角位移脉冲传感器设计宜春学院理工学院机制专业兰远超指导老师.docx

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角位移脉冲传感器设计宜春学院理工学院机制专业兰远超指导老师

角位移脉冲传感器设计

宜春学院理工学院机制专业兰远超

指导老师：

陈敏

摘要：

本设计介绍了导电塑料角位移脉冲传感器，它是以导电塑料作为敏感材料,利用先进的喷涂工艺将导电塑料浆喷涂到绝缘基体上做成电阻码盘，电刷组件确保电刷柱在导电塑料薄膜上的压力恒定,电源采用5V高精度恒流恒压电源。

此角位移传感器可在温差变化大、辐射、粉尘多等恶劣环境下工作,测量范围360°连续,具有精度高、性能稳定、工作可靠的优点,可广泛应用于液压泵控制、机器人控制、阀位控制等领域。

本设计详细地介绍了导电塑料角位移传感器的总体方案设计、基本工作原理、电阻码盘的结构设计、电刷及其组件的结构设计、转轴及其组件的结构设计、外壳的结构设计以及微电路模块的设计，并且提出了校验方法。

关键词：

导电塑料;角位移脉冲传感器;敏感材料;电阻码盘

Designofpulsecornerdisplacementsensor

YichunUniversityPolytechnicInstituteProfessionalmechanismlanyuanchao

Guidanceteacher:

chenmin

Abstract:

Thedesignofpulsecornerdisplacementsensorisintroducedinthispaper.Itadoptstheconductive

plasticassensitivematerial.Theslurryofconductiveplasticissprayedtotheinsulatingsubstratemakesresistiveencoderwithadvancedspraytechnology,thebrushdiscretenessinsuresthepressureinvariablenessontheconductiveplasticfilmbythebrushpatch,anditssourceuses5Vhighprecisionconstantcurrentandvoltage.Thissensorcanbeusedinabigchangeintemperature,radiation,dustandmorebadenvironment,themeasuringrangeis360°continuous,ithastheadvantagesofhighprecision,stableperformanceandreliableoperationetc,itmaybeappliedtocontrolthecliquedigitandhydraulicspressurepumpandrobotetc.Thedesigndetailedintroducestheoverallprogramdesignofpulsecornerdisplacementsensor,basicworkingprinciple,thestructuraldesignoftheresistiveencoder,thestructuraldesignofthebrushanditscomponents,thestructuraldesignoftheshaftanditscomponents,thestructuraldesignofthehousingandthedesignofmicrocircuitmodules.Italsoproposescalibrationmethod.

Keywords:

conductiveplastic;pulsecornerdisplacementsensor;sensitivematerial;resistordisc

1前言

角位移脉冲传感器是一种把角度测量转换成脉冲计数测量的传感器，根据脉冲形式的不同，角位移脉冲传感器主要分为电容式角位移脉冲传感器，光电式角位移脉冲传感器，霍尔式角位移脉冲传感器，光栅角位移脉冲传感器等。

在众多的传感器中，角位移脉冲传感器是其中重要的一种，随着技术的不断发展，各种检测和控制系统的自动化程度越来越高，对角位移脉冲传感器的依赖性也越来越大，因此对角位移脉冲传感器品质的要求也越来越高，各国也越来越重视其研制与应用。

值得注意的是，上世纪九十年代以来，随着新型材料和新工艺的发展，出现了一些利用新型材料制成的传感器，这些传感器具有精度高、性能稳定、工作可靠、寿命长等特点，因此得以迅速发展，而且很多已经技术成熟并广泛应用于国防军事和民用领域，导电塑料角位移脉冲传感器就是其中的一种，本课题研究的正是此种传感器。

导电塑料最初由白川英树、Heeger和MacDiarmid等人于20世纪70年代合成，至此改变了人们对传统塑料和橡胶等高分子材料是电、热的不良导体的观念。

从那时起，人们也对导电塑料不断地探究，经过40多年的发展，导电高分子材料已达到数十种，导电塑料凭借其密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜，以及电导率可在绝缘体一半导体一金属态的范围里变化的优点，广泛应用于集成电路、晶片、传感器护套等精密电子元件生产过程使用的防静电周转箱、托盘、晶片载体、薄膜袋等领域，其中在微芯片和太阳能电池的开发上，导电塑料可能会取代昂贵的硅芯片和氧化铟锡，这可以大大降低成本和节约资源[1-2]。

在欧美等发达国家，导电塑料的应用已经很普遍，在国内，导电塑料的研发也取得了突破性的进展，尤其是在电子领域方面。

值得一提的是，本世纪初，日本和美国开始将导电塑料应用于精密角度传感器中作敏感材料，大大简化了传感器的结构，大大提高了传感器的精度[3]，并广泛应用于军事领域和民用领域。

与传统导电塑料角位移脉冲传感器不同，本课题所研究的是能够进行360°连续测量的导电塑料角位移脉冲传感器，设计时主要解决以下几个问题：

（1）导电元件的选材；

（2）导电元件的结构设计；（3）电刷组件的结构设计。

2总体方案设计

2.1传感器类型的选择

从设计任务书的要求和内容可以看出，本课题要求设计一款角位移脉冲传感器，而且要求具有360°连续的机械转角。

从国内现有的技术已经成熟的角位移脉冲传感器可知，符合本课题条件的主要有电阻式角位移脉冲传感器、电容式角位移脉冲传感器、光栅编码器式角位移脉冲传感器和导电塑料角位移脉冲传感器等。

电阻式角位移脉冲传感器虽然具有结构简单、制造成本低的优点，但此种传感器精度较低且有机械接触，存在机械磨损，因此不适合频繁转动的场合，其测量范围也比较窄，难以实现360°连续的机械转角。

光栅编码器式角位移脉冲传感器响应速度快、精度高、抗电磁干扰强，但其测量稳定性和测量精度易受光源和测量背景光强度波动、外界对光路的扰动、温度变化等引起的光纤传输特性的变化的影响，而且制造成本较高，不能在温差变化大、辐射、粉尘多等恶劣的环境下使用。

电容式角位移脉冲传感器结构简单、体积小、分辨率高、测量精度高、能在强辐射等恶劣的条件下工作，但由于电场边缘效应的存在会引入输出特性的非线性以及寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响，而且它与传感器连接的电路比较复杂，且其测量精度受温度的影响较大。

导电塑料角位移脉冲传感器具有测量精度高、结构简单、制造成本低、能耗低、性能可靠等优点，虽然有机械接触，但由于其采用了导电高分子材料作为导电元件，使用寿命大大提高。

但传统的导电塑料角位移脉冲传感器受电阻体结构的影响，其测量范围<360°,综合考虑以上因素，这里选择导电塑料角位移传感器作为本课题的研究对象，在传统结构的基础上改进创新，使其实现360°连续的机械转角，并且达到1%的精度要求。

2.2传感器总体结构设计

导电塑料角位移传感器用导电塑料作为敏感材料，查阅相关资料我们可以知道，通常以导电塑料为敏感材料的传感器是将导电塑料制成电阻体，通过

R=ρL/S（式中：

L——导体长度，S——导体横截面积，R——电阻大小）

可知，位移量与电阻值成连续的线性函数关系。

但这难以实现角位移范围的要求——360°连续，所以我们要在电阻体上做结构改进，做成电阻码盘。

本款传感器主要由电阻码盘、转轴、电刷组件及壳体等零件组成，采用两个电阻码盘对称结构，两个电刷组件在结构安装上相差90°，电刷柱在电阻码盘上滑动时，每接触一次导电塑料薄膜，发出一个脉冲信号，这样便可以实现脉冲计数，电刷组件通过塑料衬套固定在转轴上，转轴的转动带动电刷组件的转动，转轴通过轴承、挡圈固定在壳体上。

电刷组件边上装有集流环，在壳体上固定合金丝和导线，脉冲信号依次通过电刷组件、集流环、合金丝、导线输出到微电路模块总成，微电路模块总成固定在保护面板上，对应地，六针连接插座也固定在保护面板上，具体结构如图1所示：

图1传感器总体结构示意图

2.3基本工作原理

当传感器转轴带动电刷转动时，电刷在电阻码盘内圈上滑动，电刷每一次和喷涂在绝缘基体上的导电塑料薄膜接触都会产生一个脉冲，电阻码盘内圈一共喷涂24条相间地导电塑料薄膜，电刷转动一圈产生24个脉冲信号，这样便可以得到两组一连串的脉冲信号，利用这两组相位相差90°的脉冲信号，可以解决脉冲计数的可逆性问题。

将这两组脉冲信号进入施密特触发器进行信号整形梳理，再将经过整形梳理的两组脉冲信号进入双D触发器进行相位检测判别，接着将判别后的脉冲计数信号输入到计算机中，计算机接受脉冲计数信号后则可以判断转过的角度或者圈数。

3传感器的结构设计

3.1电阻码盘的结构设计

电阻码盘是本款传感器中最为重要的零件之一，它是确保传感器精度的基础。

电阻码盘的外圈与壳体紧密配合，使之固定在壳体上，内圈与电刷接触，输出脉冲信号。

电阻码盘设计成扁平的圆柱体，主要由绝缘基体、导电塑料薄膜、引出银电极组成。

绝缘基体要求电绝缘性好、耐磨性好、尺寸稳定，由塑料颗粒经粉碎模压制成，这里选用ABS塑料作绝缘基体。

导电塑料要求导电性能好、耐磨性好、价格低廉，这里选用由炭黑填充制成的复合导电高分子材料。

导电塑料薄膜均匀地、相间地喷涂在绝缘基体的内圈，一共喷涂24个条纹，并在其中一个断面靠近内圈的地方喷涂一圈，然后喷出一条“引出线”，在引出线处接引出电极银浆，喷涂的厚度为0.02mm。

由于装在后外壳的电阻码盘需要有导线穿过，所以在电阻码盘上需钻两个∅2mm的孔，前壳体电阻码盘和后壳体电阻码盘的具体结构如图2、图3所示：

图2前壳体电阻码盘结构示意图

图3后壳体电阻码盘结构示意图

3.2电刷及其组件的结构设计

电刷部分包括电刷柱、固定块、固定环和弹簧，在本款传感器中也是重要的零件之一，它是保证传感器的精度和机械寿命的关键，要求具有导电性能好、耐磨性好、具有较好的弹性，所以这里我们采用高导电率的铜合金QSn6.5-0.1做电刷柱。

电刷与电阻码盘内圈的导电膜的接触状态和压力是至关重要的，接触力过大则会导致传感器使用寿命大大降低，接触力过小则导致输出信号不稳定，查阅相关资料可知，电刷和导电膜的接触力保持在0.1N最为合理[1]，这里是通过在固定块上打两个∅1mm的孔，将两个小弹簧分别放入对应的孔里，然后将导电柱放入孔中，依靠弹簧的弹力来保持这个接触力。

固定块和固定环之间用锡焊接在一起，焊接时要保证固定块和固定环之间的位置关系，不能引起太大的位置改变，焊接要牢固，要保证工作时的可靠性。

电刷柱的顶部需要倒角磨圆，以便更好地与导电塑料薄膜接触，增加其机械寿命，一个电刷组件中带有两个电刷柱，以确保工作的可靠性。

考虑到这里所用到的弹簧尺寸较小，难以找到相应的标准件，所以需要设计计算。

已知最小工作载荷F1=0.05N，最大工作载荷Fn=0.5N，工作行程h=4.5mm，弹簧外径D2=1mm，总圈数N=5，考虑到这里弹簧需要良好的导电性能，所以选用磷青铜作为弹簧的材料，线材的钢性模数G=4500，这里弹簧丝的直径选择d=0.14mm，根据弹簧常数公式（单位：

kgf/mm）：

可以求得弹簧常数k=0.0105kgf/mm≈0.105N/mm

节距t=d+

+δ1=0.1+

+0.02=1.71mm,

自由高度H0=nt+（nz-0.5）d=5.28mm,

压并高度Hb=（N-0.5）d=0.63mm,

经分析核对，以上各参数均符合要求。

电刷组件具体结构见图4：

图4电刷组件结构示意图

3.3转轴及其组件的结构设计

转轴组件主要由转轴、轴承、挡环、绝缘轴套、集流环等零件组成。

转轴通过轴承固定在壳体上，轴承内圈与轴紧密配合，轴承外圈与壳体内壁紧密配合，为了固定轴承的轴向位置，在转轴上开两道槽，并在槽里装上挡圈，这样传感器在工作的时候，转轴就不会沿轴向方向窜动了。

挡圈的另一侧顶住绝缘轴套，在绝缘轴套上装上两个在结构上相差90°的电刷组件，其端面与绝缘轴套端面平齐，电刷组件和绝缘轴套的配合为紧配合。

电刷组件的另一端面与集流环紧密相连，以保证其良好的通电性，集流环固定在绝缘轴套上，与绝缘轴套紧配合，并且用粘接剂粘接。

具体结构如图5所示：

图5转轴组件结构示意图

转轴与机械的旋转部分相连，用于角度的输入，扭矩和相应的接触力比较小，所以对材料的强度和硬度等力学性能没有太高的要求，但要求有足够的制造精度、表面粗糙度和良好的机械加工性，另外考虑到此传感器可能会在环境比较恶劣的情况下工作，所以转轴还应该能够保证尺寸的稳定性，并且能够防锈。

综合考虑，这里选用2Cr13这种不锈钢材料制作转轴，初步定为直径D=5mm，最小截面直径D1=3.8mm工作时最大扭矩T=5x10-3N.m，查阅机械设计手册可知，材料许用应力[

]=40MPa,以下进行转轴强度校核计算：

抗扭截面系数

转轴横截面最大切应力

，所以转轴直径符合强度要求。

转轴在转动的过程中要求转动平稳、振动小、精度高，所以要保证转轴与轴承、轴承与外壳具有较高的配合精度，同时轴承本身也应具备较高的旋转精度，考虑到工作的时候转轴所受的的轴向力较小，这里选用深沟球轴承，具体为内径5mm、外径13mm、型号为619/5的精密深沟球轴承。

转轴的具体尺寸如图6所示：

图6转轴结构示意图

集流环也是传感器中重要的零件，它直接影响到输出脉冲信号的稳定性，从而影响到传感器工作的可靠性，所以选材和结构显得尤为重要，这里我们选用高导电率的铜合金TAg0-1作为集流环的材料。

集流环固定在绝缘轴套上，并用粘接剂和绝缘轴套粘接在一起，以确保其位置的稳定性，集流环的一个端面与电刷固定环紧密地贴在一起，以保证其良好的通电性。

集流环开有半圆形凹槽，使固定在外壳接线柱上的合金电极丝能稳稳地卡在凹槽里，确保在转动的过程中脉冲信号能准确无误地传到接线柱上，具体结构如图7所示：

图7集流环结构示意图

绝缘轴套是为了使电刷组件和转轴之间保持绝缘状态，是避免信号泄露和信号干扰的重要环节，所以要求绝缘轴套的绝缘性能良好（E级及E级以上），同时还要具备良好的尺寸稳定性。

另外考虑到绝缘轴套要与集流环粘接在一起，绝缘轴套的材料也要保证能够与粘接剂进行粘接，使集流环在工作的过程中不脱落。

经综合考虑，查阅相关资料，这里选用聚砜（PSU）作为绝缘轴套的材料。

具体尺寸如图8所示：

图8绝缘基体结构示意图

3.4壳体的结构设计

传感器的壳体部分主要由前壳体、后壳体、紧固圈及固定螺栓、端盖和接线柱等部分组成。

考虑到壳体的形状比较复杂，所受的载荷不大，而且要求有良好的耐蚀性和高气密性，这里选用铝硅合金ZAlSi12作为壳体的材料。

转轴组件和电刷组件通过两个轴承固定在前壳体和后壳体上，两个电阻码盘通过紧配合分别固定在前壳体和后壳体上，两个壳体通过卡箍进行固定，卡箍上有紧固螺栓和螺母，用于卡箍的锁紧。

四根∅2x8mm的接线柱固定在与其相对应的前壳体和后壳体的四个电极安装孔上，接线柱与电极安装孔之间用绝缘衬套隔绝，防止漏电，接线柱、绝缘衬套和电极安装孔之间用万能胶粘接，一端的接线柱与电极相连，并同时用银丝与导电塑料薄膜上的银浆焊接，另一端的接线柱与电极相连，并连接两根高弹性、高强度、高导电性的电极合金丝，电极合金丝依靠自身弹性紧紧地卡在集流环上的集流槽里，使脉冲信号能稳定地输出到电极上。

端盖安装在后壳体的侧面，通过万能胶粘接，微电路模块总成也在后壳体里。

在端盖上安装一个六针连接插座，以便传感器与计算机之间的数据交换。

前壳体上均匀布置三个∅3x4mm的螺纹孔，以便传感器能够很好地固定在相应的工作场所。

传感器前壳体和后壳体的具体结构分别如图9、图10所示：

图9前壳体结构示意图

图10后壳体结构示意图

4微电路模块设计

信号处理微电路模块主要包括微电路模块总成、保护面板和六针连接插座三个部分，其电路为施密特触发器脉冲波形梳理电路和双D触发器相位检测判别电路。

考虑到电路板安装空间较小，这里元件采用贴片技术，为了使电路板有足够的强度，在工作环境比较恶劣或者出现意外情况（如撞击）时仍能正常工作，电路模块采用树脂封固处理，这样的电路模块就能达到我们所需的体积小、性能稳定、工作可靠的要求，其原理见图11：

图11微电路模块电路原理示意图

此传感器在端盖上有一个六芯插座，其相对应的引出端一共有六个，分别为：

1是电源正极；2是公共端；4、5是脉冲信号输出端；3、6端相位信号。

传感器使用时在1、2端外加5V稳态直流电压，当传感器转轴旋转时则在4、5端输出脉冲信号。

六芯插座采用XH2.54-6P型六芯插座，其结构如图12所示：

图12六芯插座引线示意图

5校验及结论

由于本课题研究的导电塑料角位移脉冲传感器还没有生产出来，加之学校的校验设备有限，难以进行实践校验，所以这里进行理论上的校验。

校验设备选用HP-310高精度角度仪（测量范围0°-360°，分度值

°，精度

°，零点重复性

°，4h漂移0.01°，额定电压11.1V），另外需要编好相关程序的单片机（带有键盘和高精度小型电机）一台，1:

1高精度小齿轮传动器，导线若干和其他辅助装置。

校验前先将被校验的传感器和单片机上的高精度小电机连接并固定好，标准机（HP-310）通过1:

1高精度小齿轮传动器和小电机相连并固定，校验时在单片机的键盘输入相应的角度，系统控制电机转动，电机带着被测传感器转动，被测传感器将信号反馈给系统，当达到所输入的角度时电机停止转动，与此同时电机通过1:

1高精度小齿轮传动器把转过的角度传给标准机（HP-310），并在标准机（HP-310）的LED屏幕上显示所转过的角度。

开启单片机和角度仪之后，通过单片机的键盘分别依次输入30°、0°、60°、0°、90°、0°、120°、0°、150°、0°、180°、0°、210°、0°、240°、0°、270°、0°、300°、0°、330°、0°、360°、0°、720°、0°1080°、0°，记录下在标准机（HP-310）LED屏幕上显示的数据，如此重复以上过程3次。

记录好数据之后按照以下指标进行数据处理：

线性度

（

为最大非线性绝对误差，YFS为满量程输出）

灵敏度

（

为输出变化量，

为输入变化量）

滞后

（

为正反行程输入值间的最大差值）

重复性

（

为同一行程的最大偏差）

精度

结论：

处理好数据后分析一下精度有没有达到1%的要求，如果达到了要求，则此款传感器设计是合理的，如果没有达到精度要求，则要检查一下传感器的设计结构和配合精度是否合理，并对其进行改进，直到符合精度要求为止。

6谢辞

四年寒窗的生活即将在这个冬季画上一个句号，而我新的梦想也将起航。

在这四年求学的生涯里，我走得艰辛而充实，收获了太多太多。

离别之际，我思绪万千，心情久久不能平静，谢谢一路陪伴着我的老师们和亲友们。

在设计的过程中，我得到了陈敏老师的悉心指导，她学识渊博、思想深邃、治学严谨、平易近人，在百忙之中抽出时间多次审阅毕业设计，帮助我解决设计中所遇到的问题，为我的毕业设计指明了正确的道路，我的思维也得到了深刻的启迪，她那深厚的专业修养、一丝不苟的工作作风和无可挑剔的敬业精神一直是我工作、学习中的榜样，为此，我要致以我诚挚的谢意。

此外我还要感谢机电系的领导老师们以及身边的同学们，特别感谢彭路南老师和刘文文同

学，谢谢他们在我设计过程中耐心的指导和无私的帮助。

最后，感谢学院对我大学四年的栽培。

7参考文献

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[14]孙桓.机械原理[M].北京：

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[16]刘迎春.传感器原理设计与应用[M].长沙：

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[17]秦大同，谢里阳.现代机械设计师手册[M].北京：

化学工业出版社，2011

8附录

导电塑料角位移脉冲传感器总装图一张

转轴零件图一张

三维效果渲染图三张