[发明专利]电容式扭矩传感器

说明书

本发明涉及一种扭矩测量技术，尤指一种电容式扭矩传感器。

在现代科学技术中，测量扭矩的方法很多，常用的有电阻应变式、电磁式、光电式等。《非电量电测工程手册》∥徐国富等∥机械工业出版社-P867上公开了一种电容式扭矩传感器，它是利用扭矩改变电容极板之间间隙或有效面积，引起电容量变化来测量扭矩大小的。结构原理如图1、图1A、图1B所示。

传感器由弹性轴1，套管2，电容器极板3、4组成。极板3、4形状完全相同，其上开8个扇形孔，每个扇形孔的夹角为22.5°。极板4固定在轴1的X端，极板3固定在套管2靠近X的一端，与极板4同轴且相对平行，中间保持间隙构成一个可变电容器。套管2的另一端固定在轴1的Y端。极板3、4各引出一条导线接电容电桥6。

当轴1不承受扭矩（无负载）时，两极板上的扇形孔相互错开11.25°，此时电桥平衡。当对轴1施加扭矩M时，两极板相对转动一个角度，孔对孔的重叠面积改变，使两极板之间的电容量改变，电桥失去平衡，输出信号u经放大、变换、数据处理，最后以数字形式显示出扭矩M的大小。

由于这种传感器是利用电容的绝对变化量来测量扭矩，引线电容、边缘效应以及其他杂散电容对测量精度影响很大。

本发明的目的是提供一种新型电容扭矩传感器，利用电容量的相对变化测量扭矩，提高测量精度。

本发明的目的是这样实现的，弹性轴上连接有容栅式位移传感器，容栅式位移传感器是指一种栅形电容器式位移传感器，它的发送电极（供电电极）由多个金属箔制成的极片按节距排列而成（每个节距至少有3片），一个节距内的每个极片上馈接幅度、频率相同而相位各异的电信号;接收电极也由若干金属箔片排列而成，两电极组成栅形电容器，其中，一个极板与弹性轴的一端刚性连接，另一极板通过套管或其它过渡件与弹性轴另一端刚性连接，由两极板感受弹性轴的扭转变化和弯曲变化，从而达到测量扭矩的目的。

由于本发明，用容栅位移测量技术代替直接测量电容量的绝对大小，即利用电容量的相对变化和节距的累加测量扭矩，消除了杂散电容等的影响，提高了分辨率和测量精度。

下面对照附图进一步说明本发明

图1为现有技术原理示意图

图1A为图1发送电极结构示意图

图1B为图1接收电极结构示意图

图2为由角位移传感器构成的扭矩传感器原理示意图

图2A为图2发送电极结构示意图

图2B为图2接收电极结构示意图

图3为由线位移传感器构成的扭矩传感器原理示意图

如图2、图2B、图2A所示，接收电极和发送电极由多个金属箔制成的极片按节距排列而成，接收电极3呈轮辐状，每一轮辐为半个接收节距，这里共5个节距。发送电极4有40个扇形极片，分成5组，每组8片构成一个节距，节距内各极片按顺序编号，然后将序号相同的极片（如1号极片）并联引出一条导线接驱动输出8的相应端（如1端）。

环状耦合电极5和发送电极4做在同一块电极板的同一平面上，它们之间由接地环隔开。

将接收电极板3和发送电极板4分别相对固定在套管2和弹性轴1的一端，中间间隔保持在0.15mm以内，传感器的工作是靠弹性轴的角变形和发送电极、接收电极、耦合电极之间形成的电容耦合传递信号来完成的。

来自振荡器6、相位变换器7和驱动输出8的幅度、频率相同而相位各差45°的8路信号送到发送电极4的8条引线上，通过电容耦合在接收电极3上形成一个合成信号。合成信号的相位与接收电极3和发送电极4之间的相对角位移成正比。当相对角位移再移过一个节距时，合成信号相位转360°，移多个节距，信号转多个360°，实现节距累加。当轴1上加扭矩M时，电极3和4相对转动一个角度，因而改变合成信号的相痊。经耦合电极5将信号送到电路9、10、11、12中测出合成信号相位的变化量，经运算处理由译码显示部分13给出扭矩M值来。

在这里，只要发送电极4的各极片之间与接收电极3的耦合强度是相等的;只要引线电容、边缘效应和其他杂散电容对发送电极4各极片与接收电极3之间的电容量影响是一致的，整个发送电极与接收电极之间的耦合强度变化和引线电容、边缘效应及其他杂散电容等对测量结果就不会有影响。所以这种利用发送电极各极片与接收电极之间电容量的相对变化测量扭矩，比直接测量电容量的绝对大小要好的多。由于采用多个（这里为5个）发送节距并联，使发送电极各极片与接收电极间耦合强度的相对不平衡得到补偿，可使测量精度进一步提高。

本发明所涉及的扭矩传感器，既可使用容栅式角位移传感器，也可使用容栅式线位移传感器，结构原理如图3所示。容栅式线位移传感器的发送电极片4和接收电极3都是矩形，并且排成一条直线。此扭矩传感器主要由弹性弯曲轴1、刚性支撑板2、发送电极片4、接收电极片3和耦合电极5组成。其测量原理如前所述。