Измеритель перемещения тела

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения измерительного центра инерционной массы чувствительного элемента приборов, в которых используется магнитный или электростатический подвес тела. На противоположных электродах измерителя с помощью генератора импульсов в виде меандра и инвертора создаются экспоненциальные процессы заряда и разряда емкостей электродов, направленные в разные стороны. Сигнал с каждого электрода подается на соответствующий пиковый детектор. Постоянная времени измерительной цепи устанавливается равной длительности переходного процесса. Измеритель позволяет получить выходные измерительные сигналы отдельно для каждого электрода и повысить коэффициент преобразования при снижении его массы и габаритов. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения измерительного центра инерционной массы чувствительного элемента приборов, в которых используется магнитный или электростатический подвес тела.

Известен измеритель перемещения тела (см. патент США N 3902374), содержащий взвешиваемое тело и вдоль одной его измерительной оси два электрода, подключенных к дифференциальному усилителю, а синусоидальный генератор подключен к дополнительному электроду тела. Недостатком его является необходимость создания дополнительного измерительного электрода.

Известен измеритель перемещения тела (см. авт. св. СССР N 1149726), который взят за прототип. Измеритель состоит из двух емкостных электродов, расположенных с двух сторон вдоль одной измерительной оси тела, каждый электрод соединен через соответствующий резистор R_k с источником питания E и через соответствующий транзистор с землей, также электроды подключены к двум входам дифференциального усилителя, выход которого через устройство выборки и хранения (УВХ) соединен с выходом измерителя. На базы транзисторов подается управляющее импульсное напряжение, при этом транзисторы либо открыты, тогда напряжение на электродах равно нулю, либо транзисторы закрыты, тогда напряжение на электродах начинает возрастать по экспоненциональному закону. Выбирают длительность закрытого состояния транзисторов T много меньшим постоянной времени измерительной цепи R_kC₀, где C₀ - емкость электрод-тело при среднем положении тела в зазоре.

При этом процесс возрастания напряжения на электроде можно считать линейным. При сдвиге тела от центра вдоль измерительной оси изменяются емкости измерительных электродов в разные стороны, крутизна роста напряжений на электродах становится разной и к концу длительности T на входах дифференциального усилителя имеем различные по величине напряжения: где относительное перемещение тела; d₀ - зазор тело-электрод в среднем положении; x - перемещение тела.

Усилитель определяет их разницу, которая запоминается схемой УВХ, для этого в конце длительности T на управляющий вход подается короткий импульс. При этом на выходе УВХ имеем постоянное напряжение, пропорциональное перемещению тела в зазоре.

Недостатком этого устройства является необходимость заземления тела, при этом измеритель работает так, как описано выше. Однако заземлить тело путем подключения провода невозможно, т.к. провод создает силу, нарушающую подвес тела. Если тело не заземлять, то схема теряет работоспособность, т.к. при закрывании обоих транзисторов в начале длительности T₀ напряжения на электродах скачком повышаются до напряжения питания E, при этом отсутствует экспоненциональный процесс заряда емкостей из-за отсутствия тока через них. Если при этом учесть напряжения на электродах другой измерительной оси (указаны на чертеже), то при синфазном закрывании транзисторов другой оси относительно транзисторов первой оси процесс не отличается от описанного выше и токи заряда емкостей отсутствуют. Если транзисторы другой оси работают противофазно, то при их открывании тело замыкается на землю через параллельно соединенные емкости двух электродов, величина которых равна примерно 2C₀. При этом емкости по измерительной первой оси заряжаются через резисторы и через емкость 2C₀, что снижает чувствительность схемы измерения в полтора раза. Разница напряжений на входах дифференциального усилителя равна Для выполнения условия R_kC₀>T можно принять R_kC₀=10T, то разница напряжений равна U₁-U₂=0,13 δ. Как видно из выражения, коэффициент преобразования измерителя является небольшим. Кроме того, измеритель является сложным устройством. Он требует для образования одного постоянного напряжения наличия УВХ и блоков синхронизации для создания управляющих сигналов для УВХ и транзисторов данной оси. Измеритель не имеет возможности создать измерительный сигнал отдельно для каждого электрода, при этом теряет в универсальности его применения.

Задачей изобретения является повышение коэффициента преобразования измерителя, получение выходных измерительных сигналов отдельно для каждого электрода, упрощение измерителя, снижение габаритов и веса.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном измерителе перемещения тела, содержащем первый и второй емкостные электроды, расположенные по обе стороны каждой из "n" измерительных осей тела и подключенные к соответствующим контактам первого и второго резисторов, введены генератор импульсов в виде меандра, инвертор и для каждой измерительной оси два пиковых детектора, причем первый резистор подключен другим контактом к выходу генератора, а второй резистор соединен другим контактом с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу генератора, а каждый емкостной электрод соединен через соответствующий пиковой детектор с соответствующим выходом измерителя, причем средняя постоянная времени измерительной цепи равна длительности импульса генератора.

В предложенном схемном решении при нахождении тела в центре зазора на противоположных электродах одной измерительной оси всегда существуют два экспоненциальных напряжения. Одно нарастающее, другое - падающее. Среднее значение этих напряжений всегда постоянно и равно половине напряжения амплитуды импульса генератора.

Напряжение на теле равно этому среднему постоянному значению напряжений электродов, поэтому можно считать, что для переменных измерительных сигналов тело условно заземлено. Величина постоянной времени измерительной цепи выбрана оптимальным образом, при котором коэффициент преобразования максимален.

Схема одной оси измерителя приведена на фиг. 1, а на фиг. 2 показаны временные диаграммы в различных точках схемы и зависимость выходного напряжения и коэффициента преобразования от величины постоянной времени измерительной цепи.

Как показано на фиг. 1, измеритель состоит из генератора импульсов 1, инвертора 2, резистора 3, 4, тела 5, измерительных электродов 6, 7, 8, 9, пиковых детекторов 10, 11, причем выход генератора соединен через резистор 3 с электродом 6, который подключен через пиковый детектор 10 к первому выходу измерителя, кроме того, выход генератора подключен через последовательно соединенные инвертор 2 и резистор 4 к электроду 7 и к выходу пикового детектора 11, выход которого является вторым выходом измерителя.

Измеритель работает следующим образом.

Генератор импульсов 1 создает на своем выходе прямоугольное напряжение амплитудой U_m, период повторения равен двойной длительности импульса 2T (см. фиг. 2 U₁). Инвертор 2 меняет фазу этого напряжения на 180^o. Оба этих напряжения подаются через соответствующие резисторы 3 и 4 на электроды 6 и 7. При этом возникает процесс заряда и разряда емкостей электродов 6 и 7. При среднем положении тела в зазоре между электродами, когда емкость C₆ равна емкости C₇, возникают два одинаковых экспоненциональных напряжения на электродах U₆ и U₇, сдвинутых относительно один другого на 180^o. Среднее их значение равно напряжению на теле. Оно постоянно и равно 0,5U_m.

Аналогичным образом происходит процесс заряда и разряда емкостей электродов, расположенных по другим измерительным осям тела, например электродов 8,9. Обычно этих осей больше трех.

При смещении тела вдоль одной из осей напряжение на теле поддерживается равным 0,5U_m за счет заряда и разряда емкостей электродов на других осях. Поэтому можно считать тело условно заземленным для переменных измерительных сигналов.

При движении тела между электродами 6 и 7 их емкости изменяются по закону:
При этом максимальное напряжение заряда емкостей C₆ и C₇ имеет вид:


где τ₀ = RC₀ - средняя постоянная времени измерительной цепи;
R - сопротивление измерительного резистора.

Данные максимальные значения напряжений фиксируются пиковыми детекторами 10 и 11 и выдаются на выходы измерителя в виде постоянных напряжений. В зависимости от величины перемещения тела σ меняется в разные стороны крутизна нарастания напряжений U₆ и U₇, поэтому к концу длительности импульса T для U₆ и 2T для U₇ имеем различные значения максимальных величин U_6m и U_7m, а значит и выходных напряжений U_вых1 и U_вых2, которые являются функцией от перемещения тела σ. Крутизна этих функций или коэффициент преобразования зависит от соотношения длительности импульса T и постоянной времени τ.

Зависимость напряжения U_вых при σ = 0 от постоянной времени τ показана на фиг. 2. При τ = T эта зависимость имеет максимальную крутизну, это также подтверждает максимум в этой точке первой производной этой зависимости от величины τ . Поэтому параметры измерительной схемы выбираются из условия: T = τ = RC₀.

В этом случае при малых перемещениях тела δ имеем выходные напряжения:
U_вых.1=(0,72-0,22)U_m;
U_вых.2=(0,72+0,22)U_m.

Для сравнения с прототипом разница этих напряжений составит
U_вых.2-U_вых.1=0,44U_m δ .

Откуда видно, что коэффициент преобразования заявляемого устройства в несколько раз выше, чем в прототипе.

Выходные напряжения можно затем вычесть один из другого для получения информации о движении тела вдоль данной оси, можно при числе осей n > 4 пары напряжений от всех осей подать на арифметическое устройство, которое по заданному алгоритму определит перемещение тела в ортогональной системе координат X, Y, Z.

Предлагаемый измеритель проще прототипа, так как в нем отсутствуют цепи управления УВХ, управляющие транзисторы и цепи управления транзисторами.

Предлагаемый измеритель может найти применение в системах измерения положения тела, в которых невозможен механический и электрический контакт с внешними телами и блоками. Такими системами могут быть электростатические и электромагнитные подвесы тел в вакууме, воздухе и в жидкостях у различных приборов, таких, как высокочувствительных акселерометров, гироскопов, датчиков угловых скоростей. Предлагаемый измеритель в этих приборах играет важную роль датчика положения тел в системе автоматического управления подвесом тел. Применение данного измерителя позволит осуществить взвешивание тела при различном количестве измерительных осей, при различном количестве измерительных электродов. Измеритель не теряет информацию с каждого электрода, что повышает универсальность его применения. Предлагаемый измеритель имеет высокий коэффициент преобразования, поэтому обладает высоким соотношением сигнал-шум, не нуждается в значительном усилении его сигнала, что сказывается на улучшении основных характеристик приборов, в которых он применен. Измеритель является простым и надежным устройством, имеет малые габариты и вес, его можно легко внедрить в конструкцию малогабаритных приборов, что особенно важно для их употребления в космическом пространстве и в авиационной технике.

Формула изобретения

Измеритель перемещения тела, содержащий первый и второй емкостные электроды, расположенные по обе стороны каждой из n измерительных осей тела и подключенные к соответствующим контактам первого и второго резисторов, отличающийся тем, что введены генератор импульсов в виде меандра, инвертор и для каждой измерительной оси два пиковых детектора, причем первый резистор подключен другим контактом к выходу генератора, а второй резистор соединен другим контактом с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу генератора, а каждый емкостной электрод соединен через соответствующий пиковой детектор с соответствующим выходом измерителя, причем средняя постоянная времени измерительной цепи равна длительности импульса генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2