Устройство измерения микроперемещений

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.

 

Устройство относится к измерительной технике и может применяться в интегральных датчиках.

Известно аналогичное устройство [1], в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, два источника опорного напряжения, ключевая схема, генератор синхронизирующих импульсов.

Недостатками известного устройства являются: необходимость наличия двух абсолютно аналогичных источников опорного напряжения, высокие требования к идентичности ключей для качественной синхронизации, отсутствие жесткой привязки общей емкости к точке нулевого потенциала.

Наиболее близким к заявляемому выбран емкостный преобразователь перемещений [2], содержащий генератор напряжения высокой частоты, выход которого соединен с возбуждающими входами первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, фильтр нижних частот, прямой и инверсный входы которого подключены непосредственно к первой и второй измерительным емкостям соответственно.

Недостатками известного устройства являются: необходимость точной индивидуальной настройки генераторов тока и их полная идентичность, несоответствие работы устройства логометрическому свойству.

Задача изобретения - соответствие устройства логометрическому свойству, простота использования.

Технический результат - повышение точности за счет логометрического свойства устройства и отсутствия дополнительных генераторов, требующих индивидуальной настройки.

Технический результат достигается тем, что в емкостный преобразователь перемещений, содержащий генератор напряжения высокой частоты, выход которого соединен с входами возбуждения первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, фильтр нижних частот, прямой и инверсный входы которого подключены непосредственно к первой и второй измерительным емкостям соответственно, введены четыре управляющих ключа, генератор тактовой частоты, источник опорного напряжения, причем информационные входы первого и второго ключей соединены с выходом источника опорного напряжения, информационные выходы первого и второго ключей подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, управляющие входы первого и второго ключей подключены к выходу генератора тактовой частоты, информационные входы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, информационные выходы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к инверсному и прямому входам фильтра нижних частот, управляющие входы третьего и четвертого ключей подключены через инвертор к выходу генератора тактовой частоты.

Предлагаемое устройство иллюстрируется схемой, приведенной на фиг. 1, содержащей первую 1 и вторую 2 измерительные емкости, выполненные дифференциально, один из электродов каждой емкости выполнен общим и соединен с землей. К неподвижному электроду первой измерительной емкости 1 подключены информационный выход первого ключа 3 и информационный выход третьего ключа 4. К подвижному электроду второй измерительной емкости 2 подключен информационный выход второго ключа 5 и информационный выход четвертого ключа 6. Выход источника опорного напряжения 7 соединен с информационными входами первого 3 и второго ключей 5. Управляющие входы первого 3 и второго 5 ключей соединены непосредственно с выходом генератора тактовой частоты 8. Управляющие входы третьего 4 и четвертого 6 ключей соединены через инвертор 9 с выходом генератора тактовой частоты 8. Информационные выходы третьего 4 и четвертого 6 ключей соединены соответственно с инверсным и прямым входами фильтра нижних частот 10. Выход фильтра нижних частот является выходом заявляемого устройства.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. В такт времени τ1 генератор тактовой частоты 8 имеет на выходе уровень напряжения логической единицы, при этом открываются первый 3 и второй 5 ключи, которые подключают источник опорного напряжения 7 к первой 1 и второй 2 измерительным емкостям, при этом измерительные емкости заряжаются. Величины зарядов на измерительных емкостях 1 и 2 определяются положением общего электрода. Одновременно третий 4 и четвертый 6 ключи являются закрытыми, так как на выходе инвертора 9 присутствует логический нуль, подающийся на управляющие входы третьего 4 и четвертого 6 ключей. Поэтому фильтр нижних частот отключен от измерительных емкостей. В такт времени τ2 генератор тактовой частоты 8 имеет на выходе уровень напряжения логического нуля, при этом первый 3 и второй 5 ключи закрыты и источник опорного напряжения 7 отключен от измерительных емкостей. При этом измерительные емкости остаются заряженными. Одновременно третий 4 и четвертый 6 ключи открыты, так как на выходе инвертора 9 присутствует сигнал логической единицы. Заряженная первая измерительная емкость 1 подключается к инверсному входу фильтра нижних частот 10, заряженная вторая измерительная емкость 2 подключается к прямому входу фильтра нижних частот. Фильтр нижних частот формирует постоянный выходной сигнал соответствующей полярности. Затем циклы, описанные выше, повторяются. Длительности тактов τ1 и τ2 подобраны так, чтобы время заряда измерительных емкостей и задержки срабатывания ключей не оказывали влияния на быстродействие и точность работы схемы.

Заряды на обкладках первой 1 и второй 2 измерительных емкостей при зарядке от источника опорного напряжения 7 будут равны соответственно

где C1 - электрическая емкость первой 1 измерительной емкости;

C2 - электрическая емкость второй 2 измерительной емкости;

U0 - напряжение на выходе источника опорного напряжения 7.

В такт времени съема сигнала измерительные емкости 1 и 2 разряжаются через цепи сопротивлений прямого и инверсного входов фильтра нижних частот 10. Поэтому будут иметь место следующие неравенства:

где I1 - ток разряда первой измерительной емкости;

I2 - ток разряда второй измерительной емкости;

τ2 - длительность такта времени съема сигнала;

U1 - напряжение на обкладках первой измерительной емкости;

U2 - напряжение на обкладках второй измерительной емкости;

R+ - сопротивление прямого входа фильтра нижних частот;

R- - сопротивление инверсного входа фильтра нижних частот.

Напряжение на обкладках измерительных емкостей 1 и 2 при отклонении общего электрода можно также выразить следующим образом:

где ΔU - отклонение напряжения на измерительных емкостях 1 и 2.

Объединив формулы 2, 3 и 4, получим выражение для входного сигнала фильтра нижних частот 10

Из уравнения 4 видно, что входной сигнал фильтра нижних частот пропорционален отношению разности величин измерительных емкостей к их сумме, поэтому заявляемое устройство обладает логометрическим свойством. На этом цель изобретения достигнута.

Источники информации

1. Вавилов В.Д., Долгов А.Н., Вавилов И.В. Емкостный преобразователь перемещений. Патент РФ №2272298. Опубликовано: 20.03.2006.

2. Андреев А.А., Вавилов В.Д., Пирожок Я.Л., Поздяев В.И. Устройство измерения микроперемещений. Патент СССР №1774710. Опубликовано: 8.08.1992.

Емкостный преобразователь перемещений, характеризующийся тем, что введены четыре управляющих ключа, генератор тактовой частоты, источник опорного напряжения, причем информационные входы первого и второго ключей соединены с выходом источника опорного напряжения, информационные выходы первого и второго ключей подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, управляющие входы первого и второго ключей подключены к выходу генератора тактовой частоты, информационные входы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к первой и второй измерительным емкостям, информационные выходы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к инверсному и прямому входам фильтра нижних частот, управляющие входы третьего и четвертого ключей подключены через инвертор к выходу генератора тактовой частоты.



 

Похожие патенты:

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».

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.

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.

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.

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.

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 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.

Устройство относится к измерительной технике, а именно к датчикам угловых ускорений, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции. Датчик угловых ускорений с жидкостным ротором содержит чувствительный элемент и тороидальный корпус, заполненный жидкостью. Чувствительный элемент 1 представляет собой цилиндр 3, выполненный из диэлектрического материала в виде сужающего устройства с конфузором и диффузором, в котором диаметрально противоположно установлены металлические электроды Э1, Э2. В плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, установлены сверху и снизу обмотки возбуждения OB1, ОВ2, запитываемые двухполярным стабилизированным током. Тороидальный корпус присоединяется соосно к цилиндру 3. Образованная кольцевая полость заполняется рабочей жидкостью с определенной электропроводностью и вязкостью, например водой. Электрический сигнал, пропорциональный ускорению, снимается с электродов Э1 и Э2 и подается на измерительное устройство ИУ. С выхода измерительного устройства выдается сигнал, пропорциональный угловому ускорению. Технический результат заключается в повышении чувствительности датчика и расширении диапазона измерения угловых ускорений. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введены четыре дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсатор с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь дополнительных опор, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, восемь дополнительных «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с трех сторон, четыре неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений объединены в один, а инерционная масса выполнена с перфорацией. Технический результат - возможность измерения величин угловой скорости и линейного ускорения вдоль осей Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра, и X, Y, расположенных в плоскости подложки устройства. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введены четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, девять дополнительных неподвижных электродов электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, шестнадцать «П»-образных систем упругих балок, выполненные в виде пластин из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, и двадцать одна дополнительная опора, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала. Технический результат - возможность измерения величин угловой скорости вдоль осей Y, расположенной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей Χ, Y, Z. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для навигации и ориентации в пространстве и может быть использовано для определения направления на географический север. Устройство для определения направления на географический север содержит молекулярно-электронный датчик угловых движений, установленный на платформе, способной вращаться с угловой скоростью, изменяющейся по знаку и абсолютной величине, при этом устройство содержит датчик, измеряющий угловую скорость вращения платформы относительно неподвижного основания, и контроллер, управляющий вращением платформы и выполняющий совместную обработку данных молекулярно-электронного датчика угловых движений и датчика, измеряющего угловую скорость вращения платформы относительно неподвижного основания. Технический результат – повышение точности определения направления на географический север, повышение точности измерений. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к датчику ускорения и способу изготовления такого датчика ускорения. Датчик ускорения содержит подложку с поверхностью подложки и пробную массу, которая выполнена с возможностью перемещения относительно подложки в направлении (x) отклонения, по существу параллельном поверхности подложки первом направлении (x). Пробная масса содержит гребенчатый электрод, выполненный с возможностью перемещения вместе с пробной массой и содержащий несколько зубьев, которые проходят в первом направлении (x). Датчик ускорения содержит, кроме того, противоположный электрод, неподвижно соединенный с подложкой и содержащий неподвижный гребенчатый электрод, а неподвижный гребенчатый электрод содержит несколько зубьев, которые проходят в направлении, противоположном первому направлению (x). Зубья подвижного гребенчатого электрода входят в зацепление с зубьями неподвижного гребенчатого электрода. Датчик ускорения содержит, кроме того, экранирующий электрод, неподвижно соединенный с подложкой и выполненный с возможностью увеличения демпфирования пробной массы во время движения отклонения пробной массы. Технический результат – увеличение демпфирования движения отклонения пробной массы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение может быть использовано в линейных и угловых акселерометрах и может найти применение в сейсмодатчиках, приборах для стабилизации движущихся объектов и инерциальной навигации. Предложена схема подключения к электронной плате молекулярно-электронного преобразователя, состоящего из четырех электродов, помещенных в замкнутый корпус, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами, в которой катоды подключены к двум соединенным с землей посредством резисторов R1 и R2 входам операционного усилителя, в обратной связи которого установлен резистор R3, причем величины всех резисторов удовлетворяют соотношению R2=R1/(1-R1/R3). Величины резисторов могут удовлетворять условиям R1/R3<<1 и R2/R3<<1. Изобретение обеспечивает преобразование разностного катодного тока в электрическое напряжение, сохраняющего неизменными потенциалы катодов, обеспечивая тем самым линейность преобразования, и, одновременно, обеспечивающего меньшее по сравнению с аналогичными решениями потребление тока. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к экспериментальной гидромеханике морских инженерных сооружений и касается методов испытания трансформации волн в опытовом бассейне на наклонном дне и оборудования для его проведения. Устройство включает бассейн, оборудованный волнопродуктором, волногасителем, волнографами и наклонным дном, к которому прикреплен блок датчиков для измерения нагрузок от ударов волн. В зоне разрушения волны установлена фотовидеоаппаратура для записи процесса разрушения. Показания с волнографов, датчиков и изображение с фотовидеоаппаратуры синхронизированы во времени и записываются на компьютер. Технический результат заключается в возможности регистрации и обработки получаемых значений в реальном времени. 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.

Наверх