專利名稱：雙逆可變電容器及電容式角位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及角位移傳感器。將轉(zhuǎn)動角度信號轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制輸出信號，特別適用于閥門定位器。
背景技術(shù)：
一般來說，電容式角位移傳感器用于測量轉(zhuǎn)動部件相對于固定部件的轉(zhuǎn)動角度， 因其具有動態(tài)響應(yīng)好、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各種角度檢測系統(tǒng)中。其基本原理是作為敏感元件的可變電容其電容值的大小與機械旋轉(zhuǎn)角度成正比，轉(zhuǎn)動部件旋轉(zhuǎn)角度的變化導致可變電容動、定片有效耦合面積的不同，電容值的大小也不同。通過測量電容值的大小即可得到相對轉(zhuǎn)動的角度?，F(xiàn)有的一種變面積電容式角位移傳感器，由電容組件的機械裝置和若干處理電路組成。傳感器從角位移傳動輪輸入機械性的角位移變量，經(jīng)過齒輪的傳動使得電容器耦合面積的變化與輸入角位移成線性變化的關(guān)系，達到輸入角位移的變量通過機械傳遞來改變電容器容量變化的目的。電容器與相應(yīng)的電路構(gòu)成電信號充放電的處理系統(tǒng)，角位移的變量信號在積分放大電路的處理后輸出相應(yīng)函數(shù)的模擬電信號變量。現(xiàn)有的變面積電容式角位移傳感器，用于智能閥門定位器中時，由于其結(jié)構(gòu)原因， 存在以下明顯弱點1.溫度特性差智能閥門定位器作為現(xiàn)場儀表，其使用環(huán)境惡劣，溫度變化范圍很大。位移傳感器的敏感元件為單電容式，當溫度變化導致電容極板面積的改變、動靜極板間隙的變化或介電常數(shù)變化時，傳感器的輸出值也跟著變化。2.回差大傳感器的旋轉(zhuǎn)軸與電容動片采用齒輪傳動，由于齒輪間存在間隙，所以存在回差。在小角度檢測時，回差的影響很大。3.結(jié)構(gòu)復雜有傳動齒輪，電容動、定片交替排列的多層結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有變面積電容式角位移傳感器的上述缺點，提供一種包括兩個聯(lián)動的容量逆向變化的串聯(lián)可變電容組的雙逆可變電容器及其電容式角位移傳感器。本發(fā)明為解決所述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是雙逆可變電容器，包括兩個聯(lián)動的容量逆向變化的串聯(lián)可變電容組；每個串聯(lián)可變電容組包括兩個共用動片的容量同步變化的可變電容。電容器的結(jié)構(gòu)為電容動片置于兩個電容定片之間。兩個電容定片的基板的相對電容動片的一面，分別覆有兩塊角位差120度，分布小于120度的扇形電極，并且兩兩重疊對應(yīng)；電容動片的基板的兩面，分別覆有兩塊角位差240度，分布小于120度的扇形電極，并且兩兩重疊對應(yīng)，對應(yīng)的扇形電極通過基板的過孔電連接。兩塊對應(yīng)的兩個電容定片的扇形電極，與兩塊對應(yīng)的電連接的電容動片的扇形電極耦合成一個串聯(lián)可變電容組；角位差120度的另兩塊對應(yīng)的兩個電容定片的扇形電極，與角位差240度另兩塊對應(yīng)的電連接的電容動片的扇形電極耦合成另一個串聯(lián)可變電容組。電容動片轉(zhuǎn)動時，一個串聯(lián)可變電容組的動、定片的扇形電極耦合面積在增加，容量在增大；另一個串聯(lián)可變電容組的動、定片的扇形電極耦合面積在減少，容量在減小。電容動片的扇形電極的大徑小于電容定片的扇形電極的大徑；電容動片的扇形電極的小徑大于電容定片的扇形電極的小徑。電容動片與電容定片之間設(shè)置有保持間隙一致性的固定薄片。電容動片通過插銷周向固定在轉(zhuǎn)軸上；當轉(zhuǎn)軸的角度從-60到+60度變化時，兩個串聯(lián)可變電容組的容量從0%到100%和100%到0%逆向變化。本發(fā)明進一步的技術(shù)方案是電容式角位移傳感器，包括兩個聯(lián)動的容量逆向變化的串聯(lián)可變電容組和連接兩個串聯(lián)可變電容組的脈沖寬度調(diào)制電路。脈沖寬度調(diào)制電路包括兩個交替計數(shù)的計數(shù)器和一個控制計數(shù)器交替計數(shù)的觸發(fā)器。計數(shù)器的內(nèi)部集成有兩個串聯(lián)的非門，及順序連接的施密特整形電路和分頻器。兩個串聯(lián)可變電容組分別與兩個計數(shù)器的輸入端連接；每個串聯(lián)可變電容組與計數(shù)器的串聯(lián)非門及兩個串聯(lián)電阻組成多諧振蕩器。兩個計數(shù)器的輸出端分別與觸發(fā)器的置位端和復位端連接；兩個串聯(lián)可變電容組的容量逆向變化，在觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生占空比從0%到100% 變化的矩形波。與現(xiàn)有的電容式角位移傳感器相比較，采用本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點是(1)采用兩個聯(lián)動的容量逆向變化的串聯(lián)可變電容組，克服了檢測元件由于溫度變化弓I起的溫度特性差的問題，減小了溫漂。(2)傳感器轉(zhuǎn)軸與電容動片直接連接，克服了齒輪傳動的回差。(3)傳感器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強、靈敏度好、線性度高。(4)輸出波形為占空比隨角度線性變化的脈沖寬度調(diào)制(PWM)波形，后續(xù)電路簡(5)電容動定片采用印刷電路板制作，設(shè)計簡單易于制造。


本發(fā)明的

如下圖1為本發(fā)明雙逆可變電容器的原理示意圖。圖2為本發(fā)明雙逆可變電容器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明雙逆可變電容器的電容定片示意圖。圖4為本發(fā)明雙逆可變電容器的電容動片示意圖。圖5為本發(fā)明雙逆可變電容器的電容動片和定片疊合示意圖。圖6為本發(fā)明雙逆可變電容器的固定薄片示意圖。圖7為本發(fā)明雙逆可變電容器的結(jié)構(gòu)分解圖。圖8為本發(fā)明電容式角位移傳感器的計數(shù)器的原理框圖。圖9為本發(fā)明電容式角位移傳感器的脈沖寬度調(diào)制電路圖。零部件名稱1-調(diào)制電路板2—隔離板3—第一電容定片4一電容動片5—第二電容定片6—下殼體
7-轉(zhuǎn)軸8—第一固定薄片9一第二固定薄片10-接線柱11-輸出接線柱 12-插銷13-定片覆銅電極 14-動片過孔 15-動片覆銅電極
具體實施例方式下面結(jié)合附圖來進一步說明本發(fā)明一種可變電容器的結(jié)構(gòu)原理，以及脈沖寬度調(diào)制輸出型角位移傳感器的實施例。脈沖寬度調(diào)制輸出型角位移傳感器，包括兩個聯(lián)動的容量逆向變化的串聯(lián)可變電容組和含有計數(shù)器、JK觸發(fā)器的脈沖寬度調(diào)制電路。每個串聯(lián)可變電容組包括兩個共用動片的容量同步變化的可變電容。可變電容器的轉(zhuǎn)軸輸入機械性的角位移變量，使得動片和定片的耦合面積的變化與角位移成線性變化的關(guān)系。角位移的變量信號經(jīng)過計數(shù)器、JK觸發(fā)器的處理后輸出寬度隨角位移線性變化的脈沖信號，即脈沖寬度調(diào)制信號。如圖2、圖7所示，雙逆可變電容器的主體結(jié)構(gòu)包括脈沖寬度調(diào)制電路板1，隔離板2，第一電容定片3、第二電容定片5，電容動片4，下殼體6，轉(zhuǎn)軸7，第一固定薄片8，第二固定薄片9。電容動片4置于第一電容定片3和第二電容定片5之間。如圖3所示，第一電容定片3、第二電容定片5由印刷電路板制成，其基板的相對電容動片4的一面設(shè)置有兩塊角位差120度的扇形覆銅電極13a和13b，每塊覆銅電極的分布小于120度。并且第一電容定片3上的兩塊扇形覆銅電極，與第二電容定片5上的位置對應(yīng)的兩塊扇形覆銅電極完全重疊。每塊覆銅電極通過過孔和信號線連接接線柱10，接線柱 10穿過其它板件與調(diào)制電路板1電相連。如圖4所示，電容動片4也由印刷電路板制成，其基板的兩面分別設(shè)置有兩塊角位差240度的扇形覆銅電極1 和15b，每塊覆銅電極的分布小于120度。并且一個面上的兩塊扇形覆銅電極，與其背面上位置對應(yīng)的兩塊扇形覆銅電極完全重疊。兩個面上的重疊對應(yīng)的覆銅電極分別通過動片基板的過孔14a、14b電連接。第一電容定片3上的一塊覆銅電極13a和電容動片4相對的覆銅電極1 耦合成一個可變電容；電容動片4背面重疊對應(yīng)的覆銅電極和第二電容定片5上相對的覆銅電極耦合成另一個可變電容。兩個容量同步變化的可變電容，通過電容動片的過孔14a，連接成第一串聯(lián)可變電容組CXl。第一電容定片3上的角位差120度的另一塊覆銅電極13b和電容動片4相對的角位差240度的覆銅電極1 耦合成一個可變電容；電容動片4背面重疊對應(yīng)的覆銅電極和第二電容定片5上相對的覆銅電極耦合成另一個可變電容。兩個容量同步變化的可變電容，通過電容動片的過孔14b，連接成與第一串聯(lián)可變電容組CXl的容量逆向變化的第二串聯(lián)可變電容組CX2。如圖5所示，電容動片的扇形覆銅電極的大徑小于電容定片的扇形覆銅電極的大徑；電容動片的扇形覆銅電極的小徑大于電容定片的扇形覆銅電極的小徑。有利于提高線性度。如圖6、圖7所示，第一固定薄片8置于第一電容定片3和電容動片4之間，第二固定薄片9置于第二電容定片5和電容動片4之間。固定薄片保持第一電容定片3和電容動片4之間，第二電容定片5和電容動片4之間的間隙的一致性。確保電容值不會因電容動片4轉(zhuǎn)動時間隙不一致而引入誤差，同時又可避免動片與定片之間的相互磨擦。如圖2、圖7所示，轉(zhuǎn)軸7上設(shè)有插銷12用于周向固定電容動片4。轉(zhuǎn)軸7轉(zhuǎn)動時帶動電容動片4轉(zhuǎn)動，改變電容動片4覆銅電極與第一電容定片3、第二電容定片5覆銅電極的耦合面積，從而改變兩個可變電容組的電容值，測量電容的變化量即可知道角度的變化量。轉(zhuǎn)軸7有效轉(zhuǎn)動范圍為附圖5所示位置士60°，在此范圍內(nèi)，電容動片轉(zhuǎn)動時，第一串聯(lián)可變電容組CXl的電容動、定片的覆銅電極的耦合面積在增加(或減少)AS1，容量在增大(或減小)ACXl ；第二串聯(lián)可變電容組CX2的電容動、定片的覆銅電極的耦合面積在減少(或增加)Δ S2，容量在減小(或增大)Δ CX2。面積增加(或減少)量Δ Sl等于面積減少(或增加)量AS2，g卩ASl = AS2。當?shù)谝豢勺冸娙萁MCXl的電容動、定片的覆銅電極完全耦合(或退出耦合)時，第二可變電容組CX2的電容動、定片的覆銅電極退出耦合 (或完全耦合)。根據(jù)電容計算公式可推算出，第一可變電容組CXl和第二可變電容組CX2的電容值與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角度成比例變化，電容變化量ACXl和ACX2相等，進一步可以知道 CX1+ACX1+CX2-ACX2 = CX1+CX2，即兩個可變電容組的電容值總和是一常數(shù)，不會隨著轉(zhuǎn)軸7的轉(zhuǎn)動而改變。脈沖寬度調(diào)制電路原理如圖9所示，調(diào)制電路的兩組輸入端通過第一電容定片3 和第二電容定片5上的接線柱10，分別與兩個聯(lián)動的容量逆向變化的第一串聯(lián)可變電容組 CXl和第二串聯(lián)可變電容組CX2電連接。脈沖寬度調(diào)制電路包括串聯(lián)電阻Rl、R2和R3、R4，兩個交替計數(shù)的一號計數(shù)器Ul 和二號計數(shù)器U2，一個控制計數(shù)器交替計數(shù)的JK觸發(fā)器U3等。每個計數(shù)器內(nèi)部集成兩個串聯(lián)的非門，及順序連接的施密特整形和分頻器等電路。參考圖8。兩個串聯(lián)可變電容組分別與兩個計數(shù)器的輸入端連接。串聯(lián)電阻R1、R2、第一串聯(lián)可變電容組CXl和一號計數(shù)器Ul內(nèi)部的串聯(lián)非門組成一個非門多諧振蕩器；串聯(lián)電阻R3、 R4、第二串聯(lián)可變電容組CX2和二號計數(shù)器U2內(nèi)部的兩個串聯(lián)非門組成另一個非門多諧振蕩器。由非門多諧振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號，先經(jīng)施密特整形電路整形后輸出周期為Tl 的矩形波信號，再經(jīng)分頻器降低頻率后輸出周期為T2的矩形波信號，T2 = TlXS0一號計數(shù)器Ul的10腳和11腳間串接電阻Rl和R2，9腳接第一串聯(lián)可變電容組 CXl的一端，第一可變電容組CXl的另一端接電阻Rl和R2連接處。二號計數(shù)器U2的10腳和11腳間串接電阻R3和R4，9腳接第二可變電容組CX2的一端，第二可變電容組CX2的另一端接電阻R3和R4連接處。其中，Rl = R3，R2 = R4。一號計數(shù)器Ul的8分頻輸出端(7腳)接JK觸發(fā)器U3的復位端(4腳)，一號計數(shù)器Ul的復位端(12腳)接JK觸發(fā)器孬輸出端(2腳)。二號計數(shù)器U2的8分頻輸出端 (7腳)接JK觸發(fā)器U3的置位端(7腳)、二號計數(shù)器U2的復位端(12腳)接JK觸發(fā)器Q 輸出端(1腳)。JK觸發(fā)器U3的J輸入端(6腳)、K輸入端(5腳)和CLK(3腳)全部接地，其Q輸出端和0輸出端的狀態(tài)完全由置位端(7腳)和復位端(4腳)控制。當JK觸發(fā)器U3的復位端(4腳)為高電平時，其Q輸出端輸出低電平，二號計數(shù)器U2開始計數(shù)；同時β輸出端輸出高電平，一號計數(shù)器Ul停止計數(shù)并使其7腳輸出低電平， 即JK觸發(fā)器U3的復位端0腳)變?yōu)榈碗娖?。Q輸出端繼續(xù)輸出低電平、泛輸出端繼續(xù)輸出高電平。當二號計數(shù)器U2計數(shù)滿8個矩形波以后，其7腳輸出高電平，即JK觸發(fā)器U3的置位端(7腳)變?yōu)楦唠娖?，JK觸發(fā)器U3的歹輸出端輸出低電平，一號計數(shù)器Ul開始計數(shù)； Q輸出端輸出高電平，二號計數(shù)器U2停止計數(shù)并使其7腳輸出低電平，即JK觸發(fā)器U3的置位端(7腳)變?yōu)榈碗娖健輸出端繼續(xù)輸出高電平、泛輸出端繼續(xù)輸出低電平。當一號計數(shù)器Ul計數(shù)滿8個矩形波以后，其7腳輸出高電平，即JK觸發(fā)器U3的復位端0腳)變?yōu)楦唠娖?，然后，Q輸出端輸出低電平、泛輸出端輸出高電平，二號計數(shù)器 U2又開始計數(shù)。脈沖寬度調(diào)制電路按上述循環(huán)工作，并在JK觸發(fā)器U3的Q輸出端和G輸出端輸出互補的矩形波。該波形通過脈沖寬度調(diào)制電路板上設(shè)置的輸出接線柱11引出，由其它外部電路進行處理。對于Q輸出端上的矩形波，根據(jù)RC積分電路時間常數(shù)計算公式及上述分析可知， 其高電平寬度Th = 8 X 2. 2 X R2 X CXl，其低電平寬度 γ = 8 X 2. 2 X R4 X CX2，矩波形的周期 T = TH+TL = 8X2. 2XR2X (CX1+CX2)，由于CX1+CX2為一常數(shù)，因此，Q輸出端上的矩形波的周期T是固定的。矩形波的占空比D = TH/T，即D = CX1/(CX1+CX2)。由于容值CXl的變化與轉(zhuǎn)軸的角度變化是成比例的，因此矩波形的占空比D的變化與轉(zhuǎn)軸的角度變化也是成比例的。當轉(zhuǎn)軸的角度從-60到+60度變化時，Q輸出端上的矩形波的占空比D從0%到 100%變化，該波形即常說的脈沖寬度調(diào)制(PWM)波形。本設(shè)計中，輸出的脈沖寬度調(diào)制信號其占空比只與兩個聯(lián)動的容量逆向變化的串聯(lián)可變電容組的扇形電極的耦合面積有關(guān)，當環(huán)境溫度變化時，第一串聯(lián)可變電容組CXl 和第二串聯(lián)可變電容組CX2的電容值同時發(fā)生變化，但占空比保持不變，輸出信號同樣不發(fā)生變化。
權(quán)利要求
1.雙逆可變電容器，其特征是包括兩個聯(lián)動的容量逆向變化的串聯(lián)可變電容組；每個串聯(lián)可變電容組包括兩個共用動片的容量同步變化的可變電容。
2.如權(quán)利要求1所述的雙逆可變電容器，其特征是所述電容器的結(jié)構(gòu)為電容動片置于兩個電容定片之間；所述兩個電容定片的基板的相對電容動片的一面，分別覆有兩塊角位差120度，分布小于120度的扇形電極，并且兩兩重疊對應(yīng)；所述電容動片的基板的兩面，分別覆有兩塊角位差240度，分布小于120度的扇形電極，并且兩兩重疊對應(yīng)，對應(yīng)的扇形電極通過基板的過孔電連接；兩塊對應(yīng)的兩個電容定片的扇形電極，與兩塊對應(yīng)的電連接的電容動片的扇形電極耦合成一個串聯(lián)可變電容組；角位差120度的另兩塊對應(yīng)的兩個電容定片的扇形電極，與角位差240度另兩塊對應(yīng)的電連接的電容動片的扇形電極耦合成另一個串聯(lián)可變電容組；電容動片轉(zhuǎn)動時，一個串聯(lián)可變電容組的動、定片的扇形電極耦合面積在增加，容量在增大；另一個串聯(lián)可變電容組的動、定片的扇形電極耦合面積在減少，容量在減小。
3.如權(quán)利要求2所述的雙逆可變電容器，其特征是所述電容動片的扇形電極的大徑小于電容定片的扇形電極的大徑；電容動片的扇形電極的小徑大于電容定片的扇形電極的小徑。
4.如權(quán)利要求2所述的雙逆可變電容器，其特征是所述電容動片與電容定片之間設(shè)置有保持間隙一致性的固定薄片。
5.如權(quán)利要求2所述的雙逆可變電容器，其特征是所述電容動片通過插銷(12)周向固定在轉(zhuǎn)軸(7)上；當轉(zhuǎn)軸的角度從-60到+60度變化時，兩個串聯(lián)可變電容組的容量從 0%到100%和100%到0%逆向變化。
6.電容式角位移傳感器，其特征是包括兩個聯(lián)動的容量逆向變化的串聯(lián)可變電容組和連接兩個串聯(lián)可變電容組的脈沖寬度調(diào)制電路。
7.如權(quán)利要求6所述的角位移傳感器，其特征是所述脈沖寬度調(diào)制電路包括兩個交替計數(shù)的計數(shù)器和一個控制計數(shù)器交替計數(shù)的觸發(fā)器(U3)。
8.如權(quán)利要求7所述的角位移傳感器，其特征是所述計數(shù)器的內(nèi)部集成有兩個串聯(lián)的非門，及順序連接的施密特整形電路和分頻器。
9.如權(quán)利要求8所述的角位移傳感器，其特征是所述兩個串聯(lián)可變電容組分別與兩個計數(shù)器的輸入端連接；每個串聯(lián)可變電容組與計數(shù)器的串聯(lián)非門及兩個串聯(lián)電阻組成多諧振蕩器。
10.如權(quán)利要求9所述的角位移傳感器，其特征是所述兩個計數(shù)器的輸出端分別與觸發(fā)器(U； )的置位端和復位端連接；兩個串聯(lián)可變電容組的容量逆向變化，在觸發(fā)器(U3)的輸出端產(chǎn)生占空比從0%到100%變化的矩形波。
全文摘要
本發(fā)明公開了雙逆可變電容器和電容式角位移傳感器，包括兩個聯(lián)動的容量逆向變化的串聯(lián)可變電容組，和連接兩個串聯(lián)可變電容組的脈沖寬度調(diào)制電路。每個串聯(lián)可變電容組包括兩個共用動片的容量同步變化的可變電容。電容動片轉(zhuǎn)動時，一個串聯(lián)可變電容組的動、定片的扇形電極耦合面積在增加，容量在增大；另一個串聯(lián)可變電容組的動、定片的扇形電極耦合面積在減少，容量在減小。調(diào)制電路包括兩個交替計數(shù)的計數(shù)器和一個控制計數(shù)器交替計數(shù)的觸發(fā)器。兩個串聯(lián)可變電容組的容量逆向變化，在觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生占空比從0％到100％變化的矩形波。優(yōu)點是克服了檢測元件由于溫度變化引起的溫度特性差的問題。
文檔編號H01G5/38GK102486369SQ20101057374
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者傅宇晨, 梁運平, 袁敏勛 申請人:深圳萬訊自控股份有限公司