Емкостный датчик линейных перемещений Советский патент 1990 года по МПК G01B7/00 

сл ел

со

о

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности и помехозащищенности датчика линейных перемещений емкостного типа. Электроды 2 этого датчика закреплены на внутренней поверхности одного из стержней П-образного магнитопровода 1 и расположены перпендикулярно их плоскости. К этим электродам подключен источник постоянного тока, создающий электрическое поле смещения в межэлектродном пространстве, заполненном жидкокристаллическим веществом 4, и одновременно воздействуют на него магнитным полем подвижного постоянного магнита 5. По изменению величины емкости жидкокристаллического емкостного чувствительного элемента судят о положении объекта. 3 ил.

Фие.1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений с высокой точностью.

Цель изобретения - повышение чувствительности емкостного датчика линейных перемещений за счет совместного управления с помощью электрического и магнитного полей положением молекул жидкокристаллического вещества, заполняющего зазор между электродами емкостного чувствительного элемента, что влияет на изменение его емкости.

На фиг. 1 изображена схематично конструкция емкостного датчика; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг.З - выходная характеристика датчика, показывающая зависимость изменения емкости жидкокристаллического чувствительного элемента в функции перемещения х постоянного магнита.

Емкостный датчик содержит П-образ- ный магнитопровод 1, на внутренней поверхности одного из стержней которого закреплен емкостный чувствительный элемент, вдоль поверхности которого перемещается постоянный магнит 2 брусковой формы с поперечной намагниченностью. Емкостной чувствительный элемент выполнен в виде двух протяженных электродов 3 и размещенного между ними жидкокристаллического (ж.к.) нематического вещества 4 с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости. Продольные размеры электродов 3 выполнены равными размерам длинных стержней магнитопровода 1. Эти электроды подключены к входу измерительного прибора 5, обеспечивающего измерение емкости С к датчика, а также к дополнительному источнику 6 постоянного тока, создающему в межэлектродном пространстве чувствительного элемента дополнительное электрическое поле смещения постоянного тока с напряженностью Е. Электроды 3 датчика могут быть выполнены в виде стеклянных пластин с напыленным на них электропроводным ,слоем Sn04 и размещены перпендикулярно плоскости стержней магнитопровода датчика, т.е. параллельно магнитным силовым линиям магнитного поля напряженностью Н, создаваемого постоянным магнитом 2. Этот магнит может быть выполнен из редко

0

5

0

5

0

35

40

45

50

55

земельных элементов, что уменьшает его габаритные размеры, Толщина слоя ж.к. вещества 4 в межэлектродном пространстве датчика может быть задана фторопластовыми уплотнительными прокладками небольшой толщины порядка 100 мкм.

Емкостный датчик линейных перемещений работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда постоянный магнит 2 расположен в крайнем правом положении магнитопровода 1, ж.к. чувствительный элемент находится вне действия магнитного поля, но под действием электрического поля. В межэлектродном плоском слое ж.к. вещества 4 в отсутствии магнитного поля молекулы ориентированы только перпендикулярно плоскости электродов (гомеотропно), что достигается соответствующей обработкой внутренних поверхностей пластин электродов 3. Электрическое поле стремится изменить ориентацию молекул, однако величина напряженности Е этого поля недостаточна для переориентации молекул в отсутствие магнитного поля. При введении постоянного магнита 2 в магнитопровод 1 на участке длиной X магнитное поле стремится также, как и электрическое поле изменить начальную ориентацию молекул и переориентировать их вдоль электродов 3, т.е. оба поля одинаково воздействуют на ориентацию молекул ж.к. вещества 4. С увеличением X пропорционально увеличивается электрическая емкость датчика (фиг. 3), что регистрируется измерительным прибором 5.

Благодаря введению дополнительного смещающего электрического поля достигается повышение чувствительности датчика к перемещению постоянного магнита, так как при воздействии только магнитного поля не происходит полной переориентации молекул ж.к. вещества, что обусловлено остаточными межмолекулярными взаимодействиями. Соотношение первоначального расположения молекул и после переориентации определяют величину и приращение электрической емкости С. к межэлектродного слоя. Приложение к электродам 3 датчика электрического поля приводит к тому, что молекулы, -которые оставались вне ориентации под действием поля магнита, испытывают влияние вращающих сил электрического

поля и не будучи в состоянии сами по себе нарушить спонтанную ориентацию, могут усилить или ослабить действие магнитных сил. Это приводит к дополнительному приращению емкости (t. Использование дополнительного источника энергии электрического тока позволяет увеличить чувствительность датчика и уменьшить его массу и габариты приблизительно в два раза.

Повышается также и помехозащищенность датчика, особенно к воздействию температуры окружающей среды. По экс- периментальным данным температура влияет на время переориентации, т.е. на быстродействие преобразователя, В диапазоне температуры от 10 до 50°С наблюдается стабильность выходного сигнала. Кроме того, существенного влияния на величину С, к f(x) не оказывают механические усилия, так как датчик является тонко- пленочным элементом. Бесконтактность измерительной части датчика значительно уменьшает влияние вибрации и трение в его подвижных узлах на ре

3 J

I „ I N

У.1ГХ.. Т ..Т .TrT nun ...... :. :..г.

ж п ....у-..у.:.-.

±

5

0

5

зультаты измерения, не влияет на точность датчика также и перекос его электродов.

Формула изобретения

Емкостный датчик линейных перемещений, содержащий П-образный магнито- провод, закрепленный на внутренней поверхности одного из его стержней емкостный чувствительный элемент, выполненный в виде двух плоских электродов с размещенным между ними жидкокристаллическим нематическим веществом с отрицательной анизотропией диэлектрической проницаемости, и установленный с возможностью перемещения вдоль поверхности чувствительного элемента постоянный магнит, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен источником постоянного тока, подключенным между электродами чувствительного элемента, а плоскость последних расположена перпендикулярно плоскости стержней магнитопро- вода.

/

С7Г 5.

фие.2