專利名稱：角度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來(lái)對(duì)物體的傾斜角度進(jìn)行檢測(cè)的電子傳感技術(shù)——角度傳感器。
現(xiàn)有技術(shù)的角度傳感器共同特點(diǎn)是使用三電極和在電極檢測(cè)量程內(nèi)的封閉于一個(gè)腔體內(nèi)的能在重力場(chǎng)吸引下發(fā)生位移的物理材料，通過(guò)檢測(cè)該三電極構(gòu)成的兩個(gè)電容或電阻在此物理材料的位移影響下的電容值或電阻值之間的差值來(lái)達(dá)到測(cè)量此物理材料的位置的目的。
現(xiàn)有的加速度傳感器共同構(gòu)造特點(diǎn)是使用封閉于一個(gè)腔體內(nèi)的能沿腔體并在三電極之間自由移動(dòng)的物理材料，當(dāng)腔體在外力的作用下發(fā)生位移時(shí)，腔體內(nèi)的物理材料根據(jù)慣性原理保持原位而向受力的反方向作相對(duì)于腔體的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)檢測(cè)該三電極構(gòu)成的兩個(gè)電容或電阻在此物理材料的位移影響下的電容值或電阻值之間的差值測(cè)出此物理材料的相對(duì)位移而換算出腔體的加速度。此外，物理材料并非完全無(wú)摩擦地在腔體內(nèi)自由位移，一方面該物理材料與腔體有一定的摩擦，另一方面腔體內(nèi)還灌有某種彈性材料以提供機(jī)械復(fù)位和測(cè)量的目的。
這種方法的共同缺陷有三方面1)檢測(cè)精度和量程同腔體幾何尺寸之間的矛盾；2)體積大；3)不能更改。如果腔體幾何尺寸太小，微小的物理材料位移所造成的電容差或電阻差信號(hào)就會(huì)淹沒(méi)在噪聲信號(hào)之中。反之，只有足夠大的腔體才能保證足夠的檢測(cè)分辨率和檢測(cè)量程。此外測(cè)量量程還局限于腔體內(nèi)的物理材料的質(zhì)量和填充的彈性材料的物理屬性(如彈性系數(shù))。
本發(fā)明的目的是要開(kāi)發(fā)一種體積小、傳感靈敏度，測(cè)量精度和分辨率高、使用軟設(shè)置方法就可以改變精度和量程的新型角度傳感器技術(shù)。
本發(fā)明提出的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種角度傳感器，由封閉于一個(gè)腔體內(nèi)的能在重力場(chǎng)吸引下發(fā)生位移的物理材料及用來(lái)構(gòu)成電容或電阻的電極，與電極相連的檢測(cè)電路構(gòu)成，腔體(1)為直管型，在直管型腔體上(1)繞有線圈(2)，腔體內(nèi)的物理材料是可以在此腔體內(nèi)沿腔體軸向自由靈活移動(dòng)的鐵磁材料(4)，在腔體中點(diǎn)沿軸向安裝有三個(gè)電極，構(gòu)成了兩個(gè)電容傳感器(3)，檢測(cè)電路是這樣構(gòu)成的，由包含兩個(gè)電容傳感器(3)在內(nèi)的四個(gè)電容組成了一電容橋電路(6)，電容橋電路(6)上接有一高頻激勵(lì)信號(hào)源(5)，該電容橋的輸出端連接到差分電壓放大器(7)的輸入端，差分電壓放大器的輸出端連接到電流放大器(8)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)的輸入端，電流放大器(8)的輸出端連接到了線圈(2)上，檢測(cè)電路與線圈(2)構(gòu)成了一有源閉合回路。電流放大器(8)是一增益可調(diào)電流放大器，在該電流放大器的控制端輸入有一可以通過(guò)角度傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)的接口電路獲得的用來(lái)改變電流放大器增益的信號(hào)。差分電壓放大器(7)輸出的是一其直流成分幅度與腔體(1)偏斜角度成比例的高頻交流電壓。電流放大器(8)輸出的是一其頻率足夠高使得該鐵磁材料(4)無(wú)法發(fā)生機(jī)械震動(dòng)而位于線圈腔體(1，2)以及兩個(gè)傳感電容(3)的中點(diǎn)、幅度足夠大，在線圈腔體(1，2)最大傾斜角度的情況下該鐵磁材料(4)不會(huì)偏出線圈腔體(1，2)和傳感電容(3)物理范圍的高頻交流電流。差分電壓放大器(7)輸出的高頻交流電壓的直流成分幅度作為角度傳感器的輸出信號(hào)(10)，此輸出信號(hào)(10)再經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(9)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)(11)輸出，對(duì)此輸出信號(hào)(10、11)的處理可以在與傳感器相連接的應(yīng)用系統(tǒng)中以軟件或硬件方式進(jìn)行，若將輸出信號(hào)(10，11)的直流成分對(duì)時(shí)間作一次微分，可以得出角速度；將輸出信號(hào)的直流成分對(duì)時(shí)間作兩次微分，可以得出加速度。繞在直管型腔體(1)上的線圈(2)帶中心抽頭并抽頭接地。
實(shí)際使用時(shí)，當(dāng)腔體(1)與地面水平時(shí)，鐵磁材料(4)處于這兩個(gè)電容傳感器(3)的中點(diǎn)，這兩個(gè)電容傳感器(3)的容量保持平衡，電容橋(6)-差分電壓(7)-增益可調(diào)電流放大器(8)輸出直流成分為零的高頻交流電流。當(dāng)腔體(1)沿軸向發(fā)生傾斜時(shí)，腔體中的鐵磁材料(4)在地球引力場(chǎng)的作用下朝較低端的方向偏移。電容橋(6)-差分電壓(7)-增益可調(diào)電流放大器(8)則輸出直流成分非零的高頻交流電流，在此直流成分非零電流的驅(qū)動(dòng)下，線圈(2)產(chǎn)生的磁場(chǎng)將此鐵磁材料(4)朝這兩個(gè)電容傳感器(3)中點(diǎn)方向推，直到該閉合電路恢復(fù)到一個(gè)新的平衡點(diǎn)。
通過(guò)改變?cè)鲆婵烧{(diào)電流放大器(8)的增益，可實(shí)現(xiàn)角度傳感器測(cè)量精度和測(cè)量量程的設(shè)置。設(shè)置信號(hào)(12)可以為數(shù)字信號(hào)也可以是模擬信號(hào)，取決于實(shí)際使用的增益可調(diào)電流放大器(8)的控制接口的具體要求。設(shè)置信號(hào)(12)可以通過(guò)該傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)的接口電路獲得，也可以用跨線設(shè)置的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
用這種傳感器既可以用作角度傳感器也可以用作加速度傳感器，只取決于對(duì)其輸出信號(hào)的處理方法。對(duì)此輸出信號(hào)的處理可以在此傳感器自身以外的應(yīng)用環(huán)境中的數(shù)字處理器中進(jìn)行，比如接口電路中的微處理器或應(yīng)用系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)等；既可以由硬件功能塊，也可以運(yùn)行于主控計(jì)算機(jī)中的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。若將輸出信號(hào)(10，11)的直流成分對(duì)時(shí)間作一次微分，可以得出角速度；將輸出信號(hào)的直流成分對(duì)時(shí)間作兩次微分，可以得出加速度。
由于鐵磁材料(4)是在一個(gè)高頻交流電流和磁場(chǎng)的控制下，該鐵磁材料(4)與腔體(1)的摩擦非常小，因此傳感的靈敏度，測(cè)量精度和分辨率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的各種傳感器。
從上面的敘述我們可以看出用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的新型角度傳感器技術(shù)確實(shí)可以做到體積小、傳感靈敏度，測(cè)量精度和分辨率高、使用軟設(shè)置方法就可以改變其精度和量程。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明

圖1本發(fā)明的電路原理圖。
圖2腔體構(gòu)造圖。
圖中1-直管型腔體、2-繞在直管型腔體上的線圈、3-沿直管型腔體軸向排列的三個(gè)電極構(gòu)成的兩個(gè)電容傳感器、4-鐵磁材料、5-高頻激勵(lì)信號(hào)源、6-電容橋、7-差分電壓放大器、8-增益可調(diào)電流放大器、9-數(shù)模轉(zhuǎn)換器、10-角度傳感器的輸出信號(hào)、11-數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)、12-由應(yīng)用系統(tǒng)向增益可調(diào)電流放大器控制端口提供的設(shè)置信號(hào)。
作為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，由于鐵磁材料是在一個(gè)有源閉合回路的控制下，所需的位移空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的各種傳感器就可以達(dá)到同樣的測(cè)量精度和測(cè)量量程，因此我們使用目前已很成熟的厚膜或半導(dǎo)體制造工藝來(lái)制做極微型的固體器件，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提出的新型角度傳感器技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種角度傳感器，由封閉于一個(gè)腔體內(nèi)的能在重力場(chǎng)吸引下發(fā)生位移的物理材料及用來(lái)構(gòu)成電容或電阻的電極，與電極相連的檢測(cè)電路構(gòu)成，其特征在于腔體(1)為直管型，在直管型腔體(1)上繞有線圈(2)，腔體內(nèi)的物理材料是可以在此腔體內(nèi)沿腔體軸向自由靈活移動(dòng)的鐵磁材料(4)，在腔體中點(diǎn)沿軸向安裝有三個(gè)電極，構(gòu)成了兩個(gè)電容傳感器(3)，檢測(cè)電路是這樣構(gòu)成的，由包含兩個(gè)電容傳感器(3)在內(nèi)的四個(gè)電容組成了一電容橋電路(6)，電容橋電路(6)上接有一高頻激勵(lì)信號(hào)源(5)，該電容橋的輸出端連接到差分電壓放大器(7)的輸入端，差分電壓放大器的輸出端連接到電流放大器(8)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)的輸入端，電流放大器(8)的輸出端連接到了線圈(2)上，檢測(cè)電路與線圈(2)構(gòu)成了一有源閉合回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度傳感器，其特征在于電流放大器(8)是一增益可調(diào)電流放大器，在該電流放大器的控制端輸入有一可以通過(guò)角度傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)的接口電路獲得的用來(lái)改變電流放大器增益的信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度傳感器，其特征在于差分電壓放大器(7)輸出的是一其直流成分幅度與腔體(1)偏斜角度成比例的高頻交流電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度傳感器，其特征在于電流放大器(8)輸出的是一其頻率足夠高使得該鐵磁材料(4)無(wú)法發(fā)生機(jī)械震動(dòng)而位于線圈腔體(1，2)以及兩個(gè)傳感電容(3)的中點(diǎn)、幅度足夠大，在線圈腔體(1，2)最大傾斜角度的情況下該鐵磁材料(4)不會(huì)偏出線圈腔體(1，2)和傳感電容(3)物理范圍的高頻交流電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度傳感器，其特征在于差分電壓放大器(7)輸出的高頻交流電壓的直流成分幅度作為角度傳感器的輸出信號(hào)(10)，此輸出信號(hào)(10)再經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(9)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)(11)輸出，對(duì)此輸出信號(hào)(10、11)的處理可以在與傳感器相連接的應(yīng)用系統(tǒng)中以軟件或硬件方式進(jìn)行，若將輸出信號(hào)(10，11)的直流成分對(duì)時(shí)間作一次微分，可以得出角速度；將輸出信號(hào)的直流成分對(duì)時(shí)間作兩次微分，可以得出加速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度傳感器，其特征在于繞在直管型腔體(1)上的線圈(2)帶中心抽頭并抽頭接地。
全文摘要
一種角度傳感器，由一個(gè)空心的封閉直管型腔體(1)，繞于該腔體上的線圈(2)，一個(gè)可以在此腔體內(nèi)沿腔體軸向自由靈活移動(dòng)的鐵磁材料(4)，安裝于該腔體中點(diǎn)的沿軸向排列的三個(gè)電極構(gòu)成的兩個(gè)電容傳感器(3)，一個(gè)電容橋電路(6)，差分電壓放大器(7)，電流放大器(8)和信號(hào)輸出(10)組成，構(gòu)成了一有源閉合回路，差分電壓放大器的輸出電壓幅度與偏斜角度成比例，為此角度傳感器的輸出信號(hào)(10)，改變有源閉合回路的控制增益，無(wú)需對(duì)傳感器的物理幾何尺寸作改變，可改變?cè)摻嵌葌鞲衅骶群土砍?，用本發(fā)明原理可以制造出體積極其精小的固體傳感器。
文檔編號(hào)G01C9/04GK1467481SQ0213347
公開(kāi)日2004年1月14日 申請(qǐng)日期2002年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月11日
發(fā)明者肖南, 肖 南 申請(qǐng)人:肖南, 肖 南