Способ измерения перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель - повышение точности и линейности функции преобразования перемещений в электрический сигнал при использовании емкостного способа измерения, который заключается в том, что поочередно (на одной частоте) или одновременно (на разных частотах) измеряют частичные емкости между двумя парами перекрестно расположенных электродов, которые установлены в двух параллельных плоскостях с возможностью изменения площади их взаимного перекрытия, в процессе измерения попеременно заземляют каждую из этих пар электродов и по разности измеренных перекрестных частичных емкостей судят о величине измеряемого перемещения. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИ4ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

C; = — .1 in(c ""+1), Я

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4434661/25-28 (22) 02.06.88 (46) 15.07.90. Бюл. № 26 (71) Институт электродинамики АН УССР (72) P. С. Лежоев (53) 621.317.39:531.71 (088.8) (56) Heerens W. Ch r. Multi — terminal

Capacitor sensors.— Journal of Phisics Е, 1982, v. 15, № 1, р. 137 — 141. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕ1ЦЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель — повышение точности и линейности функции преобразования переИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений линейных перемещений с помощью емкостных датчиков.

Пель изобретения — повышение точности и линейности функции преобразования перемещений в электрический сигнал при использовании емкостного способа измерения перемещений.

На фиг. 1 показана схематично конструкция емкостного датчика .перемещений, используемого при осуществлении способа: на фиг. 2 — кривые изменения перекрестных частичных емкостей CI3 и С24 между электродами емкостного датчика в функции перемещений, а также результирующая функция преобразования разностной емкости ЛС в функции перемещения Х при осуществлении данного способа.

Емкостный датчик, который позволяет осуществить данный способ, содержит две пары плоскопараллельно установленных электродов 1 — 2 и 3 — 4, электроизолированных один от другого в каждой паре и имеющих прямоугольную форму. Г!ары электродов установлены с возможностью изменения площади их взаимного перекрытия в процессе

„„80„„1578448 А 1

2 мещений в электрический сигнал при использовании емкостного способа измерения, который заключается в том, что поочередно (на одной частоте) или одновременно (на разных частотах) измеряют частичные емкости между двумя парами перекрестно расположенных электродов, которые установ лены в двух параллельных плоскостях с возможностью изменения площади их взаимного перекрытия, в процессе измерения попеременно заземляют каждую из этих пар электродов и по разности измеренных перекрестных частичных емкостей судят о величине измеряемого перемещения. 2 ил. измерения перемещений. При этом одна из пар электродов связывается с объектом контроля, а другая — устанавливается неподвижно. В исходном состояний границы 5, 6 раздела между электродами каждой пары расположены одна напротив другой.

Способ измерения перемещений с помощью этого датчика осуществляют следующим образом. При линейном пчоскоиараллельном взаимном перемещении пар электродов 1 — 2 и 3 — 4 происходит изменение перекрестных частичных емкостей С ;» и Сд между перекрестнорасположенными электродами 1, 3 и 2, 1- разных пар. При этом, увеличение одной емкости происходит одновременно с уменьшением другой и определяется следующей математической зависимостью: гдеi, j — порядковый номер электрода; е — диэлектрическая проницаемость среды между электродами;

h — расстояние между параллельными плоскостями, в которых расположежены электроды;

1573448 х — измеряемое перемещение, определяюшее площадь взаимного перекрытия двух электродов, емкость между которыми измеряется;

1 — протяженность электродов в на5 правлении, перпендикулярном перемешению.

При значениях х/h зависимость (1) приближается к линейной, при х/Ь 0 емкость С приближается к нулю, а при х/h(— 5 этой емкостью практически можно пренебречь. В диапазоне — 5(х/h(5 зависимость (1) становится сугубо нелинейной, что и определяет погрешность нелинейности известных емкостных датчиков с перекрестными связями, функционирующих в зависимости . от изменения зазора, а также возможную погрешность нелинейности данного датчика в области нуля его характеристики преобразования при измерении одной из частичных емкостей, что обусловлены краевыми эффектами на границе раздела электродов, лежащих в обшей плоскости (см. фиг. 2, кривые С з (х) или С 4 (х) ) .

Поскольку перемещение х совпадает по абсолютной величине для обеих частичных емкостей, но противоположно по знаку, то разность этих частичных емкостей определяется формулой:

ЛС=51з — S94= 1 ° ln(e"" " +1) — у 1Х

Х!п(Е "" h 1)=е.1 — ".

Таким образом, разность ЛС линейно связана с измеряемым перемещением х (см. фиг. 2).

В связи с этим при осуществлении данного способа сначала измеряют при заданном х одну из частичных перекрестных ем- д5 костей, например, Ci при заземлении двух других перекрестно расположенных электродов (2 и 4), после чего измеряют при том же х вторую частичную перекрестную емкость С24 при заземлении первых двух перекрестно расположенных электродов (1 и 3), 40 а затем определяют разность ЛС этих емкостей, которая может быть вычислена автоматически, например, в специальном измерительном блоке.

Возможно также одновременное измере- 45 ние частичных емкостей, например, на разных частотах.

Функциональная зависимость разности частичных емкостей от измеряемого перемещения (фиг. 2) оказывается принципиально линейной во всем диапазоне изменения 50 х вследствие взаимной компенсации нелинейных составляющих зависимостей Сд (х) и С24(х). Краевые эффекты вблизи нерабочих границ электродов, параллельных линиям их раздела, могут быть сделаны пренебрежимо малыми. Это достигается тем, что противолежащие перекрестные электроды перекрывают друг друга не менее, чем на 3—

5 значений зазора h.

При этом оказывается возможным измерять весьма малые перемешения (при значениях х — О) с высокой разрешающей способностью, поскольку относительные изменения емкости ЛС строго пропорциональны изменениям х.

Дополнительным преимушеством данного способа измерения перемещения является повышение надежности, которое достигается по сравнению с известным способом, предполагавшим применение датчика с переменным зазором между электродами, тем, что случайные превышения значения перемешения х в процессе установки и эксплуатации по сравнению с расчетным диапазоном измерения не приьедут к поломкам и взаимным замыканиям электродов, поскольку при измерении частичных емкостей изменяются взаимные плошади перекрытия пар перекрестно расположенных электродов, лежащих в параллельных плоскостях.

Формула изобретения

Способ измерения перемешений при помощи емкостного датчика, .выполненного в виде двух пар плоскопараллельных электроизолированных один от другого в каждой паре электродов прямоугольной формы, заключаюшийся в том, что измеряют частичную емкость между какими-либо двумя перекрестно расположенными электродами разных пар при заземлении вторых двух перекрестно расположенных электродов, по величине которой судят о величине перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и линейности функции преобразования перемешений, пары электродов устанавливают с возможностью изме:-ения площади их взаимного перекрытия и дополнительно измеряют частичную емкость между вторыми двумя перекрестно расположенными электродами разных пар при заземлении первых двух перекрестно распо- . ложенных электродов, а о величине перемешения судят о разности измеренных перекрестных частичных емкостей.

1578448

x/g

Г0и г.2.

Составитель С. Скрыпник

Редактор Л. Пчолинская Техред А. Кравчук Корректор И. Муска

Заказ 1904 Тираж 502 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4 5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101