Дифференциальный емкостной измеритель перемещений Советский патент 1993 года по МПК G01B7/00 

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

Цель изобретения: увеличение диапазона измерений.

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 секционированный потенциальный 1 и токовый 2 электроды, образующие два дифференциальных конденсатора. Питающий генератор 3 предназначен для подключения к секциям потенциального электрода. Усилитель 6 и последовательно соединенный с ним первый коммутатор 5 включены между секциями токового.электрода и двумя первыми входами блока обработки сигналов 8.

К двум вторым входам блока обработки сигналов присоединен первый выход питающего генератора, к которому параллельно подсоединяется делитель частоты 7, связанный с управляющими входами трех коммутаторов. Второй коммутатор 4 присоединен своим входом непосредственна к второму выходу питающего генератора. К нему, через инвертор 9 подсоединяется и вход третьего коммутатора 10. Выходы второго коммутатора подсоединены к двум крайним секциям в группе потенциального электрода 11 и 12. Выходы третьего коммутатора подсоединены к двум средним секциям в группе потенциального электрода 13 и 14. Секции потенциального электрода соединены между собой с интервалами в три секции 11 с 15; 13 с 16; 14 с 17 и 12 с 18, образуя четыре группы секций, при зтом все секции расположены с интервалом, равном половине ширины секции. Токовый электрод выполнен в виде параллельно соединенных секций 19, расположенных на расстоянии

ел

с

со

00

чэ

00

со

друг от друга, равном ширине секции. Ширина секций токового и потенциального электрода одинаковы. Минимальное количество секций потенциального электрода равно четырем, а минимальное количество секций токового электрода равно трем.

В угловых датчиках длины потенциального и токового электрода одинаковы. В линейных - длина токового электрода значительно превышает длину потенциального электрода и определяет заданный диапазон перемещений.

Блок обработки сигналов содержит фа- зочувствительные демодуляторы 20 и 21, образующие два канала прохождения сигнала. Выход первого из них подключен ко входу блока формирования импульсов 22, а выход второго - ко входу блока формирования импульсов 23. Выходы этих блоков соединены со входом блока определения направления перемещения 24.

Дифференциальный емкостной измеритель перемещений работает следующим образом.

С первого выхода питающего генератора 3 сигнал треугольной формы U25 поступает ко входу второго коммутатора 4, этот же сигнал через инвертор 9 поступает на вход третьего коммутатора 10 (эпюра U26, фиг. 2). Со второго выхода питающего генератора 3 сигнал прямоугольной формы поступает на оба канала блока обработки сигнала 8 и делитель частоты 7 (U27). Таким образом генератор одновременно вырабатывает синхронизированные сигналы треугольной и прямоугольной формы. Делитель частоты осуществляет деление частоты сигнала генератора 3 в четное число раз 2т, где т - целое яисло. На эпюре фиг, 2 представлен сигнал U28 для простейшего случая - деления на 2 (), который определяет состояние всех трех коммутаторов 4,5 и 10.

В течение времени 0-tt, выход второго коммутатора 4 будет связан с секцией 11 потенциального электрода. В это же время выход третьего коммутатора 10 окажется соединенным с секцией 14 потенциального электрода..

Так как на этих выхрдах существуют одинаковые по амплитуде и противофазные сигналы треугольной формы U25, U26, в обоих секциях 11 и 14 появятся токи, зависящие от емкости этих секций относительно секции 19 токового, электрода. В течение времени ti-t2 к выходу второго коммутатора 4 окажется подключенной соответствующая секция 12. Коммутатор 10 подсоединит секцию 13. Входная цепь усилителя 6 выполнена резистивной и низкоомной, и поэтому конденсаторы, образованные секциями потенциального и токового электродов, выполняют роль генераторов тока, и напряжение на входе усилителя 6 имеет форму, близкую к прямоугольной. Амплитуда и полярность

этого напряжения определяется расположением секций потенциального электрода относительно секций 19 токового электрода 2. Для представленного на фиг. 1 конкретного расположения потенциального электрода

1 относительно токового в течение времени 0-ti, сигнал на выходе усилителя 6 будет максимальным и иметь форму, соответствующую эпюре U29, а в течение времени . - минимальным -- достаточно близким к ну5 лю.

При перемещении потенциального электрода на половину ширины секции на выходе усилителя 6 сигнал в течение времени 0-ti будет минимальным, а в течение

0 времени ti-t2 - максимальным (Ugo). С помощью первого коммутатора 5, управляемо- то тем же делителем частоты 7, сигнал в течение времени О-ti, поступает на первый канал блока обработки сигнала (т.е. через

5 фазочувствительный демодулятор 20, блок формирования 22), а в течение времени ti-ts на второй канал блока 8 (фазочувствительный демодулятор 21 и блок формирования .23) сигналы с выхода фазочувствительных

0 демодуляторов 20 и 21 (фиг, 3), представленные на эпюрах Uai и U32., поступают на входы блоков формирования 22, 23. С выхода блоков формирования поступают сигналы 11зз, U34 (фиг. 3), представляющие н.апряже5 ние прямоугольной формы, сдвинутые отно- сительно друг друга в пространстве на 90°, причем каждый импульс соответствует перемещению, равному ширине секции на чув- ствительном элементе. Такая форма

0 необходима для построения известных преобразователей для измерения перемещений накапливающего типа - устройства, которое осуществляет измерение перемещения по подсчету количества импульсов,

5 сформированных измерительной схемой в процессе перемещения чувствительного элемента.

В простейшем случае блок определения направления движения 24 состоит из после0 довательно включенных. 1К-тригге.ра, одно- вибратора, реверсивного счетчика и логического элемента НЕ, включенного между К-входом триггера и входом реверсивного счетчика.

5 Блок работает следующим образом. Сигнал с блока 22 (11зз) фиг. 3 поступает на установочный вход триггера I, сигнал с блока 23 (1Ы) поступает на вход сброса триггера К. При движении чувствительного элемента в одном направлении сигналы с

блоков 22 и 23 поступают поочередно и реверсивный счетчик осуществляют подсчет количества импульсов, поступивших с блока 22.

Если направление перемещения изме- нйется, то изменяется порядок поступления импульсов и если в первом случае на выходе логического элемента была 1 и реверсивный счетчик суммировал входной импульсный сигнал, то теперь на выходе логического элемента устанавливается О сигнал и реверсивный счетчик осуществляет операцию вычитания.

Таким образом на выходе реверсивного счетчика появляется сигнал, однозначно определяющий величину перемещения чувствительного элемента.

Диапазон измеряемого перемещения пропорционален nd, где п - количество секций на неподвижном электроде, ad- ширина одной секции, поэтому, выбирая ширину и количество секций, можно варьировать диапазон и точность рассматриваемого устройства в весьма широких пределах.

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я Дифференциальный емкостной измеритель перемещений, содержащий секционированные потенциальный и токовый электроды, установленные в параллельных плоскостях с возможностью относительного перемещения в направлении изменения

площади их взаимного перекрытия и имеющие одинаковую ширину секций, расстояния между которыми у одного из электродов равны ширине одной секции, а у другого электрода равны половине ширины одной секции, и предназначенные для подключения к секциям потенциального электрода источник питания переменного тока, а к секциям токового электрода - блок обра0 ботки сигналов, отличающийся тем, что с целью увеличения диапазона измерений, он снабжен тремя коммутаторами, делителем частоты, усилителем и инвертором, усилитель и последовательно соединенный

5 с ним первый коммутатор включены между секциями токового электрода, которые соединены параллельно, и первым входом блока обработки сигналов, к второму входу которого присоединен первый выход пита0 ющего генератора, делитель частоты присоединен входом к этому же выходу питающего генератора, а выходом - к управляющим входам трех коммутаторов, второй коммутатор присоединен своим входом к

5 второму выходу питающего генератора непосредственно, а третий коммутатор присоединен к нему же через инвертор, выходы этих коммутаторов присоединены к соответствующим секциям потенциального элект0 рода, которые соединены между собой с интервалами в три секции и образуют четыре группы секций.

Фиг. 2

31

A

v v

7,

Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью повышение точности дифференциального емкостного измерителя перемещений, потенциальный электрод которого выполнен в виде расположенных на общей диэлектрической пластине секций, объединенных в четыре группы и подсоединенных к двум коммутаторам, управляемым через делитель частоты от питающего генератора. Токовый электрод измерителя выполнен в виде параллельно соединенных секций, которые подключены через усилитель и третий коммутатор ко входу блока обработки Сигналов. По количеству импульсов на выходе этого блока определяется величина перемещения. 3 ил.

и эг

А А

и

33

U

39

ФигЗ