Резонансный измеритель малых приращений емкости Советский патент 1983 года по МПК G01R27/26 

ния, электронный ключ и блок формир вания стробирующих импульсов, вход к торого подключен к выходу генератора низкой частоты, выход подключен к управляющему входу генератора выс кой частоты и к входу электронного ключа,-вход электронного ключа подключен к второму источнику стабилиз рованного напряжения, а его выход к входу узкополосного фильтра. На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, подключенный через конденсатор 2 связи к колебательном контуру 3, параллельно которому вкл чены последовательно соединенные ва рикап 4 и конденсатор 5. Амплитудны детектор 6, вход которого подключен к колебательному контуру 3, а его выход связан через узкополосный фильтр 7 с входом усилителя 8 низко частоты и через фильтр 9 нижних час тот с одним из входов дифференциаль ного усилителя 10. Второй вход усилителя 10 соединен с источником 11 стабилизированного постоянного напр жения, а его выход подключен к мест соединения варикапа 4 и конденсатора 5. Конденсатор 5, варикап 4,филь 9,. -дифференциальный усилитель 10 и источник 11 стабилизированного напр жения составляют блок 12 стабилизации рабочей точки на боковой ветви резонансной кривой. Информационный вход синхронного .детектора 13 подключен к выходу усилителя 8 низкой частоты. Переключатель 14, генератор 15 низкой частоты и два конденсатора (контролируемый 16 и управляемый 17) подключены к входам переключателя 14. Выход переключателя 14 подклю чен к колебательному контуру 3, а его управляющий вход соединен с выхо дом генератора 15 низкой частоты и управляющим входом синхронного детек тора 13. Источник 18 стабилизированного постоянного напряжения, электронный ключ 19 и блок 20 формирования стробирующих импульсов/ вход которого соединен с выходом генератора 15 низкой частоты, а выход блока 20 формирования стробирующих импульсов подключен к управляющим входам генератора 1 высокой частоты и элект ройного ключа 19. Вход ключа 19 соединен с источником 18 стабилизирован ного постоянного напряжения, а его выход подключен к входу узкополосного фильтра 7. Устройство содержит такнсе регистрирующий индикатор 21, сумматор 22, делитель 23 напряжения и источник 24 стабилизированного пос тоянного напряжения, вход которого подключен через делитель 23 напряжения к одному из входов сумматора 22, второй вход которого подключен через регистрирующий индикатор 21 к выхоцу синхронного детектора 13. Выход сумматора 22 подключен к управляющему входу конденсатора 17. Принцип работы устройства заключается в следующем. 1енератор 1 высокой частоты через конденсатор 2 подпитывает колебательный контур 3, параллельно которому включены последовательно соединенные варикап 4 и конденсатор 5. Колебательный контур настраивают так, что его рабочее напряжение, так называемая рабочая точка, находится на боковой ветви резонансной кривой. Напряжение колебательного контура 3, выпрямленное амплитудным детектором 6, подают через узкополосный фильтр 7 на вход усилителя 8 низкой частоты и через фильтр 9- нижних частот - на один из входов дифференциального усилителя, 10, на второй вход которого подают такое же по величине постоянное напряжение от источника 11 стабилизированного напряжения. Выход усилителя 10 подключен к месту соединения варикапа 4 и конденсатора 5. При изменении, параметров элементов колебательного контура 3 или изменении частоты генератора 1 рабочая точка сместится вверх или вниз по резонансной кривой.Вследствие этого изменится напряжение постоянной составляющей на выходе амплитудного детектора 6, которое подается на дифференциальный усилитель 10. На выходе .дифференциального усилителя 10 появится сигнал, который вызовет приращение (увеличение или уменьшение) емкости варикапа 4. Это возвратит рабочую точку в исходное положение и скомпенсирует дестабилизирующий фактор. С выхода усилителя 8 низкой частогты сигнал поступает на информационный вход синхронного детектора 13, который управляется синхронно с переключателем 14 генератором 15 низкой частоты. Напряжение на выходе генератор.а 15 низкой частоты имеет форму меандра. При помощи переключателя 14 происходит поочередное подключение к колебательному контуру 3 контролируемого конденсатора 16 и управляемого конденсатора 17. При использовании контактного переклк)чателя , например геркона, в качестве переключателя 14 поочередные подключения конденсаторов 16 и 17 происходят не мгновенно, а с некоторым запаздыванием, связанным с инерционностью подвижного контакта во время его переброса с одного неподвижного контакта на другой и с так называемым дребезгом, имеющим место при его соприкосновении с неподвижными контактами. После окончания дребезга следует режим установивщегося постоянного контакта. Так как на дребезг и на время переброса подвижного контакта переключателя 14 существенное влияние оказывают температура, инерционные и гравитационные ситы и т.д. (причем эти Факторы по разному влияют на дребезг и на время переброса контакта в прямом и обратном направлении), то изменяется и время подключения контролируемого 16 и управляемого 17 конденсаторов, что приводит к появлению погрешностей измерения.

Для существенного уменьшения указанных погрешностей необходимо в процессе измерения исключить влияние времени переброса и дребезга контактов переключателя 14 на результат измерения. Это достигается введение дополнительного источника 18 стабилизированного постоянного напряжения, электронного ключа 19 и блока 20 формирования стробирующих импульсов, а также связей между ними.

Напряжение генератора 15 низкой частоты поступает на блок 20 формирования стробирующих импульсов/ которь1й под воздействием этого напряжения формирует стробирующие импульсы, длительность которых устанавливается несколько большей, чем суммарное время переброса контакта и его дребезга. Строб-импульсы с выхода блока 20 формирования стробирующих импульсов подаются на управлякндий вход генератора 1 высокой частоты и на управляющий вход электронного ключа 19. При постуГхлении стробирующего импульса на генератор 1 высокой частоты он выключается (запирается) на время длительности импульса, что приведет к исчезновению напряжения на колебательном контуре 3 и, следовательно, на имплитудном детекторе 6. Учитывая, что включение и выключение генератора 1 высокой частоты может производиться электронным способом, а скорость появления и исчезновения напряжения на колебательном контуре 3 и амплитудном детекторе б относительно большая, поэтому фронты напряжения, вызванные включением и выключением генератора- 1 высокой частоты на амплитудном детекторе 6, будут достаточно крутыми.

Стробирующий импульс с выхода блока 20 формирования стробирующих импульсов поступает также на электронный ключ 19, вход которого подключен к источнику 18 стабилизированного потоянного напряжения, а выход его подключен к входу уэкополосного фильтра. 7 частоты коммутации. Напряжение источника 18 стабилизированного постоянного напряжения устанавливается равным напряжению постоянной составляющей на выходе амплитудного детектора 6, величина которого поддерживается на определенном уровне с помощью блока стабилизации рабочей точки. При поступлении стробирующих импульсов на электронный ключ 19, на выходе его появятся сигналы импульсных напряжений, равные по амплитуде на- пряжению источника 18, а по длительности равные длительности сигналам стробирующих импульсов. Сигналы с выходом амплитудного детектора 6 и электронного ключа 19 поступают на

0 вход узкополосного фильтра 7 частоты коммутации, где эти входные сигналы суммируются.

Так как на время переброса и дребезга контакта переключателя 14 происходит отключение генератора 1 высо5кой частоты, то процедура подключения конденсаторов 16 и 17 при помощи переключателя 14 осуществляется при отсутствии высокочастотного напряжения на контуре 3 и на контактах

0 самого переключателя. Следовательно, си1;нал на выходе амплитудного детектора 6 не содержит составлякяцих, связанных с нестабильностью времени переброса и дребезга подвижного контак5

Провалы

напряжения в выходп

та.

ном сигнале амплитудного детектора б, . обусловленные отключением генератора 1 высокой частоты, компенсируются импульсами напряжения с выхода элект0ронного ключа 19, которые по длительности равны ширине длительности провала, а амплитуда равна постоянной составляквдей сигнала детектора 6.

Неполная компенсация провалов,

5 которая может иметь место из-за неточной установки напряжения источника 18 из-за временной и температурной нестабильности коэффициента передачи электронного ключа 19 и из-за

0 возможного дрейфа напряжения постоянной составляющей на выходе амплитудного детектора 6 приведет к появлению информационной переменной составляющей, частота которой в два ра- .

5 за выше частоты информативного сигнала (частоты коммутации). Однако эта помеха .не вызовет появления дополнительных погрешностей, так как она будет ослаблена узкополосным фильтром 7 и полностью подавлена синхрон0ным детектором 13 ввиду известного свойства синхронного детектора 13 подавлять четные гармоники в спектре детектируемого сигнала.

5

При неравенстве емкостей контролируемого конденсатора 16 и управляемого конденсатора 17 высокочастотное напряжение колебательного контура 3 будет промодулировано низкой

0 частотой. На выходе амплитудного детектора появится переменная составляющая низкой частоты, величина которой определяется разностью емкостей конт.ролируемого и управляемого конденсато5ров 16 и 17. Переменная составляющая сигнала (фильтруется, усиливается и поступает .на синхронный детектор 13, на выходе которого появится постоянное напряжение, функционально связанное с разностью емкостей конденсаторов 16 и 17 Это напряжение поступает через регист рирующий индикат р 21 на один из входов сумматора 22, на второй входкоторого подается через делитель напряжения от источника 23 стабилизирован i ного постоянного напряжения. На выходе сумматора появится напряжение, которое прикладывается к управляющему входу конденсатора 17. Это напряжение скомпенсирует разность емкостей между контролируемым 16 и управляемым l7 конденсаторами. Величина тока, протекаиощая через регистрирующий индикатор 21, функционально связана с приращением емкости контролируемого конденсатора 16. Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с известным существенно повышается точность измерения за счет исключения погрешностей, обусловленных температурной и временной нестабильностью в работе переключателя 14. Исключение указанных погрешностей измерения в предлагаемом резонансном измерителе позволит применить его в устройствах, которые предназначены для измерения неэлектрических величин, например толщины диэлектрических пленок,, диаметра диэлектрических нитей, влажности материалов и воздуха и т.д., электроемкостным способом Особенно необходим предлагаемый резонансный измеритель в тех случаях, ког да отклонения измеряемых неэлектри.ческих величин вызывают весьма малые приращения емкости в первичных емкосTHfcJxt преобразователях. Резонансный измеритель малых приращений емкости изготовлен в виде макета и исследован с целью оценки его погрешности измерения. Результаты исследований подтвердили правильность выбора технического решения. Учитывая простоту схемотехнического решения, несложность изготовления и высокую точность измерения, предлагаемый резонансный изме5 итель найдет широкое применение в устройствах, предназначенных для измерения неэлектрических- величин электроемкостным способом. . Формула изо.бретания Резонансный измеритель ма.пых приращений емкости по авт. св. № 808981, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй источник стабилизированного постоянного напряжения, электронный ключ и блок формирования стробируюЩих импульсов,вход которо-. го подключен к выходу генератора низкой частоты, выход подключен к управляющему входу генератора высокой частоты и к управляющему входу электронного ключа, вход электронного ключа подключен к второму источнику стабилизированного напряжения, а его выход - к входу узкополосного фильтра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 808981 по заявке 27002l5/fl, кл. G 01 R 27/26, 20.12.78.