Преобразователь перемещения подвижного электрода плоскопараллельного дифференциального конденсатора в частоту Советский патент 1982 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения различных неэлектрических величин, например давления или перемещения, с помощью емкостного датчика, представляющего собой дифференциальный конденсатор с плоскопараллельными электродами, Б котором средний электрод является подвижным.

Известно устройство для преобразования емкости в частоту 11.

Недостатком указанного устройства является то, что оно непригодно для работы с дифференциальным конденсатором, в котором переменными являются одновременно две емкости.

Известен также преобразователь емкости в частотной, сигнал, содержащий пороговый блок, выполненный в виде дифференциального операционного усилителя, выход которого соединен с входами двух RC-цепей, в которые включены емкости дифференциального конденсатора, и через делитель напряжения с неинвертирующим входом усилителя, а- его инвертирующий вход соединен с выходами RC-цепей чере диодный мост 2.

Известное устройство не обеспечивает линейной зависимости частоты от перемещения подвижного электрода 5 дифференциального конденсатора. Выходным сигналом, зависящим линейно от перемещения, является постоянная составляющая частотного сигнала.

Цель изобретения - повышение ли10нейности преобразования.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь перемещения подвижного электрода плоскопараллельного дифференциального конденса15тора в частоту, содержащий пороговый блок, выход которого соединен с входами RC-цепей, в которые включены емкости дифференциального конденсатора, и с одним входом делителя напря20жения, средняя точка которого соединена с неинвертирующим входом порогового блока, введены дополнительно еще одна RC-цепь, вход которой соединен с выходом порогового блока, а выход 25с его инвертирующим входом, и дифференциальный операционный усилитель, к входам которого подключены через усилители-повторители выходы RC-цепей, а его выход подключен к второму.вхо30ду делителя напряжения. На фиг.1 представлена принципиаль ная электрическая схема преобразователя; на фиг.2 - форма сигналов в различных точках схемы. Преобразователь включает в себя три КС-цепи (1-3), подключенные к выходу порогового блока 4, который выполнен на базе дифференциального операционного усилителя. В цепи 1 и 2 включены емкости ди Ф-еренциального конденсатора С и С/ величины которых зависят от положения подвижного электрода. Выход усилителя 4 подключен также к одному входу делителя 5 напряжения, средняя точка которого соединена с неинвертирующим входом . усилителя 4, а второй вход соединен с выходом второго дифференциального операционного усилителя 6, к входам которого через усилители-повторителя 7 и 8 подключены входы RC-цепей 1 и 2. К инвертирующему входу усили теля 4 подключен выход RC-цепи 3, в которую включен конденсатор постоянной емкости С5. Емкостный датчик представляет со бой дифференциальный конденсатор с плоскопараллельными электродами, об разующими две емкости С и CQ, причем средний электрод является подви ным. Перемещение среднего электрода вызывает изменение емкостей С и величины которых равны . с° . с -2 1+к -1 1-х , где С F - площадь перекрытия электродов;d - величина межэлектродного за зора в исходном положении подвижного электрода; S d S - перемещение среднего электрода. Из выражений (1) следует, что за висимость С и С|| от перемещения не линейна и для обеспечения линейной зависимости целесообразно использовать не разность емкостей (C,), которая также нелинейна, а разность (-ii-)2x C-i С ( GO Преобразователь представляет собой генератор прямоугольных импульсов, частота которого определяется величинами емкостей С и Сп. При пе реходе порогового блока 4 из одного состояния в другое меняется скачкообразно знак напряжения на его выходе, который одновременно является выходом всего преобразователя. С по мощью делителя 5 задается опорное напряжение на неинвертирующем входе порогового устройства, величина коого прямо пропорциональна напряию на выходе порогового устройсткоторое постоянно в течение кажо полупериода, и напряжение на вые усилителя б, величина которого еменна в .течение каждого полуперии определяется напряжением на емтях С и Cti. Напряжения на конденсаторы С, Т и С, в течение времени j тветственно равны .-RiC j Ut;(t)Uo(lUc.(t)Uo( )-UcolO) {t)Uo(l-e- ) период колебаний генератора (Т i); напряжение на выходе порогового устройства;CllO) с(о) остаточные напряжения на емкостях С , С 0 и С 3 в момент переброса порогового блока. В момент времени t - (Фиг. 2) напения на емкостях С, С Q и С2, досают величин U 0-1(0) ) ) орые, соответственно, равны ,(. - т (.ОГ Разлагая выражения (3) в ряд Тейа, и ограничивая разложение трем членом, находим UnT „UnT 4R2Cj : Напряжения tlQ(t) и UQQ(t) являютвходными для усилителей-повторией 7 и 8, которые имеют коэффинт усилителя по напряжению , вьшолняются на базе стандартных микросхем или полевых транзисторов, работающих в режиме истокового повтори теля, и служат в качестве обычных буферных элементов для согласования ВХОДНЫХ и выходных сопротивлений уси лителя 6 и времязадающих цепей 1 и 2 Выходные напряжения повторителей U7 и Ug совпадают по форме и величине с напряжениями U(-; (t) и ) подаются на разные входы дифференциального операционного усилителя 6, выходной сигнал которого пропорцион лен разности напряжений (U-j-Uo) и в Т момент времени t j равен UpTRfel 4R,.i Величина опорного напряжения на неинвертирующем входе порогового бл ка 4 в момент времени t равна „ .Vm..{- 1-Vlb 4ft,tR5A+«S4) } Ha инвертирующий вход блока 4 по ется выходное напряжение НС-цепи 3, которое равно Uc(t). В момент врем Т ни t напряжения на обоих входах становятся равными, т.е. Uц Оц, ПО ле чего следует переход порогового .блока в другое состояние, изменяется полярность выходного сигнала на выходе порогового блока и начинается перезаряд конденсаторов С, С и С. Из условия равенства напряжении на входах порогового блока в момент Т времени , следует, что 1 . 1 4Й Uji esl «ы( Учитывая, что частота f -, из выражения (7) следует, что ,,: RgiRfeg ) V 4R5T.Rbi RqC-i R : Rs-i+Ria « 0- 4R5aR3C3 Подставляя вместо С -, и Crj их зна чения и задавая R R,, R, получаем выражение зависимости частоты преобразователя от перемещения подвижного электрода, которое равно - т- r r2R5 R(,RCo ь исходном состоянии, когда подвижный электрод занимает среднее положение (), частота преобразователя равна и определяется только параметрами RC-цепи 3, При перемещении подвижного электрода () частота f растет или убывает (в зависимости от направления перемещения подвижного электрода), причем изменение частоты в соответствии с выраRSiR&g-xжением (9) равно д 54 т.е. линейно зависит от величины перемещения подвижного электрода. Формула изобретения Преобразователь перемещения подвижного электрода плоскопараллельного дифференциального конденсатора в частоту, содержащий пороговый блок, выход которого соединен с входами двух RC-цепей, в которые включены емкости дифференциального конденсатора, и с одним входом делителя напряжения, средняя точка которого соединена с неинвертирующим входом порогового блока, отличающийся тем, что, с целью повышения линейности преобразования, в него введены дополнительно еще одна RC цепь, вход которой соединен с выходом порогового блока, а выход - с его инвертирующим входом, и дифференциальный операционный усилитель, к входам которого подключены через усилители-повторители выходы RC-цепей, а его выход /подключен к второму входу делителя напряжения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Аналоговые интегральные схемы. Под.ред. Дж.Коннели, М., Мир, 1977, с. 184-187, рис. 5-22. 2.Авторское свидетельство СССР 751226, кл. G 01 R 27/26, 20.02,80.

VJ

щ

SA

т

U

61

d

Uii и о

О

i

г

-Uo

)

В

Ус(0}

Ci(0

/ V V

иаФ)

С,(0

о

/

,(0)

(риг г