Емкостной датчик расстояния до проводящей поверхности Советский патент 1988 года по МПК G01B7/06 G01B7/14 

Фиг. /

09 4

Изобретение относится к измерительной технике, является усовершенствованием основного изобретения по авт.св. fr 922498 и может быть использовано для измерения малых перемещений, зазоров или расстояний до проводящей поверхности, например величины торцовьпс биений, а также скорости или ускорения биений (по вто- рой производной величины биений) вращающихся магнитных дисков информационных модулей накопителей ЭВМ.

Целью изобретения является повышение точности, помехозащищенности и расширение диапазона измерения емкостного датчика расстояния до проводящей поверхности путем уменьшения влияния поверхностных токов утечки между электродами емкостного датчика вызванных их загрязнением, а-также путем уменьшения влияния краевых эффектов благодаря более компактному размещению электродов датчика.

На с1)иг.1 показан емкостный дат- чик, поперечное сечениеJ на фиг.2 - то же, при задании эталонных расстояний между электродами датчика путем выбора диэлектрической постоянной пластин, на которых расположены эти электроды; на фиг.З, 4 и 5 - разрезы А-А на фиг.1 (формы выполнения основного и дополнительных электродов - в виде круглых дисков, колец, сегментов, круга, квадратов и прямоугол

НИКОВ соответственно).

Емкостный датчик расстояния до проводящей поверхности содержит размещенные в герметичном металлическом корпусе .1, выполняющем функции экрана, основной измерительный электрод 2 и смещенные относительно него на заданные расстояния 4d к ud в направлении измеряемого рабочего перемещения первый 3 и второй 4 дополнител ныв электроды. Число дополнительных электродов может быть в общем случае и больше. Электроды 2-4 размещены на внутренней удаленной от контролируемого объекта 5 поверхности диэлектрических пластин 6-8 соответственно, толщина (фиг.1) или диэлектрическая постоянная (фиг.2) которых или то и другое одновременно определяют заданные расстояния (смещения) между электродами емкостного датчика в направлении измеряемого перемещения (зазора) . Первый смещенный электрод 3 охватывает основной (центральный)

5 0

5 0

5

0

5

электрод 2 и имеет отверстие, равное по размерам внешним размерам основного электрода 2. Каждый последующий дополнительный электрод, например 4, выполнен с внутренним о.тверстием, размеры которого равны внешним размерам предьщущего дополнительного электрода, здесь -. электрода 3 (фиг.З, 4 и 5).

За счет того, что расстояния между электродами в горизонтальной плоскости практически сведены к нулю, исключается влияние краевого эффекта что значительно повышает точность измерения.

Наличие диэлектрика (хотя бы с минимальной толщиной d Q) между измерительными электродами датчика и контролируемой поверхностью объекта 5 повышает его помехозащищенность, так как исключается возможность таких загрязнений электродовj которые могут привести к увеличению поверхностных токов утечки между электродами и корпусом датчика или к короткому эамыка- нию электродов с контролируемой деталью и нарушению работы электронной части измерительной схемы. .

При этом обеспечивается одинаковая толщина контролируемого воздушного зазора d между всеми электродами емкостного датчика и контролируемой поверхностью объекта 5.

Еще больше влияние краевого эффекта можно уменьшить путем выполнения электродов датчика в виде тонкопленочных электропроводных покрытий.

Емкостный датчик работает следующим образом.

При изменении расстояния от поверхности .датчика до контролируемой поверхности, т.е. при изменении зазо ра d, изменяются емкости С,С к Cj между каждым из его электродов 2-4 и этой поверхностью согласно следующим математическим вьфажениям:

С - Ло.1§Л,

Ado d+4de

Т Г

(1)

(2)

, IfLl-S

d+Jde+4di 1 Tt

, Ее.

3 d+adn+ud +&di

То Ё;

(3)

диэлектрическая проницаемость вакуумаJ диэлектрическая проницаемость воздушного промежутка между электрод ами

диэлектрическая проницаемость диэлектрических пластин 6-8 соответственно;

площади каждого из электродов 2-4 J толщина диэлектрических

пластин 6-8 соответст- jc венно.

электрической проница,, j, g могут быть и, так и различными.

10

Вследствие изменс. ния зтнх емкостей напряжения U., 11, П.на электродах 2-4 датчика равны соответственно:

и.

II WC.

и

шСз

(4) (5) (6)

где k - коэффициент пропорциональности;

ш - круговая частота напряжения

питания,

В результате измеряемое расстояние - зазор d - определяется следующим выражением:

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повьппение точности, помехозащищенности, а также расширение диапазона измерения емкостного датчика расстояния до проводящей поверхности. Датчик содержит концентрически расположенные основной (центральный) 2 и дополнительный 3 и 4 смещенные относительно него на заданные расстояния электроды. Электроды 3 и 4 выполнены с внутренними отверстиями, размеры которых равны внешним размерам предыдущего злектрода. Эталонные смещения в направлении измеряемого перемещения могут быть заданы как толщиной диэлектрических пластин, на внутренней удаленной от контролируемого объекта поверхности которых размещаются эти злектроды, так и величиной диэлектрической постоянной этих пластин. Благодаря этому уменьшаются габариты емкостного датчика и ослабляется влияние краевых эффектов и токов утечки между его электродами. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. с (О (Л

d

Стт -п s-ido+ Jdi+iidj ,-V dde+Jdi

Таким образом, результат измерения не зависит от диэлектрической проницаемости среды в зазоре, а следовательно, и от изменений температуры, влажности, давления и состава воздушной среды, которые влияют на ее величину.

Дополнительные смещенные относительно основного на заданные расстояния электроды позволяют расширит диапазон и повысить точность измерений. Благодаря тому, что измерительные электроды датчика (основной и смещенные) расположены симметрично а смещенные электроды охватывают основной, уменьшается влияние изменений угла между направлением измеряемого перемещения и проводящей поверхностью, что повышает точность и расширяет функциональные возможности датчика,

. Задавая величины диэлектрической проницаемости пластин 6-8 и заданных смещений Jdj, d, 4dj изменением их толщины, МОЖНО дополнительно расширить диапазон и точность измерения. При этом электроды могут быть смещены, один относительно другого в направлении измеряемого перемещения на заданное расстояние, равное толщине соответствующей диэлектрической пластины, или находиться в одной плоскости (фиг.2), что позволяет уменьшить габариты датчика при обеспечени заданной точности измерения.

Ut - U;

(7)

0

5

0

5

0

5

Формула изобретения

1,Емкостный датчик расстояния до проводящей поверхности по апт.св, № 922498, отличающийся тем, что, с целью повьш ения точности, первьтй смещенный дополнительный электрод выполнен с внутренним отверстием, равным по размерам внешним размерам основного электрода, а каждый последующий дополнительный электрод выполнен с внутренним отверстием, равным по размерам внешним размерам предьщущего дополнительного электрода,

2,Датчик поп,1,отличающ и и с я тем, что, с целью расширения диапазона измерения и повышения помехозащищенности, расстояния между основным и дополнительными электродами в направлении измеряемого перемещения пропорциональны толщине диэлектрических пластин, на внутренней, удаленной от контролируемого объекта поверхности которых размещены соответствующие электроды,

3,Датчик попп,1 и2, отличающийся тем, что расстояния между основным и дополнительными электродами в направлении измеряемого перемещения пропорциональны величине Диэлектрической постоянной пластин, на которых размещены эти электроды.

фуг.

3 ff

AzA

фуг.5