Дифференциальный емкостный датчик перемещения Советский патент 1983 года по МПК G01B7/06 G01B7/14 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения малых линейных перемещений и других физических величин, которые могут быть преобразованы в линейное перемещение.

Известны различные конструкции ёмкостных датчиков линейного перемещения с плоскими или цилиндрическими электродами Cl.

Однако данные конструкции, несмотря на дифференциальное исполнение, не обладают достаточной стабильностью в широком диапазоне изменения внешних условий (пыли, влаги, внешних электрических полей, изменения температуры и т.п.) вследствие неидентичНого изменения емкости конденсаторов, образующих дифференциальную систему таких датчиков, а также из-за наличия краевых эффектов.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является дифференциальный емкостный датчик перемещения, содержащий электропроводный корпус с подвижной и неподвижной частями и два конденсатора, .образующие дифференциальную систему, один из электродов каждого из которых закреплен

с помощью изолятора на неподвижной части корпуса, а другой - на его подвижной части, связываемой с контролируемым объектом в процессе измерения. Электроды обоих конденсаторов емкостного датчика выполнены в виде плоских пластин. Принцип действия его основан на противоположном по знаку изменении,зазоров между плоскими

10 пластинчатыми электродами датчика 2.

Недостатками этого датчика являются его ограниченная стабильность и точность, обусловленные влиянием изменения внешних условий в процессе

15 эксплуатации (изменением размеров электродов и зазоров между ними под действием температуры, осаждением на поверхности электродов пыли, влаги, случайных примесей и т.п., вли20яющих на диэлектрические.свойства внешней среды, изменением состояния поверхности электродов датчика, например из-за коррозии, а также наличием на торцах электродов краевых

25 электрических полей, подверженных воздействию внешних факторов, которые вызывают флуктуацию емкости датчика, носящую случайный характер).

Цель изобретения - повышение точ30ности измерения. Поставленная цель достигается тем что дифференциальный емкостный датчик перемещения, содержащий электропроводный корпус с подвижной и непод вижной частями и два конденсатора, образующие дифференциальную систему рдин из электродов каждого из которых. закреплен с помощью изолятора на неподвижной части корпуса, а другой - на его подвижной части, связы ваемой с контролируемым объектом в процессе измерения, снабжен двумя па рами защитных электродов, электроды одного из конденсаторов выполнены в виде плоских колец, а его пара защитных электродов - в виде двух коаксиальных цилиндров, образующих совместно с кольцевыми электродами тороид прямоугольного сечения, элект роды второго конденсатора выполнены в виде двух коаксиальных цилиндров, а его пара защитных электродов в виде плоских колец, образующих совместно с его цилиндрическими элек родами второй тороид прямоугольного сечения, лежащий в той же плоскости что и первый тороид, коаксиально с ним. Кроме того, в качестве защитных электродов датчика могут быть исдоль зованы участки поверхности подвижной и неподвижной частей корпуса. . На фиг. 1 схематично изображен дифференциальный емкостный датчик перемещения, каждый из конденсаторов которого содержит пару потенциальных и пару защитных электродов, поперечное сечение; на фиг. 2 - вариант исполнения, в котором в качестве защит ных электродов используются участки поверхности подвижной и неподвижной частей корпуса, Дифференциальный емкостный, датчик перемещения содержит электропроводный корпус, на неподвижной и подвижной частях 1 и 2 которого размещены потенциальные электроды 3 и 4 первог конденсатора, закрепленные с помощью изоляторов 5к 6.в соответствующих кольцевых выточках корпуса датчика. Пара защитных электродов 7 и 8 этого конденсатора, выполненная в виде коаксиальных цилиндров, закреплена с помощью изоляторов 9 и 10 на неподви ной части 1 корпуса. Потенциальные электроды 11 и 12 второго конденсатора, также закрепленные на неподвиж ной части 1 корпуса с помощью изоляторов 13 и 14, имеют форму коаксиаль ных цилиндров. Защитные электроды 15 и 16 второго конденсатора, выполненные в виде плоских колец, закреплены с помощью изоляторов 17 и 18 на относительно подвижных частях 1 и 2 корпуса датчика. Соответствующие пары потенциальныхи защитных электр дов обоих конденсаторов образуют коаксиально размещенные к лежгицие в одной плоскости торойды прямоугольного сечения. Защитные электроды заземлены. В варианте исполнения (.фиг, 2) в качестве защитных электродов используются соответствующие участки поверхности подвижной и неподвижной частей корпуса. Для облегчения операции ус-, тановки и градуировки датчика подвижная часть 2 корпуса крепится к его неподвижной части 1 с помощью упругой центрирующей шайбы 19 и крепежных резьбовых колец 20 и 21, которые после настройки датчика удаляются. Конденсаторы с указанным выполнением электродов относятся к категории так называемых конденсаторов с перекрестными связями. Характерной особенностью таких конденсаторов является неизменность емкости между парами электродов при симметричном сближении или удалении этих па:р к оси симметрии конденсатора или от нее. Такие перемещения обычно и возникают под воздействием температуры, при оседании пыли, влаги и т.д. Сближение потенциальных электродов конденсатора с перекрестными связями вызывает увеличение его емкости, а сближение его защитных (заземленных) электродов вызывает уменьшение его емкости. Датчик работает следующим образом, При уменьшении (увеличении) зазора между неподвижной и подвижной частями 1 и 2 корпуса уменьшается(увеличивается) расстояние между электродами 3 и 4 первого конденсатора, вследствие чего его емкость увеличивается (уменьшается). При- этом емкость между электродами 11 и 12 второго конденсатора уменьшается (увеличивается) благодаря сближению (расхождению) его заземленных защитных электродов 15 и 16 (или соответствующих участков поверхности подвижной и неподвижной частей 1 и 2 корпуса). Благодаря дифференциальному выполнению датчика результирующее изменение емкости между его потенциальными электродами удваивается. Для достижения наилучшей стабильности датчика необходимо обеспечить в его исходном состоянии равенство перекрестных емкостей обоих конденсаторов . С этой целью размеры электродов и зазоров между ними в обоих конденсаторах, а также соотношение сторон прямоугольного сечения обоих тороидов определяются из условия равенства емкостей между потенциальными электродами обоих конденсаторов при заземлённых защитных электродах. За счет того, чт.о в данном дифференциальном емкостном датчике его конденсаторы с перекрестными связями имеют замкнутую конструкцию, т.е. выполнены в виде тороидов прямоуголь