CN105627906A

CN105627906A - 一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器

Info

Publication number: CN105627906A
Application number: CN201410601770.1A
Authority: CN
Inventors: 李丹佳; 蒋晓彤; 甘霖; 李文璋
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: CN105627906B

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种满足新型可靠性、合格率高的设计难题，保证结构尺寸的一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器；包括刷轴组件(1)、上盖板(2)、下盖板(3)、上电阻环组件(4)及下电阻环组件(5)，下电阻环组件(5)设于下盖板(3)上，上电阻环组件(4)设于下电阻环组件(5)上，上盖板(2)设于上电阻环组件(4)上端，刷轴组件(1)穿过上盖板(2)和下盖板(3)，分别通过轴承与上盖板(2)和下盖板(3)相固定；长螺钉穿过上盖板(2)、下盖板(3)、上电阻环组件(4)及下电阻环组件(5)进行固定。

Description

一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器。

背景技术

新型伺服***旋转位移量测量及反馈用位移传感器采用一体式结构，采用电阻分压原理进行工作，将机械摆角信号转换为电信号输出至控制器，实现分导级电动伺服闭环控制。

随着新型的立项研制，要求伺服机构结构紧凑，集成度高，并能够适应恶劣的工作环境，同时为了满足分导级伺服机构闭和回路的测量及反馈需求，故伺服机构对配套使用的特种伺服位移传感器提出新的更高要求：结构更加小巧、可靠性更高、环境适应性更好、合格率更高。

该位移传感器在结构设计上采用了两环超小型设计，减小了传感器的重量和体积；电位计轴和电刷安装面为一体式结构，强度高，减少了因安装产生的薄弱环节；设计优化了产品的电刷结构，满足该***更为严酷的温度和力学环境条件要求；新型电阻环结构提高了产品的绝缘性能和可靠性，满足了型号研制需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供满足新型可靠性、合格率高的设计难题，保证结构尺寸的一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器。

本发明所采用的技术方案是：

一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器，包括刷轴组件、上盖板、下盖板、上电阻环组件及下电阻环组件，下电阻环组件设于下盖板上，上电阻环组件设于下电阻环组件上，上盖板设于上电阻环组件上端，刷轴组件穿过上盖板和下盖板，分别通过轴承与上盖板和下盖板相固定；长螺钉穿过上盖板、下盖板、上电阻环组件及下电阻环组件进行固定。

所述刷轴组件包括轴、3个绝缘垫、6套绝缘粒子、6个电刷、圆柱销及6个螺钉，其中轴较粗端上设有3个电刷安装面，每个电刷安装面上设有一个绝缘垫，每个绝缘垫上设有2个电刷，每个电刷通过1个螺钉将电刷、绝缘垫和电刷安装面相固定，每个螺钉套有1套绝缘粒子。

所述上阻环组件包括骨架A、电阻膜A、导电条A、A组正端、A组中心抽头、A组负端、B组正端、B组中心抽头、B组负端及两个C组输出，其中电阻膜A喷制在骨架A的内圆弧面上，导电条A由铍青铜片通过环氧树脂胶粘剂固定于骨架A体内环；所述A组正端设于骨架A上的12点位置，A组中心抽头设于骨架A上的1点位置，A组负端设于骨架A上的2点位置，B组正端设于骨架A上的4点位置，B组中心抽头设于骨架A上的5点钟位置，B组负端(49)设于骨架A上的6点位置，两个C组输出分别设于骨架A上的8点和10点位置

所述下阻环组件包括骨架B、2组电阻膜B、2组导电条B、C组正端、C组中心抽头、C组负端、2个A组输出、2个B组输出，其中电阻膜B喷制在骨架B的内圆弧面上，导电条B由铍青铜片通过环氧树脂胶粘剂固定于骨架B体内环；C组正端设于骨架B上的11点位置，C组中心抽头设于骨架B上的12点位置，C组负端设于骨架B上的1点位置，2个A组输出分别设于骨架B上的3点和5点位置、2个B组输出设于骨架B上7点和9点位置。

A、B、C三组电路中每组电路的正端、负端和中心抽头即为电阻膜制位置，每组电路的输出即导电条的粘帖位置；每一路的电阻膜和导电条处于上、下电阻环的对应位置。

本发明的有益效果是：

1.三冗余设计使结构紧凑、重量减轻；

2.电位计转轴和电刷安装面为一体式结构，强度高，减少了因安装产生的薄弱环节；

3.电刷刷丝宽度采用两端宽，中间窄的结构，在保证电刷弹性的基础上提高其耐振性能；

4.电路分布打破了传统的一组电路只能在一个电阻环上的限制，增大了每个电气点之间的距离，在绝缘性能方面有很大改善，使产品能一次装配合格，不会出现反复拆装现象。提高产品合格率；

5.由于电阻环和电刷采用了新的结构设计，在每组电路的导电条和电阻膜之间不需要导线连接，提高了产品的可靠性。

附图说明

图1是小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器示意图；

图2是刷轴组件结构图；

图3是上电阻环结构图；

图4是下电阻环结构图；

图中：1-刷轴组件；2-上盖板；3-下盖板；4-上电阻环组件；5-下电阻环组件；11-轴；12-绝缘垫；13-绝缘粒子；14-电刷；15-圆柱销；16-螺钉；41-骨架；42-电阻膜；43-导电条；44-A组正端；45-A组中心抽头；46-A组负端；47-B组正端；48-B组中心抽头；49-B组负端；410-C组输出；51-骨架；52-电阻膜；53-导电条；54-C组正端；55-C组中心抽头；56-C组负端；57-A组输出；58-B组输出。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的一种进行介绍：

一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器，包括刷轴组件1、上盖板2、下盖板3、上电阻环组件4及下电阻环组件5，下电阻环组件5设于下盖板3上，上电阻环组件4设于下电阻环组件5上，上盖板2设于上电阻环组件4上端，刷轴组件1穿过上盖板2和下盖板3，分别通过轴承与上盖板2和下盖板3相固定；长螺钉穿过上盖板2、下盖板3、上电阻环组件4及下电阻环组件5进行固定。

所述刷轴组件1包括轴11、3个绝缘垫12、6套绝缘粒子13、6个电刷14、圆柱销15及6个螺钉16，其中轴11较粗端上设有3个电刷安装面，每个电刷安装面上设有一个绝缘垫12，每个绝缘垫12上设有2个电刷14，每个电刷14通过1个螺钉16将电刷14、绝缘垫12和电刷安装面相固定，每个螺钉16套有1套绝缘粒子13。

所述上阻环组件4包括骨架A41、电阻膜A42、导电条A43、A组正端44、A组中心抽头45、A组负端46、B组正端47、B组中心抽头48、B组负端49及两个C组输出410，其中电阻膜A42喷制在骨架A41的内圆弧面上，导电条A43由铍青铜片通过环氧树脂胶粘剂固定于骨架A41体内环；所述A组正端44设于骨架A41上的12点位置，A组中心抽头45设于骨架A41上的1点位置，A组负端46设于骨架A41上的2点位置，B组正端47设于骨架A41上的4点位置，B组中心抽头48设于骨架A41上的5点钟位置，B组负端(49)设于骨架A41上的6点位置，两个C组输出410分别设于骨架A41上的8点和10点位置

所述下阻环组件5包括骨架B51、2组电阻膜B52、2组导电条B53、C组正端54、C组中心抽头55、C组负端56、2个A组输出57、2个B组输出58，其中电阻膜B52喷制在骨架B51的内圆弧面上，导电条B53由铍青铜片通过环氧树脂胶粘剂固定于骨架B51体内环；C组正端54设于骨架B51上的11点位置，C组中心抽头55设于骨架B51上的12点位置，C组负端56设于骨架B51上的1点位置，2个A组输出57分别设于骨架B51上的3点和5点位置、2个B组输出58设于骨架B51上7点和9点位置。

电阻环组件由骨架与铆钉组成，传感器电阻膜由电阻液在热塑性聚酰亚胺制成的骨架内圆弧面上喷制而成，传感器导电条由铍青铜片通过环氧树脂胶粘剂固定于骨架体内环。电阻膜和导电条处于上、下电阻环的对应位置，且导电条的粘帖范围大于电阻膜的喷涂范围。在电阻膜两端分别施加正负直流电源，同时在零位位置设置中心抽头(即电源地)，电刷在电阻膜上滑动，实现测量正负摆角的功能。正负电源和接地导线由铆钉连接，铆钉与电阻膜间由导电银带连接。导电条两端用于输出信号的引出，铆钉与导电条间由导线连接。上、下电阻环结构图见图2、图3。

刷轴组件由轴、电刷、绝缘粒子、绝缘垫、圆柱销、螺钉组成。轴与电刷安装面采用一体式结构，减少了因安装产生的薄弱环节。每个电刷包括两组刷丝，用于连接每个测试通道的电阻膜和导电条，优化型电刷丝宽度最外侧两根为0.3mm，其它刷丝宽度为0.2mm，此电刷结构在环境力学试验中的试验能力更强，输出稳定，能够适应新型伺服机构的严酷环境条件。传感器的电刷与轴之间安装一绝缘垫，通过螺钉进行连接，螺钉外套绝缘粒子，使电刷与轴之间绝缘。圆柱销与安装在下盖板上的销钉共同起到限位作用实现位移传感器的机械行程要求。刷轴组件结构图见图4。

上盖板为圆盘状，在其底部中部开有盲孔，用于安装套装在轴顶部的支撑轴承，其顶端有一圆形出线孔，用于引出传感器的内部导线，

下盖板为圆盘状，在其中部开有通孔，用于安装轴，在其上部中心处开有凹槽，用于安装套装在轴下部外侧支撑轴承，其接口尺寸由伺服***提供，用于安装在作动器上。

三组电路(A组、B组、C组)分布在两个电阻环上，每组电路的正端、负端和中心抽头即为电阻膜喷制位置，每组电路的输出即导电条的粘帖位置。其中一环包括两组(A组、B组)电路的正端、负端和中心抽头和一组(C组)电路的输出，另一环包括两组(A组、B组)电路的输出和一组(C组)电路的正端、负端和中心抽头。将电阻环进行重叠，使每一路的电阻膜和导电条处于上、下电阻环的对应位置。装配时，为满足三个通道中心抽头的不重合度要求，在刷轴组件上的三个电刷分别与电阻膜和导电条中心对正固紧后，通过将两对电阻环互相旋转调节，保证A路与C路零位重合，B路的不重合度由软件控制。设计上在两个骨架体接触面间120°均匀铣出三个固定位置，零位调整后用环氧树脂混合剂胶固，杜绝以往型号中的零位错位现象。输出轴与整机齿轮轴刚性连接，实现闭合回路的测量与反馈功能。

电位计的结构尺寸受伺服机构的限制，已无法改变。因此，要改善它的耐振性能，提高产品的可靠性，只能优化电刷结构。传统电刷刷丝宽度一致，均为0.2mm，优化型电刷刷丝宽度最外侧两根为0.3mm，其它刷丝宽度为0.2mm。结合实际产品的工作频率条件，在10～2000hz以内原电刷结构的谐振频率集中在770-1000hz之间，优化型电刷在2000hz内存在10个频率谐振点，且比较分散。经过随机振动分析发现，电刷所承受的最大应力集中在电刷根部。原电刷结构电刷根部的最大应力为21.4MPa，优化型电刷结构电刷根部的最大应力16.2MPa。两种电刷结构分别参加了力学环境的最激振动试验，原电刷结构传感器在试验过程中出现输出异常，现场解剖发现有一路电刷齐根断裂；优化型电刷结构传感器在试验过程中输出正常。综合仿真分析和试验情况，优化型电刷结构在环境力学试验中的试验能力更强，输出稳定，能够适应新型伺服机构的严酷环境条件。

以往角位移传感器的电刷安装在非金属的集电环上，再将集电环安装在金属轴上，从而使电刷与轴之间绝缘。一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器将轴与电刷安装面设计成一体式结构。在轴的电刷安装面上安装一绝缘垫，将电刷与轴之间用非金属材料隔离，在安装过程中要使用螺钉将电刷固定在轴上，而螺钉为金属材料，因此用非金属材料制成的绝缘粒子套在螺钉的上半部分，使螺钉与电刷之间隔离。通过此方法可以使电刷与轴之间绝缘，并消除了装配过程中的薄弱环节。

以往角位移传感器每个测试通道的电阻膜和导电条均分布在一个电阻环上，因此用两个电阻环实现三个通道的测试功能，要在一个电阻环上分布两组电阻膜和导电条(即双通道电阻环)，另一个电阻环上分布一组电阻膜和导电条(即单通道电阻环)。双通道电阻环电气点集中，相邻电气点最近的距离接近绝缘试验的安全距离，由于导线焊接属于手工操作，无法保证每台产品的绝缘性能均合格。一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器的电气点均匀分布在两个电阻环上，即上电阻环包括两组电阻膜和一组导电条，下电阻环包括一组电阻膜和两组导电条。相邻电气点的距离大于绝缘试验的安全距离，且此种结构使电刷结构做出相应调整，去除了传统电刷需要飞线连接的薄弱环节，提高了产品可靠性。

Claims

1.一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器，其特征在于：包括刷轴组件(1)、上盖板(2)、下盖板(3)、上电阻环组件(4)及下电阻环组件(5)，下电阻环组件(5)设于下盖板(3)上，上电阻环组件(4)设于下电阻环组件(5)上，上盖板(2)设于上电阻环组件(4)上端，刷轴组件(1)穿过上盖板(2)和下盖板(3)，分别通过轴承与上盖板(2)和下盖板(3)相固定；长螺钉穿过上盖板(2)、下盖板(3)、上电阻环组件(4)及下电阻环组件(5)进行固定。

2.根据权利要求1所述的一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器，其特征在于：所述刷轴组件(1)包括轴(11)、3个绝缘垫(12)、6套绝缘粒子(13)、6个电刷(14)、圆柱销(15)及6个螺钉(16)，其中轴(11)较粗端上设有3个电刷安装面，每个电刷安装面上设有一个绝缘垫(12)，每个绝缘垫(12)上设有2个电刷(14)，每个电刷(14)通过1个螺钉(16)将电刷(14)、绝缘垫(12)和电刷安装面相固定，每个螺钉(16)套有1套绝缘粒子(13)。

3.根据权利要求1所述的一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器，其特征在于：所述上阻环组件(4)包括骨架A(41)、电阻膜A(42)、导电条A(43)、A组正端(44)、A组中心抽头(45)、A组负端(46)、B组正端(47)、B组中心抽头(48)、B组负端(49)及两个C组输出(410)，其中电阻膜A(42)喷制在骨架A(41)的内圆弧面上，导电条A(43)由铍青铜片通过环氧树脂胶粘剂固定于骨架A(41)体内环；所述A组正端(44)设于骨架A(41)上的12点位置，A组中心抽头(45)设于骨架A(41)上的1点位置，A组负端(46)设于骨架A(41)上的2点位置，B组正端(47)设于骨架A(41)上的4点位置，B组中心抽头(48)设于骨架A(41)上的5点钟位置，B组负端(49)设于骨架A(41)上的6点位置，两个C组输出(410)分别设于骨架A(41)上的8点和10点位置。

4.根据权利要求1所述的一种一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器，其特征在于：所述下阻环组件(5)包括骨架B(51)、2组电阻膜B(52)、2组导电条B(53)、C组正端(54)、C组中心抽头(55)、C组负端(56)、2个A组输出(57)、2个B组输出(58)，其中电阻膜B(52)喷制在骨架B(51)的内圆弧面上，导电条B(53)由铍青铜片通过环氧树脂胶粘剂固定于骨架B(51)体内环；C组正端(54)设于骨架B(51)上的11点位置，C组中心抽头(55)设于骨架B(51)上的12点位置，C组负端(56)设于骨架B(51)上的1点位置，2个A组输出(57)分别设于骨架B(51)上的3点和5点位置、2个B组输出(58)设于骨架B(51)上7点和9点位置。

5.根据权利要求3或4所述的一种小型化高可靠一体式三冗余角位移传感器，其特征在于：A、B、C三组电路中每组电路的正端、负端和中心抽头即为电阻膜喷制位置，每组电路的输出即导电条的粘帖位置；每一路的电阻膜和导电条处于上、下电阻环的对应位置。