Емкостный преобразователь перемещения Советский патент 1985 года по МПК G01B7/06 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения объектов.

Цель изобретения - повьшение точности измерений.

На чертеже показана схема емкостного преобразователя перемещени Емкостньй преобразователь перемещений содержит емкостный датчик 1 с двумя электродами 2 и 3, из которых электрод 3, связьшаемьй в процессе измерений с контролируемым объектом (не указан), заземлен. Экранирующий электрод 4 связан с электродом 2 через повторитель 5 напряжения. Опорньй конденсатор 6 имеет один заземленный электрод. Емкостный преобразователь перемещений содержит также источник 7 постоянного опорного напряжения, инвертиРУ101ЦИЙ сумматор 8, первый переключатель 9 и второй переключатель 10, генератор 11 импульсов, управляющий работой переключателей 9 и 10, и интегратор 12 заряда, включающий операционньп усилитель 13 и накопительный конденсатор 14. Незаземленньш электрод опорного конденсатора 6 соединен с нормально замкнутым контактом переключателя 9, электрод 2 емкостного датчика 1 соединен с нормально замкнутым контактом переключателя 10. Нормсшьно разомкнутые контакты переключателей 9 и 10 соединены с входом интегратора 12, выход которого соединен с первым входом инвертирующего сумматора 8. Второй вход инвертирующего сумматора 8 соединен с источником 7 постоянного опорного напряжения.

Емкостный преобразователь перемещений работает следующим образом.

Перемещение контролируемого объекта приводит к изменению зазора мелоду электродами 2 и 3 емкостного датчика 1. Реальное значение электрической емкости емкостного датчика 1 может быть представлено в следующем виде

С

г 8 ,

где S - плott aдь перек рытия электродов 2 и 3;

5 - диэлектрическая проницаемость среды между электродами 2 и 3{

869382

8 - зазор между электродами

2и З;

С -: паразитная емкость, обусловленная неполнотой экра5 нирования электродов 2 и

3экранирующим электродом 4, емкостью монтажа и неисключенным краевым эффектом.

О Поскольку Сц не зависит от значения измеряемого перемещения, она приводит к нелинейности функции преобразования измерительного преобразователя,

15 Конденсатор, образованный электродами 2 и 3, при положении контактов переключателей 9 и 10, указанном на чертеже, заряжается до : значения выходного напряжения интегратора 12 заряда. Опорный конденсатор 6 при этом заряжаетЬя до значения выходного напряжения сумматора 8. При подключении по сигналу генератора 11 импульсов емкостного датчика 1 и опорного конденсатора 6 к входу интегратора 12 заряда, напряжение на них становится равным напряжению на входе интегратора 12 заряда, которое вследствие

0 большого коэффициента усиления операционного усилителя 13 близко к нулю. При этом заряд с датчика 1 и опорного конденсатора 6 передается в накопительный конденсатор 14, изменяя соответствующим образом выходное напряжение интегратора 12 заряда. При последующих переключениях переключателей 9 и 10 напряжение на выходе интегратора 12 заряда . стремится к значению, при котором заряды, накапливаемые в датчике 1 и опорном конденсаторе 6, будут.равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. Противоположность знаков зарядов обеспечивается инвертирующим включением олерационного усилителя 13. Таким образом, установившийся режим работы преобразователя описывается уравнением, следующим из равенства зарядов на датчике 1 и конденсаторе 6

.х- Сд вых выходное напряжение

преобразователя j Z вькодное напряжение

сумматора 8;

GO - емкость опорного конденсатора 6;

31

с учетом зависимости выходного натфяжения инвертирующего сумматора 8 от коэффициентов преобразования его по первому и второму входам

-V, -«.ых-К,

и

коэффициенты преобразования ,

значение опорного напряжения,

иЛ-к,

вЫХ c.R

.r .f .V

g -n -0 i

Если значение коэффициента К, выбрать таким что CpKj С,у то :влияние CD на выходную характеристику преобразователя будет исключено

869384

и выходное напряжение преобразователя будет линейно связано с измеряемым перемещением.

Таким образом введение сигнала

5 обратной связи с выхода преобразователя через инвертирующий сумматор 8 позволяет исклю шть погрешность, обусловленную паразитной емкостью, и повысить точность измерений за

10 счет повьшения линейности выходной характеристики. того, введение интегратора 12 заряда и второго переключателя, который вместе с первым переключателем управляется ге15 |нератор 4 11 импульсов, позволяет получить на выходе преобраэ ователя постоянное напряжение, что искшочает необходимость в выпрямлении выходного напряжения, приводящего в

20 аналогичных устройствах к снижению точности.

ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕЬ1ЕЩЕПИЯ, содержащий заземленные емкостный двухэлектродный датчик и опорный конденсатор, генератор импульсов и управляемый генератором импульсов первый переключатель. отличающийся тем, что, с целью повьшения точности перемещения, преобразователь снабжен источником постоянного опорного напряжения, вторым переключателем, интегратором заряда с накопительным конденсатором и инвертирующим сумматором, первый вход которого соединен с выходом интегратора,второй вход соединен с источником постоянного опорного напряжения, а выход - через нормально замкнутьй контакт первого переключателя соединен с опорным конденсатором, емкостный датчик через нормально замкнутый контакт второго переключаСЛ теля соединен с выходом интегратора, а нормально разомкнутые контакты первого и второго переключателей подсоединены к входу интегратора.