Емкостный преобразователь перемещений

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит положительный и отрицательный источники опорных напряжений, ключевую схему для переключения полярности источников опорных напряжений, генератор синхронизирующих импульсов, сумматор обратной связи, дифференциальные измерительные емкости, первый и второй операционные усилители, синхронный детектор и фильтр нижних частот. Полный цикл работы устройства осуществляется за один период синхронизирующих импульсов: в течение первого полупериода измерительные емкости заряжаются алгебраическими суммами опорных напряжений с напряжением обратной связи, сигнал демодулируется и фильтруется от несущей частоты. На втором полупериоде измерительные емкости разряжаются, а фильтр нижних частот переключается в режим запоминающей ячейки. Техническим результатом является повышение точности измерений за счет линейности выходного сигнала, независимого от частоты питающего напряжения, от диэлектрических свойств среды между электродами измерительных емкостей и от температурных изменений элементов, входящих в устройство. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных датчиках давления, акселерометрах, датчиках угловой скорости и микрогироскопах.

Известно аналогичное устройство, в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, синхронный детектор и запоминающая ячейка (см. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры ПИИ физических измерений - элементы микросистемотехники // Микросистемная техника. 2002. № 1. С.3-9).

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с тем, что во время такта измерения отрицательная обратная связь отключена и погрешность устройства равна сумме погрешностей последовательно включенных элементов.

В качестве прототипа выбран емкостный преобразователь перемещений (см. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, С.37, рис.2.1), содержащий первый и второй источники опорных напряжений, выходы которых соединены через ключевую схему переключения полярности опорных напряжений и сумматор обратной связи с первой и второй измерительными емкостями, генератор синхронизирующих импульсов, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы, первый операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, первый и второй ключи синхронного детектора, фильтр нижних частот, содержащий первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первую и вторую емкости, и второй операционный усилитель, вход первого ключа соединен с выходом первого усилителя, выход второго ключа соединен с землей.

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с несколькими причинами: 1 - обратная связь выполнена только с выхода первого усилителя на вход сумматора, питающего измерительные емкости, а ключи синхронного детектора обратной связью не охвачены; 2 - большая составляющая переменного напряжения, вызванная тем, что во время такта разряда измерительных емкостей вход фильтра нижних частот подключен к земле, поэтому при переключении устройства с режима измерения на режим разряда емкостей имеет место большой перепад напряжения.

Решаемая задача - совершенствование емкостного преобразователя перемещений.

Технический результат - повышение точности емкостного преобразователя перемещений.

Этот технический результат достигается тем, что в емкостный преобразователь перемещений, содержащий первый и второй источники опорных напряжений, выходы которых соединены через ключевую схему переключения полярности опорных напряжений и сумматор обратной связи с первой и второй измерительными емкостями, генератор синхронизирующих импульсов, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы, первый операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, первый и второй ключи синхронного детектора, фильтр нижних частот, содержащий первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первую и вторую емкости, и второй операционный усилитель, вход первого ключа соединен с выходом первого усилителя, выход второго ключа соединен с землей, введены третий и четвертый ключи, причем вход третьего ключа соединен с выходом первого ключа, а выход третьего ключа соединен с первым резистором, второй конец которого соединен с первой емкостью фильтра, которая вторым концом соединена с землей, одновременно второй конец первого резистора соединен со входом четвертого ключа и с одним из концов второго резистора, второй конец второго резистора соединен со входом второго операционного усилителя и одновременно с одним из концов второй емкости фильтра, второй конец которой соединен с выходом второго операционного усилителя, выход третьего ключа соединен с одним из концов третьего резистора, второй конец которого соединен с четвертым и пятым резисторами, второй конец четвертого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, а второй конец пятого резистора соединен с землей, управляющие входы первого, третьего и четвертого ключей соединены с прямым выходом генератора синхронизирующих импульсов, с его инверсным выходом соединен управляющий вход второго ключа, сумма третьего и четвертого резисторов выполнена равной величине первого резистора.

Предлагаемое устройство иллюстрируется электрической схемой, приведенной на чертеже, содержащей первый источник опорного напряжения 1(+U_оп), второй источник опорного напряжения 2 (-U_оп), ключевую схему 3, со входами которой соединены выходы источников опорных напряжений. Выходы ключевой схемы 3 соединены со входами сумматора обратной связи 4, выходы которого соединены с первой измерительной емкостью 5 и второй измерительной емкостью 6. Средняя точка измерительных емкостей 5 и 6 соединена со входом первого операционного усилителя 7. К управляющим входам ключевой схемы 3 подсоединены прямой и инверсный выходы генератора 8 синхронизирующих импульсов. Синхронный детектор состоит из четырех двунаправленных ключей: первого 9, второго 10, третьего 11 и четвертого 12. Вход первого ключа 9 соединен с выходом первого операционного усилителя 7, а выход первого ключа 9 соединен со входами второго ключа 10 и третьего ключа 11 и одновременно со входом сумматора 4 обратной связи. Фильтр нижних частот, выполненный на втором операционном усилителе 13, резисторах первом 14, втором 15, третьем 16, четвертом 17 и пятом 18, емкостях 19 и 20, осуществляет усиление сигнала и фильтрацию от несущей частоты генератора синхронизирующих импульсов. Входы управления первого ключа 9, третьего ключа 11 и четвертого ключа 12 соединены с прямым выходом генератора 8 синхронизирующих импульсов, а с его инверсным выходом соединен управляющий вход второго ключа 10. Вход третьего ключа 11 соединен с резистором 16, второй конец которого соединен одновременно с резисторами 17 и 18. Второй конец резистора 17 соединен с выходом второго операционного усилителя 13, а второй конец резистора 18 соединен с землей. Выход четвертого ключа 12 соединен с резистором 14, второй конец которого соединен одновременно с резистором 15 и емкостью 20, а также с выходом третьего ключа 11, второй конец резистора 15 соединен со входом второго операционного усилителя 13, а второй конец емкости 20 соединен с землей. Емкость 19 соединена со входом и выходом второго операционного усилителя 13.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Пусть в первом полупериоде на прямом выходе генератора 8 синхронизирующих импульсов присутствует единичный сигнал, а на инверсном - нулевой. С выходов ключевого устройства 3 переключения опорных напряжений переменное напряжение с амплитудой, равной величине опорных напряжений, подводится к первому и второму входам сумматора обратной связи 4. К третьему входу сумматора обратной связи 4 подводится напряжение U₁ с выхода первого операционного усилителя 7 через открытый первый ключ. Это напряжение алгебраически складывается с первым положительным опорным напряжением (+U_оп±U₁) и со вторым отрицательным опорным напряжением (-U_оп±U₁). С выходов сумматора обратной связи 4 алгебраические суммы напряжений подводятся к последовательной цепи из измерительных емкостей 5 и 6.

Преобразование амплитудно-модулированного сигнала после первого операционного усилителя 7 с помощью синхронного детектора преобразуется в изменение постоянного напряжения. При этом открыты ключи: первый 9, третий 11 и четвертый 12, а второй ключ 10 закрыт.

Фильтр нижних частот выдает на выходе сигнал, пропорциональный величине перемещения подвижного электрода измерительных емкостей:

где - коэффициент передачи фильтра нижних частот; R₁₃, R₁₅, R₁₆, R₁₉ - резисторы, индексы которых соответствуют номеру позиции на чертеже; у - измеряемое перемещение; h - начальный зазор между подвижным и неподвижными электродами измерительных емкостей. Внутреннее сопротивление открытого ключа на три порядка меньше по сравнению с сопротивлением первого резистора 14 фильтра.

На втором полупериоде прямой синхронизирующий сигнал равен нулю, а инверсный - единице. Ключевое устройство 3 переключает на противоположные полярности опорных источников. Первый ключ 9, третий 11 и четвертый 12 закрыты, а второй ключ 10 открыт. При этом третий вход сумматора 4 обратной связи через открытый ключ 10 соединяется с землей. Измерительные емкости в течение второго полупериода разряжаются от источников опорных напряжений, сменивших полярность. Четвертый ключ 12 отключает входные цепи фильтра нижних частот от выхода первого операционного усилителя 7, а третий ключ 11 переключает схему фильтра нижних частот в режим запоминающей ячейки, предотвращая разряд емкости 19 на цепочку резисторов 15, 16 и 17.

Таким образом, полный цикл работы предлагаемого устройства осуществляется за один период синхронизирующих импульсов: в течение первого полупериода измерительные емкости заряжаются алгебраическими суммами, опорных напряжений с напряжением обратной связи, сигнал демодулируется и фильтруется от несущей частоты. На втором полупериоде измерительные емкости разряжаются, а фильтр нижних частот переключается в режим запоминающей ячейки.

Как видно из формулы 1, такое решение в сравнении с прототипом дает следующие преимущества: выходной сигнал является линейным, независимым от частоты питающего напряжения, независимым от диэлектрических свойств среды между электродами измерительных емкостей и независимым от температурных изменений элементов, входящих в устройство.

Емкостный преобразователь перемещений, содержащий первый и второй источники опорных напряжений, выходы которых соединены через ключевую схему переключения полярности опорных напряжений и сумматор обратной связи с первой и второй измерительными емкостями, генератор синхронизирующих импульсов, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы, первый операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, первый и второй ключи синхронного детектора, фильтр нижних частот, содержащий первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первую и вторую емкости и второй операционный усилитель, вход первого ключа соединен с выходом первого усилителя, выход второго ключа соединен с землей, отличающийся тем, что в устройство введены третий и четвертый ключи, причем вход третьего ключа соединен с выходом первого ключа, а выход третьего ключа соединен с первым резистором, второй конец которого соединен с первой емкостью фильтра, которая вторым концом соединена с землей, одновременно второй конец первого резистора соединен со входом четвертого ключа и с одним из концов второго резистора, второй конец второго резистора соединен со входом второго операционного усилителя и одновременно с одним из концов второй емкости фильтра, второй конец которой соединен с выходом второго операционного усилителя, выход третьего ключа соединен с одним из концов третьего резистора, второй конец которого соединен с четвертым и пятым резисторами, второй конец четвертого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, а второй конец пятого резистора соединен с землей, управляющие входы первого, третьего и четвертого ключей соединены с прямым выходом генератора синхронизирующих импульсов, с его инверсным выходом соединен управляющий вход второго ключа, сумма третьего и четвертого резисторов выполнена равной величине первого резистора.