[发明专利]电容式非接触角位置传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量旋转部件角位置的传感器，尤其涉及改进电容式角位置传感器的变容方式。本发明特别适用于需要频繁转动、手感舒适的场合，如游戏机的外围设备及调音设备。

技术背景

目前的角位置传感器有电阻式、旋转差动变压器式、光栅编码式和电容式。其中：

1、电阻式角位置传感器结构简单、制造成本低，适用的温度范围较宽，但是测量角度小于360°，不能用于连续转动的测量，输出信号信噪比较低，由于导电体有机械接触，手感差，使用寿命短。

2、旋转差动变压器式角位置传感器测量精度较高，对环境温度适应性强，温度变化范围广，但是测量范围窄，结构和制造工艺复杂，因此制造成本较高。

3、光栅编码器式角位置传感器响应快、精度高，但是受环境温度、振动和湿度条件的影响较大，且价格较贵。

4、目前的电容式角位置传感器的极板间距和介质固定，通过改变两个极板相互遮盖面积的大小来改变电容。它的优点是有一定的适应恶劣环境的能力，具有较高的精度和分辨率，但是由于其中的一个电容极板要与转动部件连接，因此传感角度和耐久性都受到限制。

发明内容

为了弥补当前电容式角位置传感器产品的不足，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角位置传感器。

本专利所采用的技术方案是：电容的极板平放在同一个平面上，极板的布局如图4所示，其中一块极板为主极板(M)，其四周环绕一个或多个分极板(图4中的A、B、C所示)，这样主极板(M)和每块分极板(A、B、C)分别构成了一个电容，这些电容构成了一个电容组。在极板平面的上方放置一个可转动的金属动片(4)(见图3)，在金属动片(4)转动时，金属动片(4)与位于其下方的主极板(M)的重合面积保持不变，而与位于其上方的分极板(图4中的A，B，C所示)的重合面积则因金属动片(4)的转动位置不同而发生改变。当分极板的上方没有金属动片(4)时，若忽略极板厚度，根据：

(C-电容值，ε-介电常数，s-重合面积，δ-极板间距)

可知，其电容值为零。当金属动片处于分极板上的某区域时，金属动片就和其下方的分极板组成了如图5所示的等效电路，设C_A为金属动片(4)与其下分极板A间的电容，C_L为金属动片与主极板(M)间的电容，当金属动片(4)转动α角度时，总电容的变化量ΔC＝ΔC_A+ΔC_L，由于金属动片(4)在转动过程中与主极板(M)重合面积不变，所以在金属动片(4)转动过程中，C_L为定值，即ΔC_L＝0，因此：

(ε-介电常数，R-金属动片(4)的半径，α-金属动片(4)转动的角度，δ-分极板A与金属动片(4)间的距离)

由上式可知，总电容的变化与金属动片(4)转动的角度成正比。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也同时做在装置内部，避免了其它信号源的干扰。目前这些电路已经非常成熟，有些单片机内部还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。

本专利通过可转动的金属动片(4)来改变极板间的介质，完全避免了带电体的相对运动，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栅编码器式角位置传感器，电器性能方面也与之接近，而成本却是光栅编码器式结构的二分之一。

附图说明

1.图1是传感器的剖视图。

2.图2是传感器的外形图。

3.图3是传感器的原理示意图。

4.图4是传感器的极板布局说明图。

5.图5是原理等效电路图。

具体实施方式

图1中，转轴(1)与隔离环(7)以及金属动片(4)铆合固定，其中隔离环(7)为非金属部件，起到隔离转轴(1)和动片(4)的作用，使两者不导通。轴套(2)与外壳(3)铆合固定。转轴(1)穿过轴套(2)，通过卡圈(8)轴向固定，使转轴(1)能在轴套(2)中自由转动而又不会滑脱。最后，将装有信号处理元件(9)的基板(10)通过外壳(3)铆合固定。金属动片(4)与极板间留有微小间隙，两者不能接触。

具体的工作方式为：信号处理电路首先检测基板(10)上每个分极板与主极板(M)构成的电容的电容值，根据每个电容值计算出相应的动片位置，并将结果信号通过端子(5)对外发送。