一种多矢量变面积式电容角位移编码器及其测量方法技术

一种多矢量变面积式电容角位移编码器及其测量方法，属于位移测量技术领域，为了解决传统角位移传感器因其复杂结构和原理所导致的难以实现小型化的问题，该装置由信号发生单元、电容式角位移编码器敏感单元和信号处理单元组成；由信号发生单元产生四路相位差为π/2的正弦信号，四路信号为电容式角位移编码器敏感单元的输入信号；经过电容式角位移编码器敏感单元感知角度变化，将输入信号调制为包含角度信息的信号输出；输出信号经过信号处理单元的解调输出角度信息。相比于传统的角位移编码器，它成本低，更容易实现小型化，并且具有精度高、温度特性好、低功耗、响应速度快、抗干扰、抗冲击能力强等特点。冲击能力强等特点。冲击能力强等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种多矢量变面积式电容角位移编码器及其测量方法


[0001]本专利技术是一种多矢量变面积式电容角位移编码器及其测量方法，属于位移测量领域。

技术介绍

[0002]随着航空航天以及工业技术的发展，各种系统对传感器的要求也随之提高。
[0003]当今角位移测量领域，正朝着小型化、高精度、抗干扰、抗冲击等方向发展，例如火箭在发射过程中，其冲击加速度会达到300g，此时需要传感器具有良好的抗冲击特性；在某些狭小空间内进行精密的角位移测量时，则需要传感器拥有较小体积的同时仍具备较高的精度。
[0004]现在常用的角位移传感器的类型主要有：光栅式角位移传感器、感应同步器、磁栅式角位移传感器等。其中光栅角位移传感器在角位移测量中的应用非常广泛，占据市场的大部分份额。它主要利用光栅莫尔条纹现象实现对角度测量，由光敏元件、光栅副、光电信号处理系统等三大部分组成。在使用时由于编码限制，必须将光束集中在光栅上的特定位置点，因此对于机械装配和安装误差比较敏感。而在恶劣条件下，光栅码盘会因为机械冲击、振动或处于高温环境下等外部因素影响而受到破坏。同时，其精度和分辨力主要取决于光栅刻划的精密程度，这决定了高精度和高分辨力的光栅式角位移传感器体积会变得很大，难以在一些有限的空间中得到应用。
[0005]总之，传统的角位移传感器因其复杂的编码方式以及结构限制，难以实现小型化，同时受传感器材料影响，其抗振动冲击能力有限，且其性能容易受环境温度影响，难以适应恶劣的工作环境。亟需设计一种新型角位移传感器，使其在小型化方面得到改善，同时具有良好的鲁棒性、温度特性、以及抗冲击特性。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决传统角位移传感器因其复杂结构和原理所导致的难以实现小型化的问题，以及提高恶劣环境中角位移传感器的环境适应能力的问题，提出了一种多矢量变面积式电容角位移编码器及其测量方法。
[0007]本专利技术解决技术问题的技术方案是：
[0008]一种多矢量变面积式电容角位移编码器，其特征是，该装置由信号发生单元、电容式角位移编码器敏感单元和信号处理单元组成；由信号发生单元产生四路相位差为π/2的正弦信号，四路信号为电容式角位移编码器敏感单元的输入信号；经过电容式角位移编码器敏感单元感知角度变化，将输入信号调制为包含角度信息的信号输出；输出信号经过信号处理单元的解调输出角度信息。
[0009]所述的电容式角位移编码器敏感单元由发射极、调制转子以及接收极组成，发射极、调制转子、接收极三者平行依次同轴设置；发射极和接收极耦合形成多组、并联电容，起到信号的发送和接收作用；调制转子发射极和接收极形成的多组、并联耦合电容的介电介
质，调制转子连接于被测单元的轴上，随轴动，感知角度信息。
[0010]所述发射极由屏蔽极、粗码发射极和精码发射极组成，三者呈环状排列；粗码发射极于内圈，精码发射极位于外圈；屏蔽极分别位于粗码发射极的内圈和精码发射极圈的边缘；粗码发射极和精码发射极都由多个独立电极呈栅状排列组成，电极数量通常为4
×2n
‑2(n≥2)，粗码数量小于精码数量。
[0011]所述接收极由屏蔽极、粗码接收极和精码接收极成，三者呈环状排列，粗码接收极位于内圈，精码接收极位于外圈，两者位置及半径分别与粗码发射极和精码发射极平行对应；屏蔽极位于粗码接收极的内圈和精码接收极外圈的边缘，防止相邻电极间的耦合以及防止边缘效应；所述粗码接收极和精码接收极为完整的环状电极；接收发射极的发射信号，与发射极组成多组、并联耦合电容，输出被调制后的信号，输出信号为两路，分别为粗码输出信号和精码输出信号。
[0012]所述的调制转子为固定介电常数的材质，调制转子的数学模型为一圈正弦曲线，内圈模型极坐标方式为：
[0013]r1(θ)＝R1+A1sin(N
×
θ)
[0014]外圈模型极坐标方式为：
[0015]r2(θ)＝R2+A2sin(M
×
θ)
[0016]其中内圈模型R1为模型圆的半径，A1为正弦曲线的幅值，半径和幅值与发射极的精码发射极的尺寸相对应；外圈模型R2为模型圆的半径，A2为正弦曲线的幅值，与粗码发射极的尺寸相对应；M、N为周期数调制转子内外圈模型的一个周期分别对应粗码发射极和精码发射极的一组电极，调制转子的周期数为2
n
‑2(n≥2)；调制转子为接收极和发射极组成的多组、并联耦合电容的介电介质，连接在轴上感知角度信息，调制电容的变化，结合输入信号输出包含角位移信息的输出信号。
[0017]一种多矢量变面积式电容角位移编码器的角位移测量方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
[0018]步骤一：输入信号的接入，由发射极与接收极成多组、并联耦合电容，发射极入输入信号；发射极含粗码发射极和精码发射极两者均由多个电极呈环状排列组成，电极的数量通常为4
×2n
‑2(n≥2)，其中2
n
‑2为转子周期数，一组电极对应一个转子的周期，粗码发射极的数量小于精码发射极的数量，这些电极相邻的四个为一组，分别接入四路相位相差为π/2的正弦信号；接入的输入信号为：
[0019][0020]一组内相邻的四个电极为a、b、c、d，a电极接入输入信号U1，b电极接入输入信号U2，c 电极接入输入信号U3，d电极接入输入信号U4；每组内相同位置的电极接入相同相位的输入信号，相邻的一组内的四个电极a
’
、b
’
、c
’
、d
’
，a
’
电极接入输入信号U1，b
’
电极接入输入信号U2，c
’
电极接入输入信号U3，d
’
电极接入输入信号U4；
[0021]步骤二：轴带动调制转子动，感知角度变化；由发射极与接收机组成的多组、并联耦合电容在接入四路相位差相差π/2的输入信号后，每个耦合电容大小相等，根据叠加原理
其输出为零；调制转子为由发射极与接收极组成的多组、并联耦合电容的介电介质，调制转子型为一圈正弦曲线，加入调制转子耦合电容大小被调制，破环叠加的平衡输出调幅信号；
[0022]由发射极接收极组成的耦合电容中的每个耦合电容被调制转子进一步分开，每个耦合电容被分为两个部分：以调制转子作为介电介质的电容和以空气作为介电介质的电容；调制转子的一个周期对应发射极一组四个电极，也就是说调制转子的一个周期对应一组四个耦合电容，当轴带动调制转子动时，一组内的四个耦合电容正对调制转子的面积变化情况：
[0023][0024]B为一个电极正对转子面积最大值的1/2，Ω为转速有关的角频率；每个耦合电容正对调制转子的面积为正弦曲线，一组内的四个耦合电容正对调制转子的曲线相位相差π/2，与输入信号的形式对应；调制转子为固定介电常数的材质，每个耦合电容的总电容为调制转子作为介电介质的电容与剩下空气作为介质的电容的和；每个耦合电容的变化为：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多矢量变面积式电容角位移编码器，其特征是，该装置由信号发生单元、电容式角位移编码器敏感单元和信号处理单元组成；由信号发生单元产生四路相位差为π/2的正弦信号，四路信号为电容式角位移编码器敏感单元的输入信号；经过电容式角位移编码器敏感单元感知角度变化，将输入信号调制为包含角度信息的信号输出；输出信号经过信号处理单元的解调输出角度信息。2.根据权利要求1所述的一种多矢量变面积式电容角位移编码器，其特征在于，所述的电容式角位移编码器敏感单元由发射极(1)、调制转子(2)以及接收极(3)组成，发射极(1)、调制转子(2)、接收极(3)三者平行依次同轴设置；发射极(3)和接收极(1)耦合形成多组、并联电容，起到信号的发送和接收作用；调制转子(2)为发射极(1)和接收极(3)形成的多组、并联耦合电容的介电介质，调制转子(2)连接于被测单元的轴(4)上，随轴(4)转动，感知角度信息。3.根据权利要求2所述的一种多矢量变面积式电容角位移编码器，其特征在于，所述发射极(1)由屏蔽极(1
‑
1)、粗码发射极(1
‑
2)和精码发射极(1
‑
3)组成，三者呈环状排列；粗码发射极(1
‑
2)位于内圈，精码发射极(1
‑
3)位于外圈；屏蔽极(1
‑
1)分别位于粗码发射极(1
‑
2)的内圈和精码发射极(1
‑
3)外圈的边缘；粗码发射极(1
‑
2)和精码发射极(1
‑
3)都由多个独立电极呈栅状排列组成，电极数量通常为4
×2n
‑2(n≥2)，粗码数量小于精码数量。4.根据权利要求3所述的一种多矢量变面积式电容角位移编码器，其特征在于，所述接收极(3)由屏蔽极(3
‑
1)、粗码接收极(3
‑
2)和精码接收极(3
‑
3)组成，三者呈环状排列，粗码接收极(3
‑
2)位于内圈，精码接收极(3
‑
3)位于外圈，两者位置及半径分别与粗码发射极(1
‑
2)和精码发射极(1
‑
3)平行对应；屏蔽极(3
‑
1)位于粗码接收极(3
‑
2)的内圈和精码接收极(3
‑
3)外圈的边缘，防止相邻电极间的耦合以及防止边缘效应；所述粗码接收极(3
‑
2)和精码接收极(3
‑
3)为完整的环状电极；接收发射极(1)的发射信号，与发射极组成多组、并联耦合电容，输出被调制后的信号，输出信号为两路，分别为粗码输出信号和精码输出信号。5.根据权利要求3所述的一种多矢量变面积式电容角位移编码器，其特征在于，所述的调制转子(2)为固定介电常数的材质，调制转子(2)的数学模型为一圈正弦曲线，内圈模型极坐标方式为：r1(θ)＝R1+A1sin(N
×
θ)外圈模型极坐标方式为：r2(θ)＝R2+A2sin(M
×
θ)其中内圈模型R1为模型圆的半径，A1为正弦曲线的幅值，半径和幅值与发射极(1)的精码发射极(1
‑
3)的尺寸相对应；外圈模型R2为模型圆的半径，A2为正弦曲线的幅值，与粗码发射极(1
‑
2)的尺寸相对应；M、N为周期数调制转子(2)内外圈模型的一个周期分别对应粗码发射极(1
‑
2)和精码发射极(1
‑
3)的一组电极，调制转子(2)的周期数为2
n
‑2(n≥2)；调制转子(2)为接收极(3)和发射极(1)组成的多组、并联耦合电容的介电介质，连接在轴(4)上感知角度信息，调制电容的变化，结合输入信号输出包含...

【专利技术属性】
技术研发人员：高旭，张学彬，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：