專利名稱：短行程位置變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本設(shè)計(jì)涉及電容式變面積位置檢測(cè)裝置。
先有的電容式位移變送器(ZL95215316.5)的電容接收電極為一串矩形電極，它有別于差動(dòng)式位置傳感器，因其多電極的結(jié)構(gòu)獲得高的精確度及好的穩(wěn)定性。但其輸出信號(hào)只有4～20mA一種，在許多應(yīng)用場(chǎng)合下，如DDZ-S系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋?zhàn)兯推饕?～20mA與0～10mA兩種制式兼容。而通常0～10mA信號(hào)輸出的最小極限是0mA，在零點(diǎn)附近沒(méi)有負(fù)值出現(xiàn)將很難把零值與負(fù)值區(qū)分開來(lái)，對(duì)于零點(diǎn)調(diào)整會(huì)造成困難。多電極電容式位置變送器是變面積式，由于工藝原因電極間的縫隙不能任意減小，故其最小行程受到一定限制。對(duì)于10mm以下行程維持1％的精確度有一定難度。又如DDZ-S系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋?zhàn)兯推饕罂傂谐虨?0mm，有效行程為8mm，零點(diǎn)遷移達(dá)到150％，這對(duì)保持位置測(cè)量的精確度也相當(dāng)不利。本設(shè)計(jì)的目的是要解決以上困難。
本設(shè)計(jì)變送器在擴(kuò)大調(diào)整范圍的情況下使4～20mA與0～10mA兩種制式兼容。在輸出端設(shè)置了一個(gè)產(chǎn)生一定大小的吸收電流的電路，當(dāng)主控制電路提供的電流小到不足以克服該吸收電流的時(shí)候，輸出電流呈現(xiàn)負(fù)值，這樣就解決了0～10mA制式的零點(diǎn)調(diào)整問(wèn)題。針對(duì)行程太短所造成的不利是利用杠桿原理將一個(gè)直線的短行程轉(zhuǎn)變?yōu)閳A弧上的長(zhǎng)行程。因?yàn)樵诠ぷ鲿r(shí)電容極片間不產(chǎn)生附加力，不會(huì)造成推力上的問(wèn)題。直線行程轉(zhuǎn)變?yōu)閳A弧后產(chǎn)生的正弦誤差可以通過(guò)調(diào)整與接收電極相接的一串電阻的阻值來(lái)消除。至于總行程比有效行程大的情況，如果采用加長(zhǎng)接收電極的長(zhǎng)度將會(huì)減少接收電極及其他器件的利用率并降低精確度?？紤]到零點(diǎn)遷移的調(diào)整是由用戶進(jìn)行的，因此在位置輸入的推桿上設(shè)置了一種機(jī)構(gòu)，它可以方便地精調(diào)零點(diǎn)，然后再細(xì)調(diào)位置變送器內(nèi)的零點(diǎn)電位器及量程電位器，以達(dá)到正確值。如此設(shè)計(jì)的變送器有高的精確度，好的穩(wěn)定性及長(zhǎng)的壽命。
附圖的說(shuō)明

圖1 電路圖圖2 傳動(dòng)示意圖圖3 扇面分布的接收電極圖4 機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整機(jī)構(gòu)圖1中電阻2、穩(wěn)壓管4、6構(gòu)成一個(gè)分壓器，端子1與7之間為外加電源，端子7為0V，結(jié)點(diǎn)5為6.8V，結(jié)點(diǎn)3為9.3V。端子1為24V。電路10為多電極電容測(cè)量裝置，它包括發(fā)送電極11，接收電極80，接收電極每一塊接一對(duì)二極管，每對(duì)二極管中的一只的另一端分別接到一個(gè)串聯(lián)電阻構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)結(jié)點(diǎn)，每對(duì)二極管中的另一只的另一端接到一根工作電流反饋線上，工作電流I0經(jīng)結(jié)點(diǎn)12流過(guò)電阻21產(chǎn)生電壓加在放大器20的輸入端22上，放大器20通過(guò)振蕩器23改變發(fā)送電極11上振蕩電壓使電流I0改變，當(dāng)結(jié)點(diǎn)22上的電壓等于結(jié)點(diǎn)5上的電壓時(shí)，工作電流I0就被穩(wěn)定在一個(gè)恒定值上。電容器24、25及電阻26都是為了保證放大器20穩(wěn)定工作必不可少的。工作電流I0為I0=U1R1]]>其中U1為結(jié)點(diǎn)3與結(jié)點(diǎn)5之間的電壓差。電阻網(wǎng)絡(luò)的一端接參考點(diǎn)5，與位置響應(yīng)的電流I1從電阻網(wǎng)絡(luò)的另一端13流出經(jīng)電阻32向放大器30的輸入端31提供電壓，放大器30和晶體管34、35及相關(guān)元件構(gòu)成功率放大器。放大器30控制晶體管35的集電極電流，此電流經(jīng)功率放大器輸出端36流過(guò)負(fù)載電阻37構(gòu)成輸出電流I2。電流I2還經(jīng)結(jié)點(diǎn)38流過(guò)與電阻37串接的反饋電阻39，電阻39兩端產(chǎn)生的電壓U2通過(guò)電阻41、42、電位器43加在放大器40的反相輸入端45，電位器44向放大器40的正相輸入端46提供電壓，在其共同作用下放大器40的輸出端47產(chǎn)生電壓U3，電壓U3是由輸出電流I2決定的，也就是電壓U3被放大器30所控制。在穩(wěn)定狀態(tài)下放大器30的輸入端31與結(jié)點(diǎn)5等電位，也就有關(guān)系U3＝I1×R2于是輸出電流I2由多電極電容測(cè)量裝置的輸出電流I1所決定，它們之間有一個(gè)確定的關(guān)系。電位器44用于輸出電流I2的零點(diǎn)調(diào)節(jié)，電位器43用于量程調(diào)節(jié)。
晶體管35只能向負(fù)載電阻37提供正向輸出電流，在輸出為制式0～10mA時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確辨別零點(diǎn)。在功率放大器輸出端36與端子7之間接有一只晶體管50，在晶體管50的基極與結(jié)點(diǎn)5之間接有一只電阻51，于是晶體管50的集電極就對(duì)輸出端36提供一個(gè)基本固定的吸收電流I3。當(dāng)晶體管35向輸出端36提供的電流小于電流I3時(shí)輸出電流I2將呈現(xiàn)負(fù)值，于是電流的零點(diǎn)就變得清晰可辨。吸收電流I3的存在不會(huì)影響輸出電流I2與電壓U2之間的關(guān)系，所以它不會(huì)影響輸出電流I2的精確度。吸收電流I3只要取一個(gè)可辨別的相當(dāng)小的值即可，如0.5mA。
短行程位置變送的傳動(dòng)示意圖見圖2，頂桿60在基座61、62的孔中滑動(dòng)，露出的端頭63是行程測(cè)量頭。當(dāng)有外部物體推頂端頭63時(shí)，頂桿60后退。擋塊64以螺紋固定在頂桿60上，擋塊64上有槽65卡在止轉(zhuǎn)銷66上，它使擋塊64只能前進(jìn)、后退，而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。彈簧67頂在擋塊64上能使之復(fù)位。曲臂71固定在轉(zhuǎn)軸70的一端，動(dòng)極板72固定在轉(zhuǎn)軸70的另一端，轉(zhuǎn)軸70在軸承73中轉(zhuǎn)動(dòng)。銷子74固定在曲臂71上，同時(shí)靠在擋塊64上。擋塊64推動(dòng)銷子74使轉(zhuǎn)軸70轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)極板72轉(zhuǎn)動(dòng)。拉簧76使曲臂71上的銷子74緊靠在擋塊64上，以消除轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的間隙。動(dòng)極板72與定極板75之間有一定間隙。動(dòng)極板72隨轉(zhuǎn)軸70轉(zhuǎn)動(dòng)，使動(dòng)極板72背面的發(fā)送電極11與接收電極80之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于銷子74的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑小于發(fā)送電極11的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，所以行程得到了放大，端頭63的較短的直線運(yùn)動(dòng)變成了較大的弧線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)變成弧線運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生正弦誤差。修正正弦誤差的方法是改變電容測(cè)量裝置10中的電阻的阻值。設(shè)扇面形接收電極80的幾何中心為0°，分成8塊，每一塊電極的節(jié)距為角度α(見圖3)，各電阻的相對(duì)阻值如下R6=2kSinα2]]>R5=kSin3α2-R62---R7=R5]]>R4=kSin5α2-R62-R5---R8=R4]]>R3=kSin7α2-R62-R5-R4---R9=R3]]>電阻R3～R9的絕對(duì)值不影響線性誤差，其相對(duì)值是影響線性誤差的。電阻值經(jīng)過(guò)修正，其正弦誤差幾乎可以忽略不計(jì)。
頂桿60上的調(diào)零點(diǎn)機(jī)構(gòu)見圖4，調(diào)節(jié)桿69被固定在基座61上，可以轉(zhuǎn)動(dòng)。銷子68插在頂桿60中，銷子68的兩端可以在調(diào)節(jié)桿69的槽中滑動(dòng)。當(dāng)頂桿60已經(jīng)被外部物體頂住的時(shí)候，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿69，頂桿60隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。擋塊64因其槽卡在止轉(zhuǎn)銷66上不能隨頂桿60轉(zhuǎn)動(dòng)，因螺紋的作用擋塊64將沿頂桿60的軸向移動(dòng)，動(dòng)極板72也將隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)零點(diǎn)的作用。調(diào)節(jié)桿69調(diào)零點(diǎn)的范圍超過(guò)端頭63的有效行程好幾倍，因此可以實(shí)現(xiàn)大范圍的零點(diǎn)遷移。電容測(cè)量裝置測(cè)量的是有效行程，機(jī)械調(diào)零裝置不會(huì)因調(diào)零對(duì)電容測(cè)量裝置帶來(lái)附加誤差。
權(quán)利要求1.一種短行程位置變送器，其原理為多電極電容式，其構(gòu)成是發(fā)送電極(11)為一塊，接收電極(80)由多個(gè)矩形電極共面地排成一行，每一塊接收電極有一對(duì)二極管，每對(duì)二極管中的一只的另一端分別接到一個(gè)串接電阻構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)結(jié)點(diǎn)，每對(duì)二極管中的另一只的另一端分別接到一根工作電流反饋線上，上述電阻網(wǎng)絡(luò)的一端接參考點(diǎn)(5)，電阻網(wǎng)絡(luò)的另一端(13)接未極功率放大器的輸入端(31)，末極功率放大器向輸出端(36)提供輸出電流；其特征在于輸出端有由一只晶體管(50)及一只電阻(51)構(gòu)成的吸收電流電路，晶體管的集電極接在輸出端的正極性端子(36)上，發(fā)射極接在電源負(fù)端(7)，電阻(51)的一端接在基極上，另一端接在比電源負(fù)端高一個(gè)固定電位的結(jié)點(diǎn)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征是接收電極(80)呈扇形分布，發(fā)送電極(11)所依附的動(dòng)極板(72)固定在一根轉(zhuǎn)軸(70)上，轉(zhuǎn)軸上還固定有一個(gè)銷子(74)，銷子靠在與頂桿(60)結(jié)合在一起的擋塊(64)上，頂桿隨外部物體運(yùn)動(dòng)，使發(fā)送電極(11)作弧線運(yùn)動(dòng)，發(fā)送電極(11)與接收電極(80)保持一定間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變送器，其特征是頂桿(60)與擋塊之間為螺紋結(jié)合，擋塊上有槽(65)，槽跨在止轉(zhuǎn)銷(66)上，頂桿尾部有可以被手動(dòng)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造(69)。
專利摘要短行程位置變送器屬于電容式位移測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域。輸出端有一個(gè)產(chǎn)生吸收電流的電路,對(duì)電流零點(diǎn)的調(diào)整提供了便利條件,可用于4～20mA及0～10mA兩種制式。變送器有一個(gè)外露的頂桿,受壓時(shí)產(chǎn)生位移,變送器內(nèi)有一個(gè)位移放大裝置,使極板的移動(dòng)放大若干倍,可對(duì)10mm以內(nèi)的小行程進(jìn)行高精度測(cè)量,頂桿的尾部有機(jī)械調(diào)零裝置,其調(diào)整范圍為有效行程的數(shù)倍,它克服了多電極電容式變送器在零點(diǎn)遷移過(guò)大時(shí)影響測(cè)量精度的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01B7/30GK2406219SQ99255008
公開日2000年11月15日 申請(qǐng)日期1999年11月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月23日
發(fā)明者林文, 李野 申請(qǐng)人:林文