ЕМКОСТНЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК G01B7/14 G01D5/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения микроперемещений плоских заземленных поверхностей и связанных с этими перемещениями вибраций, давлений, толщины металлических лент и других аналогичных величин.

Известен емкостный датчик линейных перемещений, содержащий размещенные в общей плоскости и электроизолированные один и от другого высокопотенциальный, экранный и низкопотенциальный электроды, установленный в параллельной им плоскости с возможностью изменения зазора между ними плоский заземленный электрод, а также подключенную к высоко- и низкопотенциальному электродам трансформаторную мостовую измерительную схему, в котором для повышения точности измерений за счет линеаризации выходной характеристики ширины высоко- и низкопотенциального электродов по крайней мере шестикратно превышают ширину экранного электрода, а начальный зазор между плоскостями, в которых размещены электроды датчика, составляет 1,6 - 2,3 ширины экранного электрода [1]. Следовательно, при выполнении высокопотенциального и низкопотенциального электродов датчика одинаковой ширины, которая превышает шестикратное значение ширины экранного электрода, и перемещении заземленного электрода, связанного с объектом контроля, относительно экранного электрода в диапазоне от 1,6 до 2,3 ширины экранного электрода, выходная характеристика датчика является практически линейной.

Недостатком указанного датчика является низкая абсолютная чувствительность. Так, если отношение перемещения d заземленного электрода к расстоянию 2l между потенциальными электродами (ширине экранного электрода) изменяется относительно номинального значения d₀/2l на величину Δd/2l = 0,1, то это приводит к изменению емкости C датчика на величину ΔC = 0,05 пф/м [1].
Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности (прототипом) является емкостный первичный измерительный преобразователь линейных перемещений, содержащий высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды, выполненные в виде двух параллельных и симметрично расположенных пластин одинаковой высоты, превышающей расстояние между ними, с длиной высокопотенциального электрода больше длины низкопотенциального электрода на величину, превышающую удвоенное расстояние между пластинами, предназначенные для установки перпендикулярно к плоской заземленной поверхности, имеющей возможность перемещения относительно этих электродов, два одинаковой высоты экранных электрода, находящихся над потенциальными электродами и образующими с ними две общие пластины, разделенные тонкими диэлектриками. Так как преобразователь представляет собой плоскопараллельную систему электродов, то для этого в нем необходимо создать плоскопараллельное поле. Для этого длина высокопотенциального электрода выбирается больше длины низкопотенциального электрода на величину, превышающую удвоенное расстояние между ними. Устройство также снабжено двумя охранными электродами, выполненными в виде пластин, расположенных по разные стороны от общей пластины из низкопотенциального и экранного электродов с образованием параллелепипеда. Для надежного экранирования потенциальных электродов высота экранных электродов в преобразователе превышает в полтора раза расстояние между ними, а толщина потенциальных пластин превышает в три раза расстояние между потенциальными электродами, при этом дальнейшее увеличение высоты и толщины практически не вызывает изменений емкости преобразователя [2]. Последнее условие (выбор толщины) выполняется автоматически, т.к. преобразователь работает в режиме преобразования микроперемещений (d/2l << 1). Приближенная формула для расчета частичной емкости C₁₂ между высокопотенциальным и низкопотенциальным электродами, полученная путем упрощения формулы, приведенной в [2], на основе правил приближенных вычислений при h/1 ≥ 1; d/2l << 1; h₁ ≥ 1,5 и n/d ≥ 3 без учета членов, содержащих (d/2l)⁵ выше, имеет вид

где ε- диэлектрическая проницаемость окружающей среды;
L - длина низкопотенциального электрода;
d - расстояние между торцами потенциальных электродов и перемещающейся поверхностью;
l - расстояние между потенциальными электродами;
h - высота потенциальных электродов;
h₁ - высота экранной части пластин;
n - толщина пластин.

Определив на основе выражения (1) производную ∂C₁₂/∂d без учета членов, имеющих второй и более высокий порядок малости, перейдя от дифференциалов к приращениям, получим

Если L = 1 м, а Δd/2l = 0,1, то приращение частичной емкости ΔC₁₂≈ 0,9 пф/м, что приблизительно в 18 раз превышает приращение емкости датчика, описанного в [1] при таком же перемещении.

Недостатком описанного емкостного первичного измерительного преобразователя линейных перемещений является пониженная точность измерений, обусловленная нелинейностью его выходной характеристики. Относительная погрешность Δd/d преобразователя, связанная с заменой реальной выходной характеристики на линейную, найденная на основе выражения (1), определяется по формуле

Например, при d/2l = 0,1 согласно (3) относительная погрешность Δd/d ≈ 6,4%, т.е. имеет довольно большое значение.

Сущность изобретения заключается в том, что емкостный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, содержащий высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды, выполненные в виде двух параллельных и симметрично расположенных пластин одинаковой высоты, превышающей расстояние между ними, предназначенные для установки перпендикулярно плоской заземленной поверхности, имеющей возможность перемещения относительно этих электродов, два экранных электродов одинаковой высоты, размещенные над высокопотенциальным и низкопотенциальным электродами и образующие с ними две общие пластины, разделенные тонкими диэлектриками, два охранных электрода, выполненные в виде пластин, расположенных по разные стороны от общей пластины из низкопотенциального и экранного электродов с образованием параллелепипеда, при этом длина высокопотенциального электрода больше длины низкопотенциального электрода на величину, превышающую удвоенное расстояние между ними, снабжен связанными через тонкие диэлектрики с торцами охранных электродов тонкими дополнительными электродами, предназначенными для размещения вблизи от плоской заземленной поверхности и электрически соединенными с низкопотенциальным электродом, причем длина дополнительного электрода равна длине низкопотенциального электрода.

Техническим результатом является повышение точности измерений путем линеаризации выходной характеристики емкостного первичного измерительного преобразователя линейных микроперемещений.

На приведенном чертеже представлена схема емкостного первичного измерительного преобразователя линейных микроперемещений.

Емкостный первичный измерительный преобразователь содержит высокопотенциальный 1 и низкопотенциальный 2 электроды, выполненные в виде двух параллельных и симметрично расположенных пластин одинаковой высоты, превышающей расстояние между ними, с длиной высокопотенциального электрода 1 больше длины низкопотенциального электрода 2 на величину, превышающую удвоенное расстояние между пластинами, установленных перпендикулярно к перемещающейся плоской заземленной поверхности 3, два одинаковой высоты экранных электрода 4, 5, находящихся над потенциальными электродами 1, 2 и образующими с ними соответственно две общие пластины, разделенные тонкими диэлектриками 6, 7. Для создания плоскопараллельного поля введены два охраненных электрода 8 и 9, выполненные в виде пластин и образующих с общей пластиной, содержащей низкопотенциальный электрод 2 и экранный электрод 5, параллелепипед. При этом охранные электроды 8 и 9 расположены по разные стороны от общей пластины. Торцы охранных электродов 8, 9, размещенные вблизи поверхности 3, снабжены одинаковыми тонкими дополнительными электродами 10, 11, изолированными тонкими диэлектриками 7 от охранных электродов 8, 9, электрически соединенными с низкопотенциальным электродом 2 и имеющими одинаковые с электродом 2 длины.

Кроме того, на чертеже изображено следующее:
L - длина низкопотенциального электрода 2;
L₁ - длина дополнительного электрода 10 и 11;
L₂ - длина экранного электрода 4;
2l - расстояние между внутренними поверхностями высокопотенциального 1 и низкопотенциального 2 электродов;
n - толщина каждого электрода;
d - расстояние между торцами электродов 1, 2 и поверхностью 3.

Емкостный первичный измерительный преобразователь линейных перемещений работает следующим образом.

Перемещение поверхности 3 вызывает изменение частичной емкости C между высокопотенциальным 1 и низкопотенциальными 2, 10, 11 электродами, которое измеряется трансформаторным мостом переменного тока (на чертеже не показан), и по его шкале, отградуированной в единицах измеряемой величины, судят о перемещении поверхности.

Так как электрическое поле в рассматриваемой системе является плоскопараллельным, то общая частичная емкость C преобразователя определяется по формуле
C = C₁₂ + C_КР, (4)
где C₁₂ - частичная емкость, определяемая формуле (1);
C_КР - частичная емкость между высокопотенциальным 1 и дополнительными электродами 10, 11.

Приближенная формула для определения частичной емкости C_КР, полученная методом конформных отображений и непосредственного определения напряженности поля при тех же условиях, что и формула (1), имеет вид

где L₁ - длина дополнительного электрода 10 или дополнительного электрода 11.

С учетом формул (1) и (5) формулу (4) при L = L₁ можно представить в виде

Как следует из выражения (6), при длине низкопотенциального электрода L, равной длине дополнительного электрода L₁, нелинейные члены, имеющие второй порядок малости, сокращаются, и относительная погрешность Δd/d предлагаемого преобразователя, связанная с заменой реальной выходной характеристики на линейную, найденная на основе выражения (6), определяется по приближенной формуле

Если, например, d/2l = 0,1, то согласно (7) относительная погрешность (по абсолютной величине) Δd/d ≈ 0,05%, что более чем на два порядка меньше относительной погрешности преобразователя, рассчитанной по формуле (3) при тех же условиях, причем с уменьшением отношения d/2l, как следует из формул (3), (7), эффект повышения точности у предлагаемого преобразователя по сравнению с известным будет возрастать.

Физически повышение линейной выходной характеристики предлагаемого преобразователя объясняется следующим образом. При большом расстоянии d объекта перемещения от известного преобразователя приращение перемещения d вызывает малое приращение емкости ΔC₁₂, т.е. известный преобразователь имеет в этом случае низкую абсолютную чувствительность. По мере приближения объекта перемещения к преобразователю чувствительность преобразователя возрастает и при Δd → 0 имеет наибольшее значение, т.е. абсолютная чувствительность при этом имеет возрастающий характер и, следовательно, выходная характеристика имеет нелинейную величину. Введение двух дополнительных электродов 10, 11 с длинами, равными длине низкопотенциального 2 электрода, создает дополнительное положительное приращение емкости C_КР, которое при малом расстоянии d существенно компенсирует уменьшение чувствительности преобразователя. В результате абсолютная чувствительность преобразователя с дополнительными электродами сохраняет постоянное значение, а его выходная характеристика весьма близка к линейной.

Таким образом, предлагаемый емкостный первичный измерительный преобразователь линейных перемещений имеет более чем на два порядка меньшую погрешность преобразования от замены реальной выходной характеристики преобразователя на линейную.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1755031, кл. G 01 B 7/00. "Емкостный датчик линейных перемещений".

2. Госьков П. И., Горбова Г.М. Расчет емкостного первичного преобразователя микроперемещений плоской заземленной электропроводной поверхности. Тез. докл. Всесоюзн. совещ. "Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов". - Барнаул, 1991. С. 129-130 (прототип).

Изобретение может быть использовано для измерения микроперемещений плоских заземленных поверхностей и связанных с этими перемещениями вибраций, давлений, толщины металлических лент и других аналогичных величин. Датчик имеет два электрода - высокопотенциальный и низкопотенциальный. Длина высокопотенциального электрода больше длины низкопотенциального на величину, превышающую удвоенное расстояние между ними. Оба электрода выполнены в виде пластин и расположены параллельно друг другу и перпендикулярно перемещающейся заземленной поверхности. Над торцом каждого электрода расположены экранные электроды одинаковой высоты, образующие с потенциальными электродами две общие пластины. С обоих боковых торцов пластины из низкопотенциального и экранного электродов расположены два охранных электрода. Характеристика датчика линеаризуется двумя тонкими дополнительными электродами, расположенными под торцами охранных электродов. 1 ил.

Емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, содержащий высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды, выполненные в виде двух параллельных и симметрично расположенных пластин одинаковой высоты, превышающей расстояние между ними, предназначенные для установки перпендикулярно плоской заземленной поверхности, имеющей возможность перемещения относительно этих электродов, два экранных электрода одинаковой высоты, размещенные над высокопотенциальным и низкопотенциальными электродами и образующие с ними две общие пластины, разделенные тонкими диэлектриками, два охранных электрода, выполненные в виде пластин, расположенных по разные стороны от общей пластины из низкопотенциального и экранного электродов с образованием параллелепипеда, при этом длина высокопотенциального электрода больше длины низкопотенциального электрода на величину, превышающую удвоенное расстояние между ними, отличающийся тем, что он снабжен связанными через тонкие диэлектрики с торцами охранных электродов тонкими дополнительными электродами, предназначенными для размещения вблизи от плоской заземленной поверхности и электрически соединенными с низкопотенциальным электродом, причем длина каждого дополнительного электрода равна длине низкопотенциального электрода.