CN1007927B - 电容式位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于二线制位置变送器的电容式位置传感器，其构成为：在一块发送电极上加有高频电压，接收电极(11～17)是许多矩形电极，二极管对(D₁～D₇，D₁′～D₇′)将高频电流整流，后流过串接电阻(R₀～R₆)，串接电阻的一端接参考点，另一端(33)被控制在固定电位上，当发送电极移动时，经二极管对(D₁′～D₇′)的输出电流Iout将改变大小，振荡器所需的功率与输出电流略成比例关系，本发明可以在二线制位置变送器中满足能量消耗的严格限制。

Description

本发明涉及长行程位置测量用的电容式位置传感器，特别适用于二线制的位移变送器或转角变送器。

先有的电容式位置传感器（CN85100991）也是用于长行程位置测量的，它的电容装置是这样构成的：一边是一块加有高频电压的发送电极，另一边是排成一行的许多互相绝缘的矩形接收电极，通过接收电极的高频电流经整流后从对应的结点经过串联电阻流向一端，在串联电阻的另一端输出代表发送电极位置的电信号。它要求流过串联电阻的总电流不变，这一总电流是由高频振荡器提供的，也就是说，在任何输出大小的情况下都要求高频振荡器有近似相同的功率输出及功率输入，这一点在二线制的变送器中采用时将遇到困难。因在二线制变送器中采用统一信号4～20mA，外部电源可以提供的电压也有一定限制，而变送器的能量消耗是从外部电源得到的，这在最小电流4mA时变送器也要能正常工作。而上述传感器虽在精度上容易满足需要，但在功率上，例如当4mA时，难于满足上述要求。

以上问题可以通过本发明得到解决。

本发明的电容式位置传感器的电容装置有一个加有高频电压的发送电极和多个互相绝缘的、靠在一起共面地排成一行、大小相同的接收电极，发送电极和接收电极面对面地放置，发送电极沿接收电极的排列方向作相对运动。

有多个二极管对、一对中一个二极管的阳极与另一个二极管的阴极相接，另两端被称为第一端与第二端，各第一端与各第二端分别具有同一极性。

有一个由多个电阻串接而构成的电阻网络，各电阻间的结点被引出，引出的结点与接收电极相对应。

各二极管对的中点分别接在接收电极上，二极管的第一端分别接在与接收电极顺序对应的电阻网络的接点上。

电阻网络的第一个端点接参考点，电阻网络的第二个端点被接到一个控制放大器的输入端，控制放大器的输出端去控制一个振荡器的振荡电压，此电压即为加在发送电极上的高频电压。控制的结果使电阻网络的第二个端点处于确定的电位，于是当发送电极移动时，从接收电极来的经整流后的电流流经电阻网络时其电压降为一常数，故该电流将随发送电极与接收电极之间的相对运动而变化。

各二极管对的第二端接在输出点上，其输出的电流和流过电阻网络的总电流大小相等、方向相反，因此输出电流Iout将和被测的位置之间有一个确定关系。

本发明位置传感器的输出电流与加在发送电极上的振荡器输出的高频电压的振幅基本上成比例关系，故振荡器的功率需要与输出电流也基本上成比例，所以能达到这样的目的：当输出电流是较小值时，振荡器的功率需要也是较小值，反之亦然。当输出电流是较大值时，振荡器的功率需要也是较大 值。

在电阻网络上也可预加一个恒定的电流，使电阻网络上预先有一个恒定的电压降。这时控制放大器就可以把电阻网络的第二个端点的电位控制在预先规定的不同电位上，包括参考点电位在内。

发送电极与接收电极之间的相对位置与输出电流Iout之间的关系可以通过选择电阻网络的各串接电阻的阻值而有所不同，例如可以是线性的或非线性的。

附图的说明：

图1，先有的电容式位置传感器（CN85100991）

图2，矩形发送电极

图3，菱形发送电极

图4，有基准电压的电容式位置传感器

图5，有基准电流的电容式位置传感器

图6，二线制位置变送器线路

最佳实施方案的详细说明

1.如图4所示，振荡器（40）将高频电压加在发送电极（10）上，与其耦合的接收电极（13，14）上感生的高频电流经二极管对D₃、D′₃及D₄、D′₄分别产生电流i₃、i₄、i′₃、i′₄。i₃与i′₃是大小相等方向相反的直流电流。i₃流经点（3、2、1）入参考点（34），i₄流经点（4、3、2、1）入参考点（34）。运算放大器（30）的反向输入端（32）接基准电压Us;其正向输入端（32）接电阻网络的一端点（7），其电位与输入端（32）相同。应满足下式：

i₄R₃+（i₄+i₃）（R₂+R₁+R₀）＝Us （1）

i₄与i₃之和是接收电极给予电阻网络的总电流I₁，该总电流I₁受振荡器（40）的高频电压振幅大小的影响而变化，该振幅又被运算放大器（30）所控制。i₄与i₃的比例应是发送电极（10）与接收电极（13、14）的耦合面积之比，该耦合面积比又与行程X有关，故可写为

I₁R′＝Us （2）

式（2）中R′为根据行程X变化的等值电阻。

当发送电极是矩形（见图2）并与接收电极等长时，由I₁在电阻网络上产生的电压降是

$I_1\mathrm{R\; ＇\; =\; I}{}_1〔\underset{\mathrm{K\; =\; O}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_K+\frac{\mathrm{R\; n\; -\; 1}}{b}\mathrm{(X\; -\; nb\; )\; 〕\; (\; 3\; )}$

n为发送电极越过接收电极的块数，b为一块接收电极长度。

当发送电极是菱形（见图3），且其对角线长度为二倍接收电极长度时，

$I_2\mathrm{R\prime =〔}\underset{\mathrm{K=0}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_k+\frac{1}{2}{R}_{\mathrm{n+1}}+\frac{1}{b}{R}_{\mathrm{n+2}}\mathrm{(X-nb)+}\frac{1}{{\mathrm{2b}}^2}{\mathrm{(R}}_{\mathrm{n+2}}\mathrm{-R}{}_{\mathrm{n-1}}\mathrm{)(X-nb)}{}^2\mathrm{〕(\; 4\; )}$

当I₁R′＝Us＝常数时，且R₁＝R₂＝R₃＝……，无论在式（3）及式（4）中I₁将与R′呈倒数关系，因输出电流Iout与I₁是等值的，所以在电阻网络中串联电阻为相等值时，即R₁＝R₂＝R₃＝……R，如按式（3）得

$I_{\mathrm{ou}}\mathrm{t\; =}\frac{U_S}{R_o+\frac{R}{b}X}\mathrm{(5)}$

在R₁≠R₂≠R₃……时，若采用菱形发送电极可以得到比较光滑的输出曲线，各电阻根据需要选取一定值时可以得到Iout与X之间的各种函数关系，包括

Iout＝C-d_x

这样的线性关系，式（6）中c与d各为一定值常数。

电容器（C₀～C₇）为滤波电容器。负载（20）接在输出点（21）与参考点之间。

振荡器（40）输出的高频电压大致随输出电流Iout的大小比例变化。

2.图5的实施方案中有一个基准电压u′_s通过电阻R_s产生一恒定电流I_s流过电阻网络入参考点（34），电阻R_s与电阻网络的结点（33）接在放大器的正向输入端（31）上，反向输入端（32）接参考点，此时，式（1）及式（2）及式（5）中的Us应改为-Is∑R。输出电压Iout位置X及电阻网络的电阻值之间的关系与图4的实施方案相同。

3.图6是一个二线制的位置变送器线路，外部电源（70）与负载电阻（71）串接，经端子（72、73）经一定距离接到变送器端子（74、75）上，由稳流源（60）的电流通过稳压管（35）在结点（36）上得到一个基准电压U′_s，由这个基准电压U′_s经电阻R_s产生基准电流I_s流过电阻网络入参考点（76）。运算放大器（30）控制振荡器（40）使电流Iout成为某一值，其时好使端子（32）上的电位等于端子（31）上的电位，即参考点电位。Iout就成为位置X的函数。在二线制变送器中一般要求Iout与X呈线性关系，这可以通过准确选定R₀～R₆的电阻值来获得，这时还 必须把位置X的起点和末点颠倒过来（和图4相比）使Iout与X成正比关系。

电流Iout经结点（21）送入电流控制级（20），运算放大器（50）的反向输入端（51）从电位器（27）获得电位UR₁变送器总电流I_T与Iout之间将存在如下关系：

$I_T=\frac{I_{\mathrm{out}}{\mathrm{(R}}_{\mathrm{23}}{\mathrm{+R}}_{\mathrm{24}}{\mathrm{)\; -U}}_R}{R_{\mathrm{23}}}$

事实上，电流I_T的大部分是由振荡器（40）运算放大器（30、50）及稳流源（60）所流过的电流合成的。其不足部分由运算放大器（50）的输出电流经R₂₅补充。电位器（26）作为变送器的量程调整，电位器（27）作为零点调整。

发送电极及接收电极当然也可以在保持一定间隙的情况下排列在扇面上及圆柱面上。

Claims (2)

1、电容式位置传感器包括：

一个电容装置其中包含多个共面的彼此紧靠并绝缘的接收电极；一个与上述接收电极平行地靠近放置的发送电极；该发送电极与上述接收电极作相对运动，并有高频电压加在该发送电极上；

多个二极管对，一对中一个二极管的阳极与另一个二极管的阴极相接，另两端被称为第一端及第二端，各第一端及第二端分别具有同一极性；

一个由多个电阻串接而成的电阻网络，各电阻间接点被引出；

一个控制放大器及一个振荡器，该振荡器输出的高频电压的振幅受控制放大器的输出控制，该高频电压加在上述发送电极上；

上述二极管对的中点分别接在接收电极上，二极管对的第一端分别接在与接收电极顺序对应的上述电阻网络的接点上，电阻网络的第一个端点接参考点；

本发明的特征在于上述电阻网络的第二个端点被接到上述控制放大器的正向输入端，控制放大器的反向输入端接在一个确定电位点Us上，各二极管对的第二端接在电流输出点(21)上，该输出点输出一个随发送电极与接收电极的相对位置变化的电流I_out。

2、如权利要求1所述的传感器，其特征在于上述电阻网络中有一个基准电流Is，该电流是由基准电压U′s通过接在电阻网络的第二个端点上的电阻Rs产生的，该电流的存在是为了使电阻网络的第二个端点被控制预先选定的电位上包括参考点电位。

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