Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин. Датчик физических величин с потенциальным выходом содержит сенсор (1) с внутренней емкостью (2) и внутренним сопротивлением (3), подключенными по переменному току между выходом устройства (4) и общей шиной (5). Выход устройства (4) соединен с входом (6) дополнительного неинвертирующего усилителя тока (7) через дополнительный конденсатор (8), причем выход дополнительного неинвертирующего усилителя тока (7) связан по переменному току с выходом устройства (4). Технический результат заключается в повышении быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2 сенсора 1 на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой физической величины. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин.

По физической природе измеряемых сигналов датчики классифицируются на электрические, электромагнитные, акустические, оптические и т.д. и, в этой связи, они присутствуют в разных классах МПК. Заявляемое техническое решение относится одновременно ко многим из перечисленных датчиков, выходной электрический сигнал которых функционально связан с измеряемым физическим параметром тех или иных объектов техники, физики, химии, биологии, медицины, ближнего и дальнего космоса и т.п. [1-18].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является датчик физических величин (светового потока) с потенциальным выходом, представленный в патенте US 6906325, fig.3, который содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, подключенными по переменному току между выходом устройства 4 и общей шиной 5.

Аналогичную архитектуру имеют датчики других направлений измерительной техники - акселерометры, датчики температуры, датчики деформации, датчики оптического излучения, датчики удара, радиации, датчики акустических сигналов, датчики тока и т.п.

Существенный недостаток известного датчика-прототипа состоит в том, что его быстродействие ограничивается внутренней емкостью 2, являющейся неотъемлемой частью сенсорного элемента 1, генерирующего токовый электрический сигнал, пропорциональный измеряемой физической величине.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2 сенсора 1 на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой физической величины.

Поставленная задача решается тем, что в датчике физических величин с потенциальным выходом фиг.2, содержащем сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, подключенными по переменному току между выходом устройства 4 и общей шиной 5, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 4 соединен со входом 6 дополнительного неинвертирующего усилителя тока 7 через дополнительный конденсатор 8, причем выход дополнительного неинвертирующего усилителя тока 7 связан по переменному току с выходом устройства 4.

На чертеже фиг.1 приведена схема устройства-прототипа.

На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На чертеже фиг.3 приведена схема заявляемого датчика фиг.2 в среде PSpice.

На чертеже фиг.4 показана частотная зависимость отношения выходного напряжения датчика фиг.3 к выходному току сенсора 1 при R1=10 кОм, Ki=2, C0=2 пФ и разных значениях емкости дополнительного конденсатора 8 (Cк=C8). Из данных графиков следует, что при Cк≈2 пФ частотный диапазон предлагаемого устройства расширяется с 2 МГц до 16,1 ГГц.

На чертеже фиг.5 представлен переходный процесс на выходе заявляемого устройства фиг.3 при Ki=2, Cк=C8-2 пФ и высокоомном резисторе R1=100 кОм. Из данного графика следует, что выигрыш по времени установления переходного процесса в схеме фиг.3 превышает 500 раз.

На чертеже фиг.6 представлен переходный процесс на выходе заявляемого устройства фиг.3 при Ki=2, Cк=С8-2 пФ и другом сопротивлении резистора R1=10 кОм. Из данного графика следует, что выигрыш по времени установления переходного процесса в схеме фиг.3 превышает 500 раз.

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом фиг.2 содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, подключенными по переменному току между выходом устройства 4 и общей шиной 5. Выход устройства 4 соединен со входом 6 дополнительного неинвертирующего усилителя тока 7 через дополнительный конденсатор 8, причем выход дополнительного неинвертирующего усилителя тока 7 связан по переменному току с выходом устройства 4.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, дополнительный неинвертирующий усилитель тока 7 имеет низкое входное и высокое выходное сопротивления, а его коэффициент передачи по току (Ki) больше единицы, причем емкость дополнительного конденсатора 8 (C8) определяется по формуле

C 8 C 2 K i 1 ,

где C2 - внутренняя емкость 2 сенсора 1.

Рассмотрим в сравнении работу датчиков фиг.1 и фиг.2.

Комплексная передаточная функция и верхняя граничная частота fв (по уровню -3 дБ) датчика физических величин - прототипа фиг.1 определяются формулами

W ( j ω ) = U ˙ в ы х I ˙ s = R 3 1 + j ω τ в , ( 1 )

f в = 1 2 π τ в , ( 2 )

где τв=R3C2 - постоянная времени сенсора 1;

R3 - эквивалентное внутреннее сопротивление (3) сенсора 1;

C2 - внутренняя емкость сенсора 1.

Комплексный коэффициент передачи по напряжению датчика фиг.2

K ˙ п ( j ω ) = R 3 1 + j ω R 3 [ C 2 + C 8 ( 1 K i ) ] = U ˙ в ы х I ˙ s . ( 3 )

Из (1) можно найти условие минимизации влияния дополнительного конденсатора 2 на амплитудно-частотную характеристику датчика:

C 8 = C 2 K i 1 . ( 4 )

Если выбрать Ki=2, то величина емкости C8=C2.

Из (3) и (4) следует, что изменение сопротивления R3, которое зависит от типа сенсора 1, не влияет на условие (4).

Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования фиг.4.

Существенное увеличение верхней граничной частоты заявляемого устройства соответствует (во временной области) существенному уменьшению времени установления переходного процесса tуcт (фиг.5, фиг.6), что характерно для линейных систем.

Таким образом, предлагаемый датчик характеризуется более высоким быстродействием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US 2007/0126507.

2. Патент US 5661435, fig.1.

3. Патент US 6714082, fig.2.

4. Патент US 5889605, fig.1.

5. Патентная заявка US 2008/0309407.

6. Патент US 4492931, fig.2.

7. Патентная заявка US 2006/0109057, fig.1.

8. Патентная заявка US 2006/0220747.

9. Патентная заявка US 2010/0312080.

10. Патент RU 2339973, fig.2А.

11. Патент US 7547902.

12. Патент US 7343103.

13. Патент US 7167655.

14. Патентная заявка US 2008/0075473, fig.1.

15. Патент US 4674093, fig.1.

16. Патент US 5343034, fig.2.

17. Патент ЕР 0165312, fig.1.

18. Патент ЕР 0720729, fig.2.

1. Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом, содержащий сенсор (1) с внутренней емкостью (2) и внутренним сопротивлением (3), подключенными по переменному току между выходом устройства (4) и общей шиной (5), отличающийся тем, что выход устройства (4) соединен с входом (6) дополнительного неинвертирующего усилителя тока (7) через дополнительный конденсатор (8), причем выход дополнительного неинвертирующего усилителя тока (7) связан по переменному току с выходом устройства (4).

2. Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом по п.1, отличающийся тем, что дополнительный неинвертирующий усилитель тока (7) имеет низкое входное и высокое выходное сопротивления, а его коэффициент передачи по току (Ki) больше единицы, причем емкость дополнительного конденсатора (8) (С8) определяется по формуле
C 8 C 2 K i 1 ,
где C2 - внутренняя емкость (2) сенсора (1).



 

Похожие патенты:

Изобретение предназначено для использования в производстве полупроводниковых приборов, в частности для экспонирования рисунков на полупроводниковые пластины и иные мишени.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в интегральных линейных и угловых акселерометрах и гироскопах в качестве датчика перемещений.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для проведения ресурсных и метрологических испытаний внутритрубных инспекционных приборов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения многокоординатных смещений торцов лопаток в турбомашинах. Устройство для измерения многокоординатных смещений торцов лопаток, содержащее источник постоянного напряжения, ключ, рабочий и компенсационный одновитковые вихретоковые датчики, два резистора и первый усилитель.

Изобретение относится к области автоматизации в машиностроении и предназначено для контроля положения и идентификации изделий с учетом их вида материала и термического состояния в автоматизированных высокопроизводительных производствах по сборке изделий.

Изобретение относится к инвазивным медицинским устройствам. Медицинский зонд содержит вводимую трубку, имеющую продольную ось и дистальный конец, дистальный кончик, расположенный на дистальном конце вводимой трубки и сконфигурированный для введения в контакт с тканью тела, стык, который соединяет дистальный кончик с дистальным концом вводимой трубки, и датчик стыка, заключенный внутри зонда, для распознавания положения дистального кончика относительно дистального конца вводимой трубки, причем датчик стыка содержит первый и второй подузлы, которые расположены внутри зонда на противоположных соответствующих сторонах стыка, и каждый подузел содержит один или более магнитных измерительных преобразователей.

Изобретение предназначено для измерения размеров конструкций, в частности для определения протяженности и размеров здания или транспортного средства. Измерительное устройство 1 содержит два инерциальных измерительных блока 3 и 4, размещенных на расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит по меньшей мере два акселерометра и по меньшей мере два гироскопа для восприятия вращений.

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерения.

Изобретение относится к области автоматизации в машиностроении и предназначено для контроля положения и идентификации изделий с учетом их вида материала и термического состояния в автоматизированных высокопроизводительных производствах по сборке изделий, а также для решения общих задач автоматизации различных производственных процессов.

Изобретение относится к устройству (102), сконфигурированному для измерения геометрии мениска (132) текучей среды и реализуемому им способу измерения геометрии мениска. Данная группа изобретения позволяет более точно определять геометрию мениска сложных геометрических форм. Предложенное устройство содержит камеру текучей среды, содержащую первую электрически проводящую текучую среду (128) и вторую электрически изолирующую текучую среду (324). Эти текучие среды являются взаимно несмешивающимися и определяют между собой мениск (132) текучей среды. Кроме того, для управления геометрией мениска текучей среды имеются главный электросмачиваемый электрод (118) и вспомогательные электросмачиваемые электроды (120, 122, 124, 126). Сюда же включен источник (134) напряжения для подачи электрического напряжения между главным электросмачиваемым электродом и вспомогательными электросмачиваемыми электродами, а также измерительная схема (144) для раздельного измерения емкостей между главным электросмачиваемым электродом и по меньшей мере двумя из соответствующих вспомогательных электросмачиваемых электродов. С этой целью измерительная схема содержит преобразователь для демодуляции сигнала, представляющего упомянутые емкости. Указанное устройство реализует соответствующий способ измерения геометрии мениска. 6 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предложенный способ относится к изготовлению инструмента измерительной техники для исследований профилей топографических особенностей гладкой поверхности - ступенчатого высотного калибровочного стандарта для профилометрии и сканирующей зондовой микроскопии. Согласно заявленному способу, подготавливают полупроводниковую пластину с вицинальной поверхностью, характеризуемой наличием верхней и нижней террас с непрерывным положительным градиентом высот. Пластину помещают в вакуум. Проводят термоэлектрический отжиг. Сначала через пластину пропускают постоянный электрический ток, вызывающий резистивный нагрев материала пластины до температуры активируемой сублимации атомов верхнего атомного слоя. Пропускают ток параллельно вицинальной поверхности между верхней и нижней террасами. Нагревают в течение заданного промежутка времени для появления на одиночных моноатомных ступенях участков с противоположным относительно начального, отрицательным, градиентом высот. Затем направляют на нагреваемую поверхность поток атомов того же сорта, что и материал пластины, сопоставимый или равный потоку атомов, убывающих с поверхности в процессе сублимации. Воздействуют потоком в течение промежутка времени, обеспечивающего формирование скоплений из участков одиночных моноатомных ступеней с противоположным относительно начального, отрицательным, градиентом высот, содержащих точно подсчитываемое количество близко расположенных моноатомных ступеней с противоположным относительно начального, отрицательным, градиентом высот. По обе стороны от скоплений сформированы террасы, обеспечивающие воспроизводимые и с высокой точностью измерения высоты рельефа поверхности. За счет этого достигают воспроизводимость измерений, повышение точности определения высоты особенностей рельефа, обеспечение заданной погрешности измерений, обеспечение возможности калибровки по калибровочным стандартам с одинаковой точностью. 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой систему измерения положения и предназначено для определения экстремального положения (xmin, xmax) управляющих стержней ядерной энергетической установки. Система включает канал, в котором перемещается стержень. На одном конце стержня расположен магнитный элемент, вдоль канала размещены сенсорные элементы - герконы, детектирующие магнитное поле с напряженностью выше порогового значения. Также система содержит индуктивную измерительную систему, которая включает индуктивные катушки и омический блок, образующий последовательное соединение с как минимум одной катушкой и схемное соединение с герконом. Схемным устройством шунтируется омический блок при замыкании геркона. Техническим результатом является повышение надежности и точности. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Группа изобретений относится к измерительной технике. Сущность: определяют значения активной и индуктивной компонент напряжения на обмотке датчика в широком диапазоне частот. Находят оптимальную частоту питания обмотки из условия, что индуктивная компонента напряжения на обмотке линейно зависит от положения подвижного элемента и имеет лишь аддитивную составляющую температурной погрешности в рабочем диапазоне температур. На оптимальной частоте определяют активную и индуктивную компоненты напряжения на обмотке, преобразуют их в напряжения постоянного тока и формируют из них выходной сигнал. Устройство содержит обмотку на сердечнике в проводящем цилиндрическом корпусе, охватывающий его подвижный элемент в виде проводящей трубки и электронный модуль. Сердечник обмотки выполнен из немагнитного непроводящего материала. Обмотка питается напряжением определенной частоты. Электронный модуль содержит средства для выделения активной и индуктивной компонент напряжения на обмотке, преобразования их в соответствующие напряжения постоянного тока и формирования из них линейной комбинации, пропорциональной положению подвижного элемента, с коэффициентом, значение которого подбирается экспериментально. Технический результат: упрощение термокомпенсации индуктивного датчика положения, упрощение его конструкции и уменьшение его себестоимости. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений. Основная область применения: датчики положения в системах магнитного подвеса ротора. Технический результат: повышение помехозащищенности преобразователя и получение на выходе цифрового сигнала. Сущность: преобразователь содержит катушку индуктивности, надетую на незамкнутый магнитопровод с изменяемым зазором, генератор прямоугольного напряжения, резистор, компаратор и источник опорного напряжения. Последовательно катушке включены генератор прямоугольного напряжения и резистор, один из выводов которого подключен к заземлению компаратора, а другой - к катушке и одному из входов компаратора. К другому входу компаратора подключен источник опорного напряжения. Полупериод напряжения генератора прямоугольного напряжения меньше трех электромагнитных постоянных времени катушки индуктивности при максимальной величине зазора сердечника. 1 ил.

Использование: для контроля линейных перемещений. Сущность изобретения заключается в том, что потенциометрический датчик линейных перемещений содержит подвижную каретку с двумя токосъемниками, которая перемещается по двум направляющим под воздействием уплотненного по наружной поверхности штока, соединенного с контролируемым объектом, и корпуса с двумя резистивными элементами, при этом в нем подвижная каретка с двумя токосъемниками связана механически со штоком посредством безлюфтового развязывающего узла, повышающего надежность и позволяющего более точно преобразовать величину линейного перемещения контролируемого объекта в изменение значения сопротивления потенциометрического датчика линейного перемещения с нормализованным усилием страгивания на большем рабочем ходе и с обеспечением защиты от влаги и посторонних частиц. Технический результат: повышение надежности и точности преобразования величины линейного перемещения контролируемого объекта в изменение значения сопротивления потенциометрического датчика линейного перемещения. 2 ил.

Использование: для изготовления датчиков деформации, силы, давления, перемещения, вибрации. Сущность изобретения заключается в том, что тензорезистор включает диэлектрическую подложку с нанесенной тензочувствительной пленкой из Sm1-xEuxS, где 0,22≤x≤0,5. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности измерений тензорезистора. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерений перемещений элементов конструкции. Сущность: датчик снабжен двумя диэлектрическим основаниями, подвижно соединенными между собой двумя упругими элементами, между которыми вдоль продольных осей оснований на поверхности первого основания расположен первый контактный элемент, выполненный в виде зигзагообразного печатного проводника из материала с высоким удельным сопротивлением, и второй контактный элемент, выполненный в виде токопроводящей упругой пластины, один конец которой жестко закреплен на изоляционной поверхности первого основания со стороны первого конца печатного проводника. Другой конец токопроводящей упругой пластины закреплен на поверхности второго основания над вторым концом печатного проводника. Упругие элементы могут быть выполнены в виде пластин, первые концы которых закреплены на первом диэлектрическом основании со стороны второго конца печатного проводника, а их вторые концы закреплены на втором диэлектрическом основании со стороны первого конца печатного проводника. Внешняя боковая поверхность диэлектрических оснований может быть выполнена в форме полуцилиндра или полусферы. Технический результат: повышение точности измерения перемещений и упрощении конструкции датчика. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, в системе управления электрогидравлических и электромеханических приводов летательных аппаратов. Сущность: датчик содержит катушку, состоящую из двух измерительных обмоток и обмотки возбуждения, намотанных на каркасе из немагнитного материала, сердечник, выполненный из магнитомягкого материала, который соединен механически с контролируемым объектом посредством немагнитного штока. Каждая из измерительных обмоток выполнена ступенчато по всей длине каркаса и имеет два ряда витков провода, намотанных равномерно по всей длине. Обмотка возбуждения намотана поверх измерительных обмоток. Измерительные обмотки выполнены по дифференциальной схеме. Технический результат: уменьшение габаритов датчика, возможность точной регулировки крутизны выходной характеристики, исключение погрешности выходной характеристики, вызываемой колебаниями напряжения питания датчика. 3 ил.
Наверх