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。同时可以用简单地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。