ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 1996 года по МПК G01L1/14 

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может найти широкое применение в области измерения механических величин: усилий, масс, давлений и т.д.

В последнее время большой интерес приобретают емкостные датчики механических величин, обладающие потенциально более высокой точностью, чем наиболее распространенные в настоящее время тензорезисторные преобразователи усилий [1]
Достоинства емкостных датчиков обусловлены трехэлектродной конструкцией в схемах емкостных делителей напряжения, позволяющей за счет линеаризации характеристики работать при больших модуляциях зазора и обладающей высокой помехоустойчивостью, и работой с малыми зазорами, увеличивающими чувствительность при малых габаритах.

Известны емкостные датчики силы, в которых на самом чувствительном упругом элементе размещен дифференциальный емкостный преобразователь [2]
Недостатками их является конструктивная и схемотехническая сложность, вызванная дифференциальным принципом построения, требующая симметрии конструкции и идентичности обеих половин преобразователя.

Известен емкостный силоизмерительный преобразовательпрототип [3] который содержит подвижный и неподвижный электроды, формируемые методом напыления на изоляционную подложку из Al₂O₃ серебра. Подвижный металлический электрод соединен с неподвижным путем приваривания к стеклянному кольцу.

Недостатками этого преобразователя являются:
недоступная для широкого производителя сложность изготовления, вызванная спецтехнологиями,
наличие хрупкого неметаллического упругого элемента стекла в силовой измерительной цепи,
требования одинаковых температурных коэффициентов расширения стекла, алюминия и т.д.

отсутствие развязки между силовводом и заделкой упругого элемента в основании в силу недифференциальности конструкции.

Настоящий датчик силы конструктивно просто изготавливается обычными средствами механообработки. Он характеризуется мембранами, установленными соосно и взаимообращенно и выполненными по обе стороны мембраны с жесткими центральными втулками, к которым снаружи приложены измеряемые усилия, а внутри на них установлены изолированные электроды недифференциального преобразователя перемещения, причем электрод меньшего диаметра окружен охранным кольцом и соединен с инверсным входом операционного усилителя, а электрод большего диаметра соединен с выходом усилителя, который подключен к входу компаратора напряжения, выход которого через термозависимый делитель напряжения соединен с входом усилителя, причем термозависимый резистор усилителя введен в межмембранную полость.

На фиг. 1 схематически приведена конструкция и блок-схема электронного блока датчика силы.

Датчик содержит две идентичные мембраны 1 и 2 с двусторонними жесткими центральными втулками 3 и 4. Во втулке 4 снаружи выполнено углубление под шарик 5, на который давит шток. Втулка 3 установлена в проточке основания 6. С втулками 3 и 4 через слой изоляционного клея 7 соединены электроды 8 и 9. Электрод 8 окружен охранным кольцом 10. В центрах втулок 3 и 4 соосно выполнены опорные ограничители хода упоры 11. Во внутренней полости мембран установлен терморезистор 12. Электрод 8 соединен с входом операционного усилителя 13, электрод 9 с его выходом, который соединен с входом операционного усилителя 14. Выход операционного усилителя 14 через делитель напряжения (R₄, R₅, R₆) соединен с входом усилителя 13. Для термокомпенсации в плечо делителя включен терморезистор 12, расположенный в межмембранной полости. Мембраны 1 и 2 жестко соединены по периферии сваркой технологических "усов".

Измеряемое усилие F_x штока (поршня) через шарик 5 воздействует на мембрану 1, а реакция опоры основания в 6 F_оп F_x воздействует на мембрану 2. Под действием усилий F_x мембраны прогибаются на Δδ = F_x/W, где W жесткость мембраны, при этом зазор между мембранами уменьшается δ_x= δ_o-2Δδ,. Емкость между электродами увеличивается, т.е.

Емкость C_x включена в частотозависимую цепь обратной связи операционного усилителя 13 (ОУ), в силу чего паразитные шунтирующие емкости C*1

Таким образом, величина характеризует начальную частоту датчика, а величина его чувствительность.

Включение изолированных от мембран электродов 8 и 9 соответственно к инверсному входу и выходу ОУ обеспечивает линейный закон преобразования измеряемого усилия F_x в выходную частоту f_x. Линейная зависимость f_x от F_x обеспечивается независимо от начального δ_o и текущего δ_x значения зазора, что позволяет выбрать предел измерения силы F_xном таким, чтобы 2Δδ ≈ δ_o, когда прогиб мембран достигает практически значения начального зазора.

Для предотвращения замыкания электродов и их механического повреждения при значениях измеряемой силы, превышающей F_xном, в конструкции датчика предусмотрены упоры 11, делающие невозможным прогиб мембран больше величины 2Δδ_max.

Уравнение преобразования (1) справедливо лишь для плоского конденсатора, когда r/δ_o_→ ∞, где r радиус электрода.

При δ_o 0,1 0,6 мм и r ≅ 30 мм сказывается шунтирующее действие кривой емкости С_к, которая изменяется в существенно меньшей степени, чем C_x при воздействии силы F_x и вносит нелинейность в уравнение преобразования (31).

Поскольку

уравнение преобразования

становится нелинейным, причем погрешность линейности составляет

Для снижения погрешности линейности до 0,5% при Δδ/δ_o ≈ 0,8 краевая емкость должна быть снижена до уровня, необходимого из соотношения
C_к/C_xo ≅ 0,01 (5)
Линеаризация реального уравнения преобразования [3] достигается выполнением электрода 9 большим электрода 8 на величину
Δr = r_э9-r_э8= (4÷5)δ_o (6)
где r_э8 и r_э9 соответственно радиусы электродов 8 и 9.

Кроме того, меньший из электродов снабжен защитным (охранным) кольцом 10, которое электрически соединено с корпусом датчика и, таким образом, является эквипотенциальным по отношению к охраняемому электроду 8.

Отношение характеризует кратность изменения проходной емкости между электродами в диапазоне измеряемых усилий от 0 до F_xном. В макетах емкостных датчиков силы на пределы до 1 10 кН удалось реализовать пятикратное изменение емкости от 20 до 100 пФ при изменении зазора от 0,6 до 0,12 мм.

Дальнейшему увеличению кратности изменения емкости препятствуют технологические допуски на толщины мембран и величину начального зазора, преодолеть которые традиционными способами обработки и соединения деталей 1, 2, 8, 9 не удалось. Однако достигаемое значение глубины модуляции на порядок выше ее в классических дифференциальных конструкциях емкостных датчиков (М ≈ 5 8%).

Сущность изобретения: датчик содержит две жестко соединенные по периферии одинаковые мембраны 1 и 2 с двухсторонними жесткими центральными втулками 3 и 4. Втулка 3 жестко установлена в проточке основания 6. Внутри мембранной полости жестко связаны с втулками изолированные от них электроды 8 и 9 разных диаметров емкостного преобразователя перемещения. Электрод 8 меньшего диаметра подключен к входу, а электрод 9 большего диаметра - к выходу операционного усилителя 13, выход которого соединен с входом компаратора 14, который через термозависимый делитель напряжения связан с инверсным входом операционного усилителя 13. Термозависимый резистор 12 размещен во внутренней полости мембран 1 и 2. С внутренней стороны втулок 3 и 4 соосно в центре установлены опорные ограничители хода 11. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Емкостный датчик силы, содержащий размещенные на основании силовводящий элемент шаровой формы, упругий элемент, выполненный из двух одинаковых мембран, жестко соединенных до периферии, преобразователь перемещения с двумя электродами и защитным кольцом, подключенный к электронному блоку с операционным усилителем и компаратором напряжения, отличающийся тем, что в датчик введен термозависимый делитель напряжения, мембраны выполнены с жесткими центральными втулками, установленными соосно, каждая из втулок выступает по обе стороны соответствующей мембраны, во втулке одной из мембран выполнено углубление для силовводящего элемента, втулка другой мембраны жестко закреплена в выполненной в основании датчика проточке, электроды емкостного преобразователя расположены в полости, образованной мембранами, каждый электрод жестко связан с соответствующей изолированной от него втулкой, при этом электроды соединены соответственно с инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора напряжения, выход которого через термозависимый делитель напряжения подключен к инвертирующему входу операционного усилителя. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что емкостный преобразователь перемещения выполнен недифференциальным, причем диаметр одного из электродов меньше диаметра другого электрода на величину не менее пяти значений величины зазора между мембранами, а с неинвертирующим входом операционного усилителя соединен электрод меньшего диаметра. 3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что на втулках с внутренней стороны по оси действия силы выполнены соосно опорные ограничители хода мембран. 4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что электронный блок снабжен терморезистором, который установлен в полости, образованной мембранами, и включен в плечо термозависимого делителя напряжения.