[实用新型]一种新型电容式电子水平角度仪

说明书

本实用新型属于角度测量仪器技术领域。

现有的电容式电子角度仪，采用水泡式电容传感器，如中国专利CN86202257。水泡式电容传感器是一个内装液体介质的密封玻璃容器，容器外面贴金属膜，形成两组电极，每组电极及容器中的介质构成一组电容器。在水平状态下，两电容器的极板间所含的液体介质量相等，电容量相等。当容器倾斜一定角度时，容器中的液体位置发生变化，使电容器极板间所含的液体介质发生改变，从而使两电容器的电容量不相等，形成一个电容差，此电容差的大小即反映倾斜角度的大小。通过变换器，把此电容差转换为电信号，经放大后，由显示器显示出角度值。然而，这种角度仪，对玻璃容器的内壁尺寸难以做到精确对称，在运行中难以达到高精度的要求，而且由于尺寸要求严，加工有一定难度，成本高。

本实用新型的目的在于提供一种采用动片式电容传感器的电子角度仪，以提高测量精度。

本实用新型包含动片式电容传感器A、C－V转换器B、放大器C、A／D转换器D及显示器E五部分，图1为其电路结构图。动片式电容传感器A为一密封容器，容器内可以装液体介质，也可以装气体介质，包含一组动片3、一组定片2、壳体1及转轴4。定片2装在壳体1上，动片3装在转轴4上，转轴4装在壳体1的轴承中，可以自由转动，定片2与壳体1之间以及动片3与转轴4之间以绝缘材料绝缘，动片3和定片2均有引线接出以与仪器电路相连接，壳体装在测量仪器的水平尺上。图2、图3为电容传感器的结构图。在图2中，可以看到，定片2为两块半圆形极板2a和2b，动片3为一个半园形极板，它们构成两个电容器C₁和C₂。在水平状态下，定片2a和2b所复盖的动片面积相等，均为园面积的1／4，C₁和C₂也相等。当传感器随水平尺倾斜角度θ时，动片3由于重力的作用角度不变，而定片2则随之倾斜θ角，于是定片2所复盖的动片3的面积发生改变，从而使C₁和C₂也发生变化。设动片3的半径为R，动片3与定片2之间的距离为d，电介常数为ε。在图3（b）所示的定片2转动了θ角的情况下。

定片2a所复盖的动片3的面积减少为：

S₁＝1／4·πR²－1／2·RL（L为θ角所对应的动片的弧长）

＝1／4·πR²－1／360·πR²θ＝1／360·πR²（90－θ）

与此相应，C₁电容减少为C₁＝1／360·πR²（90－θ）·ε／d＝K（90－θ）（K为常数，K＝πR²ε／360d）而定片2d所复盖的动片3面积增大，C₂电容增大为

C₂＝K（90＋θ）

这就相当于C₁和C₂形成两个可变电容，其等效电路如图3（c）所示。两电容量之差

C₂－C₁＝△C＝K（90＋θ）－K（90－θ）＝2Kθ

由此可见，电容量之差△C与倾斜角θ之间的关系为线性关系。常数K与参数R、ε、d有关，而这三个参数在运行中是不变的，故用动片式电容传感器来测量角度，可达到很高的精确度。

C－V转换器B可以采用脉冲调制电路，包含两个运算放大器和两个双稳态触发器。两个双稳态触发器的一个输入端分别与两个运算放大器的输出端相联，另一输入端分别与另一个双稳态触发器的输出端相连。每个双稳态触发器的输出端均通过一个充放电电阻分别与电容传感器A中的C₁和C₂相连接。当加入一个基准翻转电压之后，两个双稳态触发器便不断地触发翻转，从而输出一个方波脉冲，方波脉冲的宽度与充放电电路中的电阻和电容传感器中C₁、C₂的大小有关。当C₁、C₂随倾斜角 而改变时，即改变了双稳态触发器输出方波脉冲的占空比，从而使脉冲调制电路输出电压的有效值发生变化。

C－V转换器B输出的电压经放大器C放大后输至显示仪表，也可以经A／D转换器D转换为数字信号，由数字显示装置E显示角度值。

C－V转换器B也可以由三极管和电阻、电容构成。