Емкостной датчик абсолютных положений Советский патент 1982 года по МПК G01D5/249 

Изобретение относится к радиоэлек ронике и может быть использовано в система х. автоматического регулирования подвижной части объекта и в вычислительной техни(е. Известно устройство для определения координат подвижной части объект содержащее емкостные кодирующие устройства и схемы преобразования емкос ной связи в электрический сигнал. Передатчик и приемник устройства содержит группы прямоугольных кодовых элементов, выполненные в виде двух гребенок с зубцами, направленными друг к другу и чередующимися между собой из. Основные недостатки устройства низкая точность измерения и ограниче ние возможйости измерений в широком диапазоне перемещений. Известен емкостный датчик перемещений, содержащий емкостное кодирующее устройство, представляющее собой две емкости многослойного дифференциального конденсатора, подключенного параллельно контуру LC частотного детектора. Общая обкладка дифференциального .конденсатора выполнена в виде симметрично набранных прямоугольных пластин, расположенных под углом « к траектории перемещения. Два других электорода представляют собой пакеты.пластин по форме треугольника, установленные симметрично базовой пластине общей обкладки. Кодирующее устройство при прямолинейном перемещении общей обкладки (электрода) обеспечивает квадратичное изменение емкостей дифференциального конденсатора и линейное изменение частоты контура частотного детектора . Основной недостаток датчика - недостаточные точность- и ра зрешающая способность, ограниченный диапазон измеряемых величин. Цель изобретения - повышение точности и разрешающей способности датчика . Поставленная цель достигается тем, что в емкостный датчик абсолютных положений, содержащий генератор сину соидальных колебаний, первый частотный детектор с емкостным кодирующим устройством, выход которого подключен к первому входу первого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход является выходом старшего разр да датчика,введены первый амплитудный ограничитель, вход которого подключен к синусоидальному генератору а выход - ко входу первого частотного детектора, канал .измерения младших разрядов, включающий второй амплитудный ограничитель, вход которого подключен к синусоидальному генератору, а выход - ко входу второго частотного детектора с емкостным кодирующим устрой1ством, выход которого подключен к первому входу второго усилителя, выход которого подключен к первому входу третьего усилителя, второй вход которого под ключен к источнику опорного напряжения, а выход является выходом младших разрядов датчика, канал автоматического преобразования режима работы второго усилителя - повторитель-инвертор, включающий третий амплитудный ограничитель, вход кото рого подключен к выходу генератора синусоидальных колебаний, а выход ко входу частотного детектора, выход которого подключен к первому входу четвертого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход - к пе вому входу Компаратора, второй и третий входы которого подключены к источнику опорных напряжений, четвертый вход - к выходу пятого усили теля, а выход - КОвходу ключа, первый вход которого подключен к земле а второй - ко второму входу второго усилителя, выходу второго частотного детектора и первому входу пятого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напря жения, причем емкостное кодирующее устройство выполнено в виде трех плоских двухслойных конденсаторов, первый из которых подключен параллел но LC-контуру первого частотного детектора и содержит пластину-прием9НИК по форме трапеции и прямоугольную пластину-передатчик, второй и третий конденсаторы подключены параллельно LC-контурам частотных детекторов канала измерения младших разрядов и канала автоматического управления режимом работы второго усилителя схемы повторителя и содержит по две группу электрически соединенных металлических пластин трапецеидальной формы, равномерно расположенных вдоль трактории перемещения шагом X, а число п пластин приемника и п пластин передатчика в каждом конденсаторе находится в соотношении п п . На фиг. 1 представлена схема емкостного датчика абсолютных положений; на фиг. 2 - емкостное кодирующее устройство; на фиг. 3 - частотная х-арактерйстика детектора. Емкостный датчик абсолютных положений содержит канал измерения старших разрядов координаты подвижной части объекта на длине L максимально возможного перемещения, составленный первым амплитудным ограничителем 1, первым частотным детектором 2, первым выходным операционным со смешенным нулем усилителем 3, выходной клеммой 4 канала - канал измерения младших разрядов сигнала на последо- . вательно расположенных N участках, каждый длиной Л/2 i L, составленный вторым амплитудным ограничителем 5 вторым частотным детектором 6, вторым двухфункциональным операционным усилителем 7 третьим операционным усилителем 8 со смещенным нулём, выходной клеммой 9 автоматического управления режимной работы усилителя 7, составленную третьим амплитудным ограничителем 10, третьим частотным детектором 11, четвертым операционным усилителем 12 со смещенным нулем, пятым операционным усилителем 1.3 со смещенным нулем, двухканальным компаратором И и управляющим транзистором 15 генератор высокочастотных колебаний 16. По способу первоначальной настройки частотные детекторы 2, б и 11 относятся к числу частотных детекторов со .взаимнорасстроенными контурами. Каждый из частотных дете15:торов 2, 6 и 11 связан с генератором 16 посредством индуктивной с.вязи между катушками индумтивностей 17 и 18, 19 и 20, 21 и 22. 5 . Каждый из указанных частотных де текторов содержит два взаимнорасстр енных контура, образованных верхней и нижней частями катушек индуктивно ти и общими для них конденсаторами 23 (2 и 25) постоянной емкости и подстроечными конденсаторами 2б (27 и 28). Для определения величины емкост ной связи между частями объекта кон денсаторы контролирующего уст ройства подключены параллельно конденсаторам 23 и 26 (2 и 27, 25 и 28) и составляют переменную часть емкости контуров. Резисторы 32-3 в схеме канала измерения старших разрядов , канала измерения младших разрядов, а в схеме автоматическо го управления являются элементами вы бора коэффициентов передачи и регулировки величины смещения нуля усилителей 3, 12 и 13. Резисторы 2-+5 совместно с усили телем 7 образуют схему повторителя, которая открыванием управляющего транзистора15 преобразуется в схему инвертора. .Резисторы являются элементами установки коэффициента передачи и смещения-нуля усилителя 8. Емкостное кодирующее устройство состоит из передатчика 50 и приемника 51.. С -целью увеличения точности измерения электроды каждого из конденсаторов 30 выполнены в виде множества электрически сое1диненных между . собою пластин трапецеидальной формы, расположенных вдоль траектории перемещений с шагом Л. Использование мно жества пластин обеспечивает уменьшение технологических погрешностей изготовления благодаря их усреднению по множеству, в то время как выбор пластин трапецеидальной формы обеспе чивает линейную зависимость частот контуров и амплитуд выходных сигналов от координаты передатчика. Для образования пространственного сдвига между сигналами детекторов 6 и 17, необходимого для обеспечения ра боты схемы автоматического управления, неподвижные электроды конденсаторов 30 сдвинуты между собою на величину дЕ вдоль траектории перемещения передатчика. 3 Поверхности оснований передатчика 50 и приемника 51 параллельны между собою и образуют свободный зазор величиной d (фиг. 2) Ширина пластины электродов, представляющая собой высоту трапеции h, и зазор d между подвижными и неподвижными электродами находятся в соотношении h/d 1 Указанное соотношение разрешает получить высокую степень линейности выходного сигнала детектора у его экстремальных точек. В схеме датчика конденсаторы 23 и 26 (2h и 27, 25 и 28)образуют начальную емкость CH , общую для обоих взаимно расстроенных контуров каждого из детекторов 2, 6 и 11. . Конденсаторы 29 и 30 совместно с начальными емкостями составляют суммарные емкости контуров детекторов и обеспечивают синхронное изменение их резонансных частот при перемещениях подвижных электродов. Линейная зависимость частот контуров от координаты перемещения подвижного электрода обеспечивается тем, что в каждом детекторе начальная емкость С является.эквивалентом емкости плоскопараллельного конденсатора с пластинами по форме треугольника, дополняющего форму и площадь трапецеидальных пластин электрода конденсатора кодирующего устройства до треугольника. Синхронное смещение вдольоси F частот f и fi при изменении координаты х; передатчика означает равное ему смещение частотной характеристики детектора (фиг. 3). Для обеспечения нормальной работы каналов измерения и схемы автоматического управления датчик настроен следующим образом: в положении передатчика х; Х0 + h/2, что соответствует его истиной координате х .:d. h/2 X, . При этом электроды канала измерения старших разрядов и пластин электродов канала измерения младших раз- . рядов взаимно перекрыты на величину h/2, контура детекторов 2 и 6 настроены так, что их частоты f и fj на частотной оси F располагаются симметрично относительно частоты fp генератора 16 на расстояниях от нее + if, - Af. При этом (фиг. 3) частот ная характеристика (а о в) частотно детектора 2 (6) пересекает ось F в точке f f р , а выходное напряжен детектора равно нулю. В крайнем правом положении передатчика, что соответствует его исти ной координате X Хе О и условной X Xpi при котором площади вза имного перекрытия конденсаторов 29 и 30 равны нулю, частотная характеристика (а о в) находится в крайнем правом положении, а выходное напряже ние детектора равно -U,, выходное напряжение усилителя 3 (13) скомпен сировано подачей напряжения +11 на неинвертирующий вход усилителя 3 (1 с резистора 3 (38). Аналогичным образом, но для усло ных координат передатчика X Хо + -л1,х настроены частотный детектор 11 и усилитель 12. При нахождении передатчика пооче редно в точках с условными координа тами X XQ, X Xf выбраны вели.чины опорных напряжений Uon . Uonjs. приводящие к установлению на выходе компаратора 1 i логических уровней соответственно +1 и -1. При это В координате х х на выходе компа ратора имеет место уровень -1 при котором транзистор 15 закрыт, а усилитель 7 с резисторами образует схему повторителя, в координате X х на выходе компаратора - +1, транзистор 15 открыт, а усилитель 7 с резисторами обр зует схему инвертора. В точке с координатой X XQ, когда на выходе усилителя 7 имеет место напряжение -U,, напряжение на выходе усилителя 8 (клемма 9) скомпенсировано подачей на его неинвертирующий вход напряжения +U с резистора k. В отличие от известных в технике связи частотных детекторов со взаимно расстроенными контурами, в которых частоты f, , fa закреплены на частотной оси F, а частоты входного сигнала, оставаясь между ними, девиируют относительно своего среднего значения, в частотных детекторах датчика закреплена частота генератора fp ,а относительно ее синхронно девиируют частоты f и fg., всегда оставаясь по разные стороны от fr. Образованная частотами f и fa частотная характеристика (а о в) 8 (фиг. 3) девиирует вместе с частотами и в крайних точках XQ, Х занимает положения (а« о ). Через точку f проходит ось выходных напряжений детектора. В определенном масштабе выходное напряжение детектора изображается отрезком между осью частот F и точкой пересечения частотной характеристики с осью напряжений. В исходном состоянии, при котором передатчик 50 находится в крайнем правом положении частотная характеристика (а о в ) детектора 2 (61 Занимает на оси частот F крайнее правое положение, а его выходное напряжение равно -Un- Частотная характеристика детектора 11 (на фиг. 3 пунктирной линией) смещена влево относительно характеристики (а о в ) на величину Af , а его выходное напряжение равно Un . Напряжение на выходе смещенных усилителей 3 и 13 равно нулю, усилителя 12 составляет величину л, U. На входах компаратора 14 действует разница напряжений ли - О и Ucp Под действием напряжения Ucp на выходе компаратора 1 установлено состояние логического уровня -1. Транзистор 15 закрыт. Усилитель 7 совместно с резисторами образует схему повторителя, а на его выходе имеет место напряжение, равное -Цц. На выходе смещенного усилителя 8 и клемме 9 напряжение равно нулю. При перемещении передатчика влево, вследствие роста суммарной емкости в контуре, частотная характеристика (а о в ) смещается влево, отрезая на оси напряжений величину эквивалентную выходному напряжению де.тектора. Напряжение на выходах детекторов 6 и П от уровней -UH Um убывает до нуля, а затем, после перехода через нуль возрастает в положительном направлении. На выходах смещенных усилителей 3, 12, 13 и 8 перемещения передатчика реализуются в линейновозрастающее напряжение. . При выходе передатчика в точку с координатой х XQ + h - ь.1 , напряжение на выходе усилителя 12 достигает максимальной величины Ll(j 2U, в то время,- как напряжение Ц,, на выходе усилителя 13 отстает от не го на величину Ucp. При дальнейшем увеличении координаты х; напряжение . линейно убывает, достигая в точке xi. XQ + h - дЕ/2 равенства с напряжением U, на выходе усили теля 13. При перемещении передатчика влев суммарная емкость в контурах детекторов 6 и 11 убывает по обратному закону. Частотная характеристика детектора из крайнего левого положе ния (а о в)перемещается вправо. Процесс изменения выходных напряжен детекторов. 6 и 11 на выходах усилителей 12 и 13 идёт в обратном напра лении, а его полный цикл заканчивается в точке, отстоящей от предыдущей на расстоянии /L - шага распреде ления пластин электродов конденсатора 30 (31)- При этом на указанном интервале напряжение на выходе усилителя 8 дважды возрастает от нуля до 2UH и падает до нуля. Таким образом координата подвижной части объекта, с которой меха- , нически связан передатчик датчика, каждый раз определяется двумя компонентами, компонентой измерения, с держащей чийла п старших разрядов, и компонентой,, содержащей числа г младших разрядов. При этом, благодаря введению в датчик канала измерения младших разрядов точность и разрешающая спо собность датчика повышается в 10 раз, где п - число старших разрядо измерения. Формула изобретения Емкостный датчик абсолютных поло жений, содержащий генератор синусои дальных колебаний, первый частотный детектор с емкостным кодирующим уст ройством, выход которого подключен первому входу первого усилителя, второй вход которого подключен к ис точнику опорного напряжения, а выхо является выходом старшего разряда датчика, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения и повышения разрешающей способности датчика, в него введены первый амплитудный ограничитель, вход которого подключен к синусоидальному генератору, а выход - к входу первого частотного детектора, канал измерения младших разрядов, включающий второй амплиту ный ограничитель, вход которого под -4 ключен к синусоидальному генератору, а выход - к входу второго частотного детектора с емкостным кодирующим устройством, выход которого подключен к первому входу второго усилителя, выход которого подключен к первому входу третьего усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход является выходом младших разрядов датчика, канал автоматического преобразования режима работы второго усилителя - повторитель-инвертор, включающий третий амплитудный ограничитель, вход которого подключен к выходу генератора синусоидальных колебаний, а выход - к входу частотного детектора, выход которого подключен к первому входу четвертого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход к первому входу компаратора, второй и третий входы которого подключены к источнику опорных напряжений, четвертый вход - к выходу пятого усилителя, а выход - к входу ключа, первый вход которого подключен к земле, а второй - к второму входу, второго усилителя, выходу второго частотного детектора и первому входу пятого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, причем емкостное кодирующее устройство выполнено в виде плоских двухслойных конденсаторов, первый из которых подключен параллельно LC - контуру первого частотного детектора и содержит пластину-приемник по форме трапеции и прямоугольную пластину-передатчик, второй и третий конденсаторы подключены параллельно ЬС- контурам частотных детекторов канала измерения младших разрядов и канала автоматического управления режимом работы второго усилителя и содержит по две группы электрически соединенных металлических пластин трапецеидальной формы, равномерно расположенных вдоль траектории перемещения шагом Л, а число гц пластин приемника и п пластин передатчика в каждом конденсаторе находится в соотношении пг.7 п . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3938ИЗ. кл. G 08 С 13/10, 1976. 2.Авторское свидетельство СССР № 599111, кл. G 01 О 5/23, 1977гд гб

. Ф1/г. / 29