CN85100991A - 电容式位置传感器 - Google Patents

电容式位置传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN85100991A
CN85100991A CN198585100991A CN85100991A CN85100991A CN 85100991 A CN85100991 A CN 85100991A CN 198585100991 A CN198585100991 A CN 198585100991A CN 85100991 A CN85100991 A CN 85100991A CN 85100991 A CN85100991 A CN 85100991A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
resistance
receiving electrode
sender
sender electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN198585100991A
Other languages
English (en)
Other versions
CN85100991B (zh
Inventor
林文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xi'an shaanxi industrial automation instrument research institute
XIAN INSTRUMENT AND METER PLANT
Original Assignee
Xi'an shaanxi industrial automation instrument research institute
XIAN INSTRUMENT AND METER PLANT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xi'an shaanxi industrial automation instrument research institute, XIAN INSTRUMENT AND METER PLANT filed Critical Xi'an shaanxi industrial automation instrument research institute
Priority to CN198585100991A priority Critical patent/CN85100991B/zh
Priority to EP86104304A priority patent/EP0197462A1/en
Priority to JP61070644A priority patent/JPS62808A/ja
Priority to US06/846,604 priority patent/US4737699A/en
Publication of CN85100991A publication Critical patent/CN85100991A/zh
Publication of CN85100991B publication Critical patent/CN85100991B/zh
Expired legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2412—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap
    • G01D5/2415—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap adapted for encoders

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

用于位置检测或在记录仪表内作为位置反馈的电容式位置传感器的结构是一边由许多互相绝缘的矩形接收电极排成一行，另一边是一块菱形的发送电极。通过接收电极的高频电流整流后从对应的接点流过串联电阻，在串联电阻的两端产生输出电压。改变电阻的阻值可以改变输出电压的线性。按这样的方法把许多电极连在一起很容易得到高的输出精度。作为随动系统工作时，电容式位置传感器还可以提供直线电机需要的换向信号。

Description

本发明是属于用于记录仪表内作为位置反馈或其他长行程位置检测输出模拟信号的变面积式电容位置传感器。
已知的变面积电容式位置传感器是由一对差动电容器构成，电极形状精确度要求很高，同时相对运动的电极间的距离变化对输出精度也有很大影响，虽然由于做成差动电容器而得到一定补偿，但仍然不容易把输出精度提高到比0.5%更好。精度不易提高的原因是差动电容器只有一对，无法把多个差动电容器衔接起来得到连续的输出信号。此外，这类传感器都是线性输出，改变输出的线性度是很不方便的，不能满足非线性反馈的需要，例如在热电偶测量的记录仪表上。
本发明的任务是在不提高制造精度的基础上把位置传感器的输出精度提高一个等级。同时可以用简单的方法改变输出的线性度，其目的是，例如用在热电偶测量的记录仪表上作位置反馈，在非线性输出的情况下保持刻度尺和记录纸为等分刻度。
其任务是这样解决的：把一定长度的接收电极划分为许多小块，排成一行，互相绝缘，形成许多小块的接收电极。发送电极是比较短的，发送电极与接收电极之间保持一定间隙，每块接收电极顺次经整流二极管接到串联电阻的对应接点上，串联电阻的起点接参考点，终点是电压输出端。在发送电极上加上高频电压，就会有高频电流流过发送电极与接收电极。高频电流被整流成直流电流流过串联电阻至参考点，该电流在电阻上产生一定的电压降，在终点输出。直流电流的总电流是恒定值，所以当发送电极移动时，不是改变直流电流的总电流，而是改变几个接点流过的电流比例，其比例是依据接收电极与发送电极的电耦合面积的大小而定。于是，发送电极的移动就等效于改变了总电流流过的电阻阻值的大小，输出电压就随着发送电极的移动作连续变化。
本发明的优点在于，由于把长的接收电极分成了短的接收电极，每两个相邻的接收电极仍起着差动电容器的作用，虽然每一对差动电容器的精度都是不高的，但总的输出精度是很高的，故可以做到以低的制造精度得到高的输出精度。此外它和一般的模拟式位置传感器不同，它的绝对误差不随长度也就是说块数的增加而增加，长度愈长、划分的块数愈多，精度也愈高。
本发明的最佳实施方案：为了使流过串联电阻的电流是恒定值，不受各种影响而变化，例如由于发送电极与接收电极之间的距离不能保持恒定值;高频振荡器的电子元件参数发生变化;温度、湿度引起的变化等。需有一个电流自动稳定系统，它的反馈是由接收电极的高频电流的半波整流电流经滤波而形成的。它的控制对象是高频振荡器的输出电压的振幅。
接收电极是大小相同的矩形，互相绝缘，并尽可能互相靠近地十多块以上并排成一行。
串联电阻的阻值决定输出的线性。当串联电阻是由相等阻值的电阻构成时，输出电压与输出位置之间有线性关系;当串联电阻是由不相等的阻值的电阻构成时，输出电压和输入位置之间是非线性关系。故可以通过改变电阻阻值的方法得到各种非线性关系。
发送电极是以菱形为基础的，它的沿运动方向上的对角线长度约为被一个电阻所跨接的接收电极的中心距的偶数倍数。
发送电极采用菱形的优点是当串接电阻为不同阻值时，非线性的输出曲线是斜率逐渐变化的连续曲线，而不是折线组成的。虽然串联的电阻个数并不多，但输出曲线可以相当好地逼近理论值。
在0＜x＜b（图1）的范围内，输出电压Uout与位移X之间的关系是
Uout＝I［R0+ (R1)/2 + (R1)/(b) X+ (R2-R1)/(2b2) X2] （1）
I是通过R0的电流，是恒定值。当R1＝R2＝R3……时，（1）式成为：
Uout＝I[R0+ (R1)/2 + (R1)/(b) X] （2）
Uout和X是线性关系。当R1≠R2≠R3……时，Uout与X之间是非线性关系，而Uout对X的微商是线性关系：
(d)/(dx) Uout＝I[ (R1)/(b) + (R2-R1)/(b2) X] （3）
当发送电极向下一个接收电极过渡时，在b＜X＜2b范围内（1）式中应以R1+R0代替R0，以R2代替R1，R3代替R2，以此类推。
菱形发送电极沿运动方向对角线的尖端是经过修正的，略为加大、加长。这样当发送电极的端部从一个接收电极过渡到另一个接收电极时，可以把接缝和整流二极管延迟导通的影响减小到最低限度。
当由于某种需要接收电极的个数是串联的电阻的接点数的倍数时，发生了相邻接收电极之间有的跨接电阻有的不跨接电阻的不同情况，发送电极在接收电极间的过渡情况复杂起来。此时要把发送电极的菱形的两个边或四个边加上由三段折线组成的修正区（图4），修正区的中心位置在运动方向上与发送电极的中心线的距离等于相邻接收电极的中心距。这些修正都是为了克服某些影响精度的因素，所以，发送电极仍被视为菱形。
为了使运动部分与固定部分既无电的触点又无连接导线。向运动部分上的发送电极传送高频电压是通过支承轴与在轴上的绝缘轴套内壁的导电层构成的电容实现的。
电容式位置传感器的接收电极排列在扇形面上或圆柱面上，发送电极相应地装在与接收电极同轴转动的运动部分上与接收电极保持一个间隙。发送电极与接收电极的形状改变只需要归结到从笛卡尔座标转换为极座标或柱面座标。
在一个随动系统内与电容式位置传感器一起构成一个系统的直流电机所需的换向信号可以由位置传感器来提供，而不需要有一个专用的换向器。此时传感器的接收电极的中心距要由电机的换向要求来决定。为了使传感器承担起与位置检测无关的换向任务，接收电极的整流二极管分正向与负向两组，如负向整流电流送给串联电阻作位置检测之用，则正向整流电流就根据需要汇集到几根线上输出作为电机的换向信号。
本发明的实施例：图1所示为单纯的位置传感器，与发送电极有电耦合的接收电极产生的高频电流经反向整流二极管整流后经R0入参考点，其余接收电极都不通过电流，串联电阻上的全部电压降就是输出Uout。作为电流自稳定系统的反馈电压Ur是来自所有正向整流二极管的全部电流经电阻Rr产生的。电阻的个数与接收电极数相等，电阻R0是为了使起始端的输出电压成为规范值。所有的电阻与整流二极管的接点都接有滤波电容器。
高频电压向发送极传送的方法是把高频电压直接加在支承轴2（图2）上经运动部分上的轴套1内壁上的金属层所形成的电容作无接触传送。
图3所示是一个兼作电机换向器的电容式位置传感器，它用于记录仪表。行程是180毫米，接收电极的个数是28，这个数目是根据电机换向的需要而定的。串联电阻的个数是14。接收电极的负向整流电流每两路汇集到串联电阻的一个接点上。作为位置反馈时，线性误差＜0.1%。正向整流电流汇集到四根线上形成电机需要的UA……UD四个换向电压。正向整流电流的总电流流经Rr产生Ur作为电流自稳定系统的反馈电压，Us是该系统的给定电压，当Ur不等于Us时运算放大器的输出将改变高频振荡器的振幅，从而使电阻R0通过的电流成为恒定值。
改变线性度的串联电阻用插件的结构形式安装在位置传感器上，在同一种基本结构的位置传感器上仅仅通过更换插件就可以得到不同的线性度。

Claims (11)

1、一种用于记录仪表内的作为位置反馈或其他长行程位置检测其输出是模拟信号的变面积式电容位置传感器，其特征是一边由许多互相绝缘的接收电极靠在一起、排成一行，另一边是一块发送电极，发送电极与各接收电极之间的电容量随发送电极的位置而变化，各接收电极上由于发送电极上有高频电压而产生与该电容量成正比的高频电流被整流后，经由对应的接点流过串联电阻并流向一端，串联电阻两端的电位差将随发送电极的位置而变化。
2、如权利要求1所述的传感器，其特征是流过串联电阻的总电流是通过以与该总电流相等的反方向整流电流作为反馈的闭环控制系统稳定在恒定值。
3、如权利要求1所述的传感器，其特征是通过改变串联电阻的阻值可以使输出与位置的关系是线性的或非线性的。
4、如权利要求1所述的传感器，其特征是接收电极是大小相同的矩形。
5、如权利要求1所述的传感器，其特征是发送电极的形状是以菱形为基础的，菱形的发送电极在输出电压与位置的关系为非线性的时候输出电压曲线是曲率逐渐变化的连续曲线。
6、如权利要求1，5所述的传感器，其特征是菱形的发送电极在运动方向上的对角线长约等于被一个电阻所跨接的接收电极的中心距的偶数倍数。
7、如权利要求1，5所述的传感器，其特征是菱形的发送电极在运动方向上的两端是修正过的，以减小端部从一块接收电极向另一块接收电极过渡时产生的误差。
8、如权利要求1，5所述的传感器，其特征是当接收电极的个数是串联电阻接点数的倍数时，在以菱形为基础的发送电极的两个边或四个边上增添修正区以减小发送电极端部从一个接收电极向另一个接收电极过渡时输出信号所产生的误差。修正区的中心位置与发送电极的对称中心线沿运动方向的距离等于相邻接收电极的中心距。
9、如权利要求1所述的传感器，其特征是高频电压向运动的发送电极传送的方法是高频电压加在一根长支承轴上，通过轴与轴承套内壁的金属层构成的电容器用无接触的方式传送的。
10、如权利要求1，3，5所述的传感器，其特征是接收电极排成一条扇形面或圆柱面，接收电极和发送电极相应地按原来形状从笛卡尔座标变换为极座标或柱面座标。
11、在记录仪表或其他随动系统中与直线电机固定在一起的电容式位置传感器，其特征是电子换向直线电机的换向信号由电容式位置传感器的接收电极的高频电流整流成直流电流提供的。
CN198585100991A 1985-04-01 1985-04-01 电容式位置传感器 Expired CN85100991B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN198585100991A CN85100991B (zh) 1985-04-01 1985-04-01 电容式位置传感器
EP86104304A EP0197462A1 (en) 1985-04-01 1986-03-27 Capacitive position transducer
JP61070644A JPS62808A (ja) 1985-04-01 1986-03-28 容量性位置変換器
US06/846,604 US4737699A (en) 1985-04-01 1986-03-31 Capacitive position transducer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN198585100991A CN85100991B (zh) 1985-04-01 1985-04-01 电容式位置传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN85100991A true CN85100991A (zh) 1986-09-03
CN85100991B CN85100991B (zh) 1987-06-10

Family

ID=4791567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN198585100991A Expired CN85100991B (zh) 1985-04-01 1985-04-01 电容式位置传感器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US4737699A (zh)
EP (1) EP0197462A1 (zh)
JP (1) JPS62808A (zh)
CN (1) CN85100991B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100543573C (zh) * 2005-09-23 2009-09-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 位置辨别机构和应用其的镜头
CN105157732A (zh) * 2015-07-14 2015-12-16 程有信 一种多联多扇差动电容传感器系统装置
CN110100227A (zh) * 2016-12-20 2019-08-06 3M创新有限公司 网格电极
CN110806168A (zh) * 2018-08-06 2020-02-18 赫克斯冈技术中心 电容式距离传感器
CN112285519A (zh) * 2020-10-26 2021-01-29 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种二极管选通阵列中串联电阻及理想因子的测量方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USRE34741E (en) * 1986-04-04 1994-09-27 Mitutoyo Corporation Electrode structure for capacitance-type measurement transducers
US4959615A (en) 1988-05-31 1990-09-25 Micro Encoder, Inc. Electrode structure for capacitance-type measurement transducers
US4958115A (en) * 1988-11-28 1990-09-18 At&T Bell Laboratories Capacitively commutated brushless DC servomotors
DE4447295A1 (de) * 1994-11-10 1996-05-15 Siedle Horst Kg Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer jeweiligen örtlichen Position eines Körpers durch kapazitive Abtastung
DE102009019172A1 (de) * 2009-04-28 2010-11-04 Hengstler Gmbh Kapazitiver Drehsensor

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5412824B2 (zh) * 1972-04-20 1979-05-25
US3760392A (en) * 1972-05-15 1973-09-18 Allis Chalmers Capacitive position sensor
US3938113A (en) * 1974-06-17 1976-02-10 International Business Machines Corporation Differential capacitive position encoder
JPS53112769A (en) * 1977-03-14 1978-10-02 Hitachi Ltd Electrostatic capacity type displacement converter
CH651136A5 (de) * 1980-11-21 1985-08-30 Hans Ulrich Meyer Kapazitives laengen- und winkelmessverfahren.
US4386312A (en) * 1981-04-24 1983-05-31 Setra Systems, Inc. Linear capacitive sensor system

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100543573C (zh) * 2005-09-23 2009-09-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 位置辨别机构和应用其的镜头
CN105157732A (zh) * 2015-07-14 2015-12-16 程有信 一种多联多扇差动电容传感器系统装置
CN110100227A (zh) * 2016-12-20 2019-08-06 3M创新有限公司 网格电极
CN110806168A (zh) * 2018-08-06 2020-02-18 赫克斯冈技术中心 电容式距离传感器
CN110806168B (zh) * 2018-08-06 2021-09-28 赫克斯冈技术中心 电容式距离传感器、精密轴承、距离确定方法和机器可读载体
CN112285519A (zh) * 2020-10-26 2021-01-29 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种二极管选通阵列中串联电阻及理想因子的测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP0197462A1 (en) 1986-10-15
JPS62808A (ja) 1987-01-06
US4737699A (en) 1988-04-12
CN85100991B (zh) 1987-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN85100991A (zh) 电容式位置传感器
CN101384882B (zh) 物理量传感器
CN102103446B (zh) 位置指示器
EP0398901B1 (en) Interface circuit for linear variable differential transformer
US6133743A (en) Method and device for determining the respective geometrical position of a body by capactive sensing
JPH04273002A (ja) 容量センサ
CN2869768Y (zh) 一种基于电场合成原理的电容式线位移传感器
CN1247987A (zh) 一种电容检测电路及其应用
CN86106558A (zh) 栅形电容式位移传感器
CN1036748C (zh) 马达控制装置及包括这种马达控制装置的电动剃刀
CN1009028B (zh) 测量长度和角度用的电容性装置
JPH02501000A (ja) パルス成形器
CN1050421C (zh) 测量电缆导线在电缆包皮中位置的设备
Brasseur et al. Virtual rotor grounding of capacitive angular position sensors
CN1151521A (zh) 温度测量电路
JPH0672901B2 (ja) 静電容量−電圧変換回路
JPH0130086B2 (zh)
DE3011594A1 (de) Weg-frequenz-messgroessenwandler
CN2182994Y (zh) 高输出型压力传感器
CN2406223Y (zh) 长行程位置传感器
CN1033478A (zh) 电容式位置传感器
US5087894A (en) Monolithic interface circuit for linear variable differential transformers
CN2249453Y (zh) 霍尔电子电位器
CN210578446U (zh) 一种宽温高精确双限幅模块
US4934198A (en) Displacement and torque sensor using resistance element that is progressively shorted

Legal Events

Date Code Title Description
SE01 Entry into force of request for substantive examination
PB01 Publication
C06 Publication
C13 Decision
GR02 Examined patent application
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C19 Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee