Емкостный преобразователь перемещений



Емкостный преобразователь перемещений

 


Владельцы патента RU 2562695:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU)

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 синхронный детектор. В устройство введен второй синхронный детектор. Выходы первого и второго синхронных детекторов соединены с неинвертирующим и инвертирующим входами фильтра нижних частот. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 1 ил.

 

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

Известно аналогичное устройство, в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, синхронный детектор и запоминающая ячейка [1].

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

Известен также емкостный преобразователь перемещений [2], 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 напряжений.

В качестве прототипа выбран емкостный преобразователь перемещений [3], 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, операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, а выход соединен со входом сумматора обратной связи и одновременно с информационным входом первого синхронного детектора, к положительному входу синхронизации которого подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов, а его инверсный выход подключен к отрицательному входу первого синхронного детектора.

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная со следующей недоработкой. При действии по измерительному каналу амплитудно-модулированного сигнала и одновременно помехи в виде постоянной составляющей, на выход проходит информация об обеих составляющих в виде суммы, т.е. информация о помехе не отфильтровывается.

Решаемая задача - совершенствование емкостного преобразователя перемещений.

Технический результат - улучшение точностных характеристик 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, операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, а выход соединен со входом сумматора обратной связи и одновременно с информационным входом первого синхронного детектора, к положительному входу синхронизации которого подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов, а его инверсный выход подключен к отрицательному входу первого синхронного детектора, введен второй синхронный детектор, информационный вход которого соединен с выходом операционного усилителя, к положительному входу синхронизации второго синхронного детектора подключен инвертирующий выход генератора синхронизирующих импульсов, к отрицательному входу синхронизации второго синхронного детектора подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов, выход первого синхронного детектора соединен с неинвертирующим входом фильтра нижних частот, а с его инвертирующим входом соединен выход второго синхронного детектора, выход фильтра нижних частот является выходом емкостного преобразователя перемещений.

Например, в вибрационном гироскопе обеспечивается независимое измерение амплитуд переменного перемещения и постоянной составляющей линейного ускорения, действующих по одной оси. Фильтр нижних частей выдает на выходе сигнал, пропорциональный амплитуде перемещения подвижного электрода измерительных емкостей. Полный цикл работы осуществляется за один период синхронизирующих импульсов: измерительные емкости заряжаются алгебраическими суммами опорных напряжений с напряжением обратной связи, сигнал демодулируется и фильтруется от несущей частоты с помощью первого и второго синхронных детекторов и фильтра нижних частот. Выходной сигнал не зависит от помехи в виде немодулированного сигнала.

Предлагаемое устройство иллюстрируется электрической схемой, приведенной на чертеже. Оно содержит первый источник опорного напряжения 1 (+Uоп), второй источник опорного напряжения 2 (-Uоп), ключевую схему 3, с 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 операционного усилителя 7. Выход операционного усилителя 7 соединен со входом сумматора обратной связи 4 и одновременно с информационным входом первого синхронного детектора 8 и одновременно с информационным входом второго синхронного детектора 9. К управляющим входам ключевой схемы 3 подсоединены прямой и инверсный выходы генератора синхронизирующих импульсов 10. К положительному входу первого синхронного детектора 8 подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов 10. Инверсный выход генератора синхронизирующих импульсов 10 подключен к отрицательному входу первого синхронного детектора 8, выход которого соединен с неинвертирующим входом фильтра нижних частот 11. К положительному входу второго синхронного детектора 9 подключен инверсный выход генератора синхронизирующих импульсов 10, а инверсный выход генератора синхронизирующих импульсов 10 подключен к отрицательному входу первого синхронного детектора 8, выход которого соединен с неинвертирующим входом фильтра нижних частот 11. К положительному входу второго синхронного детектора 9 подключен инверсный выход генератора синхронизирующих импульсов 10, а к отрицательному входу второго синхронного детектора 9 подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов 10. Выход второго синхронного детектора 9 подключен к инвертирующему входу фильтра нижних частот 11. Выходом заявляемого емкостного преобразователя перемещений является выход фильтра нижних частот 11. Причем на выходе фильтра нижних частот 11 имеет место сигнал преобразования знакопеременного напряжения, вызванного колебаниями подвижного электрода емкостей 5 и 6 под действием, например, кориолисовых сил.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Полный цикл работы устройства осуществляется за один период синхронизирующих импульсов. Импульсная последовательность на выходе генератора синхронизирующих импульсов 10 подает сигналы на ключевую схему 3 устройства для переключения полярности 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 операционного усилителя 7. Это напряжение алгебраически складывается с первым положительным опорным напряжением (+Uоп±U1) и со вторым отрицательным опорным напряжением (-Uоп±U1). С выходов сумматора обратной связи 4 алгебраические суммы напряжений подводятся к последовательной цепи из измерительных емкостей 5 и 6.

Преобразование амплитудно-модулированного сигнала поле операционного усилителя 7 осуществляется с помощью логометрической схемы, состоящей из первого 8 и второго 9 синхронных детекторов и фильтра нижних частот 11, где амплитудно-модулированное напряжение преобразуется в изменение постоянного напряжения. Демодуляция и фильтрация от несущей частоты в заявляемом устройстве, в отличие от прототипа, является двухполупериодной, что способствует сглаживанию.

Фильтр нижних частот 11 выдает на выходе сигнал, пропорциональный амплитуде перемещения подвижного электрода измерительных емкостей:

U в ы х 1 = U о п K у / h ,                                      ( 1 )

где К - коэффициент передачи первого фильтра нижних частот; у - измеряемое перемещение; h - начальный зазор между подвижным и неподвижными электродами измерительных емкостей.

Отмеченное выше доказывает, что технический результат изобретения достигнут.

Источники информации

1. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники // Нано-. Микросистемная техника. 2002. №1. С.3-9.

2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, 504 с.

3. Патент РФ №2272298, G01P 15/08, G01B 7/00, опубл. 20.03.2006.

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, операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, а выход соединен со входом сумматора обратной связи и одновременно с информационным входом первого синхронного детектора, к положительному входу синхронизации которого подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов, а его инверсный выход подключен к отрицательному входу первого синхронного детектора, отличающийся тем, что введен второй синхронный детектор, информационный вход которого соединен с выходом операционного усилителя, к положительному входу синхронизации второго синхронного детектора подключен инвертирующий выход генератора синхронизирующих импульсов, к отрицательному входу синхронизации второго синхронного детектора подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов, выход первого синхронного детектора соединен с неинвертирующим входом фильтра нижних частот, а с его инвертирующим входом соединен выход второго синхронного детектора, выход фильтра нижних частот является выходом емкостного преобразователя перемещений.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах ориентации и навигации. Линейный микроакселерометр содержит основание, крышку, рамку с инерционной массой, выполненной из кремния, установленную с возможностью линейного перемещения на упругих подвесах вдоль продольной оси, датчик положения и источник напряжения, при этом в устройство дополнительно введены два компаратора, два усилителя тока, ключ, электромагнитный силовой привод, состоящий из 2N катушек, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках с явно выраженными полюсами, направленными к торцевым сторонам инерционной массы, при этом магнитопроводящие сердечники размещены на противоположных торцевых сторонах рамки по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы в области каждого из торцов расположены магнитопроводы, замыкающие магнитные потоки катушек, причем входы катушек подключены к выходу ключа, входы которого через компараторы подключены к датчику положения, который выполнен оптическим, и состоит из излучателя и фотоприемников, при этом излучатель подключен к источнику напряжения, а между излучателем и фотоприемниками расположена оптическая щель.

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения углового ускорения. Для измерения углового ускорения объекта производят измерение длительности интервалов времени между фронтами всех импульсов импульсным датчиком углового положения, определяют среднюю скорость на каждом интервале времени, создавая обращенное относительное движение частей импульсного датчика углового положения, различно связанных с контролируемым объектом, обеспечивая генерирование импульсным датчиком максимального количества импульсов на конечном участке торможения контролируемого объекта, и производят измерение значений углового ускорения при торможении.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении интегральных акселерометров. Чувствительный элемент интегрального акселерометра выполнен из проводящего монокристаллического кремния и содержит маятник 3, соединенный с помощью упругих подвесов 2 с каркасной рамкой 1, обкладки 4, соединенные с каркасной рамкой 1 через площадки 6, расположенные на каркасной рамке 1.
Изобретение относится к микромеханическим устройствам и может применяться в интегральных акселерометрах и гироскопах. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности емкостного датчика при измерении угловых перемещений.

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорения и может быть использовано в качестве первичного преобразователя в системах инерциальной навигации и сейсмометрии.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в микромеханических датчиках линейных ускорений. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений, скоростей и ускорений. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах. .

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к средствам измерения линейных ускорений, угловых скоростей и тепловых полей малой интенсивности в инфракрасной и терагерцовой области.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается линейного микроакселерометра с оптической системой. Микроакселерометр включает в себя корпус, две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя. Датчики положения выполнены в виде двух пар монохроматических излучателей с различным спектром излучения и двух фотоприемников с цветоделением, имеющих не менее двух выходов спектральных диапазонов. Излучатели расположены над инерционной массой, а фотоприемники размещены в корпусе соосно с фотоприемниками. Монохроматические излучатели снабжены ограничителями светового потока. Технический результат заключается в повышении точности измерений и упрощении конструкции. 1 ил.

Изобретение относится к области испытания механических систем, у которых главными деталями являются вращающиеся тела, о сопротивлениях движению которых судят по замедлению при выбеге, и может быть использовано для определения отрицательных ускорений вращающихся частей. Вращающуюся деталь снабжают датчиком оборотов с одной меткой, что исключает неточность угловой разметки, которая появилась бы при большом количестве меток. Реагирующий на одиночную метку датчик оборотов соединяют с регистрирующим прибором и компьютером. Регистрируют, например, в дискретной форме, зависимость числа оборотов, а при известном радиусе вращающейся детали - пути в функции времени на определенном отрезке временного интервала, аппроксимируют эту зависимость детерминированной, непрерывной, дифференцируемой функцией, вторая производная которой по времени дает зависимость замедления тела в функции времени. Изобретение обеспечивает повышение точности и эффективности определения замедлений вращающихся тел. 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический демпфер содержит демпфирующий узел, выполненный в виде сосредоточенной массы, соединенной с помощью упругих подвесов с демпфируемым узлом, с целью получения оптимального демпфирования, при этом в устройстве выполнено следующее соотношение между параметрами: Kд1 - абсолютный коэффициент демпфирования внешнего узла (демпфируемого); Kд2 - абсолютный коэффициент демпфирования внутреннего узла внешнего узла (демпфирующего); m1 - масса внешнего узла; m2 - масса внутреннего узла; G1 - жесткость подвеса внешнего узла; G2 - жесткость подвеса внутреннего узла; χ - коэффициент механической связи между внешним и внутренним узлами. Технический результат - оптимизация режима работы микромеханического демпфера. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического гироскопа выполнен из монокристаллического кремния, представляющий конструкцию «рамка в рамке». При этом во внешней рамке выполнен электростатический силовой преобразователь, компенсирующий в ней кориолисов момент, возникающий в ней при вторичных колебаниях, передаваемых от внутренней рамки. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит две дифференциальные измерительные емкости, источник опорного напряжения, пару ключей зарядки измерительных емкостей, генератор тактовых импульсов, инвертор напряжения, пару ключей для съема сигнала с измерительных емкостей и фильтр нижних частот. Полный цикл работы устройства осуществляется за два такта синхронизирующих импульсов: в первый такт обе измерительные емкости заряжаются от источника опорного напряжения через первую пару ключей. Во второй такт обе измерительные емкости одновременно разряжаются, через вторую пару ключей, на фильтр нижних частот, который формирует сигнал соответствующей величины и полярности. Технический результат заключается в повышении точности. 1 ил.

Изобретение относится к навигационным устройствам, в частности может быть использовано для определения направления на географический север. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения направления на географический север. Технический результат достигается за счет того, что устройство для определения направления на географический север, содержит помимо датчика углового движения также датчик, чувствительный к изменению угла наклона. Обработка сигналов производится путем исключения из сигнала датчика угловых движений сигналов, вызванных наклонами оси вращения, с использованием показаний установленного на ту же платформу датчика, чувствительного к изменениям угла наклона. Момент начала вращения платформы определяют из условия стабилизации электродных токов неподвижного молекулярно-электронного датчика. Для уменьшения времени стабилизации электродных токов предварительно механически перемешивают жидкость в канале датчика угловой скорости путем вибраций платформы или помещают в жидкости вне области расположения преобразующего элемента датчика угловой скорости дополнительные электроды, находящиеся при одинаковом электрическом потенциале. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в МЭМС акселерометрах и гироскопах. Емкостный датчик перемещений содержит широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод и выполненные на изоляционных обкладках неподвижные электроды, размещенные симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, каждый неподвижный электрод разделен пополам, а одинаковые части, размещенные с разных сторон подвижного электрода на одинаковом расстоянии от оси качания, соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые при равных зазорах имеют одинаковую емкость, при этом неподвижные электроды, находящиеся на одной изоляционной обкладке, разделены асимметрично относительно оси качания и перекрывают всю площадь подвижного электрода, а ответные неподвижные электроды выполнены симметрично относительно плоскости подвижного электрода. Технический результат - повышение чувствительности и точности преобразователя перемещений. 3 ил.
Наверх