ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2014 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в

интегральных акселерометрах и гироскопах.

Известен аналогичный датчик перемещений, в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, синхронный детектор и запоминающая ячейка [1].

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с тем, что при наличии двух движений подвижного узла вместе с подвижным электродом, например линейного и углового, эти движения взаимно влияют друг на друга, внося тем самым погрешность в измерения.

В качестве прототипа выбран емкостный преобразователь перемещений, содержащий проводящий подвижный электрод, соединенный с объектом измерения перемещений, например, с маятником акселерометра, и два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично с зазорами относительно подвижного электрода [2].

Недостатком известного устройства является то, что в нем нет разделения составляющих перемещения, например линейного и углового, что в конечном итоге вносит погрешность в измерения.

Задача, на решение которой направлено изобретение - повышение точности преобразователя перемещений.

Задача решается тем, что каждый неподвижный электрод разделен пополам, а половинки с разных сторон подвижного электрода соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые включены на вход широтно-импульсного модулятора.

Этот технический результат достигается тем, что в емкостный датчик перемещений, содержащий: широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод, выполненный на пластине проводящего монокремния и соединенный с объектом измерения перемещений, например, с маятником акселерометра, и два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, в котором в соответствии с изобретением каждый неподвижный электрод разделен пополам, а половинки с разных сторон подвижного электрода соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые включены на вход широтно-импульсного модулятора.

На фигуре 1 приведена схема, поясняющая устройство заявляемого емкостного датчика перемещений. В состав схемы входят: подвижный электрод 1 на упругом подвесе, выполненный на пластине проводящего монокристаллического кремния, который может быть выполнен для работы как на изгиб, так и на кручение. Ось качания подвижного электрода 1 также может быть выбрана произвольно. В любом случае подвижный электрод 1 совершает сложное движение - линейное х от прогибов и угловое α, от поворотов. Неподвижные изоляционные обкладки 2 и 3, которые размещены симметрично относительно подвижного электрода 1 и с одинаковыми зазорами. На каждую из неподвижных изоляционных обкладок 2 и 3 нанесены двойные, симметрично относительно оси вращения подвижного электрода 1, проводящие электроды 4 и 5 на обкладке 2 и 6 и 7 на противоположной обкладке 3. Электрод 4 изоляционной обкладки 2 соединен с электродом 7 изоляционной обкладки 3, а электрод 5 изоляционной обкладки 2 с электродом 6 изоляционной обкладки 3. Суммарные емкости электродов 4 и 7, а также электродов 5 и 6 представляют дифференциальные конденсаторы, включенные на вход широтно-импульсного модулятора 8, сигнал с которого подают на вход объекта измерения перемещений.

Рассмотрим работу емкостного датчика перемещений. На фигуре 1 показано нейтральное положение подвижного электрода. Неподвижные проводящие электроды 4-7 и 5-6 находятся с одинаковыми зазорами h₀ от подвижного. В широтно-импульсном модуляторе 8 нет рассогласования в длительностях прямого и инверсного выходов (инверсный выход на схеме показан кружочком). Выходной сигнал с широтно-импульсного модулятора 8 равен нулю.

Поскольку упругий подвес имеет сложную деформацию, то движение маятника состоит из двух составляющих: плоскопараллельного и углового. Полное движение является нелинейным. Информацию о силе инерции в линейном виде несет только угловое отклонение маятника. На фигуре 2 показана составляющая плоскопараллельного движения. Пусть движение осуществляется справа налево. При этом емкости, формируемые электродами 4 и 5, увеличиваются, а на противоположных электродах 6 и 7 емкости ровно на столько же уменьшаются. Суммарные емкости дифференциальных конденсаторов моста остаются без изменений. Таким образом датчик перемещения не чувствителен к плоскопараллельному движению.

На фигуре 3 показана составляющая углового движения маятника. Маятник плоскопараллельно смещается и одновременно поворачивается на некоторый угол α. Зазоры между электродами 4 и 7 и подвижным электродом 1 увеличиваются, а емкости уменьшаются. Соответственно между электродами 5 и 6 и подвижным электродом 1 зазоры уменьшаются, а емкости увеличиваются. Таким образом, в дифференциальных конденсаторах плечи изменяются по разному и емкостный датчик перемещения отображает полезную информацию. Этим цель изобретения достигнута.

Источники информации

1. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники //Микросистемная техника. 2002. №1. С.3-9.

2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, 504 с.

Изобретение относится к микромеханическим устройствам и может применяться в интегральных акселерометрах и гироскопах. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности емкостного датчика при измерении угловых перемещений. Технический результат достигнут посредством разделения пополам неподвижных электродов и перекрестного включения секторов в смежные плечи дифференциальных конденсаторов. В результате разделения электродов датчик стал нечувствителен к плоскопараллельной составляющей движений, при этом появилась возможность измерять одну компоненту, а именно угловую. 3 ил.

Емкостный датчик перемещений, содержащий: широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод, выполненный на пластине проводящего монокремния и соединенный с объектом измерения перемещений, и два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, отличающийся тем, что каждый неподвижный электрод разделен пополам, а половинки с разных сторон подвижного электрода соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые включены на вход широтно-импульсного модулятора.