技术领域
[0001] 本
发明是关于一种倾角传感器，特别是关于一种类
旋转变压器的倾角传感器。
背景技术
[0002] 倾角传感器是将相对于基准面的倾角或倾角变化转换为与之对应的电
信号输出，以求出对应倾角值。倾角传感器主要包括敏感结构、解调
电路和补偿
算法。现有倾角传感器敏感结构主要有固体摆锤式、液体摆式和气体摆式倾角传感器。现有三种倾角传感器都不同程度地存在一些问题，例如液体摆式倾角传感器的动态范围窄，动态响应
频率低，而固体摆锤式倾角传感器结构工艺复杂，并且抗强冲击和振动的能
力差。气体摆式倾角传感器的敏感
质量是气体，气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其
精度无法达到军用武器系统的要求。
[0003] 目前电容式倾角传感的敏感结构大都是通过在直径方向来细分
电极，通过检测电容实现对倾角的检测，这种方法原理简单，但是存在测量死区，无法实现0～360度的全量程测量。而且，现有传感器和方法在工程应用领域中有许多局限性，如对工厂环境的适应性，工频干扰的抑制等，为需要高速采集，计算周期长、功耗高等。
[0004] 随着精密制造技术的发展，己有的高精度倾角传感器不能满足准确度要求，研究分辨力更高的性能更好的智能高精度倾角传感器具有重要意义。
发明内容
[0005] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种全量程的类旋转变压器的倾角传感器。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种类旋转变压器的倾角传感器，包括敏感结构和壳体；所述敏感结构包括第一接受极板、发射极板和第二接受极板；所述第一接受极板、发射极板和第二接受极板顺序依次间隔堆叠形成类似三明治结构并放置于所述壳体内，所述第一接受极板、发射极板和第二接受极板大小相同且相邻两所述极板之间间距相同，所述第一接受极板、第二接受极板和壳体构成封闭圆柱空间；所述封闭圆柱空间内设置有
电介质液体，在任意角度下，所述电介质液体液面与三
块所述极板中心重合。
[0007] 所述的倾角传感器，优选地，所述发射极板采用双面圆环状结构，每一面所述圆环状结构均包括第一内外
保护电极，所述第一内外保护电极之间设置为发射电极。
[0008] 所述的倾角传感器，优选地，所述第一接受极板和第二接受极板均采用圆环状结构，所述第一接受极板顶部和第二接受极板底部均采用玻璃密封。
[0009] 所述的倾角传感器，优选地，所述第一接受极板包括第二内外保护电极，所述第二内外保护电极之间依次设置第一接受电极、第二接受电极和第三接受电极，所述第一接受电极和第三接受电极相互连接与所述发射极板构成平行极板电容C1，所述第二接受电极和发射极板构成平行极板电容C2；其中，三个所述接受电极分别被两个偏心圆沿着X轴方向分割形成，两个偏心圆分别为：
[0010]
[0011]
[0012] 式中，a表示两个偏心圆的偏心距，r1表示第一偏心圆的半径，r2表示第二偏心圆的半径，其中，X轴与待测量的倾角面平行，Y轴与待测量的倾角面垂直。
[0013] 所述的倾角传感器，优选地，所述第二接受极板采用圆环状结构，包括第三内外保护电极，所述第三内外保护电极之间依次设置第四接受电极，第五接受电极和第六接受电极，所述第四接受电极和第六接受电极相互连接与所述发射极板构成平行极板电容C3，所述第五接受电极和发射极板构成测量电容C4，其中，三个所述接受电极分别被第三偏心圆和第四偏心圆沿着Y轴方向分割形成，第三偏心圆和第四偏心圆为：
[0014]
[0015]
[0016] 式中，a表示两个偏心圆的偏心距，r1表示第三偏心圆的半径，r2表示第四偏心圆的半径。
[0017] 所述的倾角传感器，优选地，根据积分定理和等效电路图得到四路电容值大小为：
[0018]
[0019] 式中：ε表示电介质液体的
介电常数，S1、S2、S3、S4分别表示上述电容C1、C2、C3、C4的等效正对面积，θ表示所测倾角。
[0020] 所述的倾角传感器，优选地，该倾角传感器还包括解调电路，所述解调电路包括一个控
制模块、一个DDS载波生成模块、四个C-V转换和高通滤波模块、两个
开关解调模块、两个差分放大和低通滤波模块以及两个ADC量化模块；所述
控制模块控制所述DDS载波生成模块产生设定频率的载波信号，载波信号输出到所述发射电极和开关解调模块；四个所述C-V转换和高通滤波模块用于将四路受倾角信息调制的电容信号换为
电压信号，并将电压信号中的直流和低频信号去除；每一所述开关解调模块根据所述DDS载波生成模块的开关切换时序对两路电压信号进行减法和滤波处理，得到一路去除载波的电压差信号；每一所述差分放大和低通滤波模块用于将所述开关解调输出的电压差信号进行差分放大和低通滤波，得到相互
正交的模拟电压信号；每一所述ADC量化模块将两路正交的模拟电压信号转换为
数字信号；所述控制模块接收所述ADC量化模块的数字信号完成对正交信号的解算，得到的倾角信息。
[0021] 所述的倾角传感器，优选地，当所述壳体旋转时，所述封闭圆柱空间内的电介质液体液面在重力作用下保持稳定，电极之间的正对面积发生改变，输出的电容值C1、C2、C3、C4发生改变，经过所述C-V转换后输出四路电压值：
[0022]
[0023] 式中，U1、U2、U3、U4分别表示四路电容C-V变换后的电压值，Ac是C-V转换的放大倍数，Ue是载波信号的幅度值；
[0024] 所述的倾角传感器，优选地，四路电压信号经过开关解调和差分放大以去除载波信号，得到两路电压差信号：
[0025] Usin＝U1-U2＝U·cos(θ) (5)
[0026] Ucos＝U3-U4＝U·cos(θ) (6)
[0027] 式中，Usin、Ucos表示经过开关解调和差分放大以去除载波信号，U表示
输入信号的幅度，经过ADC
采样后输入控制模块解算为倾斜角度。
[0028] 所述的倾角传感器，优选地，由于倾角传感器存在直流误差，幅度误差，
相位误差，导致最后输入的信号由公式(5)和公式(6)变为：
[0029] Us＝U·(1+AS)·sin(θ+φ)+Δs (7)
[0030] Uc＝U·(1+AC)·cosθ+Δc (8)
[0031] 式中，US和UC表示有误差的实际信号输出，AS、AC分别表示幅度误差，Δs、Δc分别表示直流误差，φ表示相位误差。
[0032] 所述的倾角传感器，优选地，所述电介质液体的相对介电常数大于2.5，粘滞系数小于0.2kg/m。
[0033] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0034] 1、本发明将敏感结构的测量电容设计为圆周方向，可以非常有效的克服死区问题，实现全量程测量；将解调电路设计为开关解调+FPGA的工作模式，可以大幅度降低计算周期和功耗；
[0035] 2、本发明的全量程倾角传感器，包括敏感结构和解调电路，该传感器利用液态高纯净度电介质材料在重力作用下液面稳定，电极随壳体转动的特性实现对倾角的测量，测量中无可动机械运动部件、结构简单、可靠性高、通用性强；
[0036] 3、本发明采用液态高纯净度电介质材料作为运动电极，完成倾角变化时差动电容器参数变化的目的，无机械运动零部件，
稳定性、可靠性、环境适应性大大提高；
[0037] 4、本发明设置有开关解调完成对载波的消除，可以实现AD对可变电容的高速采集，能提高传感器的动态特性，也能通过平滑滤波实现高精度测量；
[0038] 综上，本发明提出变电极面积差动电容式倾角敏感器件结构，这种电容式倾斜角传感器具有结构简单可靠，灵敏度高，动态范围宽，频率响应特性好，成本低廉等特点，同时降低
温度对电容式传感器影响，减小安装误差，提高敏感结构的角度
感知能力，提高环境适应性，可为测试领域中的倾角传感和测试仪器提供适用于智能控制系统的实用技术，可以与电路一体化设计制作，达到微型化器件
水平。
附图说明
[0039] 图1是本发明的类旋转变压器的倾角传感器结构示意图；
[0040] 图2是本发明的类旋转变压器倾角传感器的三维剖面图；
[0041] 图3是本发明的类旋转变压器倾角传感器工作机理示意图；
[0042] 图4是本发明传感器第一接受极板示意图；
[0043] 图5是本发明传感器发射极板示意图；
[0044] 图6是本发明传感器第二接受极板示意图；
[0045] 图7是本发明传感器敏感结构解调电路原理示意图；
[0046] 图8是本发明倾角传感器
输出信号示意图；
[0047] 图9是本发明误差补偿流程示意图。
具体实施方式
[0048] 为使本发明
实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049] 如图1～3所示，本发明提供的类旋转变压器的倾角传感器，包括敏感结构1和壳体2。
[0050] 敏感结构1包括第一接受极板3、发射极板4和第二接受极板5，其中，第一接受极板3、发射极板4和第二接受极板5均可以采用圆环状结构。
[0051] 第一接受极板3、发射极板4和第二接受极板5顺序依次间隔堆叠形成类似三明治结构并放置于壳体2内，且第一接受电极1和第二接受电极5的内环均采用玻璃密封形成观察窗。第一接受极板3、第二接受极板4和壳体2三者构成一个封闭圆柱空间。封闭圆柱空间内密封设置有高介电常数、低
粘度系数(相对介电常数大于2.5，粘滞系数小于0.2kg/m.s)的电介质液体6(例如
硅油，松节油等)。优选地，电介质液体的体积为封闭圆柱空间的二分之一，在任意角度下，液体液面与上述三块圆环极板的中心重合，如图3所示。工作中，整个倾角传感器绕着垂直于纸面的轴(Z轴)旋转时，封闭圆柱空间的电介质液体6的液面始终和O点重合，即液体的液面与三块圆环状极板的中心重合。其中，第一接受极板3、发射极板4和第二接受极板5两两之间间距为d，三个极板大小相同，内径均为R1，外径均为R2。
[0052] 如图4所示，本实施例定义X轴与待测量的倾角面平行，Y轴与待测量的倾角面垂直，第一接受极板3包括内外保护电极31，内外保护电极41之间依次设置第一接受电极31、第二接受电极32和第三接受电极33，三个接受电极分别被两个偏心圆沿着X轴方向分割形成，两个偏心圆公式分别为：
[0053]
[0054]
[0055] 式中，a表示两个偏心圆的偏心距，r1表示偏心圆一的半径，r2表示偏心圆二的半径。
[0056] 其中，第一接受电极31和第三接受电极33相互连接(相互连接是指通过在PCB加工中的半层之间走线实现)与发射极板4构成常见的平行极板电容C1，第二接受电极32和发射极板4构成平行极板电容C2。
[0057] 如图5所示，发射极板4可以采用双面圆环状结构，每一面圆环状结构均包括内外保护电极41，内外保护电极41之间为发射电极42，即发射电极双面分布，正
反面相同
位置均为内外保护电极和发射电极。
[0058] 如图6所示，第二接受极板5包括内外保护电极51，内外保护电极51之间依次间隔设置第四接受电极52，第五接受电极53和第六接受电极54，三个接受电极分别被偏心圆一和偏心圆二沿着Y轴方向分割形成，偏心圆一和偏心圆二公式分别为：
[0059]
[0060]
[0061] 其中，第四接受电极52和第六接受电极54相互连接，与发射极板4构成常见的平行极板电容C3(同上)，第五接受电极53和发射极板4构成测量电容C4。
[0062] 根据积分定理和等效电路图可以得到四路电容值大小为：
[0063]
[0064] 式中：ε表示介电常数，S1、S2、S3、S4分别表示上述电容C1、C2、C3、C4的等效正对面积，θ表示所测倾角。
[0065] 下面详细说明本发明的类旋转变压器的倾角传感器工作原理。
[0066] 本发明由于设置有液态高纯净度电介质液体6，当倾角发生改变时，内部可变介质面积电容改变。产生正弦
激励信号作用于发射电极4，例如：产生一个50KHz的载波正弦信号，该信号作用于敏感结构的发射电极4，三块极板按三明治结构排列，接受电极按一定的图案分布，构成的封闭圆柱空间内液体的作用下，当倾角传感器所在的平面发生倾斜时，接受电极和发射电极之间的电容发生改变，在接受电极上获得4路受倾角信息调制的电容变化信号。本发明采用解调电路对4路受倾角信息调制的电容变化信号进行处理。
[0067] 如图7～8所示，解调电路7包括四个C-V转换模块、四个高通滤波模块、一个DDS载波生成模块、两个开关解调模块、两个差分放大模块、两个低通滤波模块、两个ADC量化模块和一个FPGA控制模块。
[0068] FPGA控制模块控制DDS载波生成模块，DDS载波生成模块产生频率为20kHz的方波，方波分别输出到发射电极4和开关解调模块；
[0069] 四个C-V转换模块用于将四路受倾角信息调制的电容信号换为电压信号；
[0070] 四个高通滤波模块用于将电压信号中的直流和低频信号去除；
[0071] 每一开关解调模块根据DDS载波生成模块的开关切换时序对两路电压信号进行减法和滤波处理，得到一路去除载波的电压差信号；
[0072] 低通滤波模块用于设置在发射电极4之前用于去除DDS生成的载波信号的低频干扰；
[0073] 每一差分放大和低通滤波模块用于将开关解调输出的电压差信号进行差分放大和低通滤波，得到相互正交的模拟电压信号；
[0074] 每一ADC量化模块将两路正交的模拟电压信号转换为数字信号；
[0075] 控制模块接收所述ADC量化模块的数字信号完成对正交信号的解算，得到的倾角信息，具体实施过程为：
[0076] 当壳体2旋转时，封闭圆柱空间内的电介质液体6液面在重力作用下保持稳定，电极之间的正对面积发生改变，输出的电容值C1、C2、C3、C4发生改变，经过C-V转换后输出四路电压值：
[0077]
[0078] 式中，U1、U2、U3、U4分别表示四路电容C-V变换后的电压值，Ac是C-V转换的放大倍数，Ue是载波信号的幅度值；
[0079] 四路电压经过高通滤波以去除低频噪声的干扰，例如50Hz工频，在经过开关解调和差分放大以去除载波信号，得到两路信号：
[0080] Usin＝U1-U2＝U·cos(θ) (5)
[0081] Ucos＝U3-U4＝U·cos(θ) (6)
[0082] 式中，Usin、Ucos表示经过开关解调和差分放大以去除载波信号，U表示输入信号的幅度，经过ADC量化模块采样后输入FPGA控制模块解算为倾斜角度，从公式可以看出，本发明可以实现对360°的全量程测量。
[0083] 由于倾角传感器存在直流误差，幅度误差，相位误差，导致最后输入的信号由公式(5)和公式(6)变为：
[0084] Us＝U·(1+AS)·sin(θ+φ)+Δs (7)
[0085] Uc＝U·(1+AC)·cosθ+Δc (8)
[0086] 式中，US和UC表示有误差的实际信号输出，AS、AC分别表示幅度误差，Δs、Δc分别表示直流误差，φ表示相位误差。理想中AD采集的信号是公式(5)和公式(6)，倾角传感器实际工作中AD采集的信号形式如式(7)和(8)。
[0087] 上述实施例中，优选地，如图9所示，本发明还设置有误差补偿，通过误差补偿辨识出上面五个误差量并对其进行补偿，误差补偿的具体工作过程为：
[0088] 1、FPGA模块控制ADC量化模块完成对两路信号的采集，FPGA模块利用采集的带误差的正交信号完成倾角解算，其解算过程主要是通过计算正交信号的反正切实现；
[0089] 2、对ADC量化模块采集的正交信号进行预处理，主要包括进制转换和粗大误差剔除，此为
现有技术，在此不做赘述；
[0090] 3、代入公式(7)和公式(8)的误差函数模型，并定义误差变量AS、AC、Δs、Δc、φ；AS、AC分别表示幅度误差，Δs、Δc分别表示直流误差，φ表示相位误差；
[0091] 4、使用
梯度下降法进行搜索误差变量，当满足定义的终止条件时，终止搜索，终止条件包括
迭代次数以及梯度大小等；
[0092] 5、将计算得到的误差变量AS、AC、Δs、Δc、φ，代入公式(7)和公式(8)中，完成误差补偿过程，得到校正后的正交信号sin、cos，再解算角度获得更新的倾角。
[0093] 综上，本发明采用两路正交信号差分输入，降低环境中温度、湿度等变化引起的共模误差带来的影响；且采用硅油等高介电常数、低熔点的电介质液体材料填充提高标度因子和温度适用范围，进一步本发明设计的电极在内环外环均有保护电极，用来消除平板电容边缘效应的影响，提高敏感结构的准确性。
[0094] 根据上述
说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和
修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的
权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
