Способ преобразования перемещения в длительность импульсов и устройство для его осуществления (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и измерения перемещений.

Цель изобретения - повышение точности преобразования за счет исключе- ния погрешности, вносимой нестабильностью функциональных элементов.

На фиг. 1-4 приведены блок-схемы четырех вариантов устройств, реализуюших способ преобразования перемещений в длительность импульсов.

Устройство по первому варианту (фиг. 1) содержит полевые транзисторы 1 и 2, истоки которых подключены к общей шине, а стоки соединены с шиной источника питания через резисторы 3 и 4, емкостной датчик 5, опорный конденсатор 6, затвор транзистора 1 соединен через емкостный датчик 5 с стоком транзистора 2, затвор транзистора 2 соединен через опорный конденсатор 6 с стоком транзистора 1, формирователь 7 имнульсов эталонной длительности, вход которого под- ключен к стоку транзистора 1, первый 8 и второй 9 фильтры низких частот, вход нер- вого из которых подключен к выходу формирователя 7 а вход второго - к стоку транзистора 2, операционный усилитель 10, входы которого подключены к выходам фильтров 8 и 9, выход через резисторы 11 и 12 соединен с затворами транзисторов 1 и 2. Диоды 13 и 14 подключены к шинам питания.

Устройство по второму варианту (фиг. 2) содержит первый операционный усилитель 15, делитель 16 напряжения, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя 15, а выход соединен с неинвертирующим его входом, диодный мост 17, емкостный датчик 18 и опорный конденса- тор 19, причем первый выход диагонали переменного тока диодного моста 17 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 15, второй вывод через перезарядные резисторы 20 и 21 соединен с точками соединения выводов диагонали нос- тоянного тока диодного моста 17 с емкостным датчиком 18 н опорным конденсатором 19, формирователь 22 импульсов эталонной длительности, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя 15, фильтр 23 низких частот, вход которого подключен через резистор 24 к выходу формирователя импульсов эталонной длительности и через диод 25 и резистор 26 - к выходу первого операционного усилителя 15, второй операционный усили- тель 27, подключенный инвертирующим входом к выходу фильтра 23 низких частот, а неинвертирующим входом соединен с общей шиной, онтрон 28, фоторезистор которого подключен между выходом первого операционного усилителя 15 и вторым выводом диагонали переменного тока диодного моста 17, а свётодиод подключен к выходу операционного усилителя 27.

5

Q 5

5

Устройство по третьему варианту (фиг. 3) содержит первый операционный усилитель 29 ключи 30 и 31, емкостный датчик 32 и опорный конденсатор 34, инвертирующий вход первого операциоргного усилителя 29 подключен через отсекающие диоды 34 и 35 к емкостному датчику 32 и опорному конденсатору 33, потенциометр 36, включенный на выходе первого операционного усилителя 29, двухполярный ограничитель 37 напряжения, подключенный к выходу первого операционного усилителя 29, и двухполярный источник 38 тока, включенный между инвертирующим входом первого операционного усилителя 29 и выходом двухполярного ограничителя 37 напряжения. Двухполярный источник 38 тока состоит из двух транзисторов 39 и 40 противоположного типа проводимости, коммутируемых диодами 41 и 42. Устройство содержит также формирователь 43 импульсов эталонной длительности, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя 29, фильтр 44 низких частот, вход которого через резистор 45 подключен к выходу формирователя 43 импульсов эталонной длительности и через резистор 46 и диод 47 - к выходу двухполярного ограничителя 37 напряжения, и второй операционный усилитель 48, инвертирующий вход которого соединен с обш.ей шиной, неинвертирующий вход подключен к выходу фильтра 44 низких частот, и каскад 49 с разделенной нагрузкой, управляющие входы двухполярного источника 38 тока подключены к выходам инверсного каскада 49 с разделенной нагрузкой.

Устройство по четвертому варианту (фиг. 4) содержит генератор 50 импульсов, первый 51 и второй 52 элементы И, первые входы которых подключены к выходу генератора 50 импульсов, первый 53 и второй 54 ключи, входы которых подключены соответственно к выходам первого 51 и второго 52 элементов И, две пары диодно-резистор- ных цепей, состоящая каждая из основной цени в виде последовательно соединенных диодов 55 и 56 и резисторов 57 и 58 и дополнительной цепи в виде диодов 59 и 60 и резисторов 61 и 62, емкостный датчик 63 и опорный конденсатор 64, потенциальные электроды которых подключены соответственно к точке соединения диода 55 и резистора 57 и к точке соединения диода 56 и резистора 58, фильтры 65-68 низких частот, входы которых подключены к выводам резисторов 57, 58, 61, 62 диодно-ре- зисторных цепей, первый 69 и второй 70 блоки вычитания, входы которых подключены соответственно к выходам фильтров 66-68 низких частот, нервый 71 и второй 72 интеграторы, входы которых подключены к выходам первого 69 и второй 70 блоков вычитания, первый 73 и второй 74 блоки сравнения, первые входы которых подключены к выхода.м соответственно первого 71

и второго 72 интеграторов, источник 75 опорного нанряжения, подключенный к вторым входам первого 73 и второго 74 блоков сравнения, и триггер 76, входы которого подключены к выходам первого 73 и второго 74 блоков сравнения, а выходы - к управляющим входам первого 73 и второго 72 интеграторов и к вторым входам первого 51 и второго 52 элементов И, формирователь 77 импульсов эталонной длительности, вход которого подключен к соответствующему вы- ходу триггера 76, пятый 78 и шестой 79 фильтры низких частот, входы которых подключены соответственно к выходу формирователя 77 импульсов эталонной длительности и к противоположному выходу триггера 76, операционный усилитель 80, инвертирующий и неинвертирующий входы которого подключены соответственно к выходам пятого 78 и шестого 79 фильтров низких частот, а выход связан с шиной питания ключей 53 и 54.

Способ преобразования перемещения в длительность импульсов осуществляется следующим образом.

Если пара.метры цепей формирования импульса и пауза выходного сигнала идентичны, а емкостной датчик и опорный кон- денсатор находятся в одинаковых условиях, то длительность импульса и паузу можно представить в виде произведений

/,M-f,(K3x)-/2W; ( -).f,(d), (1)

где t,, и tf, - длительность импульсов и пауз

выходного сигнала;

fi(V6x) - функция нреобразования выходного напряжения 1/вх;

г )и fiCd i-функция преобразования расстояния X между пластинами емкостного датчика и функция преобразования расстояния d между п;|астинами опорного конденсатора;

М - параметр, учитывающий нестабильность функции преобразования входного сигнала и параметров емкостного датчика и опорного конденсатора. При длительности прямоугольных эталонных импульсов, равной /о, и длительное- ти дополнительных прямоугольных импульсов, равной длительности 1„ паузы выходного сигнала, среднее значение напряжений этих импульсных сигналов соответственно равны

Vi K-to;

,(2)

где V и К2 - средние значения напряжений; К - коэффициент пропорциональности.

В соответствии с предлагаемым способом преобразования, входное напряжение формируют в виде

(1/|-1/2)(3)

5

, 0

5

0

5

0

0

где А - коэффициент передачи вычитающего устройства, достигающий нескольких десятков тысяч при использовании операционных усилителей. В предельном случае

1/1 - .(4)

Из выражений (1) и (4)

./,(Kbx)-/2(d),(5)

где 0, d и соответственно /2(d) - постоянные величины. Поэтому

M.ft(V)B,(6)

где В - постоянная величина, в которой нестабильность параметра М компенсируется изменением входного нанряжения 1 ел- Из выражений (1) и (6) длительность

выходных импульсов определяется как

. ф2(А-)(7)

и, таким образом, не зависит от параметра М нестабильности функций преобразования.

Устройство по первому варианту работает следующим образом.

При включении источника питания на выходе операционного усилителя 10 устанавливается одно из крайних значений напряжения той или иной полярности. В точке соединения резисторов 11 и 12 устанавливается величина напряжения, опреде.тяемая соответственно источником нанряжения i или Еу, причем указанные источники выбираются таким образом, что величины напряжений EI и 2 находятся на краях диапазона устойчивой работы генератора на транзисторах 1 и 2. При этом на выходе устройства формируется импульсный сигнал, длительность импульсов которого функционально связана с емкостью датчика 5, а длительность паузы - с емкостью опорного конденсатора 6. Формирователь 7 импульсов эталонной длительности запускается отрицательным фронтом импульсов выходного сигнала. На входы первого 8 и второго 9 фильтров низких частот поступают соответственно импульсы эталонной длительности и импульсы, снимаемые с цепи тока транзистора 2 и равные длительности паузы выходного импульсного сигнала. На выходах первого 8 и второго 9 фильтров низких частот формируются напряжения, пропорциональные средним значениям входных импульсных напряжений. При достаточно большом коэффициенте усиления операционного усилителя 10 напряжение на его выходе через определенное число периодов колебаний генератора устанавливается такой величины, что разность напряжений на входах операционного усилителя 10 близка к нулю. Одновременно соответствующим образом изменяются длительности импульса и паузы выходного импульсного напряжения.

При одинаковых коэффициентах передачи фИv ьтpoв 8 и 9 низких частот и равных амплитудах импульсных напряжений на их входах указанное соотношение устанавливается при равенстве длительности эталонных импульсов формирователя 7 длительности паузы выходного импульсного напряжения. Таким образом, длительность паузы выходного импульсного сигнала поддерживается равной длительности эталонных импульсов напряжения независимо от условий окружа ющей среды. Если емкостный датчик 5 и опорный конденсатор 6 находятся в одина- КОЕ5ЫХ условиях И параметры плеч генератора идентичны, то длительность выходных импульсов определяется измеряемым переме- цепием и не зависит от дестабилизируюп,их факто)ов.

Устройство по второму варианту работает следующим образом.

При включении источника питания на вы- ходе второго операционного усилителя 27 устанавливается напряжение, например, отрицательной полярности. В этом случае фоторезистор оптрона 28 обладает максималь- ны.м сопротивлением, поскольку ток в цепи светодиода отсутствует. На выходе перво- го операционного усилителя 15 формируются двухполярные прямоугольные импульсы напряжения, длительность импульса и паузы которых определяется сопротивлением резистора 20, емкостью датчика 18, сопротивле- пием резистора 21 и емкостью опорного конденсатора 19, а также сопротивлением параллельно соединенных резистора 21 и фоторезистора оптрона 28. На выходе формирователя 22 импульсов эталонной длительности, который запускается отрицательным фронтом двухполярных импульсов с выхода первого операционного усилителя 15, формируются импульсы положительной полярности На входе фильтра 23 низких частот суммируются два импульсных сигнала: импульсы положительной полярности, поступающие с выхода формирователя 22 импульсов эталонной длительности и импульсы отрицатель- пой полярности, поступающие с выхода первого операционного усилителя 15 через последовательно соединенные диод 25 и резистор 26. На выходе фильтр а 23 низких частот формируется напряжение, пропорциональное среднему значению суммарного импульсного напряжения. При достаточно большом коэффициенте усиления второго операциопного усилителя 27 напряжение на его входе и соответственно яркость излучения светодиода оптрона 28 устанавливаются через определенное число периодов колебаний такой величины, чтобы выходное напряжение фильтра 23 низких частот было близко к нулю.- При одинаковых амплиту- дах суммируемых импульсов напряжения такое соотношение устанавливается при равенстве длительности эталонных импульсов

длительности паузы импульсного выходного напряжения. Одновременно соответствующим образом, уменьшаются длительность импульса и паузы выходного импульсного напряжения.

При идентичной зависимости параметров емкостного датчика и опорного конденсатора от условий окружающей среды длительность импульсов выходного напряжения определяется перемещением и не зависит от условий oкpyжaюuJ,eй среды.

Устройство по третьему варианту работает следующим образом.

При включении источника питания на выходе второго операционного усилителя 48 устанавливается одно из крайних значений напряжения, например, положительной полярности. Выходные напряжения ипверс1юго каскада 49 с разделе 1ной нагрузкой минимальны, двухполярный источник 38 тока на транзисторах 39 и 40 создает минимальные токи заряда емкостного датчика 32 и опорного конденсатора 33. На выходе первого операционного усилителя 29 фор.миру- ются двухполярные импульсы напряжепия, длительност1з импульса и паузы которых определяются токами заряда емкостного датчика 32 и опорного конденсатора 33, а также положением подвижного контакта потенциометра 36. Формирователь 43 импульсов эталонной длительности запускается отрицательным фроьггом импульсов, поступающих с выхода первого операциопного усилителя 29. В точке соединения резисторов 45 и 46 с входом фильтра 44 низких частот су.мми- руются два импульсных напряжения: импульсы положительной полярпости, поступаюп1.ие с выхода формирователя 43 импульсов эталонной длительности, и импульсы отрицательной полярности, поступающие с выхода двух- полярного ограничителя 37 напряжепия через последовательно соединенные резистор 46 и диод 47. На выходе фильтра 44 низких частот формируется напряжение, пропорциональное среднему значению суммарного импульсного напряжения.

Через определенное число периодов колебаний, при достаточно большом коэффициенте усиления второго операционного усилителя 48, напряжение на его выходе и следовательно напряжения на выходах инверсного каскада 49 с инверсной нагрузкой устанавливаются таким образом, чтобы выходное напряжение фильтра 45 низких частот было близко к нулю. Одновременно возрастают соответстве1П1О токи заряда емкост- ног О датчика 32 и опорного конденсатора 33, создаваемые двухполярным источнико.м 38 тока, и уменьшается соответствующим образом длительность импульса и паузы выходного импульсного напряжения. При одинаковых амплитудах суммируемых импульсов напряжения такое соотношение уста павливается при равенстве длительности эталонных импульсов длительности паузы

импульсного выходного напряжения. Если емкостный датчик 32 и опорный конденсатор 33 находятся в одинаковых условиях окружающей среды, а транзисторы 39 и 40 создают одинаковые токи заряда, то длитель- ность импульсов выходного напряжения определяется перемещением и не зависит от изменяющихся условий окружающей среды.

Устройство по четвертому варианту работает следующим образом.

При включении источника питания на выходе операционного усилителя 80 устанавливается одно из крайних значений напряжения, например, отрицательной полярности. Диод 81 закрывается под действием приложенного обратного напряжения, к щи- нам питания ключей 53 и 54 прикладывается через открытый диод 82 напряжение з источника, минимальное значение которого выбирается из условия обеспечения устойчивой работы схемы. При этом на выходах триггера 76 формируются прямоугольные импульсы напряжения, длительность импульса и паузы которых определяются е.мкостью датчика 63 и опорного конденсатора 64, параметрами диодно-резисторных цепей, параметрами интеграторов 7 и 72 и источниками 75 опорного напряжения, частотой ге- нератора 50 импульсов и напряжением на ujHHe питания ключей 53 и 54. Формирователь 77 импульсов эталонной длительности запускается отрицательным фронтом импульсов, поступающих с прямого выхода триггера 76. На входы пятого 78 и шестого 79 фильтров низких частот поступают соответственно прямоугольные импульсы эталонной длительности с выхода формирователя 77 и прямоугольные импульсы с инверсного выхода триггера 76. На выходах фильт- ров 78 и 79 формируются напряжения, пропорциональные средним значениям этих и.м- пульсных напряжений. Через определенное число периодов импульсного напряжения на выходах триггера 76 при достаточно боль- iuoM коэффициенте усиления операционного усилителя 80 напряжение на выходе операционного усилителя 80 устанавливается такой величины, что разность напряжений на его входах близка к нулю. Под действием приложенного обратного напряжения диод 82 закрывается и выходное напряжение операционного усилителя 80 прикладывается через открытый диод 8 к щинам питания ключей 53 и 54. Соответствующим образом уменьщается длительность импульса и паузы импульсного напряжения на выходах тригге- ра 76. При равенстве амплитуд импульсов на выходах фильтров 78 и 79 такое соотно- щение устанавливается при равенстве длительности эталонных импульсов длительности паузы и.мпульсного напряжения на прямом выходе триггера 76. Если емкостный датчик 63 и опорный конденсатор 64 находятся в одинаковых условиях окружающей среды, а параметры блоков 69 и 70 вычитания, интеграторов 71 и 72, блоков 73 и 74 сравнения идентичны, то длительность импульсов на прямо.м выходе триггера 76 определяется перемещением и не зависит от изменяющихся условий окружающей среды.

Формула изобретения

1.Способ преобразования перемещения в длительность импульсов, заключающийся в том, что формируют линейно изменяющиеся напряжения, функционально связанные с параметрами емкостного датчика и опорного конденсатора, и выделяют длительность выходных импульсов напряжения путем сравнения линейно изменяющихся напряжений с опорными напряжениями, огличаю- щийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, формируют дополнительные прямоугольные импульсы напряжения с длительностью, равной длительности паузы .между выходными импульсами напряжения, и прямоугольные импульсы эталонной длительности, синхронизированные с частотой выходных импульсов напряжения, а входное напряжение формируют в виде разности между средними значениями импульсов напряжения эталонной длительности и дополнительных импульсов напряжения.

2.Устройство для преобразования перемещения в длительность импульсов, содержащее емкостный датчик, опорный конденсатор, два полевых транзистора, истоки которых подключены, к общей щине, стоки через резисторы подключены к тине источника питания, затвор каждого транзистора соединен со стоком другого транзистора соответственно через емкостный датчик и опорный конденсатор, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности преобразования, оно снабжено формирователем импульсов эталонной длительности, вход которого подключен к стоку одного из транзисторов, первым и вторым фильтрами низких частот, входы которых подключены соответственно к выходу формирователя импульсов эталонной длительности и стоку другого транзистора, и операционным усилителем, неинвертирующий и инвертирующий входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго фильтров низких частот, а выход соединен через резисторы с затворами транзисторов.

3.Устройство для преобразования перемещения в длительность импульсов, содержащее емкостный датчик, опорный конденсатор, первый операционный усилитель, делитель напряжения, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а вход подключен к выходу первого операционного усилителя, диодный мост, выводы диагонали постоянного тока которого соединены соответственно с емкост- пым датчиком и опорным конденсатором, первый вывод диагонали переменного тока

подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод соединен через перезарядные резисторы с емкостным датчиком и опорным конденсатором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности преобразования, оно снабжено формирователем импульсов эталонной длительности, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, фильтром низких частот, вход которого подключен через резистор к выходу формирователя импульсов эталонной длительности и через последовательно соединенные диод и резистор - к выходу первого операционного усилителя, вторым операционным усилителем, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, инвертирующий вход /юдключен к выходу фильтра низких частот, оптроном, светодиод KOTOpoi O подключен к В1)1ходу второго операционного усилителя, а фоторезистор включен между выходом нервого онерационного усилителя и иторым выводом диагонали переменного тока диодного моста.

4. Устройство дли преобразования пере- мешения в длительность импульсов, содержащее емкост)ый датчик, опорный конденсатор, включенные параллельно емкостному датчику и опорному конденсатору, первый операционный усилитель, выход которого сое- с унравляюншми входами ключей, потенциометр, включенный на выходе первого онерационного усилителя, нодвижный контакт которого подючючен к неинвертируюп1е- му входу первог о операпионного усилителя, двухнолярный ограничитель напряжения, подключенный к выходу нервого операционного усилителя, двухнолярный источник тока, включенный между инвертирующим входом первого операционного усилителя и выходом двухполярного ограничителя напряжения, и два отсекающих диода, включенных между инвертирующим входом первого операционного усилителя и выводами емкостного датчика и опорного конденсатора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности преобразования, оно снабжено формирователем импульсов эталонной длительности вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, фильтром низких частот, вход которого через последовательно соединенные диод и резистор подключен к выходу двухнолярного ограничителя нанряжения и через резистор подключен к выходу формирователя импульсов эталонной длительности, вторым операционным усилителем, инвертирующий вход которого соединен с обн1ей тиной, а неинвертирующий вход подключен к выходу фильтра

НИЗКИХ частот, инверсным каскадом с разделенной нагрузкой, вход которого подключен к выходу второго операционного усилителя, а двухиолярный источник тока выполнен на двух транзисторах противоположного типа проводимости, затворы которых подключены к соответствующим выходам инверсного каскада с разделенной ь агрузкой.

5. Устройство для преобразования перемещения 3 длительность импульсов, содержащее емкостный датчик, опорный конденсатор, генератор импульсов, нервый и второй элементы И, первые входы которых подключены к выходу генератора имнульсов, две пары диодно-резисторных цепей, каждая из которых состоит из основной и дополнительной цепей в виде последовательно соединенных диода и резистора, причем точки соединения диода и резистора основных цепей подключены соответственно к потенциальным э;1ект- родам емкостного датчика и опорного конденсатора, четыре фильтра низких частот, к входам которых подключены резисторы диодно-резисторных :1,епей, первый л второй интеграторы, нервый и второй блоки вычитания, входы которых подключены к входам фильтров, а выходы --- к входам первого и второго интеграторов, первый и второй блоки сравнения, первые входы которых подключены к выходам соответственпо первого и второго интеграторов, источник опорного напряжения, гюдк; юченный к вторым входам б. юков сравнепия, и триггер, входы которого подключены к выходам блоков сравнения, а выходы - к управляющим входам соответствующих интеграторов и к вторым входам соответствуюплих элементов И, отличающееся тем, что, с целью 1ювы пе1щя точности преобразования оно снабжено формирователем импульсов эталонной длительности, вход которого подключен к соответствующему выходу три1тера, нят1з1м и шестым фильтрами низких частот, входы которых подк. почепы соответственпо к выходу формирователя импульсов эталонной длительности и к противоположному выходу тригтера, операционным усилите.аем, инвертирующий и неинвертирующий входы которого подключе- пь соответственно к выходам пятого и njec- того фильтров низких частот, нервым.и вторым ключами, входы которых подключены соответственно к выходам нервого и второго элементов И, выход первого ключа соединен с диодами первой пары диодно-резисторных пеней, выход второго ключа - с диодами второй нары диодно-резисторных цепей, а Н1ИНЫ 1итания ключей нодключены к выходу операционного усилителя.

Изобретение позволяет повысить точность преобразования перемещений в длительность имиульсов за счет исключения погрешности, вносимой нестабильностью электронных блоков функциональной с.хемы. На выходе устройства формируется импульсный сигнал, длительность импульсов которого функционально связана с емкостью датчика, а длительность паузы - с емкостью опорного конденсатора, при этом длительность паузы выходного импульсного сигнала поддерживается равной длительности эталонных импульсов независимо от условий окружающей среды. Это позволяет существенно снизить влияние дестабилизирующих факторов, если емкостный датчик и опорный конденсатор находятся в одинаковых условиях. 5 с.п. ф-лы, 4 ил. с S5 (Л ГчЭ N3 СО 00 х

J/

фигЛ

Оставитсль IS. Нико.чарв

Редактор Т ПарфкноиаТехред И. ВересКорректор А. Зимокосоь

Заказ 2004/41Тираж 670Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4