一種差分電容角位移傳感器的製作方法
2023-12-10 13:13:34
本實用新型屬於一種能將角度位移以差分電容的形式轉化為電壓的傳感器，尤其涉及一種差分電容角位移傳感器。
背景技術：
目前普遍使用旋轉變壓器來實現角度位置測量的功能，但旋轉變壓器不僅使用成本高，在機械安裝和電氣連接上都有很高的要求，並且其本身的磁場比較弱，當外部有強磁場靠近時（例如在電動機中），會影響旋轉變壓器的磁場和其繞組端的磁狀態，進而產生誤差電勢。
技術實現要素：
本實用新型為了解決上述技術問題，提供了一種結構相對簡單、成本低且不受磁場影響的差分電容角位移傳感器，具有低成本、低功耗、高精度、抗機械衝擊和抗擾度，確保了在強磁場環境下傳感器可靠正常的工作。
本實用新型是通過以下技術方案來實現：
一種差分電容角位移傳感器，包括外殼、空氣差分可變電容和差動電容-電壓轉換電路；空氣差分可變電容和差動電容-電壓轉換電路封裝在外殼內並進行電氣連接，空氣差分可變電容包括動子、定子和軸；外殼中心軸處設有軸，定子相對固定在軸上，定子上下端均設置有相互配合來保證與軸和外殼的相對位置不變的限位器和軸承，軸上固定有動子，動子嵌於定子內腔，動子和定子通過各自的引出端與差動電容-電壓轉換電路進行電氣連接，差動電容-電壓轉換電路的外引腿由外殼底部引出。
所述的動子嵌於定子內腔，通過軸承和限位器配合，與定子腔壁保持0.375mm間距並可通過軸的轉動進行旋轉。
所述的動子和定子分別通過各自的動子引出端和定子引出端與差動電容-電壓轉換電路進行電氣連接。
所述的外殼為金屬外殼。
所述的差動電容-電壓轉換電路包括三角波發生器、電容檢測電路、兩個運算放大器和比較器；所述的比較器的輸入端正極與三角波發生器連接後，一同接入恆流源，比較器的輸入端負極與輸出端連接後，一同與電容檢測電路相連，電容檢測電路與運算放大器相連，運算放大器與另一個運算放大器連接。
與現有技術相比，本實用新型具有以下有益的技術效果：
該傳感器以差動電容的旋轉反應為電壓的變化，經計算可得出角度的變化。該器件特點是：體積小、結構簡單，抗衝擊能強，可靠性高，壽命長，低耗電，工作溫度≥200℃。在使用中，只需提供±15V電源即可工作。可替代旋轉變壓器測角用。
該傳感器可實現±15V供電，能將360°最小細分到0.1°，以電壓的形式從-15V到+15V線性輸出。具有低成本、低功耗、高精度、抗機械衝擊和抗擾度，確保在強磁場環境下傳感器可靠正常的工作，且最高工作溫度≥200℃。同時，差分電容角位移傳感器，結構相對簡單，在降低使用成本的同時也降低了對機械安裝和電氣連接的要求，也不受磁場的影響。
附圖說明
圖1為本實用新型提供的差分電容角位移傳感器結構剖面示意圖；
圖2為本實用新型提供的差動電容-電壓轉換電路功能圖；
圖3為本實用新型提供的差分電容角位移傳感器封裝圖一；
圖4為本實用新型提供的差分電容角位移傳感器封裝圖二；
圖5為本實用新型提供的差分電容角位移傳感器應用結構示意圖。
其中，1為軸；2為軸承；3為限位器；4為動子；5為定子；6為動子引出端；7為差動電容-電壓轉換電路；8為外引退；9為定子引出端；10為外殼。
具體實施方式
下面結合具體的實施例對本實用新型做進一步的詳細說明，所述是對本實用新型的解釋而不是限定。
參見圖1至圖5，一種差分電容角位移傳感器，包括外殼10、空氣差分可變電容和差動電容-電壓轉換電路7；空氣差分可變電容和差動電容-電壓轉換電路7封裝在外殼10內並進行電氣連接，空氣差分可變電容包括動子4、定子5和軸1；外殼10中心軸處設有軸1，定子5相對固定在軸1上，定子5上下端均設置有相互配合來保證與軸和外殼的相對位置不變的限位器3和軸承2，軸1上固定有動子4，動子4嵌於定子內腔，動子4和定子5通過各自的引出端與差動電容-電壓轉換電路進行電氣連接，差動電容-電壓轉換電路的外引腿8由外殼底部引出。
所述的動子4嵌於定子內腔，通過軸承和限位器配合，與定子腔壁保持0.375mm間距並可通過軸的轉動進行旋轉。
所述的動子4和定子5分別通過各自的動子引出端6和定子引出端9與差動電容-電壓轉換電路進行電氣連接。
所述的外殼10為金屬外殼。
圖2中，IO為恆流源，C為三角波發生器，A3為比較器，IC為電容檢測電路，A1、A2為運算放大器。
其中，所述的差動電容-電壓轉換電路7包括三角波發生器C、電容檢測電路IC、兩個運算放大器A1、A2和比較器A3；所述的比較器A3的輸入端正極與三角波發生器C連接後，一同接入恆流源IO，比較器A3的輸入端負極與輸出端連接後，一同與電容檢測電路IC相連，電容檢測電路IC與運算放大器A1相連，運算放大器A1與另一個運算放大器A2連接。
具體的，1，將空氣差分可變電容的容值變化轉化為角度的變化。
傳感器機械部分即空氣差分可變電容包括定子、動子、軸承、軸和限位器等，需要做到容值分配均勻性和一致性，並且耐高溫、耐衝擊、抗電磁幹擾等能力；電路結構需將微小電容變化轉成電壓變化，並實現單片集成化。
2，本實用新型提供的差分電容角位移傳感器，用集成裝配的方式，將空氣差分可變電容的機械部分精確設計和裝配，與差動電容-電壓轉換電路封裝在一個金屬外殼內並進行電氣連接，構成機械與電路一體化的差分電容角位移傳感器。差分電容角位移傳感器內包含空氣差分可變電容和差動電容-電壓轉換電路。
圖1為差分電容角位移傳感器結構剖面圖，圖2是差動電容-電壓轉換電路功能圖。其中定子與外殼固定，並配合軸承和限位器來保證與軸和外殼的相對位置不變；動子與軸固定，並嵌於定子內腔，通過軸承和限位器配合，與定子腔壁保持0.375mm間距；定子和動子通過各自的引出端與差動電容-電壓轉換電路進行電氣連接；差動電容-電壓轉換電路的外引腿由外殼底部引出。
圖4所示的典型應用中，給出的阻值、容值僅供參考，用戶可根據實際情況調整；R1設置第一級放大倍數，反相比例放大形式，內部集成輸入電阻2.5K左右，放大倍數R1/2.5k；R4和R3設置第二級放大器放大倍數，同相比例放大形式，放大倍數（1+R4/R3）；CT是頻率調整電容，通常不需要，引腳懸空。若需降低頻率或調節12和13腳的三角波斜率，可以對地外接幾十pF級的陶瓷電容。R5、R6是調零電阻，在12腳和13腳電容相同時，調節R6使得Vo=0V。電路11腳與gnd之間內置3個串聯二極體，外接R0電阻到Vcc可以測試溫度。依據pn結電壓隨溫度升高而降低的特性。由於是3個二極體串聯，常溫下電壓2V左右，溫度每升高1℃，電壓降低6mV左右。
本實用新型屬於一種能將角度位移以差分電容的形式轉化為電壓的傳感器，可單獨作為測角元件用，直接和角度信號變換單元連接，有角度變換單元輸出角度信號數據。具體是將一個精密空氣差分可變電容和差動電容-電壓轉換電路集成在一個金屬腔體內。
該傳感器以差動電容的旋轉反應為電壓的變化，經計算可得出角度的變化。該器件特點是：體積小、結構簡單，抗衝擊能強，可靠性高，壽命長，低耗電，工作溫度≥200℃。在使用中，只需提供±15V電源即可工作。可替代旋轉變壓器測角用。
該傳感器可實現±15V供電，能將360°最小細分到0.1°，以電壓的形式從-15V到+15V線性輸出。具有低成本、低功耗、高精度、抗機械衝擊和抗擾度，確保在強磁場環境下傳感器可靠正常的工作，且最高工作溫度≥200℃。同時，差分電容角位移傳感器，結構相對簡單，在降低使用成本的同時也降低了對機械安裝和電氣連接的要求，也不受磁場的影響。
以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特徵和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內。本實用新型要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。