Емкостный преобразователь перемещения Советский патент 1988 года по МПК G01R27/26 

СО х

О)

о

00

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для преобразования перемещения в электрический сигнал с помощью дифференциальных емкостных датчиков, и может быть использовано в различных системах автоматического управления.

Целью изобретения является упро- ;щение структурной схемы устройства |и повьшение точности измерения путем |уменьшения погрешности преобразова- |ния.

На чертеже приведена схема преоб- разователя.

Емкостный преобразователь перемещения содержит генератор 1 импуль- icoB (формирующий двухполярные импуль

ния, точка соединения фотоприемников . 16 и 19 оптронов соединена с выходной шиной 20. Светоизлучатель 14 первого оптрона соединен катодом с отрицательной шиной 28 питания, а анод через ре зистор 23 соединен с выходом сумматора 13; анод светоизлучателя 17 второго оптрона соединен с положительной шиной 27 питания, а катод через резистор 24 - с выходом сумматора 13 третий резистор 8 включен между входом первого фильтра 11 низких частот и анодом первого диода 1; четвертый резистор 10 включен между входом второго фильтра 12 низких частот и анодом третьего диоДа 9; выход второго фильтра 12 низких частот подключен к инвертируюш;ему входу сумма

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для преобразования перемещения в электрический сигнал с помощью дифференциальных емкостных датчиков и может быть использовано в различных системах автоматического управления. Цель изобретения - упрощение структурной схемы устройства и повышение точности измерения - достигается путем уменьшения погрешности преобразования. Устройство содержит генератор 1 импульсов формирующий двух- полярные импульсы напряжения равной амплитуды, дифференциальный емкост- ньй датчик 6, фильтры 11 и 12 низких частот, сумматор 13, первый и второй дифференциальные оптроны, соответственно содержащие светоизлучатели 14 и 17, фотоприемники 15 и 16 и 18 и 19, диоды и резисторы. Преобразователь имеет высокую точность измерений и гальваническую развязку выходной цепи от остальной схемы и общей шины, что удобно для включения поЛу . мостовой выходной цепи в различные автоматические устройства управления и регулирования. 1 илi о (О

25

30

35

сы напряжения равной амплитуды), BTO-2Q тора 13, средний электрод дифферен|рой диод 2, первый резистор 3, пет|вертый диод 4, второй резистор 5, диф(ференциальньй емкостный датчик 6;

перемещений, первый диод 7, третий

резистор 8, третий диод 9, четвертый резистор 10, первый 11 и второй 12

фильтры низких частот, сумматор 13 первый дифференциапьный оптрон, содержащий светонзлучатель. 14 фото|приемники 15 и 16, второй дифферен;циальньш оптрон, содержащий свето- ,

|Излучатель 17, фотоприемники 18 и

;19, выходную шину 20 преобразовате;г1Я)

резисторы 21-24, шины 25-28 питания. Катод первого диода 7 соединен с

:анодом второго диода 2, катод кото|рого соединен с первой обкладкой дифференциального емкостного датчика

;6 аеремещений и - через последовательно соединенные первый резистор 3 и первый фильтр 11 низких частот - с неинвертирующим входом сумматора 13, катод третьего диода 9 соединен с анодом четвертого диода 4, катод которого соединен с второй обкладкой дифференциального датчика 6 перемещений и - через второй резистор 5 - с вторым фильтром 12 низких частот, первьй фотоприемник 15 первого оптрона соединен с анодом первого диода 7 и катодом второго диода 2, фотоприемник 18 второго оптрона соединен с анодом третьего диода 9 и катодом четвертого диода 4, фотоприемник 16 первого оптрона соединен с фотоприемником 19 второго оптрона, и они защунтироваиы резисторами 21 и 22 соответственно, соединены с соответствующими шинакя 25 и 26 пита40

45

циального e жocтнoгo датчика 6 перемещений подключен к общей шине 29 пи тания, вьЕкод генератора 1 импульсов соединен с катодами первого 7 и третьего 9 диодов.

Емкостный преобразователь пере- .мещения работает следующим образом.

Крайние электроды дифферени {аль- ного емкостного датчика 6 запитыва- ются от генератора 1 импульсов через диоды 2 и 4 импульсами положительной полярности, длительность спада которых определяется постоянными времени перезаряда плеч дифференциального датчика 6, При равенстве плеч мостовых схем, образованных резисторами 3,8 и 5,10, достаточно высоких входных сопротивлениях фильтров 11 и 12 низких частот (зависяш х, в свою оче редь, от входных сопротивлений сумматора 13) и при условии, что длительность перезаряда плеч дифференциального датчика не менее чем в 5 раз превьшзает постоянные времени перезарядных цепей, напряжения на входах фильтров 11 и 12 с достаточной точностью опреД Вляются выражения ми:

50

м - м f 2RiRif. р .

V, - ш 2Кч-К„ 1

2R+R

. V f2R-5lL.C 2R4-Ei5

I

(1)

(2)

55

где V.

V,

входное напряжение первого фильтра 11 низких частот; а1«1литуда напряжения на крайних электродах дифференциального емкостного датчика 6,

5

0

5

Q тора 13, средний электрод дифферен0

5

циального e жocтнoгo датчика 6 перемещений подключен к общей шине 29 питания, вьЕкод генератора 1 импульсов соединен с катодами первого 7 и третьего 9 диодов.

Емкостный преобразователь пере- .мещения работает следующим образом.

Крайние электроды дифферени {аль- ного емкостного датчика 6 запитыва- ются от генератора 1 импульсов через диоды 2 и 4 импульсами положительной полярности, длительность спада которых определяется постоянными времени перезаряда плеч дифференциального датчика 6, При равенстве плеч мостовых схем, образованных резисторами 3,8 и 5,10, достаточно высоких входных сопротивлениях фильтров 11 и 12 низких частот (зависяш х, в свою очередь, от входных сопротивлений сумматора 13) и при условии, что длительность перезаряда плеч дифференциального датчика не менее чем в 5 раз превьшзает постоянные времени перезарядных цепей, напряжения на входах фильтров 11 и 12 с достаточной точностью опреД Вляются выражениями:

м - м f 2RiRif. р .

V, - ш 2Кч-К„ 1

2R+R

. V f2R-5lL.C 2R4-Ei5

I

(1)

(2)

где V.

V,

входное напряжение первого фильтра 11 низких частот; а1«1литуда напряжения на крайних электродах дифференциального емкостного датчика 6,

f - частота импульсов генератора 1-, R - сопротивления резисторов

3,8,5,10;

R, - сопротивление фотоприемника 15;

- входное напряжение второго фильтра 12 низких частот;R - сопротивление фотоприемника 18;

С, и С - емкости плеч дифференциального датчика 6,

Выражения (1) и (2) легко выво- дятся из соотношений, приведенных в (1).

При достаточно большом коэффициенте усиления сумматора 13, вьшолнен ного на операционном усилителе, интенсивность свечения светоизлучате- лей 14 и 16 устанавливается таким, что разность напряжений V, и V/j близка к нулю, поэтому можно при- нять V Vj, и тогда из (1) и (2) следует

2R-R

15

Г г 2R+R,5 2R+R,g V

При идентичности характеристик фотоприемников оптронов R j- k R j , R jg k, выборе R t 2R/k.,Rj2 2R/k (где R ц , R 13 сопротивле- НИЯ фотоприемников 16 и 19 соответ- cTBeHHOj R, и R сопротивления pe- |3исторов 21 и 22 соответственно; k , и k, - коэффициенты пропорциональности), а также учитывая, что

Г - . г с, - . с, d-x

t - диэлектрическая проницаемость;д5 S - площадь электродов емкостного датчика;

X - расстояние между средним и . . одним из крайних электродов датчика ,,

d - суммарное расстояние между

средним и крайними электродами датчика, ношение (3) приводится к виду

50

k 1, RiiRjLki. ..

X R,,+R,. d-x

RIJ+R-;,

Из выражения (4) следует

R,X

-,

d-x

(5)

где R, R.IIR,

5lL 5 1. R u -Jt

еморочас10емници- Т5 в

цилнен-инте-м, - 25 2)

(3)

30

35

j , 2 е- . ет- pe-

ость;д5 нои . . ов ,

у

ода

50

4)

55

R - R,3

IP RivRn к ., 1 - ;; . f

n

R 19 +Rj

При k,/kj 1 выходное напряжение, определяемое соотношением плеч полу- мостовой схемы R , и R, линейно зависит от перемещения среднего электрода датчика. Отличие k, от k j ,на 10% вносит нелинейность преобразования менее 2%.

Предлагаемый емкостный преобразователь перемещения имеет более высокую точность измерения по сравнению с прототипов благодаря уменьшению погрешности преобразования, а также более высокую надежность благодаря упрощению структурной схемы.Гальва-. ническая развязка выходной цепи от остальной схемы преобразователя и общей шины удобна для включения полз мос- товрй выходной цепи в различные автоматические устройства управления и регулирования.

Формула изобретения

Емкостный преобразователь перемещения, содержащий генератор импульсов, четыре диода, причем катод первого диода соединен с анодом второго диода катод которого соединен с первой обкладкой дифференциального емкостного датчика перемещений и через последовательно соединенные первый резистор и первый фильтр низкой частоты - с неинвертирующим входом сумматора, катод третьего диода соединен с анодом четвертого диода, катод которого соединен с второй обкладкой дифференциального емкостного датчика перемещений и через второй резистор - с вторым фильтром низких частот, также содержит третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, выходную клемму, отличающийся тем, чтоу с це-пью упрощения конструкции и повышения точности в н его введены пер- вьм и второй дифференциальные оптро- ны, причем первый фотоприемник первого оптрона соединен с анодом первого и катодом второго диодов, а первый фотоприемник второго оптрона соединен с анодом третьего и катодом чет513960876

вертого диодов, вторые фотоприемникительной шиной питания, средний элект- ortTpoHOB соединены последовательнород дифференциального емкостного дат- дВуг с другом и каждьй из них шунти-чика перемещений соединен с общей ши- рйван соответствующим резистором и ,ной, третий и четвертьй резисторы соединен с соответствующими шинами пи-велючены между входом первого фильт- тЛния, точка соединения вторых фото-ра низкой частоты и анодом первого П1|)иемников оптронов соединена с вы-диода и между входом второго фильтра ходной клеммой, светоизпучатели оп-низкой частоты и анодом третьего дно- тронов через соответствуюпще резисто-юда, выход второго фильтра низкой соединены с выходом сумматора,частоты соединен с инвертирующим вхо- светоизлучателя второго оптро-дом сумматора, выход генератора им- н соединен с .положительной шиной пи-пульсов соединен с катодами первого тйния, а катод первого - с отрица-и третьего диодов.