УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2016 года по МПК G01P15/08 

Устройство относится к измерительной технике и может применяться в интегральных датчиках.

Известно аналогичное устройство [1], в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, два источника опорного напряжения, ключевая схема, генератор синхронизирующих импульсов.

Недостатками известного устройства являются: необходимость наличия двух абсолютно аналогичных источников опорного напряжения, высокие требования к идентичности ключей для качественной синхронизации, отсутствие жесткой привязки общей емкости к точке нулевого потенциала.

Наиболее близким к заявляемому выбран емкостный преобразователь перемещений [2], содержащий генератор напряжения высокой частоты, выход которого соединен с возбуждающими входами первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, фильтр нижних частот, прямой и инверсный входы которого подключены непосредственно к первой и второй измерительным емкостям соответственно.

Недостатками известного устройства являются: необходимость точной индивидуальной настройки генераторов тока и их полная идентичность, несоответствие работы устройства логометрическому свойству.

Задача изобретения - соответствие устройства логометрическому свойству, простота использования.

Технический результат - повышение точности за счет логометрического свойства устройства и отсутствия дополнительных генераторов, требующих индивидуальной настройки.

Технический результат достигается тем, что в емкостный преобразователь перемещений, содержащий генератор напряжения высокой частоты, выход которого соединен с входами возбуждения первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, фильтр нижних частот, прямой и инверсный входы которого подключены непосредственно к первой и второй измерительным емкостям соответственно, введены четыре управляющих ключа, генератор тактовой частоты, источник опорного напряжения, причем информационные входы первого и второго ключей соединены с выходом источника опорного напряжения, информационные выходы первого и второго ключей подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, управляющие входы первого и второго ключей подключены к выходу генератора тактовой частоты, информационные входы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, информационные выходы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к инверсному и прямому входам фильтра нижних частот, управляющие входы третьего и четвертого ключей подключены через инвертор к выходу генератора тактовой частоты.

Предлагаемое устройство иллюстрируется схемой, приведенной на фиг. 1, содержащей первую 1 и вторую 2 измерительные емкости, выполненные дифференциально, один из электродов каждой емкости выполнен общим и соединен с землей. К неподвижному электроду первой измерительной емкости 1 подключены информационный выход первого ключа 3 и информационный выход третьего ключа 4. К подвижному электроду второй измерительной емкости 2 подключен информационный выход второго ключа 5 и информационный выход четвертого ключа 6. Выход источника опорного напряжения 7 соединен с информационными входами первого 3 и второго ключей 5. Управляющие входы первого 3 и второго 5 ключей соединены непосредственно с выходом генератора тактовой частоты 8. Управляющие входы третьего 4 и четвертого 6 ключей соединены через инвертор 9 с выходом генератора тактовой частоты 8. Информационные выходы третьего 4 и четвертого 6 ключей соединены соответственно с инверсным и прямым входами фильтра нижних частот 10. Выход фильтра нижних частот является выходом заявляемого устройства.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. В такт времени τ₁ генератор тактовой частоты 8 имеет на выходе уровень напряжения логической единицы, при этом открываются первый 3 и второй 5 ключи, которые подключают источник опорного напряжения 7 к первой 1 и второй 2 измерительным емкостям, при этом измерительные емкости заряжаются. Величины зарядов на измерительных емкостях 1 и 2 определяются положением общего электрода. Одновременно третий 4 и четвертый 6 ключи являются закрытыми, так как на выходе инвертора 9 присутствует логический нуль, подающийся на управляющие входы третьего 4 и четвертого 6 ключей. Поэтому фильтр нижних частот отключен от измерительных емкостей. В такт времени τ₂ генератор тактовой частоты 8 имеет на выходе уровень напряжения логического нуля, при этом первый 3 и второй 5 ключи закрыты и источник опорного напряжения 7 отключен от измерительных емкостей. При этом измерительные емкости остаются заряженными. Одновременно третий 4 и четвертый 6 ключи открыты, так как на выходе инвертора 9 присутствует сигнал логической единицы. Заряженная первая измерительная емкость 1 подключается к инверсному входу фильтра нижних частот 10, заряженная вторая измерительная емкость 2 подключается к прямому входу фильтра нижних частот. Фильтр нижних частот формирует постоянный выходной сигнал соответствующей полярности. Затем циклы, описанные выше, повторяются. Длительности тактов τ₁ и τ₂ подобраны так, чтобы время заряда измерительных емкостей и задержки срабатывания ключей не оказывали влияния на быстродействие и точность работы схемы.

Заряды на обкладках первой 1 и второй 2 измерительных емкостей при зарядке от источника опорного напряжения 7 будут равны соответственно

где C₁ - электрическая емкость первой 1 измерительной емкости;

C₂ - электрическая емкость второй 2 измерительной емкости;

U₀ - напряжение на выходе источника опорного напряжения 7.

В такт времени съема сигнала измерительные емкости 1 и 2 разряжаются через цепи сопротивлений прямого и инверсного входов фильтра нижних частот 10. Поэтому будут иметь место следующие неравенства:

где I₁ - ток разряда первой измерительной емкости;

I₂ - ток разряда второй измерительной емкости;

τ₂ - длительность такта времени съема сигнала;

U₁ - напряжение на обкладках первой измерительной емкости;

U₂ - напряжение на обкладках второй измерительной емкости;

R₊ - сопротивление прямого входа фильтра нижних частот;

R_- - сопротивление инверсного входа фильтра нижних частот.

Напряжение на обкладках измерительных емкостей 1 и 2 при отклонении общего электрода можно также выразить следующим образом:

где ΔU - отклонение напряжения на измерительных емкостях 1 и 2.

Объединив формулы 2, 3 и 4, получим выражение для входного сигнала фильтра нижних частот 10

Из уравнения 4 видно, что входной сигнал фильтра нижних частот пропорционален отношению разности величин измерительных емкостей к их сумме, поэтому заявляемое устройство обладает логометрическим свойством. На этом цель изобретения достигнута.

Источники информации

1. Вавилов В.Д., Долгов А.Н., Вавилов И.В. Емкостный преобразователь перемещений. Патент РФ №2272298. Опубликовано: 20.03.2006.

2. Андреев А.А., Вавилов В.Д., Пирожок Я.Л., Поздяев В.И. Устройство измерения микроперемещений. Патент СССР №1774710. Опубликовано: 8.08.1992.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит две дифференциальные измерительные емкости, источник опорного напряжения, пару ключей зарядки измерительных емкостей, генератор тактовых импульсов, инвертор напряжения, пару ключей для съема сигнала с измерительных емкостей и фильтр нижних частот. Полный цикл работы устройства осуществляется за два такта синхронизирующих импульсов: в первый такт обе измерительные емкости заряжаются от источника опорного напряжения через первую пару ключей. Во второй такт обе измерительные емкости одновременно разряжаются, через вторую пару ключей, на фильтр нижних частот, который формирует сигнал соответствующей величины и полярности. Технический результат заключается в повышении точности. 1 ил.

Емкостный преобразователь перемещений, характеризующийся тем, что введены четыре управляющих ключа, генератор тактовой частоты, источник опорного напряжения, причем информационные входы первого и второго ключей соединены с выходом источника опорного напряжения, информационные выходы первого и второго ключей подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, управляющие входы первого и второго ключей подключены к выходу генератора тактовой частоты, информационные входы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, информационные выходы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к инверсному и прямому входам фильтра нижних частот, управляющие входы третьего и четвертого ключей подключены через инвертор к выходу генератора тактовой частоты.