩個(gè)激勵(lì)電容的靜電極 (14a)、兩個(gè)感應(yīng)電容的靜電極(14b)和兩個(gè)動(dòng)電極(14c);彈性軸(9)安裝在外殼 (8)內(nèi)并支撐在兩端的軸承(10)中，靠近兩端軸承(10)內(nèi)側(cè)的外殼(8)孔槽內(nèi)側(cè)裝 有靜基板(12)，靜基板(12)從徑向由外至內(nèi)依次裝有感應(yīng)電容的靜電極(14b)和 激勵(lì)電容的靜電極(14a)，靜基板(12)對(duì)應(yīng)的軸上垂直安裝動(dòng)基板(13)，動(dòng)基板 (13)上裝有動(dòng)電極(14c)，兩個(gè)激勵(lì)電容的靜電極(14a)、兩個(gè)感應(yīng)電容的靜電極 (14b)和兩個(gè)動(dòng)電極(14c)組成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的電容器組。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于電容的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，其特征在于 所述激勵(lì)電容的靜電極(14a)的形狀為圓環(huán)形，感應(yīng)電容的靜電極(14b)的形狀 是徑向?qū)挾劝淳€性、正弦或余弦規(guī)律變化的圓環(huán)，動(dòng)電極(14c)的徑向?qū)挾纫?于激勵(lì)電容的靜電極(14a)和感應(yīng)電容的靜電極(14b)的徑向?qū)挾戎汀?br> 專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于電容的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器。包括外殼、彈性軸、兩個(gè)軸承、兩個(gè)靜基板、兩個(gè)動(dòng)基板和由兩個(gè)激勵(lì)電容的靜電極、兩個(gè)感應(yīng)電容的靜電極和兩個(gè)動(dòng)電極組成的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置在彈性軸兩端的電容器組。隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸與外殼相對(duì)位置發(fā)生變化，軸兩端對(duì)稱(chēng)安裝的電容組的電容信號(hào)按照一定規(guī)律周期變化。當(dāng)彈性軸受扭轉(zhuǎn)動(dòng)，軸兩端的電容信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相位差，通過(guò)檢測(cè)這個(gè)電容差值，建立起電容差與扭矩之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩、轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)速的測(cè)量。本實(shí)用新型具有無(wú)接觸、高精度、低成本、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，適用于高轉(zhuǎn)速環(huán)境的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01B7/30GK201344846SQ20092011271
公開(kāi)日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者燕 姚, 沈培璐, 慶 蔣, 蔡晉輝 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院