Дифференциальный емкостной измеритель перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью расширение диапазона измерения емкостного измерителя линейных перемещений, который содержит секционированные потенциальный и экранирующий электроды, а также выполненный в виде цельной пластины токовый электрод . Секции экранирующего электрода установлены подвижно относительно жестко соединенных между собой токового и потенциального электродов и присоединены к шине нулевого потенциала. При его перемещении изменяется площадь перекрытия соответствующих секций потенциального и токового электродов. Информацию о величине линейного перемещения получают в виде количества импульсов, снимаемых с выхода блока обработки сигналов, присоединенного к токовому электроду через усилитель и коммутатор. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4942823/28 (22) 11.04.91 (46) 07.11.92. Бюл. ¹ 41 (76) В.А.Павленко (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 1504493. кл. G 01 В 7/00, 1989.

2. Авторское свидетельство СССР № 1696846, кл, G 01 В 7/00. 1989. (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЕМКОСТНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью расширение диапазона измерения емкостного измерителя линейных перемещений, который содержит секционированные потенциальный и экраИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано во всех областях народного хозяйства.

Известен емкостной измеритель перемещений (1).

Его высокая конструктивная сложность и малый диапазон измерения ограничивают область его применения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является дифференциальный емкостной измеритель перемещений, содержащий два секционированных электрода, установленных в параллельных плоскостях с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия и имеющих одинаковую ширину секций, расстояния между которыми у первого электрода равны половине ширины одной секции, а у второго электрода равны их ширине, предназначенные для подключе, . Ж,, 1775036 АЗ нирующий электроды, а также выполненный в виде цельной пластины токовый электрод. Секции экранирующего электрода установлены подвижно относительно жестко соединенных между собой токового и потенциального электродов и присоединены к шине нулевого потенциала. При его перемещении изменяется площадь перекрытия соответствующих секций потенциального и токового электродов. Информацию о величине линейного перемещения получают в виде количества импульсов, снимаемых с выхода блока обработки сигналов, присоединенного к токовому электроду через усилитель и коммутатор. 3 ил. ния к электродам исто4ник питания переменного тока и блок обработки сигналов (21.

Его недостаток — технологическая сложность изготовления первого электрода при больших геометрических размерах, т.е. при необходимости измерять большие перемещения, Цель изобретения — увеличение диапазона измерений.

Цель достигается тем, что дифференциальный емкостной измеритель перемещений, содержащий два секционированных электрода, установленных в параллельных плоскостях с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия и имеющих одинаковую ширину секций, расстояния между которыми у первого электрода равны гюловине ширины одной секции, ау второго электрода равны их ширине . предназначенный для подключения к электро1775036 дам источник питания переменного тока и блок обработки сигналов дополнительно снабжен третьим электродом, выполненным в виде цельной электропроводной пластины, жестко соединенной с первым электродом, тремя коммутаторами, делителем частоты, усилителем и инвертором, усилитель и последовательно соединенный с ним первый коммутатор включены между третьим электродом и первым входом блока обработки сигналов, ко второму входу которого присоединен первый выход питающего генератора, делитель частоты присоединен входом к этому же выходу питающего генератора, а выходом — к управляющим входам трех коммутаторов, второй коммутатор присоединен своим входом ко второму выходу питающего генератора непосредственно. а третий коммутатор — через инвертор, выходы этих коммутаторов присоединены к соответствующим секциям первого электрода, которые соединены между собой с интервалом в три секции и образуют четыре группы секций, а секции второго электрода соединены параллельно и подключены к шине нулевого потенциала.

На фиг. 1 представлена блок-схема дифференциального емкостного измерителя перемещений; на фиг, 2, 3 — эпюры напряжений в точках блок-схемы, указанные на фиг. 1 в зависимости от времени t и величины перемещения 1х .

Дифференциальный емкостной измеритель перемещений содержит три электрода, установленные в параллельных плоскостях.

Первый — 1 и второй — 11 — секционированные электроды, третий — 2, выполненный в виде цельной электропроводной пластины, жестко соединенный с первым электродом, Усилитель 6 и последовательно соединенный с ним первый коммутатор 5 включены между третьим электродом и двумя первыми входами блока обработки сигналов 8. К двум вторым входам блока обработки сигналов присоединен первый выход питающего генератора 3, к которому параллельно подсоединяется делитель частоты 7, связанный с управляющими входами трех коммутаторов. Второй коммутатор 4 присоединен своим входом непосредственно к второму выходу питающего генератора, К нему, через инвертор 9 подсоединяется и вход третьего коммутатора 10. Выходы второго коммутатора подсоединены к двум крайним секциям в группе первого электрода 12 и 13. Выходы третьего коммутатора подсоединены к двум средним секциям в группе первого электрода 14 и 15, Секции первого электрода соединены между собой с интервалами в три секции 12 с 16; 14 с 17;

45, 50

15 с 18 и 13 с 19, образуя четыре группы секций, при этом все секции расположены с интервалом равном половине ширины секции. Второй электрод, состоящий из параллельно соединенных секций, расположенных друг от друга на расстоянии, равном ширине секции подключены к шине нулевого потенциала 20, Минимальное количество секций первого электрода равно четырем, а минимальное количество секций второго электрода равно трем. В угловых датчиках длина всех трех электродов одинакова. В линейных — длина экранирующего электрода значительно превышает длину двух других электродов и определяет заданный диапазон перемещений. Блок обработки сигналов содержит фазочувствительные демодуляторы 21 и 22, образующие два канала прохождения сигнала.. Выход первого из них подключен ко входу блока формирования импульсов 23, а выход второго — ко входу блока формирования импульсов 24. Выходы этих блоков соединены со входом блока определения направления перемещения 25.

Дифференциальный емкостной измеритель перемещений работает следующим образом. С первого выхода питающего генератора 3 сигнал треугольной формы Uzg поступает ко входу второго коммутатора 4, этот же сигнал через инвертор 9 поступает на вход третьего коммутатора 10 (эпюра Uzv. фиг. 2), Со второго выхода питающего генератора 3 сигнал прямоугольной формы поступает на оба канала вычислительного блока 8 и делитель частоты 7 (02в). Таким образом, генератор одновременно вырабатывает синхронизированные сигналы треугольной и прямоугольной форм. Делитель частоты 7 осуществляет деление частоты сигнала генератора 3 в четное число раз 2m, где m, — целое число. На эпюре фиг. 2 представлен сигнал Uzg для простейшего случая — деления на 2 (m = 1), который определяет состояние всех трех коммутаторов 4, 5 и 10.

В течение времени 0 — t>, выход второго коммутатора 4 будет связан с секцией 12 первого электрода 1, B это же время выход третьего коммутатора 10 окажется соединенным с секцией 15 первого электрода.

Так как на этих выходах существуют одинаковые по амплитуде и противофазные сигналы треугольной формы Uzo и Uzv, в обоих секциях 12 и 15 появятся токи, зависящие от емкости этих секций относительно пластины третьего электрода 2. В течение времени tt — t2 к выходу второго коммутатора

4 окажется подключенной секция 13, Коммутатор 10 подсоединит секцию 14. Входная цепь усилителя 6 выполнена резистивной и

1775036

55 низкоомной, и поэтому конденсаторы, образованные секциями первого электрода относительно третьего электрода, выполняют роль генераторов тока, и напряжение на входе усилителя 6 имеет форму. близкую к прямоугольной. Амплитуда и полярность этого напряжения определяется расположением секций первого электрода 1 относительно секций второго электрода 11. Для представленного на фиг. 1 конкретного расположения электродов в течение времени

О-tt, сигнал на выходе усилителя 6 будет максимальным и иметь форму, соответствующую эпюре Узо, а в течение времени t1 — tz — минимальным — достаточно близким к нулю.

При перемещении второго электрода на половину ширины секции на выходе усилителя 6 сигнал в течение времени 0-t1 будет минимальным, а в течение времени максимальным (эпюрд 031). С пОмОщью Вто рого коммутатора 5, управляемого тем же делителем частоты 7, сигнал в течение времени 0 — t1, поступает на первый канал блока обработки сигнала 8 (т.е. через фазочувствительный демодулятор 21, блок формирования 23), а в течение времени t1 — t2 на второй канал этого же блока (фазочувствительный демодулятор 22 и блок формирования 24), Сигналы с выхода фазочувствительных демодуляторов 21 и 22 (фиг. 3), представленные на эпюрах Uzz и Озз, поступают на входы блоков формирования 23. 24. С выхода блоков формирования поступают сигналы Ugd, Ugg (фиг. 3), представляющие напряжение прямоугольной формы, сдвинутые относительно друг друга в пространстве на 90, причем каждый импульс соответствует перемещению, равному ширине секции на чувствительном элементе. Такая форма необходима для построения известных преобразователей для измерения перемещений накапливающего типа устройства, которое осуществляет измерение перемещения по подсчету количества импульсов, сформирован н ых измерител ьной схемой в процессе перемещения чувствител ь ного элемента (Домра чев B.Ã. и др.

Схемотехника цифровых преобразователей перемещения, M.: Энергатомиздат, 1987, с, 15-16), В простейшем случае блок определения направления движения 25 состоит из последовательно включенных IK-триггера, одновибратора, реверсивного счетчика и логического элемента НЕ, включенного между К-входом триггера и входом реверсивного счетчика.

Блок работает следующим образом, Сигнал с блока 23 (эпюра Бз1) фиг. 3 посту5

50 пает на ус ановочный вход триггера 1, сигнал с блока 24 (эпюра 0з) поступает на вход сброса триггера К. При движении чувствительного элемента в одном направлении сигналы с блоков 23 и 24 поступают поочередно и реверсивный счетчик осуществляет подсчет количества импульсов, поступивших с блока 23.

Если направление перемещения изменяется, то изменяется порядок поступления импульсов и если в первом случае на выходе логического элемента была "1" и реверсивный счетчик суммировал входной импульсный сигнал, хо теперь на выходе логического элемента устанавливается "0" сигнал и реверсивный счетчик осуществляет операцию вычитания.

Таким образом, на выходе реверсивного счетчика появляется сигнал, однозначно определяющий величину перемещения чувствительного элемента.

Таким образом, в данном измерителе диапазон измеряемого перемещения пропорционален п d, где n — количество секций на втором электроде, а d — ширина одной секции, поэтому, выбирая ширину и количество секций, можно варьировать диапазон и точность рассматриваемого устройства в весьма широких пределах.

Формула изобретения

Дифференциальный емкостной измеритель перемещений, содержащий два секционированных электрода. установленных в параллельных плоскостях с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия и имеющих одинаковую ширину секций, расстояния между которыми у первого электрода равны половине ширины одной секции, а у второго электрода равны их ширине, а также предназначенные для подключения к электродам источник питания переменного тока и блок обработки сигналов, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона измерения, он снабжен третьим электродом, выполненным в виде цельной электропроводной пластины, жестко соединенной с первым электродом, тремя коммутаторами, делителем частоты, усилителем и инвертором, усилитель и последовательно соединенный с ним первый коммутатор включены между третьим электродом и первым входом блока обработки сигналов, к второму входу которого присоединен первый выход питающего генератора, делитель частоты присоединен входом к этому же выходу питающего генератора, а выходом — к управляющим входам трех коммутаторов, второй коммутатор присоединен своим входом к второму выходу питающего

1775036 генератора непосредственно, а третий коммутатор — через инвертор, выходы этих коммутаторов присоединены к соответствующим секциям первого электрода, которые соединены между собой с интервалом в три секции и образуют четыре группы секций, а секции второго электрода соединены параллельно и подключены к шине нулевого по5 тенциала, 1775036

1775036 е„

Составитель А.Павленко

Техред M.Moðãåíòàë Корректор О,Кравцова

Редактор С. Кулакова

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

Заказ 3947 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного, комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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