Способ преобразования параметров емкостного датчика

 

Изобретение относится к измерительной технике и способам преобразования параметров емкостных датчиков и может быть использовано для автоматизации процессов измерения и контроля перемещений. Цель изобретения - повьшение точности преобразования - достигается тем, что последовательно формируют на выходе нелинейной мостовой схемы напряжение нулевого уровня, напряжение полной шкалы и напряжение, пропорциональное разности токов перезаряда емкостного датчика и опорного конденсатора, формирование напряжения нулевого уровня и напряжения полной шкалы производятпонижением частоты импульсов генератора в 10-10 раз. Понижение частоты импульсов генератора в процессе формирования напряжений нулевого уровня и полной шкалы позволяет повысить точность преобразования за счет уменьшения составляющей сигнала емкостного датчика в выходном напряжении нелинейной мостовой схемы, которого нельзя обеспечить использованием коммутирующих элементов в цепи емкостного датчика. Интегрирование выходного напряжения нелинейной мостовой схемы за период, равный или кратный периоду низкой частоты генератора , повьш1ает быстродействие за счет исключенияфильтрации сигнала, требукхцей применения филь1 ра низких частот с полосой пропускания, лежащей ниже частоты генератора ..импульсов . .п. ф-лы, 2 ил. § (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУ БЛИН (1g) <1!!

А1 (Я) 4 G ОI R 17/10, 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21.) 4255791/24-21 (22) 27.04.87 (46) 30.12.88. Бюл. Ф 48 (72) Ю.М. Гусев и М.М. Сиразетдинов (53) 621.317.733(088.8) (56) Приборы для научных исследований, 1964, Р 3, с.95-98.

Электроника, 1980, Ф 24, с. 55-62. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА (57) Изобретение относится к измерительной технике и способам преобразования параметров емкостных датчиков и может быть использовано для автоматизации процессов измерения и контроля перемещений. Цель изобретения - повьппение точности преобразования — достигается тем, что последовательно формируют на выходе нелинейной мостовой схемы напряжение нулевого уровня, напряжение полной шкалы и напряжение, пропорциональное разности токов переэаряда емкостного датчика и опорного конденсатора, формирование напряжения нулевого уровня и напряжения полной шкалы производят. понижением частоты импульсов генератора в !О -!О раз. Понижение частоS ты импульсов генератора в процессе формирования напряжений нулевого уровня и полной шкалы позволяет повысить точность преобразования за счет уменьшения составляющей сигнала емкостного датчика в выходном напряжении нелинейной мостовой схемы, которого нельзя обеспечить использованием коммутирующих элементов в цепи емкостного датчика. Интегрирование выходного напряжения нелинейной мостовой схемы sa период, равный ипи кратный периоду низкой частоты гене ратора, повышает быстродействие за счет исключения фильтрации сигнала, требующей применения фильтра низких частот с полосой пропускания, лежащей ниже частоты генератора .импульсов. 1"s.п. ф-лы, 2 ил.

1448289

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам преобразования параметров емкостных датчиков, и может быть использовано для автоматизации процессов измерения и контроля перемещений.

Цель изобретения — повышение точности преобразования за счет уменьшения составляющей сигнала емкостно- 1п

ro датчика в выходном напряжении нелииейной мостовой схемы, а также за счет исключения фильтрации сигнала. На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего способ преобразования параметров емкостного датчика; на фиг. 2 — пример конкретного выполнейия этого же устройства с модулем аналогового входа.

Устройство для преобразования параметров емкостного датчика (фиг. 1) содержит генератор 1 импульсов, упраВляемый по частоте, формирующий двухполярные импульсы напряжения, первую диодно-резисторную цепь, сос" 25 тоящую из диода 2 и резистора 3, емкостный датчик 4, подключенный между общей шиной и точкой соединения диода 2 и резистора 3, вторую диоднорезисторную цепь, состоящую из диода 30

5 и резистора 6, опорный конденсатор

7, подключенный между общей шиной и точкой соединения диода 5 и резистора

6, образцовый конденсатор 8, нодклю. чейный через ключевой элемент оптрона

9 к точке соединения диода 2 и резистора 3, блок 10 управления, выходы которого подключены к управляющему входу, генератора 1 импульсов и светоизлучателю оптрона 9. Емкость 11 ключе- 40 вого элемента ептрона образует последовательную цепь с образцовым конденсатором 8. Выходная шина устройства подключена к точке соединения резисторов Зи 6. 45

Устройство согласно фиг. 2 содержит управляемый генератор 12 импульсов, формирующий двухполярные импульсы напряжения две диодно-резистор1

5О ные цепи, образованные диодами 13„

14 и резисторами 1 5 и 16, емкостный датчик 17, подключенный между общей шиной и точкой соединения диода 13 и резистора 15, опорный конденсатор 18, пОдключенный между общей шиной и точ55 кой соединения диода 14 и резистора

16, образцовый конденсатор 19, подключенный через ключевой элемент оптрона 20 к точке соединения диода 13 и резистора 15, интегратор 21, вход которого подключен к точке соединения резисторов 15 и 16, схему 22 дискретизации и хранения с запоминающим конденсатором 23, вход которой соединен с выходом интегратора 21, аналогоцифровой преобразователь 24, соединенный со схемой 22 дискретизации и хранения через входную шину и шину сигнала состояния, микропроцессор 25, соединенный с входом управления интегратора 21, светоизлучателем оптрона 20, управляющим входом генератора

12 импульсов, а также с аналого-цифрововым преобразователем 24 через шину

26 управления и информационную шину

27 аналого-цифрового преобразователя.

Шина 28 инициирования и информационная шина 29 микропроцессора 25 предназначены для связи с центральным процессором.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Емкостной датчик 4 и опорный конденсатор 7 запитываются через диоды

2, 5 импульсами напряжения с. выхода генератора 1 импульсов. При этом, в точке соединения диода 2 и резисто ра 3 формируются импульсы напря— жения с длительностью спада, определяемой постоянной времени перезаряда суммарной емкости датчика 4 и емкости цепи, образованной последовательно соединенными образцовыми конденсатором 8 и емкостью 11 ключевого элемента оптрона 9. В точке соединения диода 5 и резистора 6 формируются импульсы напряжения с длительностью спада, определяемОй постоян— ной времени перезаряда опорного конденсатора 7. При условии, что длительность импульсов генератора 1 не менее, чем в 5 раз превышает постоянные времени перезарядных цепей, постоянное выходное напряжение нелинейной мостовой схемы при закрытом ключевом элементе оптрона 9 можно принять равным

Б f (С -С ) ьых m (R+R„) где U бых- выходное напряжение нелинейной мостовой схемы;

1448289

В режиме формирования накряжения нулевого уровня U ы блок 10 управления формирует на управляющем входе генератора 1 сигнал, понижающий час55

U+ †. амплитуда напряжения на емкостном датчике 4 и опорном конденсаторе 7; — частота импульсов генератора

R — сопротивление резисторов ! 3, 6;

Rц — сопротивление нагрузки нелинейной мостовой схемы, = RR (R+2Ru) .

Е " - эквивалентное сопро+ н

1 тивление перезарядкой цепи, 15 с =с

4 С 5+С„

С вЂ” емкость датчика 4;

Св — емкость образцового конденсатора 8; 20

С и — емкость ключевого элемента оптрона 9;

/, С вЂ” емкость опорного конденсато.7 ра 7.

С учетом нестабильности(парамет- 25 ров генератора и элементов нелинейной мостовой схемы выражение (1) записывается в виде

6 UìfRÕ (C 7) 0о1 ()

30 где U - составляющая выходного напряжения, обусловленная температурной и временной нестабильностью параметров элементов схемы.

В режиме формирования напряжения раз-З5 баланса нелинейной мостовой схемы блок

10 управления формирует ка управляющем входе генератора 1 сигнал, устанавливающий высокую частоту импульсов на выходе генератора. Емкостной датчик 4 может быть представлен в виде модели из двух параллельно соединенных конденсаторов: постоянной пара-. зиткой составляющей С„ и переменной составляющей С = ЕБ/d, где Я - ди45 электрическая проницаемость, S — пло щадь пластин датчика, d — расстояние между пластинами.

При С = С + выражение (2) 50

CüCп

СЬ+С1 принимает. вид

ЯБ ц =V fR — +U

Вы к .т Е тоту импульсов ка вьмоде генератора до значения Fc f/10 . Сигнал разба 1 ланса нелинейной мостовой схемы, создаваемый емкостным датчиком 4, уменьшается и составляет не более

О,IX от своего первоначального значения. Поэтому напряжение нулевого уровня равно

U UFR ви.о ж z. — Ф U а 11, (4) а О, О °

В режиме формирования. напряжения полной шкалы U,» блок 10 управления фррмирует сцгнал, понижающий частоту импульсов на выходе генератора, и сигнал, открывающий ключевой элемент оптрона 9; При выборе

С ь10 С „„, где С„„, „— максималь3 ное значение переменной составляющей С модели датчика, составляющие сигнала раэбаланса, создаваемые емкостным датчиком 4 и опорным конденсатором 7, малы по сравнению с составляющей сигнала раэбаланса, определяемой емкостью образцового конденсатора 8. Напряжение полной шкалы равно

111ык, (ц Ч ф R ã (1 Сп Сф С7)

PS 11о " "л7 R Сб "о (5)

Результат измерения g, определяется . о тношением — (6)

f ЕБ

Р C d

Uьык- 11 вьr .о

Vswi.ð 11 вых,о

Устройство (фиг. 2) работает сле"дующим образом.

Цикл преобразования состоит из трех тактов, каждый из которых состоит из периода интегрирования tö и периода преобразования t Длительность периода интегрирования выбирается равным или кратным длительности периода импульсов низкой частоты

Р генератора 12. Цикл преобразования начинается с установки низкой частоты F на выходе генератора 12 импульсов, обесточивания светоизлучателя оптрона 20 и приведения интег" ратора 21 и аналого-цифрового преобразователя 24 в исходное состояние. В первом тайте преобразования за время интегрирования f„ = 1/F на вьмоде интегратора 21 устанавливается напряжение равное

289 6

N è заносится в память микропроцессора 25. В случае измерения перемещения, характеризуемого расстоянием d между пластинами емкостного датчика, вычисление результата измерения производится в микропроп"ссоре

25 по формуле

1448

{ IF

Ц г U 1а - (7)

1 - U, ьыхо Т1 о ТР о где Т вЂ” постоянная времени интегриро5 вания.

Схема 22 дискретизации и хранения осуществляет слежение эа уровнем сигнала на выходе интегратора 21 в течение времени интегрирования tö. и 10 поддерживает неизменным уровень сигнала на своем выходе в течение времени..преобразования t„, во врем которого аналого-цифровой преобразователь

24 преобразует напряжение U „,„," 15 цифровой код N . С выхода аналого-цифрового преобразователя 24. код N передается по. информационной. шине 27 в . микропроцессор 25 и заносится в память микропроцессора. В течение этого 20 же периода времени с„ интегратор 21 и аналого-цифровой преобразователь 24 приводятся по входам управления в исходное состояние и открывается ключевой элемент оптрона 20. Всем процес-25 сЮм преобразования и передачи сигналов управляет микропроцессор 25, в соответствии с командами которого возбуждаются управляющие входы элементов схемы. Во втором такте преобра- 30 зования за время t на выходе инч тегратора 21 устанавливается напряжение, равное цр

"зы„,,„=«Т)(" FR Св+ " И" =

1 о

N No

Nx Ns (10) 35

C8+

Ural Uo

Т < 8 ТР

В течение времени t âòîðîãî такта напряжение U „,„ преобразуется в код 40

N и заносится в память микропроцессора 25. В этот период времени tq интегратор 21 и аналого-цифровой преобразователь 24 приводятся в исходное состояние, закрывается ключевой 45 элемент оитрона 20, а на выходе генератора !2 импульсов устанавлива, ется высокая частота f В третьем такте преобразования за время fg на выходе интегратора 21 устанавливается напряжение, равное

cs (т 11, о) оп,х Т о fR + ° (9)

TF ":. d TF

1. Способ преобразования параметров емкостного датчика, заключающий55 ся в том, что на нелинейную мостовую схему, содержащую емкостный датчик и опорный конденсатор, подают импульсное напряжение и формируют на выходе нелинейной мостовой схемы последоВ течение времени й„третьего такта напряжение Us„,„ к преобразуется в код где k - коэффициент пропорциональности.

Формирование высокой частоты f u низкой частоты Р может осуществляться микропроцессором программно, при этом генератор импульсов выполняется в виде формирователя.двухполярных импульсов.

Понижение частоты генератора импульсов по предлагаемому способу позволяет уменьшить во столько же раэ составляющую. выходного напряжения, создаваемую емкостным датчиком, без использования каких-либо коммутирующих элементов в цепи емкостного датчика. Так, при понижении частоты генератора в 10 раз погрешность наз пряжений нулевогр уровня и полной шкалы от изменения емкости датчика не превышает 0,1% от сигнала разба ланса нелинейной мостовой схемы.

Интегрирование выходного напряжения нелинейной мостовой схемы за период времени, равный или кратный периоду низкой частоты генератора импульсов по сравнению с фильтрацией сигнала, обеспечивает более высокое быстродействие и исключает необходимость применения фильтра низких частот со сложной структурой, увеличи- вающего габариты и снижающего надежность всего устройства.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, может быть использовано в качестве периферийной части по отношению к центральному процессору системы сбора и обработки данных.

Фо рмула из о б р е т ения вательно напряжение нулевого уровня, напряжение полной шкалы и напряжение пропорциональное разности токов перезаряда емкостного датчика и опорного конденсатора, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, формирование напряжения нулевого уровня и напряжения полной шкалы производят

448289 8 при понижении частоты импульсного на3 5 пряжения в 10 -1О раз.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения быстродействия преобразования, выходные напряжения нелинейной мостовой схемы интегрируют за период времени, равный или кратный периоду импульсов низкой частоты генератора.

1448289

Составитель В. Семенчук

Редактор М. Келемеш Техред A.Êðàâ÷óê Корректор С. Шекмар

Заказ 6843/50 Тираж 772 Подписное

ВЯИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгороп, ул. Проекгная,