无摩擦力电容式角度传感器的研制

　　由电容传感器、C一V转换器、放大器、A/D转换器和显示器五部分组成的电容式电子水平角度仪框图如图1所示。电容传感器则由动片、定片、转轴和外壳组成.其电容变化量与传感器倾斜角度之间成线性关系。使用无摩擦力电容传感器制造的电容式电子水平角度仪具有精度高、重量轻、携带方便、制造成本低、应用范围广的特点。

　　电容传感器是电容式电子水平角度仪的关键部件，无摩擦力电容角度传感器的研制成功则使电子水平角度仪的测量精度大为提高。

　　电容传感器的一般结构和工作原理

　　电容传感器为一密封容器，容器内装有液体介质，如图2所示.一组动片3装在转轴4上，转轴4装在壳体1的轴承中，可自由转动。两组定片2装在壳体1上。定片、动片、壳体间均相互绝缘。定片由引线5、动片由引线6接出与仪器电路相接。

　　电容传感器的工作原理如图3所示:定片2为两块半圆形极板2a和2b，动片3为一个半圆形极板，从而构成两个电容器C1和C2。在水平状态下，如图3(a)所示，定片2a和2b所覆盖的动片面积相等，均为圆面积的1/4，Cl和C2也相等。当传感器随仪器倾斜角度e时，如图3(b)所示，动片3由于重力作用与定片相对转动一个角度e，于是定片2a和2b所复盖的动片3的面积发生改变，C1和C2也就发生变化。

无摩擦电容传感器是实现高精度测l的关链在实际应用电容传感器作为角度测量的过程中，影响电容传感器精度的因素除设计质量、加工精度之外，关键是克服电容传感器轴承的摩擦力，笔者经过长期反复试验，曾采用过摩擦力极小的滚珠轴承、玛瑙轴承等等，均告失败。要使电容传感器分辨率达到0.010，轴承摩擦力几乎需减小到零。经过艰苦努力，终于突破了这一技术难题，用金属张丝代替轴承，研制成功了无摩擦电容传感器，并获得了国家专利。其结构简图如图4所示。

　　从图4结构可知，去掉了任何轴承，代之以金属张丝。众所周知:金属丝扭动时不存在摩擦力，只产生弹性扭力，而弹性扭力可以通过电路上补偿给予解决。在设计时应考虑到金属丝的扭动角度应在弹性范围内，否则，金属丝会因疲劳而被扭断。

　　利用张丝克服摩擦力的办法，在精密仪表结构中并非罕见，但多数采用垂直装置(张丝轴线与水平面垂直)，而这种与水平面平行的张丝结构却不多见。以图4所示的电容传感器为例:一是由于动片组的重力作用，张丝所承受的拉力远远大于垂直装置结构，张丝容易被拉断;二是在动片组重力作用下，难以保证张丝的直线度。