專利名稱：電容式轉(zhuǎn)角傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是關(guān)于將一個290°以內(nèi)的轉(zhuǎn)角的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)自動控制中所使用的標準電流信號的裝置。
在工業(yè)自動控制中，諸如壓力，液位，溫度和流量這些非電量大多數(shù)都通過了機械轉(zhuǎn)換的方式，變成了指針的轉(zhuǎn)角運動，在現(xiàn)場的儀表盤上直接讀出指針的位置而確定其大小。如果要進行遠傳或控制調(diào)節(jié)，可以使用轉(zhuǎn)角傳感器將指針轉(zhuǎn)角的大小變成電信號，這個電信號在工業(yè)自動控制中規(guī)定了標準。在我國DDZ－Ⅱ型電動單元組合儀表的標準電流信號為0－10mA，DDZ－Ⅲ型為4－20mA。轉(zhuǎn)角傳感器可以裝在現(xiàn)場指示儀表中，與儀表的指針運動連接起來，要求它具有小型化，線性化，本質(zhì)安全型防爆等特點，供電方式有兩線制，三線制和四線制。
一種能實現(xiàn)上述目的的轉(zhuǎn)角傳感器是感應同步器式轉(zhuǎn)角傳感器。這種傳感器存在著制造復雜，成本高，量程的轉(zhuǎn)角范圍小，防爆等級低，只能做成隔爆式等缺點，這就限制了它的使用范圍，例如指針270°轉(zhuǎn)角的壓力表就不能使用。
本實用新型的目的是提供一種簡單的，實用的，用市售的標準元器件就可以實現(xiàn)將大角度轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成標準電流信號的轉(zhuǎn)角傳感器。這種傳感器可以兩線制、三線制，四線制供電和輸出，具有本質(zhì)安全防爆的特點，克服了感應同步器式傳感器存在的缺點，構(gòu)造簡單，容易制造，成本低，量程可達0－290°。
本實用新型是由可隨轉(zhuǎn)角線性變化的電容C1、C2，比較器，D觸發(fā)器，放大濾波全加器，電壓電流轉(zhuǎn)換器和恒流恒壓源等組成，全部裝置安裝在一個φ85×35mm的園盒中。
參看附圖對實用新型作詳細說明。


圖1是本實用新型的電路圖。
圖2是本實用新型的C1、C2動片和定片安裝位置圖。
圖3是本實用新型中電容C1、C2定片的示意圖。
圖4是本實用新型中電容C1、C2在零角度時扇形動片的位置。
圖5是本實用新型中電容C1、C2在最大角度扇形動片的位置。
圖6是本實用新型中電容C1、C2在小角度時A點、B點和C點的電壓波形圖，橫軸為時間t軸，縱軸為電壓V軸。
圖7是本實用新型電容C1、C2在大角度時A點、B點和C點的電壓波型圖，橫軸為時間t軸，縱軸為電壓V軸。
圖1中，假如上電后D觸發(fā)器的1Q端為高電位，這時通過R8對C2充電，C2兩端的電壓VC2開始升高，當高過參考電壓①時，比較器B2翻轉(zhuǎn)，輸出電位由低變高，1S端電位亦由低變高，從而使1Q端輸出高電位，1Q端電位同時由高變低，C2就通過D3開始放電。另一方面，1Q端變?yōu)楦唠娢坏耐瑫r通過R7對C1進行充電，當C1兩端的電壓VC1高過參考電壓①時，比較器B1翻轉(zhuǎn)，輸出由低電位變?yōu)楦唠娢唬?R端即變?yōu)楦唠娢唬捎贑2很快的放電，使1S端早已變?yōu)榈碗娢唬赃@時1Q端又回到高電位，1Q又變?yōu)榈碗娢?，C1放電，C2充電，又重復以上過程，周而復始，在A點就形成為一串方波。典型的實施例，R7＝R8＝1MΩ，供給比較器和D觸發(fā)器電源電壓的穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值5V，參考電壓①等于1.7V，動片為R＝31mm60°角的扇形，方波的高度為4.95V，頻率為150KC。C1容量大，A點方波的寬度就寬，C1容量小，A點方波的寬度就小，方波的寬度與C1的容量成正比。圖4表示電容C1和C2的動片所處零角度的位置，這時動片沿順時針方向轉(zhuǎn)動為角度增大的方向，由圖看出，這時C1容量最大，C2容量最小，因此A點的方波寬度最寬，這樣的方波被送入BG3的一支作為放大濾波全加器的運算放大器的負相端，經(jīng)C0和R3組成的濾波網(wǎng)絡濾除各次諧波，參考電壓②通過電阻R6在運算放大器的正相端形成參考電壓VB，正好和負相端送入的方波的直流分量相加而抵消，運算放大器的輸出為最小。圖6表示了動片在小角度時VA、VB和VC的波形。
當大角度時，圖5表示動片在最大角度290°時的位置，同圖4順時針方向為動片轉(zhuǎn)角增大的方向，這時A點方波的寬度最小，經(jīng)放大濾波全加器放大濾波后形成的直流分量也最小，但由于參考電壓VB的數(shù)值是固定不變的，經(jīng)運算放大器放大并與負相端形成的直流分量相減，兩者之差就形成了放大濾波全加器輸出最大電壓，該電壓送到由BG1、BG2和BG3的另一支運算放大器組成的電壓電流轉(zhuǎn)換電路形成恒流輸出20mA信號。圖7表示了動片在大角度時，VA、VB和VC的波形。當動片在0－290°之間變化時，A點方波的寬度在最大和最小之間變化，輸出電流即在0－20mA或4－20mA之間變化。電位器W1為輸出滿度調(diào)節(jié)電位器，W2為輸出零點調(diào)節(jié)電位器。典型的實施例W1＝150Ω電位器，W2＝56KΩ電位器。
本實用新型所用的電容C1和C2是由一個扇形動片和兩個特殊形狀的定片所組成，動片是用金屬片制造，例如使用合金鋁片，定片可用單面敷銅板經(jīng)腐蝕而制成。圖2表示了動片和定片的安裝位置。扇形動片(3)固定在與外殼(10)用軸承(2)結(jié)合的轉(zhuǎn)動軸(1)上，在動片的另一端裝有與其平衡的配重塊(7)，扇形動片的上下為形狀完全相同的兩個定片(9)，所以使用兩個定片是為了增大電容C1、C2的極板面積，從而增大其容量。動片和定片間有一定的間隙，動片在定片間可隨軸隨意轉(zhuǎn)動。動片通過游絲(6)和線路板(5)電路連接，定片由固定引線(4)和線路板電路連接，輸出和電源端子(8)用導線和線路板連接。定片的形狀是按照嚴格的數(shù)學模型而做出的。圖3表示了這種定片的形狀，圖中螺旋線是C1、C2的分界線，它是由公式
所確定，其中ρ為分界線上的點到圖心的距離，θ為分界線上的點與園心的連線離開極軸的角度，a和θo是由初始條件r、R和旋轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)角所確定的常數(shù)。典型的實施例如圖3中的初始條件θ＝0時ρ＝r＝7.5mm最大轉(zhuǎn)角θ＝2π時，ρ＝R＝31mm將以上條件代入公式列方程，即可求出a＝11.99981， θo＝0.3906374，公式就變成
根據(jù)這個公式即可確定轉(zhuǎn)角在0－2π之間各個不同角度時ρ的值，從而做出圖3的定片。圖3中θ增大的方向為逆時針。表1列出了符合上述初始條件，間隔15°角的ρ的值。
表1θρmmθρmm弧度×@`-;π;12角度弧度×@`-;π;12角度00°7.500000313195°23.373552115°9.692673614210°24.166523230°11.47370215225°24.934289345°13.01321516240°25.679110460°14.38894317255°26.402928575°15.64415518270°27.107426690°16.80587719285°27.7940727105°17.89232920300°28.4641598120°18.91648321315°29.1188309135°19.88796822330°29.75910310150°20.81415823345°30.38588711165°21.70085524360°31.00000112180°22.552716這樣形狀的定片與扇形動片所組成的C1、C2兩個電容，當動片按圖4圖5中順時針方向在其上轉(zhuǎn)動時，可以證明，角度增大，C1隨角度的增大而線性減小，C2隨角度的增大而線性增加，其增量和減量是相等的，這就保證了動片在轉(zhuǎn)角變化的過程中，A點方波的導通時間即寬度隨轉(zhuǎn)角而線性變化，但周期不變。
本實用新型為了達到兩線制傳輸?shù)哪康?，即電流輸入線兼信號輸出線，整個線路除末級BG1和BG2外，均通過BG6、R1和D1組成的恒流恒壓源供電。典型的實施例，比較器采用低功耗電壓比較器FX193，其電源電流0.4mA，D觸發(fā)器采用CC4013，電源電流小于0.2mA，BG3采用LM258，電源電流1mA，其余電路消耗電流小于0.5mA，總電流在2mA左右，恒流恒壓源限制電流在3.5mA，在零位時調(diào)節(jié)W2，使電源總電流調(diào)到準確的4mA上，在角度變化時，只引起包括未級基極電流在內(nèi)的各級電流的重新分配，而總的起始電流始終是4mA不發(fā)生變化。輸入角度的變化只引起末級BG1、BG2集電極輸出電流的改變。當末級輸出電流隨輸入信號由0－16mA變化時，電源總電流就準確地在4－20mA范圍內(nèi)變化，電源供電電流即為輸出電流信號，因此可以用兩線制供電并輸出信號。恒流源BG6的采用還使電源電壓發(fā)生較大變動時，對輸出電流不會產(chǎn)生影響。典型的實施例BG6采用場效應管6J7H，R1＝700Ω，D1采用LM336－5V標準穩(wěn)壓管，當電源電壓由15V變到30V時，輸出電流變化小于最大輸出的0.2％。圖1虛線表示了兩線制輸出時，外接負載RL和電源E的情況。
除兩線制與負載和電源連接外，本實用新型也可以采用三線制或四線制與負載和電源連接。例如供電電源由Z1、Z3接入，負載由Z1、Z2接入，電源線正極和一根負載線合用Z1，即為三線制。把Z1分成兩根線分別連接負載和電源正極即為四線制，兩種情況下的電流輸出可以調(diào)整到4－20mA，0－20mA，0－10mA，0－5mA等不同的標準信號。
為了使BG3輸出零點能夠向負方向調(diào)節(jié)，本實用新型在供電線路中設置了二極管D4，使線路地電位高于電源負極，這樣運放BG3負電源引腳接電源負極，就得到了0.6V左右的負電位。
本實用新型從輸出端和電源輸入端看，自感和自容極小，文末所述典型的實施例中，自感小于1mH，自容小于1nF，工作時最大供電電流小于25mA。在事故情況下由于加了限流電阻R0和R1，典型的實施例R0＝300Ω，R1＝700Ω，當電源電壓24V時，其短路電流不會超過120mA，因而整個線路具有本質(zhì)安全型防爆特點。
本實用新型一個典型的實施例參數(shù)歸納如下R0＝300Ω，R1＝700Ω，R2＝33Ω，R3＝1MΩR4＝200KΩR5＝1MΩR6＝200KΩR7＝1MΩR8＝1MΩR9＝5.1KΩR10＝5.1KΩR11＝5.1KΩR12＝5.1KΩR13＝10KΩR14＝5.1KΩR15＝100KΩR16＝100KΩW1＝100ΩW2＝56KΩC0＝0.1μfBG13DG6DBG23DA87ABG3LM258BG4FX193BG5C073BG63DJ7HD1LM336－5VD22CK22AD32CK22AD41N4002C1、C2動片采用合金鋁片R＝31mm，60°角的扇形，定片采用敷銅板腐蝕，r＝7.5mm，R＝31mm。
在這個實施例中，可達如下電氣指標1、供電電源DC12V－36V，危險場所最大24V。
2、重復誤差小于0.02％。
3、溫度影響誤差小于±0.5％／10℃4、線性誤差小于±1％。
5、角度變化范圍0－290°6、最大負載
RL＝ (VB)/(Imax) －450ΩVB供電電壓Imax輸出最大電流。
權(quán)利要求1.一種電容式轉(zhuǎn)角傳感器，由隨輸入轉(zhuǎn)角而線性變化的電容C1、C2，比較器，D觸發(fā)器，濾波放大全加器，電壓電流轉(zhuǎn)換器，恒流恒壓源等組成，其特征在于隨輸入轉(zhuǎn)角而線性變化的電容C1、C2和比較器B1、B2與D觸發(fā)器聯(lián)合作用，使A點輸出導通寬度隨輸入轉(zhuǎn)角而線性變化的方波，送入放大兼濾波的全加器，變?yōu)殡S輸入轉(zhuǎn)角而線性變化的直流電壓信號，再經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換器變?yōu)殡S轉(zhuǎn)角而線性變化的標準電流信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式轉(zhuǎn)角傳感器，其特征在于電容C1、C2由扇形動片夾在兩個完全相同的定片中所組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述電容式轉(zhuǎn)角傳感器，其特征在于電容C1、C2兩個定片中的每一個定片C1、C2極板的分界線是由公式
所確定，其中a和θo是由做成的定片的初始條件γ，R和最大轉(zhuǎn)角所確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式轉(zhuǎn)角傳感器，其特征在于在兩個比較器的負相端接參考電壓，正相端分別接電容C1、C2，依靠C1、C2的輪流充放電，使兩個比較器輪流輸出高低電位，從而使D觸發(fā)器的輸出端Q和Q周期性地呈現(xiàn)高電位和低電位，從而在A點得到一系列與C1的容量成正比例的方波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式轉(zhuǎn)角傳感器，其特征在于A點的電壓信號由BG3的一支運算放大器的負相端輸入，參考電壓由正相端輸入，并在運放的輸出端與負相端間接電容C0，從而將信號放大、濾波，與參考電壓進行加減用一支運算放大器完成，參考電壓通過電位器W2供給，W2兼輸出零點調(diào)節(jié)電位器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式轉(zhuǎn)角傳感器，其特征在于用場效應管BG6，電阻R1和標準穩(wěn)壓管D1組成恒流恒壓源供給除末級BG1、BG2以外的所有電路電流，使二根電源線中的起始電流為準確的4mA，電源線中超過4mA的電流的變化完全跟隨輸入轉(zhuǎn)角的變化而變化，因而可采用兩線制供電和輸出信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式轉(zhuǎn)角傳感器，其特征在于在電源供電回路的負極上串接一個二極管D4，使線路地電位高于電源負極電位，從而由單電源供電而取得了負電位，供運算放大器BG3負電源端使用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式轉(zhuǎn)角傳感器，其特征在于全部電路從輸出端和電源輸入端看，其自感和自容極小，自感小于1mH，自容小于1nF，又設置了限流電阻R0和R1，R0＝300Ω，R1＝700Ω，當用24V直流供電時，達到了本質(zhì)安全防爆的要求。
專利摘要電容式轉(zhuǎn)角傳感器是一個能將0-290°以內(nèi)的轉(zhuǎn)角的變化，轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)自動控制中所使用的電流信號的裝置。由能隨輸入轉(zhuǎn)角線性變化容量的電容C
文檔編號G01D5/12GK2082397SQ90203738
公開日1991年8月7日 申請日期1990年4月6日 優(yōu)先權(quán)日1990年4月6日
發(fā)明者張振中 申請人:張振中