[发明专利]电容式非接触位置传感器

说明书

技术领域

本发明涉及用电信号指示可滑动部件所处位置的信号输出装置，即位置传感器。特别适用调音设备及游戏机外围设备。 

技术背景

目前的位置传感器有电阻式，光电式，电磁式和电容式。其中： 

1、电阻式传感器结构和制造工艺简单，价格低廉，但是由于导电体有机械接触，手感差，使用寿命短； 

2、光电式传感器响应速度快，精度高，由于其非接触特性，因此手感好，使用寿命长。缺点是受环境温度，湿度及震动影响较大，且价格昂贵，目前仅用于高端产品。 

3、电磁式传感器精度高，受环境影响小，温度适应范围宽广。但是测量范围狭窄，结构和制造工艺复杂，因此制造成本较高。目前仅用于有特殊要求的场合。 

4、电容式传感器环境适应性强，结构相对简单，精度略低于光电式。但由于其中的一个电容极板要与滑动部件连接，因此传感距离和耐久性都受到了限制。 

发明内容

为了弥补当前电容式传感器产品的不足，使此类产品即能达到精度高、手感好、寿命长，而价格又相对低廉，本专利提供了一款使用介质变容方式的电容式非接触位置传感器。 

本专利所采用的技术方案是：将电容的两个极板(8)(9)直接做在覆铜板上(如图2所示)，其中一块极板(9)占满整个行程，另一块极板(8)分成若干段，这样，极板(8)上的每一段(图3中的A，B，C，...)和长极板(9)都形成了一个电容，这些电容构成了一个电容组(图3)。覆铜板(也就是电容组)的上方放置一个可移动的金属滑块(4)，当铜块不在极板(8)上的某一分段时，在忽略极板厚度的情况下，两极板重合面积为零，根据： 

(C-电容值；ε-介电常数；s-重合面积，δ-极板间距) 

可知，其电容值也为零。当铜块处于极板(8)上的某一分段时，金属块就和其下方的电容板组成了如图4所示的等效电路，设C_A为金属块与其下方分段极板间的电容，C_L为金属块与长极板间的电容，当金属滑块在其上方移动了Δl的距离时，总电容的变化量ΔC＝ΔC_A+ΔC_L，由于极板(9)占满整个行程，金属块的宽度W也固定(见图5)，所以在整个滑动过程中，C_L为定值，即ΔC_L＝0，因此： 

(ε-介电常数；b-极板宽度，Δl-金属滑块移动距离，δ-板间距) 

由上可知，总电容的变化率与金属滑块移动距离成正比。根据以上结论，就可以通过单片机对每段电容进行检测、位置判定和输出。在本装置中，将电容检测电路、数据处理电路和信号输出电路同时做在多层线路板的背面，目前这些电路已经非常成熟，有些单片机内部甚至集成了其中的一些功能，因此随着电子技术的不断进步，电器成本会更加低廉，实现上述功能将会更加便捷。 

本专利通过多片电容极板的组合，可任意延长传感器的行程而几乎不需要增加成本。特别是将单片机引入传感器的内部结构中，使之成为一套机电一体化的独立机构，不需要任何外界电路的辅助就可进行线性或非线性(如指数型，对数型)输出。由于使用滑块上的金属来改变极板间的介质，完全避免了带电体的运动，成为真正意义上的非接触传感机构。在机械指标方面，其性能完全等同于光电式位置传感器，电器性能方面也与之接近，可对目前的调音台设备和游戏机设备中的相应部件进行完全替代，而成本却是光电结构的二分之一。 

附图说明

图1是电容式非接触位置传感器的外形图。 

图2是位置传感器的拆分结构图。 

图3是电容极板平面示意图。 

图4是电容的等效电路图。 

图5是原理示意图。 

具体实施方式

图2中，滑柄(2)与塑胶动子(3)固定为一体，塑胶动子(3)上固定一块金属片(4)，该金属片不予任何其它金属接触。两个滑杆(11)穿过塑胶动子(3)并由两个支架(10)固定，塑胶动子(3)可在滑杆(11)上自由滑动。基板(5)是一块多层线路板，在基板(5)的最上层做有金属极板(9)和多个分段的金属极板(8)，极板(8)的分段数可以根据行程任意分割。基板(5)内层和下层是信号处理的电路和电子原件(7)，此电路通过焊接在基板(5)上的端子(6)与外界连通，以上组件通过外壳(1)固定，组成一个位置检测及信号输出装置(如图1所示)。金属片(4)与基板(5)必须留有微小的间隙δ。 

具体的工作方式为：单片机首先检测极板(8)上每个分段的电容值，通过机构自带的单片机(7)根据每个电容值计算出相应的动子位置，并将结果通过数模转换将指示电压发送到端子(6)上。