[发明专利]双逆可变电容器及电容式角位移传感器

说明书

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