專利名稱：電容式定向傾斜檢測角位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測傾斜角度或垂直度的角位移傳感器，但不僅限于此。
在公開號為CN1037584A(
公開日89年11月29日)。名稱為“定向傾斜檢測角位移傳感器”的中國專利說明書中，公開了一種“固態(tài)動極板式電容型定向傾斜檢測角位移傳感”、用于檢測傾斜角度或垂直度的角位移傳感器，其不足之處在于在制作高精度、高分辨率的檢測儀時，體積較大，不便制作為小型攜帶式儀器，另外，它還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高等缺陷。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種在檢測精度、分辨率較高的情況下，體積較小，結(jié)構(gòu)較簡單，制造較容易，成本較低的電容式定向傾斜檢測角位移傳感器。
本發(fā)明的目的通過下述途徑達(dá)到第一，采用變面積電容式角位移傳感器作為定向傾斜檢測角位移傳感器;其中，使電容的一個極板(以下簡稱定極板)相對于另一個極板(以下簡稱動極板)和水線可作旋轉(zhuǎn)運動，動極板相對于水平線不可作旋轉(zhuǎn)運動。在檢測傾斜角度或垂直度時，定極板相對于動極板作旋轉(zhuǎn)運動，定極板與動極板間電容量的變化值，表示檢測出的傾斜角度或垂直度。B-B軸向剖視圖;
圖8是圖6所示傳感器反映彈簧電極、基座、軸承等裝配關(guān)系的E-E軸向剖視圖;
圖9是圖6所示傳感器的兩組差動電容等效示意圖;


圖10是本發(fā)明的一個扇形極板差動電容式定角傾斜檢測角位移傳感器的軸向投影示意圖;
圖11是圖1至圖11所示傳感器將反映檢測角度電容轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦柕臏y量電路原理圖。
本發(fā)明以下將結(jié)合附圖中實施例進(jìn)行詳述圖1至圖5是關(guān)于本發(fā)明的變面積電容式定向傾斜檢測角位移傳感器，特別是一個半園極板變面積電容式定向傾斜檢測角位移傳感器。它用不導(dǎo)電、具有一定強(qiáng)度的塑料，如ABS塑料與玻璃珠混合制成(以下簡稱為塑料)柱狀園筒1、園環(huán)形端面2、3、園環(huán)形隔板4同軸于軸線00’地粘接或超聲波焊接起來構(gòu)成支架。在端面2、3上固定裝有同軸于00’軸線的滾動軸承5、6。轉(zhuǎn)動軸由用黃銅制成外徑相同的園棒7、8用不導(dǎo)電塑料(如ABS塑料)9同軸聯(lián)接起來構(gòu)成，此時，7與8不導(dǎo)電。在7、8上分別裝有用導(dǎo)電材料，如黃銅制成、厚度相等、外徑相等、內(nèi)徑相等的半園環(huán)動極板10、11、12、13，它們在轉(zhuǎn)動軸上開槽后鑲?cè)耄僭诓劭谔庡冨a而成，且它們同軸于轉(zhuǎn)動軸。動極板10與11，12與13表面間距相等，轉(zhuǎn)動軸7、8兩端裝入滾動軸承5、6內(nèi)，并固定;此時，動極板10、11、12、13在軸向視圖上完全重合。用導(dǎo)電材料，如黃銅制成、厚度相等、外徑相等、內(nèi)徑相等的半園環(huán)定極板16、17、18和19、20、21分別用厚度相等、外徑相等、內(nèi)徑相等、黃銅制成的半園環(huán)連接隔片22、23和24、25同軸連接，為了保證16、17、18、22、23及19、20、21、24、25分別在電性上有可靠連接，最好先打磨定極板和連接隔片側(cè)面，并在側(cè)面涂上導(dǎo)電膏，然后打出相應(yīng)的孔，用螺桿(黃銅制成)26、27、28及29、30、31串入，然后分別用銅螺母32、33等并緊實現(xiàn)。定極板16、17、18和19、20、21等分別通過在園環(huán)端面2、3上打出相應(yīng)孔，使螺桿27、30串入后，用螺母34、35及36、37夾緊固定在2、3上;此時，定極板16、17、18在軸向(A-A)視圖上完全重合，19、20、21在軸向視圖上也完全重合，并且，16、17、18和19、20、21重合部分剛好相接為一園環(huán)。半園環(huán)連接片22、23在軸向視圖上完全重合，24、25在軸向視圖上也完全重合，并且、22、23和24、25重合部份也剛好相接為一園環(huán)。上述部件構(gòu)成時，應(yīng)保證動極板10、11表面距定極板16、17、18表面間距與動極板12、13表面距定極板19、20、21表面間距相等或成對，對應(yīng)相等的關(guān)系，定極板與動極板不得接觸。在7、8表面上分別有用為使動極板相對于水平線不可作旋轉(zhuǎn)運動，定極板相對于動極板和水平線可作旋轉(zhuǎn)運動，要選擇定極板固定在被測物上，或與被測物接觸的基座上，安裝動極板轉(zhuǎn)動軸的軸承基座，裝在被測物體上，或與被測物體接觸的基座上，并且，使動極板、動極板轉(zhuǎn)動軸等與轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接部件構(gòu)成轉(zhuǎn)動體的重心不在轉(zhuǎn)動軸軸心線上，以及轉(zhuǎn)動體重心點的重力矩始終大于定極板、動極板連接電極等繞轉(zhuǎn)動軸軸心線作相對旋轉(zhuǎn)運動時，在軸承、動極板連接電極上產(chǎn)生的摩擦力矩或轉(zhuǎn)動力矩，使動極板相對于水平線不可作旋轉(zhuǎn)運動，定極板可相對于動極板和水平線作旋轉(zhuǎn)運動。
第二，為了保證電容式定向傾斜檢測角位移傳感器的檢測精度高和線性度優(yōu)良，本發(fā)明還提供了一種變面積差動電容式角位移傳感器。它至少有兩個表面形狀相同、尺寸相等，面積相等，表面形狀為扇形或截面為扇形的孤形極板，兩個表面形狀、形狀尺寸相等，面積相等的半園或半園環(huán)或半園筒形極板;它們分別組成兩組同軸，表面間距相等不變的差動電容C1和C2。C1和C2中的一個極板分別能以同方向，相等角位移地繞軸線相對于另一個極板作旋轉(zhuǎn)運動，C1和C2的電容量變化值的矢量差值，表示兩組極板相對作旋轉(zhuǎn)運動的角位移。
一個變面積差動電容式角位移傳感器可由多個最大電容量相同的差動電容C1和C2在電極或電性上并接構(gòu)成。
本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點本發(fā)明與CN1037584A相比，如兩者具有相同檢測精度、分辨率〔如0.05P電容表示一(角)秒〕、線性度時，采用相同厚度，相同表面積、形狀的定極板和動極板，則本發(fā)明所制得的傳感器體積較小;如采用平板狀極板時，兩者的最大電容量相等，本發(fā)明的軸向長度減小一半以上，并且，減少1/3數(shù)量的(定)極板，因而結(jié)構(gòu)較為簡單，成本較低，制造較為容易。
圖面說明圖1是本發(fā)明的一個半園極板變面積差動電容式定向傾斜檢測角位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是圖1所示傳感器反映動極板、定極板及裝配關(guān)系的A-A軸向剖視圖;
圖3是圖1所示傳感器的一組小可變電容并聯(lián)等效電容示意圖;
圖4是圖1所示傳感器的兩組差動電容等效示意圖;
圖5是圖1所示傳感器檢測傾斜角度θ的原理示意圖;
圖6是本發(fā)明的一個半園筒極板變面積差動電容式定向傾斜檢測角位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖7是圖6所示的傳感器反映動極板、定極板及裝配關(guān)系的導(dǎo)電材料，如未退火黃銅片制成、具有一定彈性的弓形彈片38、39壓緊接觸，接觸面最好涂以導(dǎo)電膏，38、39的另一端分別焊接或粘接在園筒1的兩端突出部份上。此時，應(yīng)注意使轉(zhuǎn)動軸7、8，動極板10、11、12、13，聯(lián)接件9，滾動軸承5、6內(nèi)圈等轉(zhuǎn)動體的重心不在軸心線00’上，并且，在轉(zhuǎn)動園筒1時(00’不垂直于水平線)，重點的重力矩始終大于園筒1帶動弓形彈片38、39，滾動軸承5、6外圈等繞00’作旋轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的摩擦力矩或轉(zhuǎn)動力矩，動極板等轉(zhuǎn)動體相對于水平線不可作旋轉(zhuǎn)運動;為保證實現(xiàn)，可在7、8兩端粘接用不導(dǎo)電塑料制成的偏心重塊14、15。如在園筒1上粘接一基座40，則基座40或園筒1置于被測傾斜物上時，垂直于00’的方向是檢測傾斜或垂直角位移的方向。
從上可知、彈片38與螺桿30兩端構(gòu)成可變電容，用C01表示，彈片39與螺桿27兩端構(gòu)成另一可變電容，用C02表示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)園筒1時，C01與C02的容量呈線性差動關(guān)系變化，且C01與C02電容量變化值的矢量差值與園筒1的旋轉(zhuǎn)角位移或傾斜角或垂直度呈線性關(guān)系變化。如圖5所示，41、42為定極板、43為動極板、44為基座，初始時定極板弦長線為aa’，此時C01、(43與41間的容量)與C02(43與41間的容量)相等，當(dāng)基座44從OF點下降為OF’或角度θ時，C01增加容量C02θ，C02減少容量-C02θ，則C01與C02變化值之差為C02θ-(-C02θ)＝C01θ+C02θ，然而，41與42形狀、形狀尺寸、面積相等，則反映角位移的電容量Cθ＝2C01θ或2C02θ，Cθ與θ呈線性關(guān)系變化。定極板16、17、18(或19、20、21)與動極板10、11(或12、13)相當(dāng)于四個小可變電容。C01或C02相當(dāng)于四個小可變電容并聯(lián)構(gòu)成，C01與C02分別只使用一個小可變電容也構(gòu)成本發(fā)明。定極板與動極板間電容量可根據(jù)平行平板電容量公式求得。
應(yīng)當(dāng)想到，園筒1固定在一支架上，轉(zhuǎn)動軸7或8與旋轉(zhuǎn)物體同軸聯(lián)時，可檢測旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)角位移或轉(zhuǎn)速。圖1所示傳感器可裝入一個密封空腔，在空腔內(nèi)可充入空氣或氮氣等情性氣體，或是真空。
圖6至圖9是本發(fā)明的變面積電容式定向傾斜檢測角位移傳感器，特別是一個半園筒極板或孤形極板差動電容式定向傾斜檢測角位移傳感器的示意圖。用導(dǎo)電材料，如黃銅制成厚度均勻相等，軸向長度相等、內(nèi)徑、外徑分別對應(yīng)相等(形狀、尺寸、表面積相等)的半園筒定極板45、46、47及48、49、50分別用厚度(徑向長度)相等，由黃銅制成的半園環(huán)51、52、53及54、55、56同軸地在一端用錫焊接成一體，在45及49上用黃銅或鋁熔化焊接有電極支承件57、58。57、58分別粘接于用不導(dǎo)電、具有一定強(qiáng)度的塑料基座59上，此時，定極板45、46、47與48、49、50在軸向視圖上應(yīng)剛好在同一直徑線上相接外3個內(nèi)外徑分別相等，徑向間距相等的園環(huán)(或6條園環(huán)形輪廓線)。轉(zhuǎn)動軸由外徑相等，用鑄銅制成的園棒60、61與具有一定強(qiáng)度，不導(dǎo)電的塑料62同軸粘接聯(lián)接構(gòu)成。60與61不導(dǎo)電。在轉(zhuǎn)動軸60、61上分別裝有用導(dǎo)電材料，如黃銅制成、厚度均勻相等，軸向長度相等的半園筒形動極板63、64及65、66，它們分別用厚度(徑向)相等的半園環(huán)67、68及69、70同軸地在外端用錫熔化焊接、并與轉(zhuǎn)動軸60、61焊接在一起，此時，動極板63與65及64與66在軸向視圖上分別重合、構(gòu)成二個半園環(huán)，且63與65及64與66的弦長線重合為一條，且孤線在弦長線同側(cè)。在基座59上粘接有不導(dǎo)電，具有一定強(qiáng)度的塑料軸承座71、72。71、72上固定裝有滾動軸承73、74。轉(zhuǎn)動軸60、61分別裝入73、74內(nèi)圈，并固定。
上述部件完成時63與47，66與48，64與46、45，65與49、50有徑向間距均相等的關(guān)系，并且全部動極板與定極板相對應(yīng)的軸向長度均相等。半園環(huán)連接片51、52、53與67、68的軸向間距和54、55、56與69、70的軸向間距相等。全部定極板、動極板、及半園環(huán)連接均同軸于軸心線00’。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動軸時，定極板及定極板連接半園環(huán)不可和其余定極板部份接觸。
在轉(zhuǎn)動軸60、61上分別有用導(dǎo)電材料，如未退火黃銅片制成，具有一定彈性的弓形彈片75、76壓緊接觸，接觸面最好涂以導(dǎo)電膏。75、76的另一端粘接在59上。此時，應(yīng)注意使轉(zhuǎn)動軸60、61，動極板63、64、65、66，聯(lián)接件62，動極板連接半園環(huán)67、68、69、70，滾動軸承73、74內(nèi)圈等轉(zhuǎn)動體的重心不在軸心線00’上，并且，在轉(zhuǎn)動基座59、定極板等時(00’不垂直于水平線)，重心點的重力矩始終大于基座59帶動弓形彈片75、76，滾動軸承73、74外圈等繞00’作旋轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的摩擦力矩或轉(zhuǎn)動力矩，實現(xiàn)動極板等轉(zhuǎn)動體相對于水平線不可作旋轉(zhuǎn)運動;為保證實現(xiàn)，可在60、61兩端粘接用不導(dǎo)塑料制成的偏心重塊77、78。如基座59置于或固定于被測物體上時，垂直于00’的方向是檢測傾斜或垂直角位移的方向。
從上可知，彈片75與導(dǎo)電支承57兩端構(gòu)成可變電容C01’，彈片76與導(dǎo)電支承58兩端構(gòu)成可變電容C02’，當(dāng)旋轉(zhuǎn)59繞00’作旋轉(zhuǎn)運動時，C01’與C02’的容量呈線性差動關(guān)系變化，且C01’與C02’電容量變化值的矢量差值與59的旋轉(zhuǎn)角位移或傾斜角或垂直度呈線性關(guān)系變化。定極板45、46、47(或48、49、50)與動極板63、64(或65、66)相當(dāng)于四個小可變電容。C01’或C02’相當(dāng)于四個小可變電容并聯(lián)構(gòu)成，C01’與C02’分別只使用一個小可變電容也構(gòu)成本發(fā)明。定極板與動極板間電容可根據(jù)園筒形電容量公式求得。
應(yīng)當(dāng)想到，基座59固定在一支架上，轉(zhuǎn)動軸60或61與旋轉(zhuǎn)物體同軸聯(lián)接時，可檢測旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)角位移或轉(zhuǎn)速。圖6所示的轉(zhuǎn)感器可裝入一個密封空腔，在空腔內(nèi)可充入空氣或氮氣等情性氣體，或是真空。動極板63、64、65、66的表面可噴涂一層厚度均勻相等的有機(jī)薄膜介質(zhì)，如聚碳酸脂等。
圖11是本發(fā)明的一個扇形極板變面積差動電容式定向傾斜角位移傳感器的軸向投影示意圖。特別是用于解釋為了使定極板與動極板間電容量呈線性關(guān)系變化選擇兩組差動電容的定極板，動極板及其相互位置關(guān)系的解釋示意圖，是圖1至圖10的進(jìn)一步延伸。
79、80為兩個形狀、尺寸、面積完全相同的扇形定極板，它們分別固定在支架85上。81、82分別為兩個完全相同的半園環(huán)動極板，它們分別同軸地裝于轉(zhuǎn)動軸83、84上。轉(zhuǎn)動軸兩端裝有滾動軸承及軸承支座(圖中省略了)。安裝時，注意使79、81同軸于軸心線00’，80、82同軸于軸心線00”，并且79與81間距等于80與82間距。86、87分別是裝在動極板81、82上的偏心重塊。如79、80孤所對的園心角為60°，則當(dāng)85底面水平時，通過選擇偏心重塊86、87裝于81、82孤線上的位置，使81、82的弦長線在定極板79、80孤所對的園心角的中間°，即30°處，也構(gòu)成本發(fā)明;同時，00’與00”的水平方向的夾角小于180°時，也構(gòu)成本發(fā)明;00’或00”與水平面間的夾角小于90°時，也構(gòu)成本發(fā)明。同時，應(yīng)當(dāng)想到79、80與81、82安裝位置可以同時調(diào)換或只調(diào)換79與81的位置，也構(gòu)成本發(fā)明。
上述定極板與動極板間相對位置關(guān)系可以引用到本發(fā)明的孤形極板變面積電容式(定向傾斜)角位移傳感器。
由此，可以清楚地知道或想到(1)、本發(fā)明所稱的扇形極板，包括扇形、半園形、半園環(huán)形極板，孤形極板包括截面形狀為扇形的孤形極板、半園筒形極板。(2)、動極板與定極板可以調(diào)換安裝位置，如定極板為半園環(huán)形，動極板為扇形。(3)、一組可變電容(如C01)中必須有一個極板為半園形或半園環(huán)形或半園筒形，另一個極板為扇形或孤形。
本發(fā)明(定向傾斜檢測)角位移傳感器，表示角位移θ電容容量值是通過電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電訊號的，圖11示出了一種用差動電橋連接C01(或C01’)、C02(或C02’)將表示檢測角位移θ變化為電訊號Vθ的差動電橋檢測電路原理圖。88為頻率穩(wěn)定的正弦波恒幅(恒電流和恒電壓)高頻電訊號產(chǎn)生電路，89為升壓變壓器，90為初級繞組分別相同的升壓變壓器，90為高頻電訊號接收放大器，91為整流電路。則C01與C02的容量呈差動關(guān)系變化時，90的輸出直流電訊號V0將隨之相應(yīng)變化，此變化值與檢測角位移呈線性關(guān)系變化。
本發(fā)明與CN1037584A還有相同的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.電容式定向傾斜檢測角位移傳感器，由用于檢測旋轉(zhuǎn)角位移的電容式角位移傳感器構(gòu)成，其特征在于電容式角位移傳感器是極板變面積電容式角位移傳感器，極板變面積電容式角位移傳感器的動極板相對于水平線不可作旋轉(zhuǎn)運動，定極板相對于水平線和動極板可作旋轉(zhuǎn)運動，定極板與動極板間電容量變化值是檢測出的定向傾斜角位移或垂直度。
2.如權(quán)利要求1所述的極板變面積電容式角位移傳感器的動極板相對于水平線不可作旋轉(zhuǎn)運動，定極板相對于水平線和動極板可作旋轉(zhuǎn)運動，其特征在于定極板固定在被測物體上或與被測物體接觸的基座上，安裝動極板轉(zhuǎn)動軸的軸承基座裝在被測物體上或與被測物體接觸的基座上，并且，使動極板、動極板轉(zhuǎn)動軸等與轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接部件構(gòu)成轉(zhuǎn)動體的重心不在轉(zhuǎn)動軸軸心線上，以及轉(zhuǎn)動體重心點的重力矩始終大于定極板、動極板連接電極等繞軸心線作相對運動時，在軸承、動極板連接電極上產(chǎn)生的摩擦力矩或轉(zhuǎn)動力矩，使動極板相對于水平線不可作旋轉(zhuǎn)運動，定極板可相對于水平線和動極板作旋轉(zhuǎn)運動。
3.一種如權(quán)利要求1所述的極板變面積電容式角位移傳感器，其特征在于至少有兩個表面形狀尺寸相等、面積相等，表面形狀為扇形或截面為扇形的孤形極板，兩個表面形狀相同，形狀尺寸相等，面積相等的半園或半園環(huán)或半園筒形極板，它們分別組成兩組同軸的表面距相等不變的差動電容C1和C2，C1和C2中的一個極板分別能以同方向、相等角位移地繞軸線相對于另一個極板作旋轉(zhuǎn)運動，C1和C2的電容量變化值的矢量差值，表示兩組極板相對作旋轉(zhuǎn)運動的角位移。
全文摘要
本發(fā)明是檢測定向傾斜度或垂直度的角位移傳感器。主要由變面積式角位移傳感器組成。使動極板相對于水平線不可作旋轉(zhuǎn)運動，定極板可相對于水平線和動極板作旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)。本發(fā)明同時具有高精度、高線性度及不受檢測方向以外傾斜因素影響的優(yōu)點，還可作旋轉(zhuǎn)角位移傳感器。
文檔編號G01B7/30GK1044853SQ9010090
公開日1990年8月22日 申請日期1990年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月19日
發(fā)明者許建平 申請人:許建平