Способ преобразования перемещения в напряжение и устройство для его реализации (его варианты) Советский патент 1983 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к кзмери тельной технике, в частности к преобразованиям перемещения в напрях ение с помощью двухэлектродных емкостных датчиков с изменяемой величиной зазо ра между обкладками.

Известен способ преобразования перемещения в напряжение с помощью двухэлектродного емкостного датчика, Основанный на измерении выходного напряжения операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен емкостный датчик, реализованный в устройстве. Изменение величины зазора между пластинами датчика вызывает изменение емкостного сопротивления датчика и коэфициента передачи операционного усилителя/ что позволяет при неизменном напряжении источника входного сигнала получить линейную зависимост между выходным напряжением и измеряемым пepeмeщel иeн 1.

Прималых значениях емкости датчи ка И высокой частоте входного сигнала Vпорядка нескольких мегагерц) воз никают технические трудности в реа лизации способа, обусловленные паразитными емкостями монтажа и параметрами усилителя на высоких частотах. Кроме того, обе пластины емкостного датчика должны быть электрически изолированы, что усложняет конструкцию датчика и не позволяет использов.ать в качестве одной из пластин непосредственно поверхность объекта перемещения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ преобразования перемещения в напряжение, реализуемый с помощью емкостного, измерительного устройстза и заключающийся в формировании с помощью измерительного канала, связанного с емкостным датчиком, и опорного канала из входного напряжения прямоугольной формы двух напряжений, разность между которыми пропорциональна разности емкостей датчика и конденсатора сравнения . Недостаток такого способа состоит в ограничении диапазона измерения перемещений из-за нелинейности характеристики преобразования.

Цель изобретения - расширение линейного диапазона измерения перемещений.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу преобразования перемещения в напряжение, заключающемуся в формировании из входного напряжения двух напряжений с помощью емкостных датчиков, разность между которыми характеризует перемещение, входное напряжение формируют в виде разности между дополнительным опор ннм напряжением и сформированной

с помощью емкостных датчиков из входного напряжения разностью.

Поставленная цель достигается тем что в устройство для преобразования перемещения в напряжение, содержащее двухэлектродньй емкостный датчик, один из электродов которого заземлен, электронный ключ9 управляющий вход которого подключен к выходу генератора, первую и вторую диодно-резисторные цепи, аноды диодов которых объединены и подключены к входу электронного ключа, а катоды подключены к соответствуквдим резисторам, при этом к точке соединения катода, диода и резистора первой диодно-резисторной цепи подключен потенциальный электрод емкостного датчика, введены первый и второй сумматоры, источник опорного напряжения и первый и второй фильтры нижних частот, подключенные входами к свободным концам резисторов соответственно первой и второй диоднорезисторных цепей, а выходами - к входам первого сумматора, выход которого соединен с инверсным входом второго сумматора, прямой вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход второго сумматора соединен с введенной выходной шиной, которая является шиной питания электронного ключа.

Во втором варианте в устройство . для преобразования перемещения в напряжение, содержащее двухэлеКтродный емко5тный датчик, один из электродов которого заземлен, электронный ключ, управляюсдий вход которого подключен к выходу генератора, первую и вторую диодно-рейисторные цепи, аноды диодов которых объединены и подключены к выходу электронного ключа, а катоды подключены к соответствующим резисторам, при этом к точкам соединения катоду диода и резистора первой и Btopoft диодно-резисторных цепей подключены потенциальный электрод емкост- . ного датчика и неэаземленный вывод когупенсирующего конденсатора, введены третья диод.но-реэисторная цепь анод диода которой подключен к, выходу электронного ключа, первый, второй и третий фильтры ншсних частот, подключенные входами к свобод ным концам резисторов первой, второй и третьей диодно-резисторных цепей соответственно, первый, второй и третий сумматоры и источник опорного напряжения, подключенный к прямому входу третьего сумматора, выход которого соединен с управляющим входом генератора, а инвертирующий вход - с выходом первого суммаг:тора, входы которого соединены с выходами первого и второго фильтров нижних частот, а выходы второго и третьего фильтров нижних частот под ключены к входам второго сумматора. В третьем варианте в устройство для преобразования перемещения в на пряжение,, содержащее емкостный датчик, электронный ключ, управляющий вход которого подключен к первому выходу генератора, первую и вторую диодно-резисторвые цепи, аноды диод которых объединены и подключены к выходу первого электронного ключа, и общую шинуТ введены второй электр ный ключ, 1{одключенный управляющим входом к второму выходу генератора, третья и четвертая диодно-реэисторны цепи, аноды диодов которых объединены и подключен : к выходу второго электронного ключа, первый, второй,, третий и четверТЕ й фильтра нижних частот, входы которых подключешя к свободным концам резисторов соатветствующих диодно-резисторных цепей, первый сукматор, входы которого подключены к первогю и второго . фильтров нижних частот второй тор, входы которого подключены к выходам третьего и четвертого фильтров нижних частот, перваш и второй посзле , довательно соединенные резистора. подключенные свобйдн&ни крнцаъш к вы ходам первого и второго сумматоров соответственно, компаратор, подключенный первым входом к точке соединения первого и второго резистора, третий резистор, соединяющий второй вход компаратора с общей шиной, источники положительного и отрицательного питания, подключенные к соответствующим входам компараторау стабилизатор напряжения и четвертый и пятый резисто{лы, соединяющие соответствующие входы стабилизатора, пер вого и второго электронных ключей с источниками положительного и отрицательного питания, при этом емкостный, датчик выполнен дифференциальным со средним электродом, соединенным с общей шиной, а крайними электродами -- с катодами диодов второй и третьей диодно-резисторных цепей. На фиг.1 показана блок-схема,, .. устройства, с помсяцью которого осуществляют предлагае14Ыйспособ) на фиг.2.- второй вариант устройства; на фиг. 3 - третий вариант устройст Устройство ;(фиг.1) содержит генератор 1 импулбсов,. выход которого соединен с входом электронного ключа 2, первую диодно-резисторную цепь 3 с емкостным датчиком 4 и вторую диодно-резисторную Цепь 5, включенные между выходом электронного ключа 2 и входами фильтров б и7 низких частот, выходы которых соединены соответственно ,с суммирующим и вычитаивдим входами сумматора 8, вто-, рой сумматор 9,, неинвертиругаций вход которого подключен к источнику опорного напряжения )Q , а инвертирующий вход соединен с выходе сумматора 8, выход второго сумматора 9 подключен к шине питания электронного ключа 2 и выходной шине устройства. Устройство по второму варианту I фиг.2) предназначено для преобразования перемещения одновременно в аналоговый и дискретный электрические сигналы, содержит управляемый по частоте генератор 10 импульсов, выход которого соединен с входом электронного ключа 11 и шиной выдачи дискретного сигнала, первую диоднорезисторную цепь 12 с емкостным датчиком 13, ВТОРУЮ диодно-резисторную цепь 14 с компенсирующим конденсатором 15 и третью диодно-резисторную цепь 16, включенные между выходом электронного ключа 11 и входами фильтров 17,18 и 19 низких частот соответственно, выход фильтра 17 низких частот соединен с суммирующим входом первого сумматора 20, выход фильтра 18 низких частот - с вычитанйцим входом первого сумматора 20 и суммирукжцим входом второго сумматора 21, а выход фильтра 19 низких частот соединен с вычитающим входом второго сумматорй 2i, выход второго, сумматора 21 связан с шиной выдачи ангшогового сигнала, неинвертируклдий вход третьего сумматора 22 подключен к источнику опорного напряжения Усу/ а инвертирукяций вход соединен с вы- . ходом первого сую 1атора 20, выход третьего сумматора 22 подключен к управляющему входу генератора 10 импульсов. Устройство по третьему варианту (фиг.З) предназначенное для преобразования в напряжение перемещения средней пластины дифференциального емкостного датчика, содержит генератор 23 разнополярных импульсов, выходы которого соединены с входами первого Электронного ключа 24, формирующего на выходе прямоугольныеимпульсы напряжения положительной полярности/ и второго электронного ключа 25, формирующего на выходе прямоугольные импульсы напряжения отрицательной полярности, первую, вторую, третью и четвертую диоднорезисторые цепи 26,27 28 и 29, диодно-резисторные цепи 26 и 27 включегш между выходом электронного ключа 24 и входами фильтров 30 и 31 низких частот, диодно-резисторные цепи 28 и 29 включены между выходом электронного ключа 25 и входами фильтров 32 и 33 низких частот, плечи дифферениального емкостного датчика 34 одключены к точкам соединения диодов и резисторов первой и второй диодно-резисторных цепей 26 и 27, выходы фильтров 30 и 31 низких частот соединены соответственно с вычитаю- , щим и суммирующим входами первого . сумматора 35, выходы фильтров 32 и 33 низких частот соединены соответственно с суммирунвдим и вычитающим входами второго сумматора 36р неинвертирующий вход компаратора 37 через первый и второй резисторы 38 и 39 подключен к выходам первого и второго сумматоров 35 и 36, инвертирующий вход и выход компаратора 37 соединен с общей шиной, шины питания электронных ключей 24 и 25 являются выходными шина- 15 ми устройства и соединены с.шинами пипитания компаратора 37 и стабилизатором напряжения на стабилитроне 40.. Устройство работает следующим образом,20 Емкостный датчик 4 запитываётся прямоугольными импульсами с выхода., электронного ключа 2, управляемого от генератора 1 импульсов через диодно-резисторную цепь 3. При этом в -. 25 точке 41 формируются импульсы напдяжения с длительностью спада, определяемой постоянной времени разрядной цепи емкостного датчика 4, а в точке 42 - импульсы напряжения, близ зО кие по форме к прямоугольным..На выходах фильтров 6 и 7 низких частот формируются напряжения, пропорциональные средним значениям импульсных напряжений в точках 41vH 42. На вы- -ic ходе сумматора 8 формируется разностное- напряжение, которое затем сравнивается с опорным напряжением Од на втором сумматоре 9. Выходное напряжение второго сумматора 9 подается на шину питания электронного ключа 2, и по его величине судят о текущем значении перемещения. При постоянной времени разрядной цепи емкостного датчика 4, во много раз превышающей постоянную времени 45 зарядной цепи, среднее значение импульсов напряжения можно выразит-ь через сумму площадей прямоугольной части импульса.-и экспоненциальной части спада импульса с постоянной Време-50 ни разрядной цепи емкостного датчика. На выходе первого сумматора 8 формируется напряжение, пропорциональное площади экспоненциальной час1ги импульсов напряжения, создаваемое cj током разряда емкостного датчика 4 Величинадозированного заряда, переносимого импульсом тока за период, пропорциональна площади экспоненциальной части импульсов напряжения и равна ..-. где В шает pasp може метр сост дост где раз где мат зна (2,) где ент раз бли нап опор ния как В ния мент ние (ъ - величина дозированного зарядаDfj, - максимальное значение тока разряда С - емкость датчика} R - сопротивление разрядной цепи}Ь(- длительность разряда, равная длительности паузы генератора импульсов 1. торой член в выраженииС) уменься с увеличением длительности jwa-tyj. Уже при -Ьц /7ЙС , что т быть обеспечено внбором параов схемы, величина второго члена авляет не более 0,) и аточной точностью Ч-- пг«С--и С - К, - иу„, и максимальное напряжение на емкостном датчике 4, пропорциональное при идеальных параметрах электронного ключа 2 напряжению на шине питания ключа} К коэффициент пропорциональности } - диэлектрическая проницаемость) б - площадь пластин датчика X измеряемое перем ещение. Средне значение импульсов ток ряда равно I p5«V; Ь) Jpp - среднее значение тока раз$ - частота следования импульсов генераторе 1. Напряжение на выходе первого сумора 8 пропорционально среднему ченио тока разряда и с учетом . и(3) равно Ug-K Ki- iU,, (4) Ug - выходное напряжение первого сумматора 8; . - коэффициент пропорциональности; выходное напряжение второго сумматора 9. ри достаточно большом коэффициусиления второго румматора 9 ность напряжений на ее входах зка к нулю. Принимая выходное яжение первого сумматора 8 равным ному напряжению Uo , из выраже( 4) перемещение )( определяется ,K.,U (5) ыражение (5) не учитывает влияпаразитной емкости монтажа и элеов схемы, устанавливая напряжена-выходе фильтра 7 низких частот изменением его коэффициента передачи, равным напряжению на выходе фильтра 6 низких частот при длительности спада импульсов напряжения в диодно-резисторной цепи 3, создаваемой паразитной емкостью монтажа и эл ментов схемы, можно получить выходную характеристику преобразования,, близкую к линейной. Погрешность нелинейности преобраэования определяется соотношением длительности паузы генератора импуль сов и постоянной времени разрядной цепи ёмкостного датчика, конечным значением коэффициента усиления схемы сравнения а также неидеальнос±ьк параметров электронного ключа. Устройство по второму варианту работает след тощим образом. Емкостный датчик 13 запитегаается прямоугольными импульсами с выхода электронного ключа 11, управляемого от генератора 10 импульсов через первую диодно-резистсфную цепь 12. При эт.ом в точке 43 формируются импульсы напряжения с длительностью спада, определяемой постоянной времени разрядной; цепи емкостного датчи ка, в точке 44 - импульсы напряже, ния с длительностью спада, определяе мой постоянной времени разрядной це. пи компенсирунвдего конденсатора 15. В точке 45 формируются прямоугольные импульсы напряжения. На выходах фильтров 17,18 и 19 низких частот .формируются напряжения, пропорциональные средним значениям импульсных напряжений в точках 43,44 и 45. На выходе первого cyi iaTdpa 20 форми|РУЮТ разностьВЫХОДНЫХ напряжений фютьтров 17 и 16 низких частот, „-....которая затем сравнивается с (Яюрным напряжением UQ третьем сумматоре 2 Шлходное напря};сение третьего суммато ра 22 подается на управляющий вход генератораЮ импульсов. На выходе второго су1лмато11а 21 фс мируется раз . ность выходных напряжений фильтров Is и 1 низких частот. По величине выходного напряжения второго сумматора 21 и частоте следования импульсов генератора 10 судят о текущем значении перемещения. При постоянной времени разрядйой цепи ёмкостного датчика 13, во много раз превышающей постоянную времени зарядной цепи, среднее зйачение шлпульсов напряжения можно выразить через сумму плоцадей прямоуголь ной части импульса и экспоненциальной части спада импульса с постоянной времени ра:эрйдной цепи емкостйого датчика. При отсутствии компеяси Р5(вдего конденсатора 15 во второй диодяо-резисторнойтщепи на выхо;йШ neiH9oro Ьумматора 2 О формируется напряжение, пропорциональное площади экспоненциальной части импульсов напряжения. Аналогично выражению (Л) выходное напряжение первого сумматора 20 равно ,,U) гдеУп - выходное напряжение первого сумматора 20; f - диэлектрическая проницаемость) 5 - площадь пластин датчика; У - измеряемое перемещение; $ - частота следования импульсов генератора 10; Е.- напряжение на шине питания электронного ключа 11. При достаточно большом коэффициенте усиления третьего сумматора 22 разность напряжений на его входах близка к нулю. Принимая выходное напряжение первого сумматора 20 равным опорному напряжению Оо, из выражения (6) перемещение X определяется JfeaK X X,K4g.S i (1) На выходе второго сумматора 21 формируется напряжение, пропорциональное площади экспоненциальной части мушульсов напряжения. При идентичных параметрах диодно-резисторных цепей 12, 14 и 16 фильтров 17,16 и 19 низких частот и сумматоров 20 и 21 выходное напряжение второго сумматора 21 равно ,п 8) где - выходное напряжение второго сумматора 21; емкость компенсирующего конденсатора 15. Из выр)сений 17) и(8} ПРИ одинаковой диэлектрической йронИцаёмости среды между пластин 1ми емкостного датчика и компенсирующего конденсатора в вь1ражении (9) выходное напряжение второго суглматора не зависит от диэлектрической проницаемости среды. |ля уменьшения погрешности преобразования, определяемой изменениями условий среды, необходимо «состный датчик и ксяшенсирующий кондеисатор располагать в одинаковых условиях. Устройство по третьему варианту работает следующим ббразом. Плечи дифференциального емкостного датчика 34 запитываются прямоугольными импульсами с выходов электронных ключей 24 и 25, управляеких от генератсчра 23 разиополяриых импу.льсов. через первую и вторую диодно-реэисторкые цепи 26 и 27. При этом в точках 46 и 47 формируются импульсы напряжения с длительностями спада, опр деляекими постоянными времени разряд ных цепей дифференциального емкостно го датчика 34. В точках 47 и 48 форм руются импульсы напряжения, близкие по форме к прямоугольным. На выходе фильтров 30-33 низких частот формируются напряжения, пропорциональные средним значениям импульсных напряжений в точках 46-49. Ка выходах первого и второго сумматоров 35 и 36 формируются разностные разнополярные напряжения которые сравниваются t по величине в компараторе 37. При равных по еличине выходных напряжениях сумматоров 35 и 36 потенциал точки соединения резисторов 38 и 39 равен потенциалу общей шины. Напряже ния, формируемые между выходом компа ратора 37 и шинами питания, стабилизируют стабилитроном 40 с напряжением стабилизации подают на шины .питания электронных ключей 24 i 25. По величинам напряжений U сумма которых равна напряжению стабилизации (Jo/ сУДят о текущем значении перемещения. Цри постоянных времени разрядных цепей, во много раз превышающих пос, тоянные времени зарядных цепей емкостного датчика, средние значения импульсов напряжений можно выразить ; через суммы площадей прямоугольной части импульсов и экспоненциальной части спада импульсов. На/ выходах сумматоров 35 и 36 формируются напря жения, пропорциональные плодадям экспоненциальной части импульсов напряжений. Аналогично выражению (4) выходные напряжения сумматоррв 35 . и 36 равны .O) -u,,.,, гдеиа -.Цлг- выходные напряжения сум маторов 35 и 36, коэффициенты пропорцио. - . нальности; t диэлектрическая проницаемость ; . . 6 - площадь пластин емкостного датчика 34} $ - частота следования импульсов генератора 23; X,cf-X- измеряемые зазоры между пластинами датчика. В точке суммирования напряжений (точка соединения резисторов J8 и 39) потенциал равен нулк поэтому М Перемещение X определяется подстановкой в выра хение (12) jUj-U -U, щци.а , ,(,-0 при 1 выражение (13) принимает к CW Анализ выражений (13) и(14) показывает, что напряжение (j линейно зависит от перемещения ус. , а точность преобразования определяется идентин ностью параметров элементов устройства, когда Ki), и стабилизатор напряжения Uo Располагая диодно-резисторные цепи в непосредственной близости от потенциальной пластины датчика, мояно значительно ослабить влияние паразитной емкости монтажа и элементов схема, которая определяется в основном параметрами диода и резистора. Это позволяет .уменьшить емкость датчика к, следовательно, площадь его пластин и габариты. . : Предлагаемый способ преобразования перемещения 6 напряжение и, устройство. для его реализации позволяют получить зависимость близкую к линейной при емкости датчика от долей до единиц пикофарад. При этом диапазон преобразрва- ния перемещения составляет от 0,1... 0,5 мм до 1..5 мм при частоте генератора импульсов около 2 МГц,:а погрешность нелинейности 0,5-1,5%, в зависимости от параметров элементов и качества настройки устройства.

2.Устройство для преобразования перемещения в напряжение, содержащее двухэлектродный емкостный датчик, один из электродов которого заземлен, электронный ключ, управляющий вход которого подключен к выходу гене ратора. первую и вторую диодно-резисторные цепи, аноды диодов которых объединены и подключены к выходу электронного ключа, а катоды подключены к соответствующим резисторам, при этом к точке соединения катода диода и резистора первой диодно-резисторной цепи подключен потенциальный электрод емкостного датчика, отличающееся t&Mf что, с целью расширения линейного диапазона измерений, в него введены первый и второй су1 аторы, источник опорного напряжения, и первый и второй фильтры нижних частот, подключенные входами к свободным концам резисторов соответст венно первой и второй диодно-резисторных цепей, а выходами к входам первого сумматора, выход которого соединен с инверсным входом второго сумматора, прямой вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход второго сумматора соединен с введенной выходной шкной, которая является шйно питания электронного ключа.

3,Устройство для преобразования перемещения в напряжение, содержадее двухэлектродный емкостный датчик, один из электродов которого заземлен, электронный ключ, управляющий вход которого подключен к выходу генератора, первую и вторую диодно-резисторные цепи, -аноды диодов которих объединены и подключены к.выходу электронного ключа, а катоды подключены к соответствуквдим резисторам, при этом к точкам соединения катода, диода и резистора первой и второй диодно-резисторных цепей подключёны потенциальный электрод емкостного датчика и незаземленный вывод компенсирующего конденсатора, отличающееся тем, что,с целью расширения линейного диапазона измерений,в него введены третья диодно-рез и сторная цепь, анод диода которой подключен к выходу электронного ключа первый, второй и третий фильтры нижних частот, подключенные входами к свбодным концам резисторов первой, второй и третьей диодно-резисторных це- 5 пей соответственно, первый, второй

и третий сумматоры и источник опорного напряжения, подключенный к прямому входу третьего сумматора, выход которого соединен с управляющим

входом генератора, а инвертирующий вход - с выходом первого сумматора, входы которого соединены с выходами первого и второго фильтров нижних частот, а выходы второго и третьего фильтров нижних частот подключены к входам второго и третьего фильтров нижних частот подключены к входа второго сумматора.

4. Устройство для преобразования перемещения в напряжение, содержащее емкостный датчик, электронный ключ, управляющий вход которого подключен к первому выходу генератора, первую и вторую диодно-резисторные цепи, аноды диодов которых объединены и подключены к выкоду первого электронного ключа, и общую шину, отличающееся тем, что, с целью расширения линейного диапазона измерений, в него введены второй электронный ключ, подключенный управляющим входом к второму выхсщу генера.тора, третья и четвертая диодно-резисторные цепи, аноды диодов которых объединены и подключены к выходу второго электронного ключа, первый, второй, третий и четвертый фильтры нижних частот, входы KOTOES IX подключены к свободным концам резисторов соответствугацих диодно-резисторных цепей, первый сумматор, входы которого подключены к выходам первого и второго фильтров нижних частот, второй сумматор, входы которого подключены к выходам третьего и четвертого фильтров нижних частот, первый и второй последовательно соединенные резисторы, подключенные сво бодными концами к выходам первого и второго сумматоров соответственно,, компаратор, подключенный первым входом к точке соединения первого и второго резистора, третий резистор, соединяющий второй вход компаратора с общей шиной, источники положительного и отрицательного питания, подключенные к соответствуквдим входам компаратора, стабилизатор напряжения и четвертый и пятый резисторы, соединяющие соответствующие входы стабилизатора, первого и второго электронных ключей с источниками положительного и отрицательного питания, при емкостный датчик выполнен дифференциальным со средним электродом, соединенным с общей шиной,, а крайними электродами с катодами диодов второй и третьей диоднорезисторных цепей.

1. Способ преобразования перемёще-1 НИН в напряжение, заключающийся в фор мировании КЗ входного напряжения двух напряжений с помощью емкосхных датчиков, разность между которыми характеризует перемещение, о т л и чающийся тем, что/ с целью расширения линейного диапазона измерений, входное напряжение формируют в виде разности между дополнительным о опорным напряжением и сформированной с помощью емкостных датчиков кз входного напряжения разностью.