Емкостный датчик перемещения Советский патент 1989 года по МПК G01B7/00 

СП

о о ю

СТ5

оэ

Насбрстение относи-, c . к пзмеркнмю :1иней1-1ых 11еремещений и может быть использовано для поатроения измспитель устройств с цифровым отсчетом.

Цель изобретения - повышение точности за счет линеаризации выходной хара ;тС ри стики ,

На фиг.1 изображен вариант преобразователя с трапецеидальными пере- ;:л10 лми о.четчтродпми; на фиг,2 то лее, с треугсл1-, персдаюишми элект родами; на фиг.З - то -:е, с двумя приемными и треугольными передаю- пщми электродами; на фиг.4 - то же, с трапецеидальными электродами связи на фиг,5 - то же, с трапецеидальными

электродами связи и двумя приемными электродами; на фиг,6 - зависимость напряжения электрическот о поля в направлении перемещения при прямо- У1 ольных передаюп1их электродах; на фиг.7 - зависимость средней напряженности электрическо1 о поля в направлении перемещения при треугольных передп1о11Ц1Х электродах; на фиг-.8 (а,б) - подвижные одна относительно другой нластины с нанес.ен- нымн на них электродами, общий вид; ia (ри1 .9.- пластины, поперечное се- ченпе.

Емкостной преобразователь перемещений содержит ряд передаю1Цих электродов 1 , размещенных на изоляционной пластине 2 (фиг.8) и расположенных так, что оси симметрии этих электродов имеют постоянный пространственный период 1. На этой пластине располагается приемный электрод 3, На другой изоляционной пластине 4, перемещаемой относительно первой пластины (на фиг.1-5, 8,9 направление перемещения указано стрелками), располагаются электроды 5 с вязи, которые обращены к передаюищм и приемному электродам (фиг.9) и обеснечивают емкостную связь передающих и приемного электродов. Электроды связи рамещены так, что оси симметрии этих электродов имеют постоянный пространственный период L, причем шение L/1 есть целое число. На фиг,1-5 ПУНКТИРОМ показана проекция электродов связи на пластину с пере даюпшми и приемными электродами.

Все предлагаемые варианты преобразователя используют один и тот же npUHVuin, поэтому описание работ1 1 прг образпнателя приводится только-

0

5

5

i-s,H варианта, представленного на фиг.2,

На ряд передающих электродов 1 подают напряжения, одинаковые по амплитуде, частоте и форме, но различающиеся по фазе. Сдвиг по фазе гтряжений, нриложенных к соседним электродам, всегда одинаков и равен 2 ff/n, где п L/1. Таким образом, над передающими электродами создается электрическое периодическое поле. Часть этого поля через электроды связи передается на электрод 3.

Как известно, распространение волны описывается волновым уравнением и может быть представлено в виде f ( ы t+kx)., где а;- временная частота; k - пространственная частота; 0 / - периодическая функция. Если имеется устройство, позволяющее изме- фазу сигнала, полученного на приемном электроде, то при смещении пластины с передающими и приемным электродами относительно пластины с электродами связи на координату х фаза Lf будет достигнута в момент

I

определяемый из уравнения

wt,t kx Ч(1)

При смещении на координату х та же фаза ( будет достит нута в момент t

kx g-(2)

Выпитая из уравнения (2) уравнение (О , получим w( tj tk() где знак определяет нанравление перемещения. Таким образом, принцип работы предлагаемого емкостного преобразователя перемещений основан на преобразовании перемещений х во временной интервал t. Измеренная длительность временного интервала t с коэффициентом w/k со

ответствует перемещению х „- х

При

этом линейность преобразования будет обеспечена только при условии, что зависимость формы волны от временной фазы f(uit) в точности совпадает с зависимостью формы фолны от пространственной фазы f(kx). На фиг ,6 представлена зависимость напряженности электрического поля, создаваемог О пе- редаюгцими электродами прямоугольной формы в фиксированный момент времени при условии, что п 8, а зависимость от временной фазы имеет вид равнобедренных треугольников. В этом случае при использовании электродов связи прямоугольной формы будет наблюдать

ся несовпадение зависимостей временной и пространственной фаз, что ограничит точность преобразования.

Для повышения точности преобразо вания необходимо аппроксимировать ступенчатую зависимость фиг.6 непрерывной линейной функцией, что можно достигнуть с помощью усреднения полей, создаваемых двумя соседними передаго- оими электродами. На фиг,7 представлена зависимость средней напряженности электрического поля, создаваемого передающими электродами треугольной формы, показанными на фиг ,2, в фиксированный момент времени при треугольной форме напряжения отдельной фазы. Усреднение напряженности поля проводится в направлении, ортогональном перемещению, В этом случае зависимости от пространственной и временной фазы совпадают и теоретически погрешность преобразования равна нулю,

Анализ предлагаемых емкостных преобразователей перемещения показывает, что для обеспечения линейности преобразования необходимо, чтобы электрод связи ни в какой момент вре . мени не перекрывал одновременно элект- роды,к которым подведены противофазные напряжения. Отсюда возникает ограничение на ширину электрода связи. Если электрод связи выполнен в виде прямоугольника, то его ширина не может превышать1 /2-1, а если электрод связи выполнен в виде трапеции, то большее основание трапеции над рядом передающих электродов не может превьппать L/2-1, т.е. трапецеидальный электрод связи не может перекрывать одновременно при любом взаимном положении пластин больше чем L/(21) передающих электродов.

При использовании двух приемных электродов, как показано на фиг.З и 5, оси симметрии электродов связи располагаются с вдвое меньшим периодом L/2. В этом случае на прием

ных электродах образуюся противофазные напряжения одинаковой амплитуды, что позволяет вдвое повысить коэффициент передачи преобразователя по напряжению.

Формула изобретения

1.Емкостный датчик перемещения, содержащий две подвижные одна относительно другой пластины, на одной из которых размещены ряд передающих электродов и по меньшей мере один приемный электрод, а на другой - электрод связи и средства питания передающих электродов, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности за счет линеаризации выходной характеристики, передающие электроды или электроды связи имеют форт равнобочных трапеций, при этом передающие электроды чередуются большими

и мапыми основаниями в тгаправлении перемещения.

2.Датчик по п.1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что электроды связи перекрывают не более чем L/21 передающих электродов, где L - пространственный период электродов связи;

1 - пространственный период передающих электродов,

3.Датчик по пп,1 и 2, отличающийся тем, что приемные электроды выполнены в виде двух полосок, расположенных вдоль направления перемещения по обе стороны приемных электродов, а электроды связи расположены так, что поочередно перекрывают передающие электроды и одну из полосок приемного электрода и формируют на приемных электродах противофазные напряжения, при этом расстояние 1ежду соседними электродами связи равно L/2.

Л, Датчик по пп.1-3, отличающийся тем, что средства питания передающих электродов представляют собой генераторы пилообразного напряжения.

тШ

I /

ш

Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Преобразователь состоит из двух изоляционных подвижных пластин 2, 4. На одной пластине размещены ряд передающих электродов 1 и один приемный электрод 3. Между приемным и передающими электродами осуществляется емкостная связь через электроды связи, размещенные на другой пластине. К передающим электродам прикладываются одинаковые по форме, но сдвинутые по фазе напряжения. Над передающими электродами образуется волна электрического поля. Электроды связи часть этой волны передают на приемный электрод. Фаза напряжения приемного электрода является мерой взаимного перемещения пластин. В различных вариантах устройства изменяется форма электродов для непрерывной аппроксимации поля. В первом варианте передающие электроды имеют форму трапеций, чередующихся большими и малыми основаниями в направлении перемещения. Во втором варианте передающие электроды имеют форму треугольников, чередующихся основаниями и вершинами. В третьем варианте электроды связи имеют форму трапеций. В каждом варианте возможно удвоить число приемных электродов и электродов связи для получения противофазных сигналов. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

,: п

сг

Фиг.1

Фаг. 2

Фиг. 5

/

./

л

/:j.

I/1

сриг.

Фиг. 5

Фl/г.ff

Редактор Б.Бугренкова

Составитель М. Пантелеев

Техрс-дИ.Моргентал Корректор Э.Лончакоьа

Заказ 5 17/Д1

Тираж 683

ВНИ1ШИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарин,, 101

X

Фа:

u.i. 7

Фиг. 9

Подписное