CN102486369A

CN102486369A - 双逆可变电容器及电容式角位移传感器

Info

Publication number: CN102486369A
Application number: CN2010105737459A
Authority: CN
Inventors: 傅宇晨; 袁敏勋; 梁运平
Original assignee: SHENZHEN MAXONIC AUTOMATION CONTROL CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN MAXONIC AUTOMATION CONTROL CO Ltd
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: CN102486369B

Abstract

本发明公开了双逆可变电容器和电容式角位移传感器，包括两个联动的容量逆向变化的串联可变电容组，和连接两个串联可变电容组的脉冲宽度调制电路。每个串联可变电容组包括两个共用动片的容量同步变化的可变电容。电容动片转动时，一个串联可变电容组的动、定片的扇形电极耦合面积在增加，容量在增大；另一个串联可变电容组的动、定片的扇形电极耦合面积在减少，容量在减小。调制电路包括两个交替计数的计数器和一个控制计数器交替计数的触发器。两个串联可变电容组的容量逆向变化，在触发器的输出端产生占空比从0％到100％变化的矩形波。优点是：克服了检测元件由于温度变化引起的温度特性差的问题。

Description

双逆可变电容器及电容式角位移传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及角位移传感器。

将转动角度信号转换为脉冲宽度调制输出信号，特别适用于阀门定位器。

背景技术

一般来说，电容式角位移传感器用于测量转动部件相对于固定部件的转动角度，因其具有动态响应好、适应恶劣环境等优点而广泛应用于各种角度检测系统中。

其基本原理是：作为敏感元件的可变电容其电容值的大小与机械旋转角度成正比，转动部件旋转角度的变化导致可变电容动、定片有效耦合面积的不同，电容值的大小也不同。通过测量电容值的大小即可得到相对转动的角度。

现有的一种变面积电容式角位移传感器，由电容组件的机械装置和若干处理电路组成。传感器从角位移传动轮输入机械性的角位移变量，经过齿轮的传动使得电容器耦合面积的变化与输入角位移成线性变化的关系，达到输入角位移的变量通过机械传递来改变电容器容量变化的目的。电容器与相应的电路构成电信号充放电的处理系统，角位移的变量信号在积分放大电路的处理后输出相应函数的模拟电信号变量。

现有的变面积电容式角位移传感器，用于智能阀门定位器中时，由于其结构原因，存在以下明显弱点：

1.温度特性差：智能阀门定位器作为现场仪表，其使用环境恶劣，温度变化范围很大。位移传感器的敏感元件为单电容式，当温度变化导致电容极板面积的改变、动静极板间隙的变化或介电常数变化时，传感器的输出值也跟着变化。

2.回差大：传感器的旋转轴与电容动片采用齿轮传动，由于齿轮间存在间隙，所以存在回差。在小角度检测时，回差的影响很大。

3.结构复杂：有传动齿轮，电容动、定片交替排列的多层结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有变面积电容式角位移传感器的上述缺点，提供一种包括两个联动的容量逆向变化的串联可变电容组的双逆可变电容器及其电容式角位移传感器。

本发明为解决所述技术问题而采用的技术方案是：双逆可变电容器，包括两个联动的容量逆向变化的串联可变电容组；每个串联可变电容组包括两个共用动片的容量同步变化的可变电容。

电容器的结构为电容动片置于两个电容定片之间。两个电容定片的基板的相对电容动片的一面，分别覆有两块角位差120度，分布小于120度的扇形电极，并且两两重叠对应；电容动片的基板的两面，分别覆有两块角位差240度，分布小于120度的扇形电极，并且两两重叠对应，对应的扇形电极通过基板的过孔电连接。两块对应的两个电容定片的扇形电极，与两块对应的电连接的电容动片的扇形电极耦合成一个串联可变电容组；角位差120度的另两块对应的两个电容定片的扇形电极，与角位差240度另两块对应的电连接的电容动片的扇形电极耦合成另一个串联可变电容组。电容动片转动时，一个串联可变电容组的动、定片的扇形电极耦合面积在增加，容量在增大；另一个串联可变电容组的动、定片的扇形电极耦合面积在减少，容量在减小。

电容动片的扇形电极的大径小于电容定片的扇形电极的大径；电容动片的扇形电极的小径大于电容定片的扇形电极的小径。电容动片与电容定片之间设置有保持间隙一致性的固定薄片。电容动片通过插销周向固定在转轴上；当转轴的角度从-60到+60度变化时，两个串联可变电容组的容量从0％到100％和100％到0％逆向变化。

本发明进一步的技术方案是：电容式角位移传感器，包括两个联动的容量逆向变化的串联可变电容组和连接两个串联可变电容组的脉冲宽度调制电路。

脉冲宽度调制电路包括两个交替计数的计数器和一个控制计数器交替计数的触发器。计数器的内部集成有两个串联的非门，及顺序连接的施密特整形电路和分频器。两个串联可变电容组分别与两个计数器的输入端连接；每个串联可变电容组与计数器的串联非门及两个串联电阻组成多谐振荡器。两个计数器的输出端分别与触发器的置位端和复位端连接；两个串联可变电容组的容量逆向变化，在触发器的输出端产生占空比从0％到100％变化的矩形波。

与现有的电容式角位移传感器相比较，采用本发明技术方案的优点是：

(1)采用两个联动的容量逆向变化的串联可变电容组，克服了检测元件由于温度变化引起的温度特性差的问题，减小了温漂。

(2)传感器转轴与电容动片直接连接，克服了齿轮传动的回差。

(3)传感器结构简单、稳定性强、灵敏度好、线性度高。

(4)输出波形为占空比随角度线性变化的脉冲宽度调制(PWM)波形，后续电路简单。

(5)电容动定片采用印刷电路板制作，设计简单易于制造。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明双逆可变电容器的原理示意图。

图2为本发明双逆可变电容器的结构示意图。

图3为本发明双逆可变电容器的电容定片示意图。

图4为本发明双逆可变电容器的电容动片示意图。

图5为本发明双逆可变电容器的电容动片和定片叠合示意图。

图6为本发明双逆可变电容器的固定薄片示意图。

图7为本发明双逆可变电容器的结构分解图。

图8为本发明电容式角位移传感器的计数器的原理框图。

图9为本发明电容式角位移传感器的脉冲宽度调制电路图。

零部件名称：

1--调制电路板 2--隔离板 3--第一电容定片

4--电容动片 5--第二电容定片 6--下壳体

7--转轴 8--第一固定薄片 9--第二固定薄片

10--接线柱 11--输出接线柱 12--插销

13--定片覆铜电极 14-动片过孔 15-动片覆铜电极

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明一种可变电容器的结构原理，以及脉冲宽度调制输出型角位移传感器的实施例。

脉冲宽度调制输出型角位移传感器，包括两个联动的容量逆向变化的串联可变电容组和含有计数器、JK触发器的脉冲宽度调制电路。

每个串联可变电容组包括两个共用动片的容量同步变化的可变电容。可变电容器的转轴输入机械性的角位移变量，使得动片和定片的耦合面积的变化与角位移成线性变化的关系。角位移的变量信号经过计数器、JK触发器的处理后输出宽度随角位移线性变化的脉冲信号，即脉冲宽度调制信号。

如图2、图7所示，双逆可变电容器的主体结构包括：脉冲宽度调制电路板1，隔离板2，第一电容定片3、第二电容定片5，电容动片4，下壳体6，转轴7，第一固定薄片8，第二固定薄片9。电容动片4置于第一电容定片3和第二电容定片5之间。

如图3所示，第一电容定片3、第二电容定片5由印刷电路板制成，其基板的相对电容动片4的一面设置有两块角位差120度的扇形覆铜电极13a和13b，每块覆铜电极的分布小于120度。并且第一电容定片3上的两块扇形覆铜电极，与第二电容定片5上的位置对应的两块扇形覆铜电极完全重叠。每块覆铜电极通过过孔和信号线连接接线柱10，接线柱10穿过其它板件与调制电路板1电相连。

如图4所示，电容动片4也由印刷电路板制成，其基板的两面分别设置有两块角位差240度的扇形覆铜电极15a和15b，每块覆铜电极的分布小于120度。并且一个面上的两块扇形覆铜电极，与其背面上位置对应的两块扇形覆铜电极完全重叠。两个面上的重叠对应的覆铜电极分别通过动片基板的过孔14a、14b电连接。

第一电容定片3上的一块覆铜电极13a和电容动片4相对的覆铜电极15a耦合成一个可变电容；电容动片4背面重叠对应的覆铜电极和第二电容定片5上相对的覆铜电极耦合成另一个可变电容。两个容量同步变化的可变电容，通过电容动片的过孔14a，连接成第一串联可变电容组CX1。

第一电容定片3上的角位差120度的另一块覆铜电极13b和电容动片4相对的角位差240度的覆铜电极15b耦合成一个可变电容；电容动片4背面重叠对应的覆铜电极和第二电容定片5上相对的覆铜电极耦合成另一个可变电容。两个容量同步变化的可变电容，通过电容动片的过孔14b，连接成与第一串联可变电容组CX1的容量逆向变化的第二串联可变电容组CX2。

如图5所示，电容动片的扇形覆铜电极的大径小于电容定片的扇形覆铜电极的大径；电容动片的扇形覆铜电极的小径大于电容定片的扇形覆铜电极的小径。有利于提高线性度。

如图6、图7所示，第一固定薄片8置于第一电容定片3和电容动片4之间，第二固定薄片9置于第二电容定片5和电容动片4之间。固定薄片保持第一电容定片3和电容动片4之间，第二电容定片5和电容动片4之间的间隙的一致性。确保电容值不会因电容动片4转动时间隙不一致而引入误差，同时又可避免动片与定片之间的相互磨擦。

如图2、图7所示，转轴7上设有插销12用于周向固定电容动片4。转轴7转动时带动电容动片4转动，改变电容动片4覆铜电极与第一电容定片3、第二电容定片5覆铜电极的耦合面积，从而改变两个可变电容组的电容值，测量电容的变化量即可知道角度的变化量。

转轴7有效转动范围为附图5所示位置±60°，在此范围内，电容动片转动时，第一串联可变电容组CX1的电容动、定片的覆铜电极的耦合面积在增加(或减少)ΔS1，容量在增大(或减小)ΔCX1；第二串联可变电容组CX2的电容动、定片的覆铜电极的耦合面积在减少(或增加)ΔS2，容量在减小(或增大)ΔCX2。面积增加(或减少)量ΔS1等于面积减少(或增加)量ΔS2，即ΔS1＝ΔS2。当第一可变电容组CX1的电容动、定片的覆铜电极完全耦合(或退出耦合)时，第二可变电容组CX2的电容动、定片的覆铜电极退出耦合(或完全耦合)。

根据电容计算公式可推算出，第一可变电容组CX1和第二可变电容组CX2的电容值与转轴的转动角度成比例变化，电容变化量ΔCX1和ΔCX2相等，进一步可以知道CX1+ΔCX1+CX2-ΔCX2＝CX1+CX2，即两个可变电容组的电容值总和是一常数，不会随着转轴7的转动而改变。

脉冲宽度调制电路原理如图9所示，调制电路的两组输入端通过第一电容定片3和第二电容定片5上的接线柱10，分别与两个联动的容量逆向变化的第一串联可变电容组CX1和第二串联可变电容组CX2电连接。

脉冲宽度调制电路包括串联电阻R1、R2和R3、R4，两个交替计数的一号计数器U1和二号计数器U2，一个控制计数器交替计数的JK触发器U3等。每个计数器内部集成两个串联的非门，及顺序连接的施密特整形和分频器等电路。参考图8。

两个串联可变电容组分别与两个计数器的输入端连接。串联电阻R1、R2、第一串联可变电容组CX1和一号计数器U1内部的串联非门组成一个非门多谐振荡器；串联电阻R3、R4、第二串联可变电容组CX2和二号计数器U2内部的两个串联非门组成另一个非门多谐振荡器。

由非门多谐振荡器产生的正弦波信号，先经施密特整形电路整形后输出周期为T1的矩形波信号，再经分频器降低频率后输出周期为T2的矩形波信号，T2＝T1×8。

一号计数器U1的10脚和11脚间串接电阻R1和R2，9脚接第一串联可变电容组CX1的一端，第一可变电容组CX1的另一端接电阻R1和R2连接处。二号计数器U2的10脚和11脚间串接电阻R3和R4，9脚接第二可变电容组CX2的一端，第二可变电容组CX2的另一端接电阻R3和R4连接处。其中，R1＝R3，R2＝R4。

一号计数器U1的8分频输出端(7脚)接JK触发器U3的复位端(4脚)，一号计数器U1的复位端(12脚)接JK触发器输出端(2脚)。二号计数器U2的8分频输出端(7脚)接JK触发器U3的置位端(7脚)、二号计数器U2的复位端(12脚)接JK触发器Q输出端(1脚)。JK触发器U3的J输入端(6脚)、K输入端(5脚)和CLK(3脚)全部接地，其Q输出端和

输出端的状态完全由置位端(7脚)和复位端(4脚)控制。

当JK触发器U3的复位端(4脚)为高电平时，其Q输出端输出低电平，二号计数器U2开始计数；同时

输出端输出高电平，一号计数器U1停止计数并使其7脚输出低电平，即JK触发器U3的复位端(4脚)变为低电平。Q输出端继续输出低电平、

输出端继续输出高电平。

当二号计数器U2计数满8个矩形波以后，其7脚输出高电平，即JK触发器U3的置位端(7脚)变为高电平，JK触发器U3的

输出端输出低电平，一号计数器U1开始计数；Q输出端输出高电平，二号计数器U2停止计数并使其7脚输出低电平，即JK触发器U3的置位端(7脚)变为低电平。Q输出端继续输出高电平、

输出端继续输出低电平。

当一号计数器U1计数满8个矩形波以后，其7脚输出高电平，即JK触发器U3的复位端(4脚)变为高电平，然后，Q输出端输出低电平、

输出端输出高电平，二号计数器U2又开始计数。

脉冲宽度调制电路按上述循环工作，并在JK触发器U3的Q输出端和

输出端输出互补的矩形波。该波形通过脉冲宽度调制电路板上设置的输出接线柱11引出，由其它外部电路进行处理。

对于Q输出端上的矩形波，根据RC积分电路时间常数计算公式及上述分析可知，其高电平宽度T_H＝8×2.2×R2×CX1，其低电平宽度T_L＝8×2.2×R4×CX2，矩波形的周期T＝T_H+T_L＝8×2.2×R2×(CX1+CX2)，由于CX1+CX2为一常数，因此，Q输出端上的矩形波的周期T是固定的。矩形波的占空比D＝T_H/T，即D＝CX1/(CX1+CX2)。由于容值CX1的变化与转轴的角度变化是成比例的，因此矩波形的占空比D的变化与转轴的角度变化也是成比例的。当转轴的角度从-60到+60度变化时，Q输出端上的矩形波的占空比D从0％到100％变化，该波形即常说的脉冲宽度调制(PWM)波形。

本设计中，输出的脉冲宽度调制信号其占空比只与两个联动的容量逆向变化的串联可变电容组的扇形电极的耦合面积有关，当环境温度变化时，第一串联可变电容组CX1和第二串联可变电容组CX2的电容值同时发生变化，但占空比保持不变，输出信号同样不发生变化。

Claims

1.双逆可变电容器，其特征是：包括两个联动的容量逆向变化的串联可变电容组；每个串联可变电容组包括两个共用动片的容量同步变化的可变电容。

2.如权利要求1所述的双逆可变电容器，其特征是：所述电容器的结构为电容动片置于两个电容定片之间；

所述两个电容定片的基板的相对电容动片的一面，分别覆有两块角位差120度，分布小于120度的扇形电极，并且两两重叠对应；

所述电容动片的基板的两面，分别覆有两块角位差240度，分布小于120度的扇形电极，并且两两重叠对应，对应的扇形电极通过基板的过孔电连接；

两块对应的两个电容定片的扇形电极，与两块对应的电连接的电容动片的扇形电极耦合成一个串联可变电容组；角位差120度的另两块对应的两个电容定片的扇形电极，与角位差240度另两块对应的电连接的电容动片的扇形电极耦合成另一个串联可变电容组；

电容动片转动时，一个串联可变电容组的动、定片的扇形电极耦合面积在增加，容量在增大；另一个串联可变电容组的动、定片的扇形电极耦合面积在减少，容量在减小。

3.如权利要求2所述的双逆可变电容器，其特征是：所述电容动片的扇形电极的大径小于电容定片的扇形电极的大径；电容动片的扇形电极的小径大于电容定片的扇形电极的小径。

4.如权利要求2所述的双逆可变电容器，其特征是：所述电容动片与电容定片之间设置有保持间隙一致性的固定薄片。

5.如权利要求2所述的双逆可变电容器，其特征是：所述电容动片通过插销(12)周向固定在转轴(7)上；当转轴的角度从-60到+60度变化时，两个串联可变电容组的容量从0％到100％和100％到0％逆向变化。

6.电容式角位移传感器，其特征是：包括两个联动的容量逆向变化的串联可变电容组和连接两个串联可变电容组的脉冲宽度调制电路。

7.如权利要求6所述的角位移传感器，其特征是：所述脉冲宽度调制电路包括两个交替计数的计数器和一个控制计数器交替计数的触发器(U3)。

8.如权利要求7所述的角位移传感器，其特征是：所述计数器的内部集成有两个串联的非门，及顺序连接的施密特整形电路和分频器。

9.如权利要求8所述的角位移传感器，其特征是：所述两个串联可变电容组分别与两个计数器的输入端连接；每个串联可变电容组与计数器的串联非门及两个串联电阻组成多谐振荡器。

10.如权利要求9所述的角位移传感器，其特征是：所述两个计数器的输出端分别与触发器(U3)的置位端和复位端连接；两个串联可变电容组的容量逆向变化，在触发器(U3)的输出端产生占空比从0％到100％变化的矩形波。