Емкостный преобразователь перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в составе систем автоматическбго контроля и управления положением объектов сложной многоэлементной конструкции, например, составного зеркала телескопа.

Известны емкостные преобразователи смещения (1), в которых изменение измеряемой величины (линейного перемещения) приводит к дифференциальному изменению зазоров и, как следствие емкостей двух конденсаторов преобразователя К недостаткам таких преобразователей можно отнести подверженность их параметров влиянию внешней среды (в частности, температуры), а также возможность проведения измерений только по одной координате Последнее снижает функциональные возможности преобразователей, приводит к необходимости увеличения их количества в составе системы автоматического управления формой сложного объекта, к увеличению весогабаритных параметров объекта и ухудшению динамических характеристик системы.

Наиболее близким данному устройству по технической сущности и достигаемому результату является емкостный преобразователь линейных перемещений (2), содержащий два диэлектрических основания, установленные с возможностью линейного перемещения одного относительно другого

V| 00

оэ

N5 00 СЛ

размещенные на взаимно обращенных поверхностях оснований одна напротив другой группы полосовых электродов, которые разделены между собой параллельными изоляционными зазорами, и экранирующее металлическое покрытие, нанесенные на участки поверхностей оснований, свободные от электродов. Однако такой преобразователь сохраняет недостаток, связанный с возможностью измерения перемещения только по одной координате-линейной, что сужает его функциональные возможности.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей емкостного преобразователя перемещений путем обеспечения измерения также и угловых смещений.

Поставленная цель достигается тем, что емкостный преобразователь перемещений, содержащий два диэлектрических основания, установленные с возможностью линейного перемещения одного относительно другого, размещенные на взаимно обращенных поверхностях оснований одна напротив другой группы полосовых электродов, которые разделены между собой параллельными изоляЦйон ными зазорами, и экранирующее металлическое покрытие, нанесенное на участки поверхностей оснований, свободные от электродов, дополнительно снабжен двумя парами прямоугольных электродов, закрепленных попарно на краях обоих оснований взаимно симметрично относительно групп полосовых электродов, размеры одного из электродов в каждой паре превышают размеры второго электрода, полосовые электроды на одном из оснований размещены на расстоянии один от другого, равном по крайней мере их ширине, и электрически соединены между собой, а полосовые электроды на другом основании, количество которых едва раза превышает количество полосовых электродов на первом основании, соединены между собой через один, образуя две группы.

На фиг.1 изображена конструкция емкостного преобразователя перемещений; на фиг.2 - вид по стрелке А; на фиг.З - вид по стрелке Б; на фиг.4 - расположение преобразователя на контролируемом объекте.

Емкостный преобразователь перемещений (фиг.1) содержит два диэлектрических основания 1 и 2, на взаимно обращенных друг к другу поверхностях которых размещены полосовые электроды 3-11, разделенные изоляционными зазорами На краях оснований расположены прямоугольные электроды 12-15. Посредством металлизированных отверстий 16 осуществляется соединение электродов со вторичным измерительным преобразователем, а с помощью нанесенных на внешней

стороне оснований дорожек 17 - осуществляется их соединение между собой Остальные участки поверхностей оснований, обращенные друг к другу, выполнены с металлическими экранирующими покрытиями 18, 19. При этом полосовые электроды на одном из оснований расположены на расстоянии один от другого, равном по крайней мере их ширине, и электрически соединены

между собой (фиг.2), а полосовые электроды на другом основании, количество которых в два раза превышает количество полосовых электродов на первом основании, соединены между собой через один (фиг.З).

Таким образом, каждая группа из трех полосовых электродов (например, электроды 3, 4, 5) образуют собой дифференциальный конденсатор с переменной активной площадью перекрытия электродов, два емкости

которого дифференциально изменяются при линейном взаимном перемещении оснований 1 и 2 преобразователя вдоль оси X. Параллельное включение N таких конденсаторов позволяет в N раз увеличить чувствительность преобразователя по линейному перемещению. Конденсаторы, образованные прямоугольными электродами 12, 14 и 13, 15 позволяют измерять угол наклона (р между основаниями 1 и 2 (фиг.4).

Емкостный преобразователь работает следующим образом.

При отсутствии относительного линейного смещения и взаимного наклона оснований 1 и 2 преобразователя, установленного на

контролируемом объекте, емкости Ct и Cz между электродами 4-3 и 5-3 равны между собой и определяются из упрощенного выражения:

40 Ci C2 fioe4|,

(1)

гдеЕо -диэлектрическая проницаемость вакуума (8,854. Ф/м);

ег - относительная диэлектрическая

проницаемость среды между электродами: I - длина полосового электрода (перпендикулярно оси X);

а - ширина полосового электрода (вдоль осиХ);

d - расстояние между поверхностями электродов.

Для емкостей Сз и С между электродами 12-14 и 13-15 в этом случае справедливо выражение:

Сз С4 eoCrS/d(2)

где S - активная площадь перекрытия электродов.

Приведенные выражения справедливы при выпоянении нескольких условий, а именно: расстояние d в несколько раз превышает значение изоляционных зазоров между электродами и в несколько раз меньше ширины полосовых электродов и экранирующих участков вокруг них. Кроме того размер высокопотенциальных электродов в конденсаторах Сз и С4 должен быть несколько больше размера низкопотенциальных, определяющих активную площадь перекрытия электродов, чтобы при относительном смещении оснований 1 и 2 преобразователя вдоль оси X значение S не изменялось.

В результате взаимного смещения эле- ментов объекта и, соответственно, оснований 1 и 2 преобразователя емкость Ci увеличивается, а Са-уменьшается. По- скольку выходной параметр Pi преобразователя по линейному перемещению пропорционален разности емкостей Ci и С, а таких конденсаторов N. то

Pi AC NЈ0Јr Ix/d .

(3)

При наличии взаимного угла наклона между основаниями изменяются емкости Сз и С4. Если ось вращения проходит по середине между основаниями (что упрощает выкладки, но не накладывает строгих ограни- чений на конструкцию преобразователя при диапазоне измеряемых углов до единиц угловых минут), можно принять, что

и СА

ЈоЈ(-о

сГТцр

где b - расстояние между серединой основания (осью вращения) и серединой прямоугольного электрода.40 Погрешности, вызванные непараллельностью электродов конденсаторов, для указанного диапазона измерения угла наклона пренебрежимо малы, поэтому выходной па45

раметр Р2 преобразователя по угловому перемещению определяется из выражения:

Рз-Сз С b

Сз + СА d y

(5)

5101520

25

30

35

4045

Таким образом, предложенный емкостный преобразователь перемещений, сохраняя высокие метрологические характеристики прототипа, позволяет измерять как взаимное линейное перемещение двух элементов сложного объекта, так и угол наклона между ними.

Формула изобретения Емкостный преобразователь перемещений, содержащий два диэлектрических основания, установленные с возможностью линейного перемещения одного относительно другого, размещенные на взаимно обращенных поверхностях оснований одна напротив другой группы полосовых электродов, которые разделены между собой параллельными изоляционными зазорами, и экранирующее металлическое покрытие, нанесенное на участки поверхностей осно ваний, свободные от электродов, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения измерения также и угловых смещений, он снабжен двумя парами прямоугольных электродов, закрепленных попарно на краях обоих оснований взаимно симметрично относительно групп полосовых электродов, размеры одного из электродов в каждой паре превышают размеры второго гэлектрода, полосовые электроды на одном из оснований размещены на расстоянии один от другого, равном по крайней мере их ширине, и электрически соединены между собой, а полосовые электроды на другом основании, количество которых в два раза превышает количество полосовых электродов на первом основании, соединены между собой через один, образуя две группы.

Л

Фиг-1

, # Г # f, rt -,, / Pjt #/ /, /,# # ft

ОиЗ по стрыке А ииЗ ПО Стрелке В

фиг 2.

Использование в контрольно-измерительной технике, в составе систем автоматического контроля и управления положением обьектов сложной многоэлементной конструкции, например составного зеркала телескопа Цель: расширение функциональных возможностей емкостного преобразователя перемещений путем обеспечения измерения также и угловых смещений Сущность изобретения: преобразователь, содержащий два основания с нанесенными в средней части группами полосовых электродов, снабжен двумя парами прямоугольных электродов, расположенных симметрично на краях оснований На одном основании полосовые электроды расположены одна от другого на расстоянии, по крайней мере равном их ширине, и электрически соединены между собой На втором основании расположено в два раза больше полосовых электродов и они через один соединены между собой Положительный эффект: увеличение количества получаемой информации об объекте измерения, снижение вторичного влияния преобразователя на объект измерения. 4 ил.

Редактор

Составитель А.Лабузов Техред М.Моргентал

Фиг. Ь

Корректор О.Кравцова