CN2406223Y - 长行程位置传感器 - Google Patents

Abstract

长行程位置传感器属于电容式变面积长行程位置测量装置的技术领域。应用分块式的多电极电容式传感器相对误差较小,但在快速测量时二极管将快速轮流导通,工作电流控制系统频率响应跟不上就会有较大的动态误差。本设计采用了宽增益带宽积运算放大器控制工作电流使其解决。为解决运中电极缝隙不变,外壳采用了断面为矩形的空腔型材,接收电极附着于内表面,动电极运动时以两个对角为导轨,同时简化了结构。可用于压铸机的位置测量。

Description

长行程位置传感器

大搭本设计涉及电容式变面积长行程位置测量装置，特别是用于快速测量。

先有的电容式位置传感器(ZL85100991.3)及角位移变送器(ZL95215316.5)的电容接收电极为一串矩形电极，它有别于差动式位置传感器，因其多电极的结构获得高的精确度及好的稳定性。其优良性能主要依靠有工作电流自稳定系统。而工作电流实际是由高频电流经二极管整流得到的。在每一个电极上都接有一对二极管，当被测位置不断改变时，其所经过的每一个二极管都要经过从截止到导通再到截止的过程。由于发送电极比较短，每次只有三到四对二极管导通。因为二极管是一个很典型的非线性元件，它的正向导通电压随通过的电流变化。如果把工作电流稳定在一个水平上，于是发送电极上加的高频电压的振幅就要随发送电极的与接收电极的矩形块的相对位置的不同而变化，其周期正好是矩形块一块的宽度，振幅约为工作电流的3％。当行程加大相应地接收电极块数增多，动电极移动速度加大时，例如在压铸机上作行程测量，行程一般在0.5m以上，速度10m/s以上。这时工作电流变化的频率就会成数十倍甚至百倍地上升。在专利ZL95215316.5中为了满足输出电流为4-20mA，只能采用低功耗运算放大器，如LM324或LM358，其带宽较低，无法克服工作电流的快速变化，引起输出信号随之波动。此外，由于滤去高频交流分量而必不可少的滤波电路，使输出信号产生不可忽略的动态误差。

虽然多电极电容式位置传感器较之差动电容式或差动电感式传感器的缝隙变化更不敏感，但是对于长行程多电极电容式位置传感器缝隙变化还是产生误差的最重要的因素。一般解决这个问题的方法是加厚固定接收电极的基板，加粗固定发送电极运动杆，或将载有发送电极的运动件强压在与基板形成一体的导轨上，以防止由于变形而导致缝隙变化。这些方法都会导致传感器过于笨重。

本设计的目的是减小位置传感器在快速运动时产生的动态误差以及使电极间的缝隙变化小并简化结构。

本设计改电流输出为电压输出，这就允许采用功耗较大的运算放大器作为工作电流自稳定系统的放大器，例如LM353，其增益带宽积达40MHz。对于快速长行程测量可以有效地克服因二极管轮流导通而引起的工作电流波动。至于解决因滤波电路造成的动态误差的办法是在输出级的输入端设置微分电容器，使高速测量位置时的动态误差被大幅度地降低。

本设计在结构上采用型材作为传感器的外壳，型材内的两个对角作导轨，接收电极固定在内表面上，发送电极固定在运动件上，运动件在导轨上滑动，利用型材断面处处相同的特点，来保持发送电极与接收电极之间的缝隙不变，同时运动件与导轨间以极小的缝隙滑动。

本设计除了在电路上解决高速测量位置外，在结构上的优点也是很明显的型材内表面无需加工；运动件处于型材中心，拉力可以通过运动件的质量中心，拉杆加速度的存在不会转变为运动件对导轨的压力，可以以轻巧的结构承受大的加速度。此外型材一个零件兼有外壳、导轨等多种功能，即使型材产生一些变形也不会影响到电极间的缝隙而产生误差，对抗振动，减轻整机重量，简化结构大为有利。

附图的简要说明：

图1 电路图

图2 工作电流控制放大器的输出电压

图3 不正常工作时的工作电流

图4 整机外形图

图5 断面图

图6 接收电极

图7 发送电极

图8 传送电压的静电极

图9 传送电压的动电极

图1中给出的长行程位置传感器的发送电极11测量位置时越过接收电极12、13、14、15，二极管15 23轮流导通，经过电容器28滤波以后得到电流i，电流i经电阻31在放大器30的正相输入端产生电压。其反相输入端的电压是由稳压管32提供的，正常工作时放大器30的输出电压U1控制振荡器10的输出振荡电压使电流i被控制为恒定值，由于二极管非线性的影响，即使电极间的缝隙不变，加在发送电极11上的振荡电压也不是恒定振幅，而是随着越过一个一个电极其振幅作周期变化。放大器30的输出电压U1也是有明显的波动，见图2.当放大器30的增益带宽积较小时，例如型号LM358，在发送电极运动较快时，电压U1不能随着需要变化，则电流i将不是恒定的，见图3，这一波形将出现在输出电压Uout中，引起的误差可以达到百分之几。而当放大器采用高增益带宽积的运算放大器如LM353，则在发送电极11运动速度高达15m/s时，每秒越过约800块，电流i也仍然是恒定的。

放大器35的输入端接在与二极管20、21、22...联接的电阻网络24、25、26...的一端，接受位置信号经放大后在放大器35的输出端产生电压U₂施加给放大器40的正相输入端41，电压U₂由于经过多个滤波环节而有了时间滞后τ₁，其动态误差δ＝τ₁/T，T为以恒速运动时的全行程时间。全行程时间越短，动态误差越大。为了减小这一误差，在末级放大器40的反相输入端42与公共端43之间接有

电容器C，它使末级放大器40的输出电压Uout对电压U₂产生超前时间τ₂，

            τ₂＝C·R₁·R₂/(R₁+R₂)

当τ₂＝τ₁时，输出电压Uout的动态误差为零。

    图4为本长行程位置传感器的外形图，外壳50由矩形型材制成，露出一端的拉杆60依据被测行程作伸缩。在图5中载有测长用接收电极的基板70及载有传递电压用的静电极的基板80被分别固定在外壳50的两个内表面上，和拉杆60相连的运动件90凭借两端的滑块91、92在外壳50内的两对角上滑动，这两个对角形成了导轨，为了减小滑块91、92与导轨之间的磨擦，滑块的表面附着有低磨擦系数的塑料板材，如聚四氟乙烯。测长用的发送电极11的基板93和传递电压用的动电极95的基板96都固定在运动件90上，电极间各留有适当的缝隙，以保持合适的电容量。图6为接收电极的基板70，其上有接收电极12、13、14、15，它们是一块挨着一块共面地排成一行，与之相对的是位于基板93上的发送电极11，见图7。图8为静电极的基板80，其上有条状的静电极81，与之相对的是位于基板94上的动电极95，在发送电极11与动电极95之间有一根导线96，导线96的两端各焊在两个基板背面的焊盘上，焊盘分别通过两个金属化孔97、98与发送电极11及动电极95导通。

在静电极81上施加高频电压，利用其与动电极95间的耦合电容将高频电压通过导线96传送到发送电极11上，在发送电极11与接收电极12、13、14、15之间形成电容耦合，通过与接收电极相连接的电路产生与发送电极11所在位置成比例的信号。

Claims (4)

1.一种长行程位置传感器，其原理为电容式，其构成是：发送电极为一块，接收电极由多个矩形电极共面地排成一行，每一块接收电极接有一对二极管，每对二极管中的一只的另一端分别接到一个串接电阻构成的电阻网络的相应接点，每对二极管中的另一只的另一端接到一根工作电流反馈线上，该反馈线的一端接在一个控制放大器的输入端，工作电流流过一个精密电阻(31)产生的电压降与基准电压在控制放大器的输入端比较，控制放大器的输出端接振荡器，并向振荡器提供电源，振荡器的输出端接发送电极，向发送电极提供受控的高频电压，上述电阻网络的一端接参考点，电阻网络的另一端经电压放大器(35)放大后传送到末级放大器的正相输入端，其特征是上述控制放大器为增益带宽积额定值达到40MHz的运算放大器。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征是在末级放大器的反相输入端与公共端之间接一个电容器，以补偿传感器在高速时的动态误差。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征是外壳由一个断面为矩形空腔的型材制成，载有上述接收电极的基板被固定在型材的内表面上，载有上述发送电极的运动件则以型材内的两个对角为导轨。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征是上述运动件与上述导轨相接触的部分附着有低磨擦系数的塑料板材。

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