Способ преобразования параметров емкостного датчика Советский патент 1988 года по МПК G01R17/10 G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам преобразования параметров емкостных датчиков, и может быть ис- пользовано для автоматизации процессов измерения и контроля перемещений.

Цель изобретения - повьшение точности преобразования за счет уменьшения составляющей сигнала емкостно- го датчика в вькодном напряжении не- ли ейной мостовой схемы, а также за счет исключения фильтрации сигйала.

|На фиг. 1 приведена схема устрой- стйа, реализующего способ преобразо- вайия параметров емкостнрго датчика; на фиг. 2 - пример конкретного выпол- иейия этого же устройства с модулем аналогового входа.

Устройство для преобразования па- раметров емкостного датчика )фиг. 1) содержит генератор 1 импульсов, уп- ра ляемый по частоте, формирующий двухполярные импульсы напряжения, ; первую диодно-резисторную цепь, сое- тоЯщую из диода 2 и резистора 3, емкостный датчик 4, подключенный между общей шиной и точкой соединения диода 2 и резистора 3, вторую диодно резисторную цепь, состоящую из диода 5 и резистора 6, опорный конденсатор 7, подключенный между общей щиной и точкой соединения диода-5 и резистора 6,; образцовьй конденсатор 8, подключенный через ключевой элемент оптрона 9 jc точке соединения диода 2 и резистора 3, блок 10 управления, вькоды которого подключены к управляющему входу генератора 1 импульсов и светоиз- лучателю оптрона 9. Емкость 11 ключевого элемента оптроиа образует последовательную цепь с образцовым конденсатором 8. Выходная щина устройства подключена к точке соединения резисторов 3 и 6.

Устройство согласно фиг. 2 содержит управляемый генератор 12 импульсов, формирующий двухполярные импульсы напряжения, две диодно-резистор- ные цепи, образованные диодами 13, 14 и резисторами 15 и 16, емкостный датчик 17, пoдключeнньri между общей шиной и точкой соединения диода 13 и резистора 15, опорный конденсатор 18 подключенный между общей шийой и точ кой соединения диода 14 и резистора 16, образцовый конденсатор 19, подключенный через ключевой элемент оп

трона 20 к точке соединения диода 1 3 и резистора 15, интегратор 21 , вход которого подключен к точке соединения резисторов 15 и 16, схему 22 дискретизации и хранения с запоминающим конденсатором 23, вход которой соединен с выходом интегратора 21, аналого- цифровой преобразователь 24, соединенный со схемой 22 дискретизации и хранения через входную шину и шину сигнала состояния, микропроцессор 25, соединенный с входом управления интегратора 21, светоизлучателем оптрона 20, управляющим входом генератора 12 импульсов, а также с аналого-цифр вовым преобразователем 24 через шину

26управления и информационную шину

27аналого-цифрового преобразователя Шина 28 инициирования и информационная шина 29 микропроцессора 25 предназначены для связи с центральным процессором.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Емкостной датчик 4 и опорньй конденсатор 7 запитьшаются через диоды 2, 5 импульсами напряжения с. выхода генератора 1 импульсов. При этом, в точке соединения диода 2 и резисто - ра 3 формируются импульсы напряжения с длительностью спада, определяемой постоянно й времени перезаряда суммарной емкости датчика 4 и емкости цепи, образованной последовательно соединенными образцовыми конденсатором 8 и емкостью 11 ключевого элемента оптрона 9. В точке соединения диода 5 и резистора 6 формируются импульсы напряжения с длительностью спада, определяемой постоян- .ной времени перезаряда опорного конденсатора 7. При условии, что длительность импульсов генератора 1 не менее, чем в 5 раз превьшает постоянные времени перезарядных цепей, постоянное выходное напряжение нелинейной мостовой схемы при закрытом ключевом элементе 9 можно принять равным

IT IT f H() /p p ч вь,к V (к+к„)а 21 7)

Rj- ( -C) , (1)

где Ugjjix выходное напряжение нелинейной мостовой схемы;

U - амплитуда напряжения на

емкостном датчике 4 и опорном конденсаторе 7;

f - частота импульсов генератора 1 ;

R - сопротивление резисторов 3, 6;

Кц - сопротивление нагрузки нелинейной мостовой схемы,

R ККн(К+2Кн)

VpVn а экйивалентное сопро- (.к+Кц; тивление перезарядной цепи,

г г

Г Г + а « у 4 г +г г. L g +L,

С - емкость датчика 4; Сд - емкость образцового конденсатора 8;.20 C емкость ключевого элемента

оптрона 9;

. С - емкость опорного конденсатора 7 .

С учетом : нестабйльностне парамет- 25 ров генератора и элементов нелинейной мостовой схемы выражение (1) записывается в виде

Ueb.x

() «о, (2) где и - составляющая выходного напряжения, обусловленная температурной и временной нестабильностью параметров элементов схемы.

В режиме формирования напряжения раз баланса нелинейной мостовой схемы блок 10 управления формирует на управляющем входе генератора сигнал, устанавливающий высокую частоту импульсов на выходе генератора. Емкостной датчик 4 может быть представлен в виде модели из. двух параллельно соединенных конденсаторов: постоянной паразитной составляющей С„ и переменной

составляющей С,; S/d, где - диэлектрическая п роницаемо сть, S - пло щадь пластин датчика, d - расстояние между пластинами.

При С- С.. + -% выражение (2) Ьд- - и

принимает.вид

.b...

д.(3)

В режиме формирования напряжения нулевого уровня U gj,,,, блок 10 управления формирует на управляющем входе генератора 1 сигнал, понищакяций частоту импульсов на выходе генератора до значения F f/io . Сигнал разбаланса нелинейной мостовой схемы, создаваемый емкостным датчиком 4, уменьшается и составляет не более 0,1% от своего первоначального значения. Поэтому напряжение нулевого уровня равно

5 вь..о .- Uo«:U, (4)

В режиме формирования/напряжения полной шкалы ,, ц, блок 10 управления фррмирует сигнал, понижающий частоту импульсов на выходе генератора, и сигнал, открьшающий ключевой элемент оптрона 9. При выборе

Сб , где максимальное значение переменной составляющей Cjt модели датчика, составляющие сигнала разбаланса, создаваемые емкостным датчиком 4 и опорньм конденсатором 7, малы по сравнению с составляющей сигнала разбаланса, определяемой емкостью образцового конденсатора 8. Напряжение полной шкалы равно

.мк., ,) +

+ и„ с и„.

(5)

Результат измерения % определяется - отношением

±. s

F Ced

(6)

Устройство (фиг. 2) работает следующим образом.

Цикл преобразования состоит из трех тактов, каждый из которых состоит из периода интегрирования t и периода преобразования t. Длительность периода интегрирования выбирается равным или кратным длительности периода импульсов низкой частоты F генератора 12. Цикл преобразования начинается с установки низкой : частоты F на выходе генератора I2 импульсов, обесточивания светоизлуча- теля оптрона 20 и приведения интегратора 21 и аналого-цифрового преобразователя 24 в исходное состояние. В первом тайте преобразования за время интегрирования f 1/F на выходе, ин- тегра:тора 21 устанавливается напряжение равное

&ЫХ.О

4J

Uo TF

1448289

N,

(7)

це ме ем да ре 25

где Т постоянная времени интегриро- вания.

Схема 22 дискретизации и хранения осуществляет слежение за уровнем сигнала на выходе интегратора 21 в течение времени интегрирования t и ю поддерживает неизменным уровень сигнала на своем выходе в течение времени, преобразования t, во время кото- рфго аналого-цифровой преобразователь

15

24 преобразует напряжение U Ц 1фровой код N. С выхода аналого-циф- рОвого преобразователя 24, код N передается по информационной- шине 27 в. м}«сропроцессор 25 и заносится в память микропроцессора. В течение этого 20 же периода времени t интегратор 21 и аналого-цифровой преобразователь 24 йриводятся по входам управления в исходное состояние и открьшается клюN,

и заносится в память микропроцессора 25. В случае измерения перемещения, характеризуемого расстоянием d между пластинами емкостного датчика, вычисление результата измерения производится в микропроцессоре 25 по формуле

NU- NC

NX- N

(10)

где k - коэффициент пропорциональности.

Формирование высокой частоты f и низкой частоты F может осуществляться микропроцессором программно, при этом генератор импульсов выполняется в виде формирователя двухполярных импульсов.

Понижение частоты генератора импульсов по предлагаемому способу позволяет уменьшить во столько же раз составляющую выходного напряжения, создаваемую емкостным датчиком, без

Изобретение относится к измерительной технике и способам преобразования параметров емкостных датчиков и может быть использовано для автоматизации процессов измерения и контроля перемещений. Цель изобретения - повьшение точности преобразования - достигается тем, что последовательно формируют на выходе нелинейной мостовой схемы напряжение нулевого уровня, напряжение полной шкалы и напряжение, пропорциональное разности токов перезаряда емкостного датчика и опорного конденсатора, формирование напряжения нулевого уровня и напряжения полной шкалы производят- понижением частоты импульсов генератора в 10-10 раз. Понижение частоты импульсов генератора в процессе формирования напряжений нулевого уровня и полной шкалы позволяет повысить точность преобразования за счет уменьшения составляющей сигнала емкостного датчика в выходном напряжении нелинейной мостовой схемы, которого нельзя обеспечить использованием коммутирующих элементов в цепи емкостного датчика. Интегрирование выходного напряжения нелинейной мостовой схемы за период, равный или кратный периоду низкой частоты генератора, повьш1ает быстродействие за счет исключения- фильтрации сигнала, требукхцей применения филь1 ра низких частот с полосой пропускания, лежащей ниже частоты генератора ..импульсов. .п. ф-лы, 2 ил. § (Л

Чевой элемент оптронй 20. Всем процес-25 использования каких-либо коммутирую-. сом преобразования и передачи сигна- ЯЬв управляет микропроцессор 25, в соответствии с командами которого возбуждаются управляющие входы элементов схемы. Во втором такте преобра30

щих элементов в цепи емкостного датчика. Так, при понижении частоты генератора в 10 раз погрешность напряжений нулевого уровня и полной шкалы от изменения емкости датчика не превьшгает 0,1% от сигнала разба - ланса нелинейной мостовой схемы.

инза время t на выходе 21 устанавливается напряжее (jf

.FR Св+ U)dt

1(141

С,

in

SsTF

(8)

В течение напряжение

времени t второго такта

Uc

N

ш

и

8ЫК. Ш

заносится в

преобразуется в код память микропроцессора 25. В этот период времени t интегратор 21 и аналого-цифровой преобразователь 24 приводятся в исход- нее состояние, закрьшаетсй ключевой элемент онтрона 20, а на выходе генератора 12 импульсов устанавливается высокая частота f. В третьем такте преобразования за время f{j на выходе интегратора 21 устанавлива- равное

ется напряжение, «

S

и,

бых, X

.1 (4«f« т J

Uo)dt

u,

+ (9)

55

o TF

В течение времени t третьего такта напряжение Ug, преобразуется в код

использования каких-либо коммутирую-.

щих элементов в цепи емкостного датчика. Так, при понижении частоты генератора в 10 раз погрешность напряжений нулевого уровня и полной шкалы от изменения емкости датчика не превьшгает 0,1% от сигнала разба - ланса нелинейной мостовой схемы.

Интегрирование выходного напряжения нелинейной мостовой схемы за

период времени, равный или кратный периоду низкой частоты генератора импульсов по сравнению с фильтрацией сигнала, обеспечивает более высокое быстродействие и исключает необходимость применения фильтра низких частот со сложной структурой, увеличи- вающего габариты и снижающего надеж- ность всего устройства.

Устройство, реализующее предлага-

емьй способ, может быть использовано в качестве периферийной части по отношению к центральному процессору системы сбора и обработки данных.

50

Формула изобретения

вательно напряжение нулевого уровня, напряжение полной шкалы и напряжение, пропорциональное разности токов перезаряда емкостного датчика и опор- ного конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повьше- ния точности преобразованияJ формирование напряжения нулевого уровня и напряжения полной шкалы производят

89

при

8

понижении частоты импульсного напряжения в 10 -10 раз.

Фиг.1

/4

18

.г

/

/7

,

2

гв

/5

27

Фиг.