Дифференциальный емкостной измеритель перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B7/00 

сл

с

Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью расширение диапазона измерения емкостного измерителя линейных перемещений, который содержит секционированные потенциальный и экранирующий электроды, а также выполненный в виде цельной пластины токовый электрод. Секции экранирующего электрода установлены подвижно относительно жестко соединенных между собой токового и потенциального электродов и присоединены к шине нулевого потенциала. При его перемещении изменяется площадь перекрытия соответствующих секций потенциального и токового электродов. Информацию о величине линейного перемещения получают в виде количества импульсов, снимаемых с выхода блока обработки сигналов, присоединенного к токовому электроду через усилитель и коммутатор. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано во всех областях народного хозяйства.

Известен емкостной измеритель перемещений 1.

Его высокая конструктивная сложность и малый диапазон измерения ограничивают область его применения.

Наиболее близким по технической сущности и1 достигаемому эффекту является дифференциальный емкостной измеритель перемещений, содержащий два секционированных электрода, установленных в параллельных плоскостях с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия и имеющих одинаковую ширину секций, расстояния между которыми у первого электрода равны половине ширины одной секции, а у второго электрода равны их ширине, предназначенные для подключения к электродам источник питания переменного тока и блок обработки сигналов 2.

Его недостаток-технологическая сложность изготовления первого электрода при больших геометрических размерах, т.е. при необходимости измерять большие перемещения.

Цель изобретения - увеличение диапазона измерений.

Цель достигается тем, что дифференциальный емкостной измеритель перемещений, содержащий два секционированных электрода, установленных в параллельных плоскостях с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия и имеющих одинаковую ширину секций, расстояния между которыми у первого электрода равны половине ширины одной секции, а у второго электрода равны их ширине, предназначенный для подключения к электроXI

VJ

сл о

со а

СА

дам источник питания переменного тока и блок обработки сигналов дополнительно снабжен третьим электродом, выполненным в виде цельной электропроводной пластины, жестко соединенной с первым электродом, тремя коммутаторами, делителем частоты, усилителем и инвертором, усилитель и последовательно соединенный с ним первый коммутатор включены между третьим электродом и первым входом блока обработки сигналов, ко второму входу которого присоединен первый выход питающего генератора, делитель частоты присоединен входом к этому же выходу питающего генератора, а выходом - к управляющим входам трех коммутаторов, второй коммутатор присоединен своим входом ко второму выходу питающего генератора непосредственно, а третий коммутатор - через инвертор, выходы этих коммутаторов присоединены к соответствующим секциям первого электрода, которые соединены между собой с интервалом в три секции и образуют четыре группы секций, а секции второго электрода соединены параллельно и подключены к шине нулевого потенциала.

На фиг. 1 представлена блок-схема дифференциального емкостного измерителя перемещений; на фиг, 2,3- эпюры напряжений в точках блок-схемы, указанные на фиг. 1 в зависимости от времени t и величины перемещения х .

Дифференциальный емкостной измеритель перемещений содержит три электрода, установленные в параллельных плоскостях. Первый - 1 и второй - 11 - секционированные электроды, третий - 2, выполненный в виде цельной электропроводной пластины, жестко соединенный с первым электродом.

Усилитель 6 и последовательно соединенный с ним пзрвый коммутатор 5 включены между третьим электродом и двумя первыми входами блока обработки сигналов 8. К двум вторым входам блока обработки сигналов присоединен первый выход питающего генератора 3, к которому параллельно подсоединяется делитель частоты 7, связанный с управляющими входами трех коммутаторов. Второй коммутатор 4 присоединен своим входом непосредственно к второму выходу питающего генератора. К нему, через инвертор 9 подсоединяется и вход третьего коммутатора 10. Выходы вто- коммутатора подсоединены к двум крайним секциям а группе первого электрода 12 и 13. Выходы третьего коммутатора подсоединены к двум средним секциям в группе первого электрода 14 и 15. Секции первого электрода соединены между собой с интервалами в три секции 12 с 16; 14с 17;

15 с 18 и 13 с 19, образуя четыре группы секций, при этом все секции расположены с интервалом равном половине ширины секции. Второй электрод, состоящий из параллельносоединенныхсекций,

расположенных друг от друга на расстоянии, равном ширине секции подключены к шине нулевого потенциала 20. Минимальное количество секций первого электрода

0 равно четырем, а минимальное количество секций второго электрода равно трем. В угловых датчиках длина всех трех электродов одинакова. В линейных - длина экранирующего электрода значительно превышает

5 длину двух других электродов и определяет заданный диапазон перемещений. Блок обработки сигналов содержит фазочувстви- тельные демодуляторы 21 и 22, образующие два канала прохождения сигнала. Выход

0 первого из них подключен ко входу блока формирования импульсов 23, а выход второго - ко входу блока формирования импульсов 24. Выходы этих блоков соединены со входом блока определения направления пе5 ремещения 25.

Дифференциальный емкостной измеритель перемещений работает следующим образом. С первого выхода питающего генератора 3 сигнал треугольной формы U26

0 поступает ко входу второго коммутатора 4, этот же сигнал через инвертор 9 поступает на вход третьего коммутатора 10 (эпюра U27, фиг. 2). Со второго выхода питающего генератора 3 сигнал прямоугольной формы по5 ступает на оба канала вычислительного блока 8 и делитель частоты 7 (IJ28). Таким образом, генератор одновременно вырабатывает синхронизированные сигналы треугольной и прямоугольной форм. Делитель

0 частоты 7 осуществляет деление частоты сигнала генератора 3 в четное число раз 2т, где т,- целое число. На эпюре фиг. 2 представлен сигнал U29 для простейшего случая - деления на 2 (т 1), который определяет

5 состояние всех трех коммутаторов 4, 5 и 10. В течение времени 0 - ti, выход второго коммутатора 4 будет связан с секцией 12 первого электрода 1. В это же время выход третьего коммутатора 10 окажется соеди0 ненным с секцией 15 первого электрода.

Так как на этих выходах существуют одинаковые по амплитуде и противофазные сигналы треугольной формы U26 и U27, в обоих секциях 12 и 15 появятся токи, зави5 сящие от емкости этих секций относительно пластины третьего электрода 2. В течение времени к выходу второго коммутатора 4 окажется подключенной секция 13. Коммутатор 10 подсоединит секцию 14. Входная цепь усилителя 6 выполнена резистивной и

низкоомной, и поэтому конденсаторы, образованные секциями первого электрода относительно третьего электрода, выполняют роль генераторов тока, и напряжение на входе усилителя 6 имеет форму, близкую к прямоугольной. Амплитуда и полярность этого напряжения определяется расположением секций первого электрода 1 относительно секций второго электрода 11. Для представленного на фиг. 1 конкретного расположения электродов в течение времени , сигнал на выходе усилителя 6 будет максимальным и иметь форму, соответствующую эпюре УЗО. а в течение времени ti-t2 - минимальным - достаточно близким к нулю.

При перемещении второго электрода на половину ширины секции на выходе усилителя 6 сигнал в течение времени О-ti будет минимальным, а в течение времени - максимальным (эпюра Uai). С помощью второго коммутатора 5, управляемого тем же делителем частоты 7, сигнал в течение времени О-ti, поступает на первый канал блока обработки сигнала 8 {т.е. черезфазочувстви- тельный демодулятор 21, блок формирования 23), а в течение времени ti-t2 на второй канал этого же блока (фазочувствительный демодулятор 22 и блок формирования 24). Сигналы с выхода фазочувствительных демодуляторов 21 и 22 (фиг. 3), представленные на эпюрах U32 и Кзз. поступают на входы блоков формирования 23. 24. С выхода блоков формирования поступают сигналы U34, U35 (фиг. 3), представляющие напряжение прямоугольной формы, сдвинутые относительно друг друга-в пространстве на 90°, причем каждый импульс соответствует перемещению, равному ширине секции на чувствительном элементе. Такая форма необходима для построения известных преобразователей для измерения пере- мещений накапливающего типа устройства, которое осуществляет измерение перемещения по подсчету количества импульсов, сформированных измерительной схемой в процессе перемещения чувствительного элемента (Домрачев В.Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещения, М.: Энергатомиздат, 1987, с. 15-16).

В простейшем случае блок определения направления движения 25 состоит из последовательно включенных IK-триггера, одно- вибратора, реверсивного счетчика и логического элемента НЕ, включенного между К-входом триггера и входом реверсивного счетчика.

Блок работает следующим образом. Сигнал с блока 23 (эпюра Usi) фиг. 3 поступает на установочный вход триггера I, сигнал с блока 24 (эпюра Ibs) поступает на вход сброса триггера К. При движении чувствительного элемента в одном направлении сигналы с блоков 23 и 24 поступают поочередно и реверсивный счетчик осуществляет подсчет количества импульсов, поступивших с блока 23.

Если направление перемещения изме0 няется, то изменяется порядок поступления импульсов и если в первом случае на выходе логического элемента была 1 и реверсивный счетчик суммировал входной импульсный сигнал, jo теперь на выходе

5 логического элемента устанавливается О сигнал и реверсивный счетчик осуществляет операцию вычитания.

Таким образом, на выходе реверсивного счетчика появляется сигнал, однозначно

0 определяющий величину перемещения чувствительного элемента.

Таким образом, в данном измерителе диапазон измеряемого перемещения пропорционален red, где п - количество секций

5 на втором электроде, ad- ширина одной секции, поэтому, выбирая ширину и количество секций, можно варьировать диапазон и точность рассматриваемого устройства в весьма широких пределах.

0Формула изобретения

Дифференциальный емкостной измеритель перемещений, содержащий два секционированных электрода, установленных в параллельных плоскостях с возможностью

5 относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия и имеющих одинаковую ширину секций, расстояния между которыми у первого электрода равны половине ширины од0 ной секции, а у второго электрода равны их ширине, а также предназначенные для подключения к электродам источник питания переменного тока и блок обработки сигналов, отличающийся тем, что, с целью

5 увеличения диапазона измерения, он снабжен третьим электродом, выполненным в виде цельной электропроводной пластины, жестко соединенной с первым электродом, тремя коммутаторами, делителем частоты,

0 усилителем и инвертором, усилитель и последовательно соединенный с ним первый коммутатор включены между третьим электродом и первым входом блока обработки сигналов, к второму входу которого присое5 динен первый выход питающего генератора, делитель частоты присоединен входом к этому же выходу питающего генератора, а выходом - к управляющим входам трех коммутаторов, второй коммутатор присоединен своим входом к второму выходу питающего

генератора непосредственно, а третий коммутатор - через инвертор, выходыэтихкоммутаторовприсоединены к соответствующим секциям первого электрода, которые

е& i .

соединены между собой с интервалом в три секции и образуют четыре группы секций, а секции второго электрода соединены параллельно и подключены к шине нулевого потенциала.

и

21

о

U 27

Л 29

oiU29

и

,

/

t

Фиг. 2

w

/ / /

V V

U ЗЪ

Фиг.з

7,

7,