СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ЕМКОСТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ УСИЛИЯ И ДАТЧИК ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L1/14 G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным преобразователям усилий, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для измерения знакопеременных усилий, силы тяжести в весодозирующих устройствах и др.

Известен емкостный датчик давления, содержащий изолированные друг от друга мембрану и электрод, выполненный в виде диска, прилегающего к мембране со стороны, противоположной избыточному давлению, и скрепленного с ней в точке ее поверхности [1]
Недостатком известного технического решения является невысокая стабильность характеристики преобразования, связанная с отсутствием компенсации влияния факторов внешней среды, например температуры и др.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к изобретению является способ для дифференциально-емкостного преобразования усилия, согласно которому изменяют емкости двух конденсаторов, перемещая одновременно под действием усилия подвижные обкладки конденсаторов относительно неподвижных, увеличивая зазор между обкладками одного конденсатора и уменьшая зазор между обкладками другого конденсатора [2]
Способ-прототип включает в себя следующую основную операцию: под действием преобразуемого усилия одновременно перемещаются в одну и ту же сторону подвижные обкладки обоих конденсаторов, уменьшая зазор между обкладками одного конденсатора и увеличивая зазор между обкладками другого конденсатора.

Датчик-прототип содержит конденсаторы, подвижные обкладки которых соединены с силоприемным элементом и упругими элементами (пружинками).

Недостатком известного технического решения также является недостаточная стабильность характеристики преобразования, обусловленная наличием значительного числа разнородных по материалу элементов связи в конструктивной цепи позиционирования (подвижные обкладки упругие элементы диэлектрические прокладки корпус датчика).

Данное техническое решение направлено на повышение стабильности характеристики преобразования датчика для дифференциально-емкостного преобразования усилия.

Решение поставленной задачи достигается тем, что согласно способу для дифференциально-емкостного преобразования усилия, в соответствии с которым изменяют емкости двух конденсаторов, перемещая одновременно под действием преобразуемого усилия одни обкладки конденсаторов относительно других, уменьшая зазор между обкладками одного конденсатора и увеличивая зазор между обкладками другого конденсатора, перемещаемые в упомянутом относительном движении обкладки конденсаторов перемещают относительно друг друга плоскопараллельно в противоположных направлениях, в датчике для дифференциально-емкостного преобразования усилия, содержащем конденсаторы, одни обкладки которых соединены с упругими элементами, и силоприемный элемент, упругие элементы конструктивно выполнены обеспечивающими одновременное плоскопараллельное перемещение в противоположных направлениях относительно друг друга соединенных с ними обкладок конденсаторов, причем упругие элементы и соединенные с ними обкладки конденсаторов конструктивно выполнены в виде балки с отверстиями, с которой жестко соединены другие обкладки конденсатора, оси отверстий расположены в плоскости, перпендикулярной направлению действия преобразуемого усилия, отверстия расположены симметрично относительно направления действия преобразуемого усилия, а место закрепления обкладок конденсаторов, жестко соединенных с балкой, расположено на оси направления преобразуемого усилия.

Предлагаемый способ включает в себя следующую основную операцию: под действием преобразуемого усилия одновременно плоскопараллельно в противоположных относительно друг друга направлениях перемещаются обкладки конденсаторов, соединенные с упругими элементами.

Осуществление указанного перемещения обкладок конденсаторов, соединенных с упругими элементами, позволяет существенно повысить стабильность характеристики преобразования датчика для дифференциально-емкостного преобразования усилия.

На фиг. 1 показан датчик, реализующий предлагаемое техническое решение, при отсутствии усилия F. На фиг. 2 показан датчик при воздействии усилия F.

Датчик содержит обкладки конденсатора 1, расположенные на диэлектрической пластине 2, жестко соединенной посредством элемента связи 3 с балкой 4, которая одновременно вмещает в себя другие обкладки конденсатора, показанные в виде участков 5 на поверхности балки 4, и упругие элементы 6, сформированные посредством выполнения отверстий 7, а также силоприемный 8 и опорный 9 элементы.

Данное техническое решение реализуется следующим образом.

Преобразуемое усилие F прикладывается к силоприемному элементу 8 как в направлении его сжатия, так и растяжения. Под действием преобразуемого усилия F упругие элементы 6 изгибаются. На фиг. 2 показан случай изгиба упругих элементов 6 под действием преобразуемого усилия F в направлении сжатия. При изгибании упругих элементов 6 соединенные с ними обкладки конденсаторов, показанные в виде участков 5 на поверхности балки 4, перемещаются плоскопараллельно в противоположных относительно друг друга направлениях. При этом обкладки 1 конденсаторов, расположенные на диэлектрической пластине 2, остаются неподвижными относительно центральной части балки 4, в которой находится место закрепления элемента 3, жестко соединенного также с диэлектрической пластиной 2. Вследствие этого в случае, показанном на фиг. 2, зазор между обкладками 1 и 5 левого конденсатора увеличивается, а зазор между обкладками 1 и 5 правого конденсатора уменьшается. При растягивающем действии преобразуемого усилия F происходит обратное изменение зазоров. Изменение зазоров приводит к дифференциальному изменению электрических емкостей конденсаторов. Электрически связанная с обкладками конденсаторов измерительная цепь преобразует дифференциальное изменение емкостей в электрический сигнал, пропорциональный преобразуемому усилию F. Таким образом, в предлагаемом техническом решении реализуется способ дифференциально-емкостного преобразования усилия.

Преимущества предлагаемого технического решения обусловлено тем, что упругие элементы 6 и соединенные с ними обкладки конденсаторов, показанные в виде участков 5, конструктивно выполнены как единое целое на основе балки 4 с отверстиями 7. Это позволило максимально упростить конструктивную цепь позиционирования обкладок конденсатора в сравнении с прототипом, где конструктивная цепь позиционирования включает значительное число разнородных по материалу элементов: подвижные обкладки, соединенные с силоприемным элементом; упругие элементы; диэлектрические прокладки; корпус датчика.

В свою очередь, максимально упрощенная конструктивная цепь позиционирования обеспечивает высокую стабильность характеристики преобразования в сравнении с прототипом.

Сущность изобретения: под действием преобразуемого усилия одновременно плоскопараллельно в противоположных относительно друг друга направлениях перемещаются обкладки конденсаторов, соединенные с упругими элементами. Датчик содержит конденсаторы, одни обкладки которых выполнены в виде балки с отверстиями, а другие жестко соединены с этой балкой, и силоприемный элемент. Оси отверстий расположены в плоскости, перпендикулярной направлению действия преобразуемого усилия, отверстия расположены симметрично относительно направления действия этого усилия, а обкладки конденсаторов жестко соединены с балкой элементом связи, расположенным на оси действия преобразуемого усилия. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ дифференциально-емкостного преобразования усилия, заключающийся в изменении емкости двух конденсаторов путем одновременного перемещения одних обкладок конденсаторов относительно других под действием преобразуемого усилия с увеличением зазора между обкладками одного конденсатора и уменьшением зазора между обкладками другого, отличающийся тем, что изменение емкости конденсаторов происходит за счет плоскопараллельного в противоположных направлениях перемещения одних обкладок конденсаторов относительно других. 2. Датчик для дифференциально-емкостного преобразования усилия, содержащий конденсаторы, одни обкладки которых соединены с упругими элементами, а также силоприемный и опорный элементы, отличающийся тем, что упругие элементы и соединенные с ними обкладки конденсаторов выполнены в виде балки с отверстиями, а другие обкладки конденсаторов жестко связаны с балкой. 3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что оси отверстий балки расположены в плоскости, перпендикулярной направлению действия преобразуемого усилия. 4. Датчик по п. 2 или 3, отличающийся тем, что отверстия балки расположены симметрично относительно направления действия преобразуемого усилия. 5. Датчик по любому из пп. 2 4, отличающийся тем, что обкладки конденсаторов жестко соединены с балкой элементом связи, расположенным на оси действия преобразуемого усилия.