高精密角位移傳感器的設(shè)計(jì)、工藝和結(jié)構(gòu)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(hào)檢測(cè)元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。角位移傳感器其特點(diǎn)是分辨率高，旋轉(zhuǎn)力矩小，使用壽命長(zhǎng)，同時(shí)具有輸出平滑性好、耐腐蝕和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

角位移傳感器在民用市場(chǎng)擁有廣闊的發(fā)展前景。角位移傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)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(jī)車(chē)控制、汽車(chē)工業(yè)、建筑機(jī)械、音響系統(tǒng)等領(lǐng)域。

2 總體方案

本角位移傳感器設(shè)計(jì)為雙聯(lián)結(jié)構(gòu)，角位移傳感器的兩聯(lián)獨(dú)立輸出信號(hào)。角位移傳感器工作原理是：通過(guò)將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成與之成線(xiàn)性關(guān)系的電阻或電壓輸出信號(hào)。

為提升角位移傳感器的獨(dú)立線(xiàn)性度、同步精度和保證角位移傳感器旋轉(zhuǎn)壽命等，通過(guò)下列措施來(lái)使角位移傳感器滿(mǎn)足要求。角位移傳感器主要由軸、軸承、外殼、中外殼、開(kāi)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(xiàn)端子、引線(xiàn)、端子組件、沉頭螺釘、蓋板等主要零部件組成。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：

（1）采用三個(gè)精密軸承串聯(lián)，并和軸配合，以保證產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)均勻。減小了角位移傳感器半成品和成品的獨(dú)立線(xiàn)性度誤差，從而提高了角位移傳感器成品獨(dú)立線(xiàn)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(duì)簧片組件和下簧片組件的力進(jìn)行優(yōu)化，以保障角位移傳感器接觸的可靠性和旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(mǎn)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(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jié)構(gòu)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(mǎn)足要求，主要滿(mǎn)足獨(dú)立線(xiàn)性度，工作環(huán)境溫度和電阻體的耐磨性。選擇DAP 樹(shù)脂做電阻漿料的粘接劑，DAP 樹(shù)脂目前在航空、航天、航海、微波通訊等高科技領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，亦在電子工程、結(jié)構(gòu)工程和其他領(lǐng)域時(shí)應(yīng)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(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，改性后最高能達(dá)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(hào)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(zhǎng)期使用。同時(shí)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(jié)構(gòu)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(diǎn)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(jī)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(diǎn)；外殼和蓋板選用鋁材加工并進(jìn)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(jìn)行生產(chǎn)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 簧片組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)。簧片壓力大小不變的情況下，減小簧片組件對(duì)電阻體的壓強(qiáng)和摩擦系數(shù)，從而達(dá)到提升角位移傳感器旋轉(zhuǎn)壽命的作用。簧片組件刷絲采用凸包結(jié)構(gòu)，凸包結(jié)構(gòu)電刷的圓角更大，電刷和電阻體的接觸面積相對(duì)增大。而且電刷工作表面經(jīng)過(guò)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(zhuǎn)壽命。

簧片組件中電刷采用多指式（10 ～12 根）電刷結(jié)構(gòu)，以此來(lái)保證產(chǎn)品在撞擊和振動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)間的磨損，提高產(chǎn)品在潮濕、鹽霧、有機(jī)氣氛等環(huán)境條件下的接觸穩(wěn)定性。

4.2 電阻體的設(shè)計(jì)

角位移傳感器工作時(shí)，為滿(mǎn)足角位移傳感器旋轉(zhuǎn)壽命達(dá)到500萬(wàn)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(dú)立線(xiàn)性度和同步精度，電阻體的設(shè)計(jì)如下：

為了滿(mǎn)足旋轉(zhuǎn)壽命要求，增加電阻膜層厚度，通過(guò)增加磨損厚度，增加角位移傳感器旋轉(zhuǎn)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(shí)固化，電阻漿料和基體形成一個(gè)整體，電阻漿料和電阻基體附著力更強(qiáng)，電阻體表面光潔度和硬度遠(yuǎn)高于印刷工藝成型的電阻體。當(dāng)電阻體表面基本達(dá)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(zhuǎn)壽命可得到顯著提高。

5 工藝技術(shù)

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(xiàng)性能指標(biāo)和旋轉(zhuǎn)壽命，為了提高角位移傳感器獨(dú)立線(xiàn)性度、同步誤差精度和旋轉(zhuǎn)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(shù)是電阻體的制造，電阻體制造最為核心的技術(shù)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(shí)需對(duì)目前漿料配方、固化溫度及固化時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，電阻體制造流程見(jiàn)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(shè)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(shí)固化，在基體粗坯軟化的過(guò)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(shí)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(shí)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(xiàn)性修刻工藝

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

為攻克電阻體線(xiàn)性修刻技術(shù)，擬采取的主要措施包括：

（1）印刷電阻體時(shí)提高絲網(wǎng)的對(duì)網(wǎng)精度，提高電阻體的初始線(xiàn)性精度及一致性；

（2）修刻時(shí)采取增加修刻點(diǎn)、提高對(duì)刀精度、減小修刻誤差等措施，提高線(xiàn)性精度。

根據(jù)以往多次的經(jīng)驗(yàn)，該角位移傳感器需修刻300 個(gè)點(diǎn)以上，才能同時(shí)保證以下兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)：獨(dú)立線(xiàn)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(diǎn)，即修刻約320 個(gè)點(diǎn)，具體計(jì)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(yīng)該在2.2×（1±10%）kΩ 范圍內(nèi)）；根據(jù)有效電行程350°計(jì)算出每一均分度數(shù)的理論阻值：

②計(jì)算每一修刻點(diǎn)理論值和實(shí)際值的允許偏差X：

根據(jù)線(xiàn)性度公式：X/R總≤±0.15%，計(jì)算出X，考慮測(cè)量、分度裝置及其修刻的誤差，根據(jù)以往修刻經(jīng)驗(yàn)，將X 確定在3Ω 以下，即R 理論-R 實(shí)測(cè)≤±3Ω，修刻出來(lái)的產(chǎn)品完全可以達(dá)到≤±0.15%的獨(dú)立線(xiàn)性度要求。

③尋找零位電阻R0：有阻值突變時(shí)的點(diǎn)作為初始零位電阻。

④根據(jù)零位電阻計(jì)算每一修刻點(diǎn)的理論阻值Rn：

⑤修刻：將每一修刻點(diǎn)的實(shí)側(cè)阻值修刻到理論阻值的有效范圍。

⑥測(cè)試半成品的獨(dú)立線(xiàn)性度。

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

6 小結(jié)

本次研究從高精密雙聯(lián)角位移傳感器的設(shè)計(jì)、工藝和結(jié)構(gòu)出發(fā)。角位移傳感器對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)、工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，為達(dá)到性能質(zhì)量最優(yōu)、經(jīng)濟(jì)性最好的研制目標(biāo)。

在研制過(guò)程中不斷完善價(jià)值工程目標(biāo)、工作方法；在實(shí)施價(jià)值工程工作過(guò)程中，在滿(mǎn)足技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的前提下，提高零件的工藝性，工藝路線(xiàn)、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(yīng)用范圍越發(fā)普遍，有效的提高了線(xiàn)性精度與應(yīng)用效率，為角位移傳感器高精度、規(guī)模化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。