高精密角位移傳感器的設計、工藝和結構研究

吳永勝 胡佑樸 鮑紅軍 唐飛 于四輝

（成都宏明電子股份有限公司 四川省成都市 610100）

1 引言

角位移傳感器是最常用的電子器件之一，在位置控制系統(tǒng)中用它作位置信號檢測元件，具有結構簡單、維修方便等優(yōu)點。角位移傳感器其特點是分辨率高，旋轉力矩小，使用壽命長，同時具有輸出平滑性好、耐腐蝕和響應速度快等優(yōu)點。

角位移傳感器在民用市場擁有廣闊的發(fā)展前景。角位移傳感器已經(jīng)廣泛應用在各行各業(yè)，尤其在智能控制、冶金、石油化工、通信、電力機車控制、汽車工業(yè)、建筑機械、音響系統(tǒng)等領域。

2 總體方案

本角位移傳感器設計為雙聯(lián)結構，角位移傳感器的兩聯(lián)獨立輸出信號。角位移傳感器工作原理是：通過將機械位移量轉換成與之成線性關系的電阻或電壓輸出信號。

為提升角位移傳感器的獨立線性度、同步精度和保證角位移傳感器旋轉壽命等，通過下列措施來使角位移傳感器滿足要求。角位移傳感器主要由軸、軸承、外殼、中外殼、開口擋圈、絕緣套管、集流環(huán)、鉚釘、簧片組件、下簧片組件、電阻體、引線端子、引線、端子組件、沉頭螺釘、蓋板等主要零部件組成。結構設計方案如下：

（1）采用三個精密軸承串聯(lián)，并和軸配合，以保證產(chǎn)品轉動平穩(wěn)均勻。減小了角位移傳感器半成品和成品的獨立線性度誤差，從而提高了角位移傳感器成品獨立線性度；

（2）采用多指刷簧片組件和多指刷下簧片組件的連接模式，對簧片組件和下簧片組件的力進行優(yōu)化，以保障角位移傳感器接觸的可靠性和旋轉壽命；

（3）本雙聯(lián)角位移傳感器分為基聯(lián)和上聯(lián)，每余度都采用相同的結構和工作模式，以保障角位移傳感器基聯(lián)和上聯(lián)的一致性，從而滿足角位移傳感器的高同步誤差的要求。

角位移傳感器總體結構見圖1。

3 材料選擇

主要材料的選擇決定了產(chǎn)品的主要特性，本角位移傳感器主要結構材料的優(yōu)選方案如下：

3.1 電阻體漿料粘接材料的選擇

為保證角位移傳感器滿足要求，主要滿足獨立線性度，工作環(huán)境溫度和電阻體的耐磨性。選擇DAP 樹脂做電阻漿料的粘接劑，DAP 樹脂目前在航空、航天、航海、微波通訊等高科技領域被廣泛應用，亦在電子工程、結構工程和其他領域時應用，屬于成熟材料；該材料吸水率低、耐濕性能突出；熱穩(wěn)定性好，可在（240 ～260）℃范圍內(nèi)長時間穩(wěn)定工作，改性后最高能達到400℃。

3.2 電阻體基體的選擇

優(yōu)選耐高溫的DAP 模塑料（牌號為D-1500），該材料與邦定膠有很好的匹配性，其中，該模塑料可在230℃的情況下長期使用。同時該材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性，極低的吸水率。

圖1：角位移傳感器總體結構圖

圖2：角位移傳感器電阻體制造流程

3.3 其余材料的選擇

觸點材料擬選用六元合金絲，該材料具有很好的延伸性、彈性，在有機氣氛條件下接觸穩(wěn)定的特性；簧片和下簧片材料擬選用鈹青銅，該材料具有高彈性、韌性、抗剪切等優(yōu)點；外殼和蓋板選用鋁材加工并進行氧化處理。其它原材料均為成熟的材料，并采取成熟的制造工藝進行生產(chǎn)。

4 結構設計

4.1 簧片組件的結構設計

為提升角位移傳感器的可靠性，簧片組件采用多指式電刷結構?；善瑝毫Υ笮〔蛔兊那闆r下，減小簧片組件對電阻體的壓強和摩擦系數(shù)，從而達到提升角位移傳感器旋轉壽命的作用。簧片組件刷絲采用凸包結構，凸包結構電刷的圓角更大，電刷和電阻體的接觸面積相對增大。而且電刷工作表面經(jīng)過拋光處理，減小了電刷和電阻體的摩擦系數(shù)，從而提高了角位移傳感器的旋轉壽命。

簧片組件中電刷采用多指式（10 ～12 根）電刷結構，以此來保證產(chǎn)品在撞擊和振動下電阻體與電刷之間穩(wěn)定性和電連接的可靠。電刷的觸點選用貴金屬材料六元合金絲制造，可降低接觸壓力，減小電阻體與觸點間的磨損，提高產(chǎn)品在潮濕、鹽霧、有機氣氛等環(huán)境條件下的接觸穩(wěn)定性。

4.2 電阻體的設計

角位移傳感器工作時，為滿足角位移傳感器旋轉壽命達到500萬次以上，需提高電阻體表面的耐磨性，電阻體影響著角位移傳感器的獨立線性度和同步精度，電阻體的設計如下：

為了滿足旋轉壽命要求，增加電阻膜層厚度，通過增加磨損厚度，增加角位移傳感器旋轉壽命。減小電阻體表面的摩擦系數(shù)，要求電阻體表面光滑且電阻體表面平整度較高。電阻體生產(chǎn)工藝有印刷法和印刷-模壓法，印刷-模壓工藝的電阻漿料和電阻基體材料同時固化，電阻漿料和基體形成一個整體，電阻漿料和電阻基體附著力更強，電阻體表面光潔度和硬度遠高于印刷工藝成型的電阻體。當電阻體表面基本達到鏡面狀態(tài)，電刷與電阻體間的摩擦系數(shù)明顯降低，角位移傳感器旋轉壽命可得到顯著提高。

5 工藝技術

5.1 電阻體制造工藝

電阻值制造工藝影響角位移傳感器的多項性能指標和旋轉壽命，為了提高角位移傳感器獨立線性度、同步誤差精度和旋轉壽命等參數(shù)，電阻體制造工藝如下：

角位移傳感器最為核心的技術是電阻體的制造，電阻體制造最為核心的技術包括電阻體漿料的配備和電阻體漿料的固化。漿料的配備包括電阻體漿料配備和端頭銀漿料的配備，研制時需對目前漿料配方、固化溫度及固化時間進行優(yōu)化，電阻體制造流程見圖2。

模壓法制造電阻體，從電阻漿料的配方、壓制工藝參數(shù)的設定、壓制粗坯重量的控制、模具表面的拋光處理等多方面入手。采用該工藝后，由于電阻體基體與電阻膜同時固化，在基體粗坯軟化的過程中，可將電阻膜完全嵌入電阻體基體中，電阻膜接觸面與基體表面同面；同時由于壓制力的存在，可提高電阻膜的密度、表面光潔度，上述措施一方面提高了電阻膜本身的耐磨性，同時減小了摩擦系數(shù)，有利于角位移傳感器壽命的提高。

5.2 電阻體線性修刻工藝

線性修刻為角位移傳感器的關鍵技術，由于傳感器體積較小，電阻體初始線性精度約為2%～3%左右，修刻后，角位移傳感器獨立線性度一般在±0.3%范圍內(nèi)，要達到獨立線性度≤±0.15%，還需進行修刻工藝攻關。

為攻克電阻體線性修刻技術，擬采取的主要措施包括：

（1）印刷電阻體時提高絲網(wǎng)的對網(wǎng)精度，提高電阻體的初始線性精度及一致性；

（2）修刻時采取增加修刻點、提高對刀精度、減小修刻誤差等措施，提高線性精度。

根據(jù)以往多次的經(jīng)驗，該角位移傳感器需修刻300 個點以上，才能同時保證以下兩個技術指標：獨立線性度≤±0.15%；總阻值2.2×（1±10%）kΩ?？紤]分度夾具的精度，確定至少每1°為一修刻點，即修刻約320 個點，具體計算和修刻步驟如下：

①據(jù)產(chǎn)品的初始阻值確定修刻后的總阻R總（R總應該在2.2×（1±10%）kΩ 范圍內(nèi)）；根據(jù)有效電行程350°計算出每一均分度數(shù)的理論阻值：

②計算每一修刻點理論值和實際值的允許偏差X：

根據(jù)線性度公式：X/R總≤±0.15%，計算出X，考慮測量、分度裝置及其修刻的誤差，根據(jù)以往修刻經(jīng)驗，將X 確定在3Ω 以下，即R 理論-R 實測≤±3Ω，修刻出來的產(chǎn)品完全可以達到≤±0.15%的獨立線性度要求。

③尋找零位電阻R0：有阻值突變時的點作為初始零位電阻。

④根據(jù)零位電阻計算每一修刻點的理論阻值Rn：

⑤修刻：將每一修刻點的實側阻值修刻到理論阻值的有效范圍。

⑥測試半成品的獨立線性度。

⑦如果進行步驟6 不合格，則提高總阻值（控制在2.4kΩ 以下），重復①～⑥步驟。

6 小結

本次研究從高精密雙聯(lián)角位移傳感器的設計、工藝和結構出發(fā)。角位移傳感器對原產(chǎn)品進行結構、工藝優(yōu)化設計，為達到性能質(zhì)量最優(yōu)、經(jīng)濟性最好的研制目標。

在研制過程中不斷完善價值工程目標、工作方法；在實施價值工程工作過程中，在滿足技戰(zhàn)術指標的前提下，提高零件的工藝性，工藝路線、工藝規(guī)程合理可行，降低了成本。

角位移傳感器在工業(yè)中的應用范圍越發(fā)普遍，有效的提高了線性精度與應用效率，為角位移傳感器高精度、規(guī)模化生產(chǎn)奠定了堅實基礎。