Устройство измерения микроперемещений



Устройство измерения микроперемещений

 


Владельцы патента RU 2573618:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ (RU)

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.
Наверх