一種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)及其使用方法，它包括解調(diào)電路和敏感結(jié)構(gòu)，解調(diào)電路產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)作用于敏感結(jié)構(gòu)，由敏感結(jié)構(gòu)將電容變化信息返回至解調(diào)電路進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)角信息。敏感結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子，在定子表面設(shè)置有保護(hù)電極、激勵(lì)電極和采集電極；在定子表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)均設(shè)置有保護(hù)電極，緊鄰內(nèi)環(huán)保護(hù)電極的外側(cè)設(shè)置有激勵(lì)電極，激勵(lì)電極的外側(cè)設(shè)置有采集電極。轉(zhuǎn)子包括保護(hù)電極、耦合電極和偏心敏感電極，在轉(zhuǎn)子表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)也均設(shè)置有保護(hù)電極，緊鄰內(nèi)環(huán)保護(hù)電極外側(cè)設(shè)置有耦合電極，耦合電極外側(cè)設(shè)置有偏心敏感電極。采集電極和偏心敏感電極呈正對設(shè)置，組成測量電容。本發(fā)明可減小因徑向跳動(dòng)而導(dǎo)致的測量誤差。
【專利說明】
-種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種角位移傳感器及其使用方法，特別是關(guān)于一種在工業(yè)自動(dòng)化控制 系統(tǒng)、儀器儀表和電子產(chǎn)品制造業(yè)等領(lǐng)域中使用的偏屯、電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)及其使用 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 主軸轉(zhuǎn)角信息在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀器儀表和電子產(chǎn)品制造業(yè)中都是極為重 要的測量參數(shù)，角位移傳感器的運(yùn)用十分廣泛，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值十分重大，如在汽車助力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)、直流和交流伺服電極控制、液壓累控制、機(jī)器人等領(lǐng)域都需要角位移和角速度信息。角 度測量已經(jīng)廣泛的深入到航空航天、機(jī)械加工、民用醫(yī)療、船舶冶金等行業(yè)。隨著工業(yè)化信 息化的加深，對于高精度、低功耗、集成化、低成本的角位移傳感器的需求越來越廣，每年對 于高精度角位移傳感器的需求都W30%的增速上漲。因此開發(fā)廉價(jià)且高精度的角位移傳感 器對于工業(yè)化自動(dòng)化有很大的促進(jìn)作用。目前，常用測量角位移和角速度的傳感器包括:光 電電位器式角位移傳感器、光柵式角位移傳感器、磁柵式角位移傳感器、微動(dòng)同步器角位移 傳感器、繞線電位器式角位移傳感器和感應(yīng)同步器角位移傳感器等，上述的傳感器各有優(yōu) 缺點(diǎn)，精度較高的角位移傳感器，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、環(huán)境要求高、運(yùn)用范圍窄、拓展性 較低等缺點(diǎn)。
[0003] 運(yùn)就需要提供一種非接觸、高分辨率、高精度、高可靠性和低成本的角位移傳感 器。電容角位移傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)將轉(zhuǎn)角信息轉(zhuǎn)換成電容值的改變，最后通過相應(yīng)解調(diào)電路 轉(zhuǎn)化為有用電信號(hào)，其具有其它傳感器不具有的優(yōu)點(diǎn)，如：具有電容傳感器可W實(shí)現(xiàn)非接 觸、其靈敏度高、穩(wěn)定性好、精度高和低功耗、結(jié)構(gòu)簡單、工作環(huán)境要求低等，電容式角位移 傳感器成為最有前景的傳感器之一。
[0004] 電容式角位移傳感器穩(wěn)定性較高、可W用于非接觸式測量、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、適應(yīng)惡劣 環(huán)境等，已被越來越多的人認(rèn)為是最有發(fā)展前途的傳感器，但是現(xiàn)有的商用電容式角位移 傳感器具有成本高、加工復(fù)雜、測量電路復(fù)雜，影響了電容式角位移傳感器的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種偏屯、電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)及其使用 方法，其減小因徑向跳動(dòng)而導(dǎo)致的測量誤差，具有測量精度高、成本低、抗干擾和抗污染能 力強(qiáng)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取W下技術(shù)方案:一種偏屯、電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)， 其特征在于它包括解調(diào)電路和敏感結(jié)構(gòu)，所述解調(diào)電路產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)作用于所述敏感 結(jié)構(gòu)，由所述敏感結(jié)構(gòu)將電容變化信息返回至所述解調(diào)電路進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)角信息;所述敏感 結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子和所述轉(zhuǎn)子同軸平行設(shè)置，在所述定子表面設(shè)置有保護(hù)電 極、激勵(lì)電極和采集電極;在所述定子表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)均設(shè)置有圓環(huán)狀的所述保護(hù)電 極，緊鄰內(nèi)環(huán)所述保護(hù)電極的外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的所述激勵(lì)電極，所述激勵(lì)電極的外側(cè)設(shè) 置有圓環(huán)狀的所述采集電極;所述轉(zhuǎn)子包括保護(hù)電極、禪合電極和偏屯、敏感電極，在所述轉(zhuǎn) 子表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)也均設(shè)置有圓環(huán)狀的所述保護(hù)電極，緊鄰內(nèi)環(huán)所述保護(hù)電極外側(cè)設(shè) 置有圓環(huán)狀的所述禪合電極，所述禪合電極外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的所述偏屯、敏感電極，所述 禪合電極和所述偏屯、敏感電極部分相連;所述采集電極和所述偏屯、敏感電極呈正對設(shè)置， 組成測量電容。
[0007] 優(yōu)選地，所述定子表面設(shè)置有8個(gè)內(nèi)外均勻分布的扇形采集電極，4個(gè)扇形采集電 極形成一個(gè)圓環(huán)，共構(gòu)成兩個(gè)圓環(huán);按直角坐標(biāo)系分為四個(gè)扇形象限區(qū)，第一扇形象限外環(huán) 設(shè)置為第一采集電極，內(nèi)環(huán)設(shè)置為第二采集電極;第二扇形象限外環(huán)設(shè)置為第屯采集電極， 內(nèi)環(huán)設(shè)置為第八采集電極;第=扇形象限外環(huán)設(shè)置為第=采集電極，內(nèi)環(huán)設(shè)置為第四采集 電極;第四扇形象限外環(huán)設(shè)置為第五采集電極，內(nèi)環(huán)設(shè)置為第六采集電極。
[0008] 優(yōu)選地，所述第一采集電極與所述第四采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與所述偏 屯、敏感電極組成第一電容;所述第二采集電極與所述第=采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并 與所述偏屯、敏感電極組成第二電容;所述第五采集電極與所述第八采集電極連接構(gòu)成一個(gè) 電極，并與所述偏屯、敏感電極組成第=電容;所述第六采集電極與所述第屯采集電極連接 構(gòu)成一個(gè)電極，并與所述偏屯、敏感電極組成第四電容。
[0009] 優(yōu)選地，所述激勵(lì)電極與所述禪合電極呈正對設(shè)置，組成禪合電容。
[0010] 優(yōu)選地，所述定子和所述轉(zhuǎn)子均采用印制電路板，所述定子采用四層板，其中第一 層為敏感結(jié)構(gòu)層，第二層為地，第=層為連線，第四層為元件;所述轉(zhuǎn)子采用兩層板，第一層 為敏感結(jié)構(gòu)層，第二層為地。
[0011] 優(yōu)選地，所述解調(diào)電路包括旋變解調(diào)忍片、差分放大模塊、低通濾波器、激勵(lì)驅(qū)動(dòng) 模塊、C-V轉(zhuǎn)換模塊、同相放大模塊、反相放大模塊和系統(tǒng)誤差校正模塊;所述旋變解調(diào)忍片 產(chǎn)生兩組正弦激勵(lì)信號(hào)均經(jīng)所述差分放大模塊進(jìn)行放大后，由所述低通濾波器濾除低頻信 號(hào)，然后通過所述激勵(lì)驅(qū)動(dòng)模塊作用于所述定子的所述激勵(lì)電極;所述轉(zhuǎn)子在主軸的帶動(dòng) 下轉(zhuǎn)動(dòng)，使得所述偏屯、敏感電極和所述采集電極正對面積發(fā)生改變，進(jìn)而獲得4路電量變化 信號(hào)，4路電量變化信號(hào)分別通過所述C-V轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為4路電壓信號(hào)，4路電壓信號(hào)均經(jīng) 所述差分放大模塊放大后，其中兩路電壓信號(hào)進(jìn)行所述同相放大模塊放大，另外兩路電壓 信號(hào)進(jìn)行所述反相放大模塊放大，最后均通過所述低通濾波器濾除低通信號(hào)后，傳輸至所 述旋變解調(diào)忍片，所述旋變解調(diào)忍片將信號(hào)傳輸至所述系統(tǒng)誤差校正模塊進(jìn)行誤差校正， 然后再傳輸至所述旋變解調(diào)忍片。
[001^ 優(yōu)選地，所述偏屯、敏感電極圓環(huán)的內(nèi)半徑為ri，外半徑為n，并且n= (ri+n)今2; 所述偏屯、敏感電極的圓屯、與所述轉(zhuǎn)子圓屯、的距離為d，所述轉(zhuǎn)子和所述定子的內(nèi)半徑均為 T4，所述轉(zhuǎn)子和所述定子的外半徑均為rs，并且r日=(r4+rs)今2，T3 = rs。
[OOU]優(yōu)選地，所述偏屯、敏感電極圓環(huán)的內(nèi)半徑為Ri =化ICOS(目）；所述偏屯、敏感電極圓 環(huán)的外半徑為R2 =化2COS(目）；所述采集電極的內(nèi)環(huán)和外環(huán)的分割圓的半徑為Rst=^scos (白）。
[0014] -種偏屯、電容式角位移傳感器的使用方法，其特征在于它的具體步驟如下：1)設(shè) 置一解調(diào)電路和敏感結(jié)構(gòu)，解調(diào)電路產(chǎn)生兩組正弦激勵(lì)信號(hào)作用于敏感結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子在主軸 的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，第一采集電極與第四采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏感電極組成 第一電容;第二采集電極與第=采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏感電極組成第二 電容;第五采集電極與第八采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏感電極組成第=電容； 第六采集電極與第屯采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏感電極組成第四電容;2)第 一電容隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面巧為：
[0015]
[0016] 其中，A表示測量電容正對面積的常值分量，B表示振幅，0表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，Xi (0)遠(yuǎn)小于Bs in (0 )，忽略Xi (0);第二電容隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：
[0017]
[001引其中，X2(目)遠(yuǎn)小于Bsin(目），忽略枯（目）；第S電容隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] ，其中，X4(目)遠(yuǎn)小于Bcos(目），忽略X4(目）；3)第一電容獲得的電量為：
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] 4)C-V轉(zhuǎn)換模塊將四個(gè)電容上的電荷信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出：
[00巧]Ui = Usin(wt)*(A+Bsin(目）），U2 = Usin(wt)*(A_Bsin(目）），
[0029] Us = Usin(Wt)*(A+Bcos(目）），U4 = Usin(Wt)*(A-Bcos(目））；
[0030] 5)將獲得的四路電壓信號(hào)輸入差分放大模塊，可獲得兩路類似于電感變壓器的正 交旋變信號(hào)：Usin = A*d*Rc*sin(目）sin(wt) = Usin(Wt)Sin(目），Uc〇s=A*d*化*cos(目）sin(wt) = Usin(Wt)COS(目）；6)信號(hào)Usin和Ugds均通過反相放大模塊分別得到信號(hào)U-sin、U-GDs;將信號(hào) Usin和Ucos均通過同相放大模塊；U-Sin = -Usin(Wt)Sin(目），U-c〇s = -Usin(wt)cos(目）；7)將 1]31。、1]。。3、1]-31。、1]-。。3均傳輸至低通濾波器，濾除低頻信號(hào)后，傳輸至旋變解調(diào)忍片;8)旋變解 調(diào)忍片的SIN引腳接收Usin的信號(hào)，涼^引腳接收U-Sin的信號(hào)，COS引腳接收Ucds的信號(hào)， 引腳接收U-CDS的信號(hào);9)對四組信號(hào)均進(jìn)行誤差校正，得到精確的轉(zhuǎn)角信息。
[0031] 本發(fā)明由于采取W上技術(shù)方案，其具有W下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明采用偏屯、電容式角位 移傳感器，對加工誤差和安裝的偏屯、誤差有很好的抑制作用。2、本發(fā)明采用偏屯、電容式角 位移傳感器，采集電極差分輸出，提高旋轉(zhuǎn)角度的敏感能力。3、本發(fā)明采用電感式旋變器的 解調(diào)忍片，互換性更好，便于推廣和互換。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發(fā)明的原理示意圖；
[0033] 圖2是本發(fā)明的敏感結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明的定子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖4是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖5是本發(fā)明解調(diào)電路的等效電路示意圖；
[0037] 圖6是本發(fā)明的敏感結(jié)構(gòu)俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖7是本發(fā)明的理論SIN信號(hào)輸出波形和簡化輸出波形示意圖；
[0039] 圖8是本發(fā)明的理論COS信號(hào)輸出波形和簡化輸出波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0041] 如圖1~圖4所示，本發(fā)明提供一種偏屯、電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)，其包括解調(diào)電 路1和敏感結(jié)構(gòu)2,解調(diào)電路1產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)作用于敏感結(jié)構(gòu)2,由敏感結(jié)構(gòu)2將電容變化 信息返回至解調(diào)電路1進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)角信息。敏感結(jié)構(gòu)2包括定子3和轉(zhuǎn)子4,定子3和轉(zhuǎn)子4同 軸平行設(shè)置，在定子3表面設(shè)置有保護(hù)電極5、激勵(lì)電極6和采集電極;在定子3表面最內(nèi)側(cè)和 最外側(cè)均設(shè)置有圓環(huán)狀的保護(hù)電極5,用于消除平板電容的邊緣效應(yīng)，緊鄰內(nèi)環(huán)保護(hù)電極5 的外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的激勵(lì)電極6,激勵(lì)電極6的外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的采集電極。轉(zhuǎn)子4包括 保護(hù)電極5、禪合電極7和偏屯、敏感電極8;在轉(zhuǎn)子4表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)也均設(shè)置有圓環(huán)狀 的保護(hù)電極5,緊鄰內(nèi)環(huán)保護(hù)電極5外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的禪合電極7,禪合電極7外側(cè)設(shè)置有 圓環(huán)狀的偏屯、敏感電極8,禪合電極7和偏屯、敏感電極8部分相連。采集電極和偏屯、敏感電極 8呈正對設(shè)置，組成測量電容，用于將轉(zhuǎn)角信息轉(zhuǎn)換為電容變化。
[0042] 上述實(shí)施例中，定子3表面設(shè)置有8個(gè)內(nèi)外均勻分布的扇形采集電極，4個(gè)扇形采集 電極形成一個(gè)圓環(huán)，共構(gòu)成兩個(gè)圓環(huán)。按直角坐標(biāo)系分為四個(gè)扇形象限區(qū)，第一扇形象限外 環(huán)設(shè)置為第一采集電極9，內(nèi)環(huán)設(shè)置為第二采集電極10;第二扇形象限外環(huán)設(shè)置為第屯采集 電極11，內(nèi)環(huán)設(shè)置為第八采集電極12;第=扇形象限外環(huán)設(shè)置為第=采集電極13,內(nèi)環(huán)設(shè)置 為第四采集電極14;第四扇形象限外環(huán)設(shè)置為第五采集電極15,內(nèi)環(huán)設(shè)置為第六采集電極 16。第一采集電極9與第四采集電極14連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏感電極8組成第一電 容Cl;第二采集電極10與第=采集電極13連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏感電極8組成第二 電容C2;第五采集電極15與第八采集電極12連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏感電極8組成第 =電容C3;第六采集電極16與第屯采集電極11連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏感電極8組成 第四電容C4。
[0043] 上述各實(shí)施例中，激勵(lì)電極6與禪合電極7呈正對設(shè)置，組成禪合電容Co。禪合電容 Co的有效正對面積不隨轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變，禪合電容Co的電壓相位與激勵(lì)信號(hào)的相位相 同。
[0044] 上述各實(shí)施例中，定子3和轉(zhuǎn)子4均采用印制電路板，定子3采用四層板，其中第一 層為敏感結(jié)構(gòu)層，第二層為地，第=層為連線，第四層為元件。轉(zhuǎn)子4采用兩層板，第一層為 敏感結(jié)構(gòu)層，第二層為地，能夠減少其他極板和走線之間的禪合。
[0045] 上述各實(shí)施例中，如圖1、圖5所示，解調(diào)電路I包括旋變解調(diào)忍片17、差分放大模塊 18、低通濾波器19、激勵(lì)驅(qū)動(dòng)模塊20、C-V轉(zhuǎn)換模塊21、同相放大模塊22、反相放大模塊23和 系統(tǒng)誤差校正模塊24。旋變解調(diào)忍片17產(chǎn)生兩組正弦激勵(lì)信號(hào)均經(jīng)差分放大模塊18進(jìn)行放 大后，由低通濾波器19濾除低頻信號(hào)，然后通過激勵(lì)驅(qū)動(dòng)模塊20作用于定子3的激勵(lì)電極6。 轉(zhuǎn)子4在主軸25的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角發(fā)生改變，使得偏屯、敏感電極8和采集電極正對面積發(fā) 生改變，將轉(zhuǎn)角變化轉(zhuǎn)化為電容的變化，進(jìn)而獲得4路電量變化信號(hào)，4路電量變化信號(hào)分別 通過C-V轉(zhuǎn)換模塊21轉(zhuǎn)換為4路電壓信號(hào)，4路電壓信號(hào)均經(jīng)差分放大模塊18放大后，其中兩 路電壓信號(hào)進(jìn)行同相放大模塊22放大，另外兩路電壓信號(hào)進(jìn)行反相放大模塊23放大，最后 均通過低通濾波器19濾除低通信號(hào)后，傳輸至旋變解調(diào)忍片17,旋變解調(diào)忍片17將信號(hào)傳 輸至系統(tǒng)誤差校正模塊24進(jìn)行誤差校正，然后再傳輸至旋變解調(diào)忍片17,得到轉(zhuǎn)角信息。
[0046] 上述各實(shí)施例中，如圖6所示，偏屯、敏感電極8圓環(huán)的內(nèi)半徑為n，外半徑為K，并且 T3 = (ri+r2)今2。偏屯、敏感電極8的圓屯、與轉(zhuǎn)子4圓屯、的距離為d，轉(zhuǎn)子4和定子3的內(nèi)半徑均 為r4,轉(zhuǎn)子4和定子3的外半徑均為rs，并且r日=(r4+r6)-2。為了保證在旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子4的 偏屯、敏感電極8始終包含且正對于定子3的采集電極，要求r3 = rs。偏屯、敏感電極8圓環(huán)的內(nèi) 半徑Ri =化ICOS(目）；偏屯、敏感電極8圓環(huán)的外半徑R2 =化2COS(目）；定子3的采集電極內(nèi)環(huán)和 外環(huán)的分隔圓半徑Rst = 2;t日COS(目）。
[0047] 基于上述裝置，本發(fā)明還提供一種偏屯、電容式角位移傳感器的使用方法，其具體 步驟如下：
[0048] 1)設(shè)置一解調(diào)電路和敏感結(jié)構(gòu)，解調(diào)電路產(chǎn)生兩組正弦激勵(lì)信號(hào)作用于敏感結(jié) 構(gòu)，轉(zhuǎn)子在主軸的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng);第一采集電極與第四采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、 敏感電極組成第一電容Cl;第二采集電極與第=采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏 感電極組成第二電容C2;第五采集電極與第八采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏感 電極組成第=電容C3;第六采集電極與第屯采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏屯、敏感電 極組成第四電容C4;
[0049] 2)第一電容Cl隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：
[(K)加 ]
(1)
[0051]其中，A表示測量電容正對面積的常值分量，B表示振幅，0表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，Xi (白）遠(yuǎn)小于Bsin(目），忽略Xi(白）；
[0化2] 笛由怒。隨掉子掉動(dòng)的有謝而巧九，
[0化3;
[0054] 其中，X2(目）遠(yuǎn)小于Bsin(目），忽略枯（白）；
[0055]第=電容C3隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為： (2)
[0化6] (3)
[0057] 其中，X3(目)遠(yuǎn)小于Bcos(目），忽略X3(白）；
[005引第四由容C4隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面巧為：
[0化9;
(4)
[0060] 其中，X4(目)遠(yuǎn)小于Bcos(目），忽略X4(白）；[0061] 3)第一電容Cl獲得的電量為：
[0062] 巧）
[0063]
[0064] (6)
[00 化]
[0066] 巧')：
[0067]
[006引 （8)
[0069] 4)C-V轉(zhuǎn)換模塊將四個(gè)電容上的電荷信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出：
[0070] Ui = Usin(wt)*(A+Bsin(目））(9)
[0071] U2 = Usin(wt)*(A-Bsin(目））(10)
[0072] U3 = Usin(wt)*(A+Bcos(目））(11)
[0073] U4=Usin(wt)*(A-Bcos(目））(12)
[0074] 5)將獲得的四路電壓信號(hào)輸入差分放大模塊，可獲得兩路類似于電感變壓器的正 交旋變信號(hào)：
[00"75] Usin=A*d*Rc*sin(目）sin(wt) =Usin(Wt)Sin(目）(13)
[0076] Uc〇s=A*d*Rc*cos(目）sin(wt) =Usin(Wt)COS(目）（14)
[0077] 6)信號(hào)Usin和Ueos均通過反相放大模塊分別得到信號(hào)U-sin、U-ws;將信號(hào)Usin和Ucos均 通過同相放大模塊；
[007引 U-Sin=-Usin(Wt)Sin(目）(15)
[0079] U-COS = -Usin(Wt)COS(目）(16)
[0080] 7)將恥。、扣。3、心1。、1]-。。3均傳輸至低通濾波器，濾除低頻信號(hào)后，傳輸至旋變解調(diào) 忍片；
[0081] 8)旋變解調(diào)忍片SIN引腳接收Usin的信號(hào)；畝V引腳接收U-Sin的信號(hào)；CO巧I腳接收 Ucos的信號(hào);巧友引腳接收U-COS的信號(hào)。
[0082] 9)對四組信號(hào)均進(jìn)行系統(tǒng)誤差校正，得到精確的轉(zhuǎn)角信息。
[0083] 上述實(shí)施例中，旋變解調(diào)忍片輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位移動(dòng)必須在：（N*180°- 44° )-(N*180°+44° KN為整數(shù))范圍內(nèi)，旋變解調(diào)忍片輸入差分峰值信號(hào)范圍為:最小值為 2.3￥，典型值為3.15￥，最大值為4.0￥。
[0084] 本發(fā)明在使用時(shí)，如圖7、圖8所示，虛線表示理想的旋變器處理的信號(hào)，實(shí)線表示 的是本發(fā)明獲得的實(shí)際信號(hào)，為獲得高精度的轉(zhuǎn)角信息，在解調(diào)完成后，需要對忽略的小分 量進(jìn)行系統(tǒng)誤差校正。
[0085] 上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設(shè)置位置及形狀都是可W 有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等 同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于:它包括解調(diào)電路和敏感結(jié)構(gòu)，所述 解調(diào)電路產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)作用于所述敏感結(jié)構(gòu)，由所述敏感結(jié)構(gòu)將電容變化信息返回至 所述解調(diào)電路進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)角信息;所述敏感結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子和所述轉(zhuǎn)子同 軸平行設(shè)置，在所述定子表面設(shè)置有保護(hù)電極、激勵(lì)電極和采集電極;在所述定子表面最內(nèi) 側(cè)和最外側(cè)均設(shè)置有圓環(huán)狀的所述保護(hù)電極，緊鄰內(nèi)環(huán)所述保護(hù)電極的外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀 的所述激勵(lì)電極，所述激勵(lì)電極的外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的所述采集電極;所述轉(zhuǎn)子包括保護(hù) 電極、耦合電極和偏心敏感電極，在所述轉(zhuǎn)子表面最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)也均設(shè)置有圓環(huán)狀的所 述保護(hù)電極，緊鄰內(nèi)環(huán)所述保護(hù)電極外側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的所述耦合電極，所述耦合電極外 側(cè)設(shè)置有圓環(huán)狀的所述偏心敏感電極，所述耦合電極和所述偏心敏感電極部分相連;所述 采集電極和所述偏心敏感電極呈正對設(shè)置，組成測量電容。2. 如權(quán)利要求1所述的一種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述定子表面 設(shè)置有8個(gè)內(nèi)外均勻分布的扇形采集電極，4個(gè)扇形采集電極形成一個(gè)圓環(huán)，共構(gòu)成兩個(gè)圓 環(huán);按直角坐標(biāo)系分為四個(gè)扇形象限區(qū)，第一扇形象限外環(huán)設(shè)置為第一采集電極，內(nèi)環(huán)設(shè)置 為第二采集電極;第二扇形象限外環(huán)設(shè)置為第七采集電極，內(nèi)環(huán)設(shè)置為第八采集電極;第三 扇形象限外環(huán)設(shè)置為第三采集電極，內(nèi)環(huán)設(shè)置為第四采集電極;第四扇形象限外環(huán)設(shè)置為 第五采集電極，內(nèi)環(huán)設(shè)置為第六采集電極。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一 采集電極與所述第四采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與所述偏心敏感電極組成第一電容； 所述第二采集電極與所述第三采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與所述偏心敏感電極組成第 二電容;所述第五采集電極與所述第八采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與所述偏心敏感電 極組成第三電容;所述第六采集電極與所述第七采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與所述偏 心敏感電極組成第四電容。4. 如權(quán)利要求1所述的一種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述激勵(lì)電極 與所述耦合電極呈正對設(shè)置，組成耦合電容。5. 如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述 定子和所述轉(zhuǎn)子均采用印制電路板，所述定子采用四層板，其中第一層為敏感結(jié)構(gòu)層，第二 層為地，第三層為連線，第四層為元件;所述轉(zhuǎn)子采用兩層板，第一層為敏感結(jié)構(gòu)層，第二層 為地。6. 如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述 解調(diào)電路包括旋變解調(diào)芯片、差分放大模塊、低通濾波器、激勵(lì)驅(qū)動(dòng)模塊、C-V轉(zhuǎn)換模塊、同 相放大模塊、反相放大模塊和系統(tǒng)誤差校正模塊;所述旋變解調(diào)芯片產(chǎn)生兩組正弦激勵(lì)信 號(hào)均經(jīng)所述差分放大模塊進(jìn)行放大后，由所述低通濾波器濾除低頻信號(hào)，然后通過所述激 勵(lì)驅(qū)動(dòng)模塊作用于所述定子的所述激勵(lì)電極;所述轉(zhuǎn)子在主軸的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，使得所述偏 心敏感電極和所述采集電極正對面積發(fā)生改變，進(jìn)而獲得4路電量變化信號(hào)，4路電量變化 信號(hào)分別通過所述C-V轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為4路電壓信號(hào)，4路電壓信號(hào)均經(jīng)所述差分放大模塊 放大后，其中兩路電壓信號(hào)進(jìn)行所述同相放大模塊放大，另外兩路電壓信號(hào)進(jìn)行所述反相 放大模塊放大，最后均通過所述低通濾波器濾除低通信號(hào)后，傳輸至所述旋變解調(diào)芯片，所 述旋變解調(diào)芯片將信號(hào)傳輸至所述系統(tǒng)誤差校正模塊進(jìn)行誤差校正，然后再傳輸至所述旋 變解調(diào)芯片。7.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述 偏心敏感電極圓環(huán)的內(nèi)半徑為ri，外半徑為?，并且r3= (ri+r2) +2;所述偏心敏感電極的圓 心與所述轉(zhuǎn)子圓心的距離為d，所述轉(zhuǎn)子和所述定子的內(nèi)半徑均為r4,所述轉(zhuǎn)子和所述定子 的外半徑均為Γ6,并且Γ5= 0-4+Γ6) + 2，Γ3 = Γ5。 8 .如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種偏心電容式角位移傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述 偏心敏感電極圓環(huán)的內(nèi)半徑為Ri = 2ricos(0);所述偏心敏感電極8圓環(huán)的外半徑為R2 = 2r2C〇s(0);所述采集電極的內(nèi)環(huán)和外環(huán)的分割圓的半徑為RST = 2r5C〇s(0)。9.如權(quán)利要求1所述的一種偏心電容式角位移傳感器的使用方法，其特征在于:它的具 體步驟如下： 1) 設(shè)置一解調(diào)電路和敏感結(jié)構(gòu)，解調(diào)電路產(chǎn)生兩組正弦激勵(lì)信號(hào)作用于敏感結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn) 子在主軸的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，第一采集電極與第四采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏心敏感 電極組成第一電容;第二采集電極與第三采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏心敏感電極 組成第二電容;第五采集電極與第八采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏心敏感電極組成 第三電容;第六采集電極與第七采集電極連接構(gòu)成一個(gè)電極，并與偏心敏感電極組成第四 電容； 2) 第一電容隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：其中，A表示測量電容正對面積的常值分量，B表示振幅，Θ表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，心(0)遠(yuǎn) 小于 Bsin(0)，忽略 ΧΚΘ); 第二電容隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：^ -：π!Α^θλ-π ^ 其中，Χ2(θ)遠(yuǎn)小于Bsin(0)，忽略χ2(θ); 第三電容隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：其中，Χ3(θ)遠(yuǎn)小于Bcos(0)，忽略Χ3(θ); 第四電容隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的有效面積為：其中，Χ4(θ)遠(yuǎn)小于Bcos(0)，忽略Χ4(θ); 3) 第一電容獲得的電量為：第二電容獲得電量為：第三電容獲得電量為：第四電容獲得電量為：4. C-V轉(zhuǎn)換模塊將四個(gè)電容上的電荷信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出： Ui = Usin(wt)*(A+Bsin(9))， U2 = Usin(wt)*(A_Bsin(9))， U3 = Usin(wt)*(A+Bcos(9))， U4 = Usin(wt)*(A-Bcos(9))； 5) 將獲得的四路電壓信號(hào)輸入差分放大模塊，可獲得兩路類似于電感變壓器的正交旋 變信號(hào)： Usin=A*d*Rc*sin(9)sin(wt) =Usin(wt)sin(9)， Ucos=A*d*Rc*cos(9)sin(wt) =Usin(wt)cos(9); 6) 信號(hào)1^和1]_均通過反相放大模塊分別得到信號(hào)1]-^、1]-_;將信號(hào)1^和1]_均通過 同相放大模塊； U-sin = -Usin(wt)sin(9), U-c〇s = -Usin(wt)cos(9)； 7) 將1^"、1]。。3、1]-&、1]-。。3均傳輸至低通濾波器，濾除低頻信號(hào)后，傳輸至旋變解調(diào)芯片； 8) 旋變解調(diào)芯片SIN引腳接收Usin的信號(hào)，而7引腳接收U-Sin的信號(hào)，COS引腳接收1]_的 信號(hào)，_引腳接收1]-。。 8的信號(hào)； 9) 對四組信號(hào)均進(jìn)行誤差校正，得到精確的轉(zhuǎn)角信息。
【文檔編號(hào)】G01B7/30GK105953721SQ201610339806
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】張嶸, 周斌, 侯波, 宋明亮, 林志輝
【申請人】清華大學(xué)