專利名稱：一種新型電容式電子水平角度儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于角度測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域。
現(xiàn)有的電容式電子角度儀，采用水泡式電容傳感器，如中國(guó)專利CN86202257。水泡式電容傳感器是一個(gè)內(nèi)裝液體介質(zhì)的密封玻璃容器，容器外面貼金屬膜，形成兩組電極，每組電極及容器中的介質(zhì)構(gòu)成一組電容器。在水平狀態(tài)下，兩電容器的極板間所含的液體介質(zhì)量相等，電容量相等。當(dāng)容器傾斜一定角度時(shí)，容器中的液體位置發(fā)生變化，使電容器極板間所含的液體介質(zhì)發(fā)生改變，從而使兩電容器的電容量不相等，形成一個(gè)電容差，此電容差的大小即反映傾斜角度的大小。通過(guò)變換器，把此電容差轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大后，由顯示器顯示出角度值。然而，這種角度儀，對(duì)玻璃容器的內(nèi)壁尺寸難以做到精確對(duì)稱，在運(yùn)行中難以達(dá)到高精度的要求，而且由于尺寸要求嚴(yán)，加工有一定難度，成本高。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種采用動(dòng)片式電容傳感器的電子角度儀，以提高測(cè)量精度。
本實(shí)用新型包含動(dòng)片式電容傳感器A、C－V轉(zhuǎn)換器B、放大器C、A／D轉(zhuǎn)換器D及顯示器E五部分，

圖1為其電路結(jié)構(gòu)圖。動(dòng)片式電容傳感器A為一密封容器，容器內(nèi)可以裝液體介質(zhì)，也可以裝氣體介質(zhì)，包含一組動(dòng)片3、一組定片2、殼體1及轉(zhuǎn)軸4。定片2裝在殼體1上，動(dòng)片3裝在轉(zhuǎn)軸4上，轉(zhuǎn)軸4裝在殼體1的軸承中，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，定片2與殼體1之間以及動(dòng)片3與轉(zhuǎn)軸4之間以絕緣材料絕緣，動(dòng)片3和定片2均有引線接出以與儀器電路相連接，殼體裝在測(cè)量?jī)x器的水平尺上。圖2、圖3為電容傳感器的結(jié)構(gòu)圖。在圖2中，可以看到，定片2為兩塊半圓形極板2a和2b，動(dòng)片3為一個(gè)半園形極板，它們構(gòu)成兩個(gè)電容器C1和C2。在水平狀態(tài)下，定片2a和2b所復(fù)蓋的動(dòng)片面積相等，均為園面積的1／4，C1和C2也相等。當(dāng)傳感器隨水平尺傾斜角度θ時(shí)，動(dòng)片3由于重力的作用角度不變，而定片2則隨之傾斜θ角，于是定片2所復(fù)蓋的動(dòng)片3的面積發(fā)生改變，從而使C1和C2也發(fā)生變化。設(shè)動(dòng)片3的半徑為R，動(dòng)片3與定片2之間的距離為d，電介常數(shù)為ε。在圖3(b)所示的定片2轉(zhuǎn)動(dòng)了θ角的情況下。
定片2a所復(fù)蓋的動(dòng)片3的面積減少為S1＝1／4·πR2－1／2·RL(L為θ角所對(duì)應(yīng)的動(dòng)片的弧長(zhǎng))＝1／4·πR2－1／360·πR2θ＝1／360·πR2(90－θ)與此相應(yīng)，C1電容減少為C1＝1／360·πR2(90－θ)·ε／d＝K(90－θ)(K為常數(shù)，K＝πR2ε／360d)而定片2d所復(fù)蓋的動(dòng)片3面積增大，C2電容增大為C2＝K(90＋θ)這就相當(dāng)于C1和C2形成兩個(gè)可變電容，其等效電路如圖3(c)所示。兩電容量之差C2－C1＝△C＝K(90＋θ)－K(90－θ)＝2Kθ由此可見，電容量之差△C與傾斜角θ之間的關(guān)系為線性關(guān)系。常數(shù)K與參數(shù)R、ε、d有關(guān)，而這三個(gè)參數(shù)在運(yùn)行中是不變的，故用動(dòng)片式電容傳感器來(lái)測(cè)量角度，可達(dá)到很高的精確度。
C－V轉(zhuǎn)換器B可以采用脈沖調(diào)制電路，包含兩個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的一個(gè)輸入端分別與兩個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端相聯(lián)，另一輸入端分別與另一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端相連。每個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端均通過(guò)一個(gè)充放電電阻分別與電容傳感器A中的C1和C2相連接。當(dāng)加入一個(gè)基準(zhǔn)翻轉(zhuǎn)電壓之后，兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器便不斷地觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，從而輸出一個(gè)方波脈沖，方波脈沖的寬度與充放電電路中的電阻和電容傳感器中C1、C2的大小有關(guān)。當(dāng)C1、C2隨傾斜角而改變時(shí)，即改變了雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出方波脈沖的占空比，從而使脈沖調(diào)制電路輸出電壓的有效值發(fā)生變化。
C－V轉(zhuǎn)換器B輸出的電壓經(jīng)放大器C放大后輸至顯示儀表，也可以經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由數(shù)字顯示裝置E顯示角度值。
C－V轉(zhuǎn)換器B也可以由三極管和電阻、電容構(gòu)成。
在C－V轉(zhuǎn)換器B中，設(shè)置了調(diào)零電容C0和調(diào)整電阻R0，調(diào)零電容C0與電容傳感器A中的C1、C2并聯(lián)，調(diào)整電阻R0可以與充放電電阻并聯(lián)，也可以連接在兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端之間。當(dāng)將水平尺置于水平位置情況下，用C0和R0將儀器的指示調(diào)為0，即可用水平尺去測(cè)量被測(cè)件是否水平或者顯示與水平面之間的傾斜角；也可在被測(cè)件處于任一角度時(shí)調(diào)零，然后測(cè)量與該角度所形成的交角。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，便于攜帶，便于安裝在被測(cè)件上。
下面結(jié)合圖4所示的實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明C－V轉(zhuǎn)換器B采用脈沖調(diào)制電路，包含兩個(gè)運(yùn)算放大器IC3、IC4、兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC5、IC6，基準(zhǔn)電壓電源，以及R8、W3、D1和R9、W4、D2組成的充放電電路?；鶞?zhǔn)電壓電源輸出接到運(yùn)算放大器IC3及IC4的輸入端，IC3、IC4的另一輸入端與電容傳感器A中的C1、C2相連接。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC5的一個(gè)輸入端與IC3的輸出端相連，另一輸入端與IC6的輸入端相連接，其輸出端通過(guò)充放電電路R8、W3、D1與C1相聯(lián)接。IC6的一個(gè)輸入端與IC4的輸出端相連，另一輸入端端與IC5的輸出端相連接，其輸出端通過(guò)充電充放電電路R9、W4、D2與C2相連接。以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC5、IC6的輸出端之間的電壓為C－V轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。調(diào)零電容C0與C2并聯(lián)，調(diào)整電阻R0連接在兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端之間。為了保證輸出電壓與被測(cè)角度之間的關(guān)系為線性關(guān)系，基準(zhǔn)電壓電源采用以精密基準(zhǔn)電源為核心的穩(wěn)壓電路，輸出電壓為4－6伏。從C－V轉(zhuǎn)換器B輸出的信號(hào)電壓，經(jīng)過(guò)放大器C放大后，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出至數(shù)字顯示器顯示讀數(shù)。A／D轉(zhuǎn)換器為CMOS集成電路。顯示器E為液晶元件。儀器使用9V電池。
權(quán)利要求1.一種電容式電子水平角度儀，由電容傳感器A、C-V轉(zhuǎn)換器B、放大器C、A/D轉(zhuǎn)換器D、顯示裝置E組成，其特征在于其中的電容傳感器A為動(dòng)片式傳感器，由一組動(dòng)片3、一組定片2、殼體1及轉(zhuǎn)軸4組成，定片2裝在殼體1上，動(dòng)片3裝在轉(zhuǎn)軸4上，轉(zhuǎn)軸4裝在殼體上，動(dòng)片3以絕緣材料與轉(zhuǎn)軸4絕緣，定片2以絕緣材料與殼體1絕緣，動(dòng)片3與定片2之間保持一定的距離，構(gòu)成電容，殼體1為密封容器，內(nèi)可裝液體介質(zhì)，也可裝氣體介質(zhì)。
2.按照權(quán)利要求1所述的電子水平角度儀，其特征在于在電容傳感器A中電容的兩端并端一個(gè)調(diào)零電容器C0。
3.按照權(quán)利要求1所述的電子水平角度儀，其特征在于在C－V轉(zhuǎn)換器B的兩個(gè)輸出端上連接一個(gè)調(diào)整電阻R0。
4.按照權(quán)利要求1所述的電子水平角度儀，其特征在于C－V轉(zhuǎn)換器B的充放電電阻上并聯(lián)一個(gè)調(diào)整電阻R0。
專利摘要本實(shí)用新型由電容傳感器A、C-轉(zhuǎn)換器B、放大器C、A/D轉(zhuǎn)換器D、顯示裝置E組成。電容傳感器A采用動(dòng)片式電容傳感器，由動(dòng)片、定片、轉(zhuǎn)軸和外殼組成，其電容變化量與傳感器的傾斜角度之間為線性關(guān)系。本實(shí)用新型精度高，重量輕，攜帶方便，制造成本低，應(yīng)用范圍廣。
文檔編號(hào)G01B7/30GK2114139SQ92214099
公開日1992年8月26日 申請(qǐng)日期1992年1月17日 優(yōu)先權(quán)日1992年1月17日
發(fā)明者毛朝弟 申請(qǐng)人:國(guó)營(yíng)華川機(jī)械廠