[发明专利]一种双极板电容角位移传感器

说明书

本发明公开了一种双极板电容角位移传感器，由上极板和下极板组成，下极板中半径为r的圆周上等间距的排列设置有N个电极，单个电极对应角位移为α₂，相邻两电极之间的夹角为α₁＝2π/N，电极的径向长度为l₁，下极板上所有电极连接至第一电气端子G；上极板中半径为r的圆周上设置有第一电极、第二电极和第三电极，第一电极、第二电极和第三电极每个电极对应的角位移为α₂，第一电极与第二电极之间的夹角为α₃、第二电极与第三电极之间的夹角为α₄，α₃＝α₄＝3α₁/4，第一电极、第二电极和第三电极的径向长度为l₂，该传感器通过合理调整极板间距产生三路相位差固定且与角位移呈正弦关系的输出，并能够利用它们快速、准确地解算出角位移。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种双极板电容角位移传感器，用于对角位移进行精确测量。

背景技术

角位移和角速度测量在自动控制和工业生产中有着广泛的应用，因此高精度、高可靠、成本低廉、结构简单的角位移传感器需求十分迫切。目前常用的非接触角位移传感器为光电式角传感器和电磁式角传感器。借用细分技术，光电式可以达到几个角秒的分辨率，但它在恶劣环境例如机械振动、烟尘中使用受限，且价格昂贵；电磁式角传感器有较强的环境适应能力，但其分辨率十分有限。相较而言电容式角传感器兼顾了高精度和鲁棒性强的优点，并且大多结构简单、价格低廉。电容式角传感器是一种变面积型电容传感器，利用角度变化引起极板间重叠面积变化带来的电容量改变进行测量。然而，由于边缘效应的存在，电容量随角度变化通常是高度非线性的。为此，有人设计出了三极板电容传感器，对其中一块极板上电极进行分瓣，并对不同瓣电极按照一定时序施加驱动电压，从而得到了与角位移呈高度线性关系的电压输出。尽管这样的设计获得了非常高的精度，并且可以消除安装偏心以及倾斜对于测量结果的影响，但驱动电压的时序要求使得它的测量速度很低，不适合于动态测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种双极板电容角位移传感器，该传感器只需要两个极板，通过合理调整极板间距产生三路相位差固定且与角位移呈正弦关系的输出，并能够利用它们快速、准确地解算出角位移。根据三组相位差为90°的电容输出可实现角位移的精密测量，并且可以显著减小安装偏心、倾斜对测量结果的影响；该传感器结合相位解包裹技术可以实现任意范围的角位移测量，解除了传统方法测量上限的限制。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双极板电容角位移传感器，由上极板和下极板组成，下极板中半径为r的圆周上等间距的排列设置有N个电极，单个电极对应角位移为α₂，相邻两电极之间的夹角为α₁＝2π/N，电极的径向长度为l₁，下极板上所有电极连接至第一电气端子G；上极板中半径为r的圆周上设置有第一电极、第二电极和第三电极，第一电极、第二电极和第三电极每个电极对应的角位移为α₂，第一电极与第二电极之间的夹角为α₃、第二电极与第三电极之间的夹角为α₄，α₃＝α₄＝3α₁/4，第一电极、第二电极和第三电极的径向长度为l₂，第一电极连接至第二电气端子，第二电极连接至第三电气端子，第三电极连接至第四电气端子；第二电气端子和第一电气端子构成输出电容C_XG的输出端子，第三电气端子和第一电气端子构成输出电容C_YG的输出端子，第四电气端子和第一电气端子构成输出电容C_ZG的输出端子；N为大于1的正整数。为了减小安装偏心测量结果的影响，l₁长度不等于l₂。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：