專利名稱：角度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用來對物體的傾斜角度進行檢測的電子傳感技術——角度傳感器。
現有技術的角度傳感器共同特點是使用三電極和在電極檢測量程內的封閉于一個腔體內的能在重力場吸引下發生位移的物理材料，通過檢測該三電極構成的兩個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達到測量此物理材料的位置的目的。
現有的加速度傳感器共同構造特點是使用封閉于一個腔體內的能沿腔體并在三電極之間自由移動的物理材料，當腔體在外力的作用下發生位移時，腔體內的物理材料根據慣性原理保持原位而向受力的反方向作相對于腔體的運動。通過檢測該三電極構成的兩個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出此物理材料的相對位移而換算出腔體的加速度。此外，物理材料并非完全無摩擦地在腔體內自由位移，一方面該物理材料與腔體有一定的摩擦，另一方面腔體內還灌有某種彈性材料以提供機械復位和測量的目的。
這種方法的共同缺陷有三方面1)檢測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就會淹沒在噪聲信號之中。反之，只有足夠大的腔體才能保證足夠的檢測分辨率和檢測量程。此外測量量程還局限于腔體內的物理材料的質量和填充的彈性材料的物理屬性(如彈性系數)。
本發明的目的是要開發一種體積小、傳感靈敏度，測量精度和分辨率高、使用軟設置方法就可以改變精度和量程的新型角度傳感器技術。
本發明提出的技術方案是這樣實現的一種角度傳感器，由封閉于一個腔體內的能在重力場吸引下發生位移的物理材料及用來構成電容或電阻的電極，與電極相連的檢測電路構成，腔體(1)為直管型，在直管型腔體上(1)繞有線圈(2)，腔體內的物理材料是可以在此腔體內沿腔體軸向自由靈活移動的鐵磁材料(4)，在腔體中點沿軸向安裝有三個電極，構成了兩個電容傳感器(3)，檢測電路是這樣構成的，由包含兩個電容傳感器(3)在內的四個電容組成了一電容橋電路(6)，電容橋電路(6)上接有一高頻激勵信號源(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)、模數轉換器(9)的輸入端，電流放大器(8)的輸出端連接到了線圈(2)上，檢測電路與線圈(2)構成了一有源閉合回路。電流放大器(8)是一增益可調電流放大器，在該電流放大器的控制端輸入有一可以通過角度傳感器的應用系統的接口電路獲得的用來改變電流放大器增益的信號。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)無法發生機械震動而位于線圈腔體(1，2)以及兩個傳感電容(3)的中點、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(10)，此輸出信號(10)再經過一個數模轉換器(9)轉變成數字信號(11)輸出，對此輸出信號(10、11)的處理可以在與傳感器相連接的應用系統中以軟件或硬件方式進行，若將輸出信號(10，11)的直流成分對時間作一次微分，可以得出角速度；將輸出信號的直流成分對時間作兩次微分，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。
實際使用時，當腔體(1)與地面水平時，鐵磁材料(4)處于這兩個電容傳感器(3)的中點，這兩個電容傳感器(3)的容量保持平衡，電容橋(6)-差分電壓(7)-增益可調電流放大器(8)輸出直流成分為零的高頻交流電流。當腔體(1)沿軸向發生傾斜時，腔體中的鐵磁材料(4)在地球引力場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動下，線圈(2)產生的磁場將此鐵磁材料(4)朝這兩個電容傳感器(3)中點方向推，直到該閉合電路恢復到一個新的平衡點。
通過改變增益可調電流放大器(8)的增益，可實現角度傳感器測量精度和測量量程的設置。設置信號(12)可以為數字信號也可以是模擬信號，取決于實際使用的增益可調電流放大器(8)的控制接口的具體要求。設置信號(12)可以通過該傳感器的應用系統的接口電路獲得，也可以用跨線設置的方法來實現。
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，只取決于對其輸出信號的處理方法。對此輸出信號的處理可以在此傳感器自身以外的應用環境中的數字處理器中進行，比如接口電路中的微處理器或應用系統的主控計算機等；既可以由硬件功能塊，也可以運行于主控計算機中的軟件來實現。若將輸出信號(10，11)的直流成分對時間作一次微分，可以得出角速度；將輸出信號的直流成分對時間作兩次微分，可以得出加速度。
由于鐵磁材料(4)是在一個高頻交流電流和磁場的控制下，該鐵磁材料(4)與腔體(1)的摩擦非常小，因此傳感的靈敏度，測量精度和分辨率可以遠遠高于現有的各種傳感器。
從上面的敘述我們可以看出用本發明實現的新型角度傳感器技術確實可以做到體積小、傳感靈敏度，測量精度和分辨率高、使用軟設置方法就可以改變其精度和量程。
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的說明

圖1本發明的電路原理圖。
圖2腔體構造圖。
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電極構成的兩個電容傳感器、4-鐵磁材料、5-高頻激勵信號源、6-電容橋、7-差分電壓放大器、8-增益可調電流放大器、9-數模轉換器、10-角度傳感器的輸出信號、11-數模轉換器輸出的數字信號、12-由應用系統向增益可調電流放大器控制端口提供的設置信號。
作為本發明的一個具體實施例，由于鐵磁材料是在一個有源閉合回路的控制下，所需的位移空間遠遠小于現有的各種傳感器就可以達到同樣的測量精度和測量量程，因此我們使用目前已很成熟的厚膜或半導體制造工藝來制做極微型的固體器件，從而實現本發明提出的新型角度傳感器技術。
權利要求
1.一種角度傳感器，由封閉于一個腔體內的能在重力場吸引下發生位移的物理材料及用來構成電容或電阻的電極，與電極相連的檢測電路構成，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)，腔體內的物理材料是可以在此腔體內沿腔體軸向自由靈活移動的鐵磁材料(4)，在腔體中點沿軸向安裝有三個電極，構成了兩個電容傳感器(3)，檢測電路是這樣構成的，由包含兩個電容傳感器(3)在內的四個電容組成了一電容橋電路(6)，電容橋電路(6)上接有一高頻激勵信號源(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)、模數轉換器(9)的輸入端，電流放大器(8)的輸出端連接到了線圈(2)上，檢測電路與線圈(2)構成了一有源閉合回路。
2.根據權利要求1所述的角度傳感器，其特征在于電流放大器(8)是一增益可調電流放大器，在該電流放大器的控制端輸入有一可以通過角度傳感器的應用系統的接口電路獲得的用來改變電流放大器增益的信號。
3.根據權利要求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.根據權利要求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)無法發生機械震動而位于線圈腔體(1，2)以及兩個傳感電容(3)的中點、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.根據權利要求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(10)，此輸出信號(10)再經過一個數模轉換器(9)轉變成數字信號(11)輸出，對此輸出信號(10、11)的處理可以在與傳感器相連接的應用系統中以軟件或硬件方式進行，若將輸出信號(10，11)的直流成分對時間作一次微分，可以得出角速度；將輸出信號的直流成分對時間作兩次微分，可以得出加速度。
6.根據權利要求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，由一個空心的封閉直管型腔體(1)，繞于該腔體上的線圈(2)，一個可以在此腔體內沿腔體軸向自由靈活移動的鐵磁材料(4)，安裝于該腔體中點的沿軸向排列的三個電極構成的兩個電容傳感器(3)，一個電容橋電路(6)，差分電壓放大器(7)，電流放大器(8)和信號輸出(10)組成，構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(10)，改變有源閉合回路的控制增益，無需對傳感器的物理幾何尺寸作改變，可改變該角度傳感器精度和量程，用本發明原理可以制造出體積極其精小的固體傳感器。
文檔編號G01C9/04GK1467481SQ0213347
公開日2004年1月14日 申請日期2002年7月11日 優先權日2002年7月11日
發明者肖南, 肖 南 申請人:肖南, 肖 南