Емкостный датчик перемещения

Емкостный датчик перемещения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Преобразователь состоит из двух изоляционных подвижных пластин 2, 4. На одной пластине размещены ряд передающих электродов 1 и один приемный электрод 3. Между приемным и передающими электродами осуществляется емкостная связь через электроды связи, размещенные на другой пластине. К передающим электродам прикладываются одинаковые по форме, но сдвинутые по фазе напряжения. Над передающими электродами образуется волна электрического поля. Электроды связи часть этой волны передают на приемный электрод. Фаза напряжения приемного электрода является мерой взаимного перемещения пластин. В различных вариантах устройства изменяется форма электродов для непрерывной аппроксимации поля. В первом варианте передающие электроды имеют форму трапеций, чередующихся большими и малыми основаниями в направлении перемещения. Во втором варианте передающие электроды имеют форму треугольников, чередующихся основаниями и вершинами. В третьем варианте электроды связи имеют форму трапеций. В каждом варианте возможно удвоить число приемных электродов и электродов связи для получения противофазных сигналов. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК.ЗК 150

А1 (51) 4 G 01 В 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТНЕННЬЙ НОЧИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3929608/?5-63

1 (22) 16.07.85 (46) 07,09.89. Бюл. Р 33 () Институт проблем управления (71) (72) П П

) П.П.Воропичев, Ф,И.Кербников, А.Н К . рештал, Н.Э.Менглзетдинов и М.А.Розенблат (53) 621.317.39(088.8) (56) Патент Англии М 2078966, кл. G 01 В 7/02, 1982. (54) ЕМКОСТНЬ!Й ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ (57) И зобретение позволяет повысить точность преобразования. Преобразователь состои тоит иэ двух изоляционных подвижных пластин 2,4. На одной пластине размещены ряд передлксцих электродов 1 и один приемный электрод 3.

Ме ó приемным и передающим электродами ос существляется емкостная связь через электроды связи, размещенные на другой пластине. К передающим электродам прикладываются одинаковые

IIo форме, но сднинутыс по флэе напря жения Над передающими электродами об à;. .óåòñя волна элек три чегког о поля. Электроды связи часть этой волны перс:дают нл приемный электрод „Флэл напряжения приемного электрода является мерой взаимного перемещения

--.дастин. В различных нариантлх устройства изменяется форма электродов для непрерывной лппрсксимлции поля.

В первом варианте передающие электроды имеют форму трапеций, чередующихся боль ольшими.и малыми основлниями н нлпрлнлении перемещения. Во втором варианте передающие электроды имеют форму треугольников, чередующихся основаниямии и вершинами . В третьем н арианте электроды связи имеют форму трапеций. В каждом варианте возможно удвоить число приемных электродов и электродов связи для получения противофаэных сигналов. 3 э.п.ф — лы,9 ил. электродами связи и двумя приемными электродами, на фиг.б — зависимость напряжения электрического поля в

20 направлении перемещения при прямоугольных передающих электродах; на фиг.7 — зависимость средней напряженности электрического поля в направлении перемещенйя при треугольных передгнощих электродах; на фиг .8 (а,б) — подвижные одна относительно другой пластины с нанесенными на них электродами, общий вид; на фиг.9 — пластины, поперечное сечетп е.

Емкостной преобразователь перемещений содержит ряд передающих электродов 1, размещенных на изоляционной пластине 2 (фиг.8) и расположенных

30

35 так, .то оси симметрии этих электродов имеют постоянный пространственный период 1. На этой пластине распопагается приемный электрод 3. На другой изоляционной пластине 4, перемещаемой относительно первой пластины (на фиг.1-5, 8,9 направление перемещения указано стрелками), располаггпотся электроды 5 связи, которые обращень, к передающим и приемному электродам (фиг.9) и обеспечивают емкостную связь передающих и приемного электродов. Электроды связи размещены так, что оси симметрии этих электродов имеют постоянный пространственный период 1., причем отношение L/1 есть целое число. На фиг ° 1-5 пунктиром показана проекции электродов связи па пластину с передающими и приемными электр одами.

Все предлагаемые варианты преобразователя используют один и тот же принцип, поэтому описание работы пр",.образ вателя приводится только-40

50

15062(Из брстение относи; с к пз ере пно . инейных г1еремещений и может быть иси ользовано для построения измерительных устройств с циЬровым отсчетом

Пель изобретения — повышение точности за счет линеаризации выходной характеристики.

На фиг.1 изображен вариант преобр азов атель с тр апецеидальными пере- 10

;;аю:; ми элок гродами, на фиг.2 — то же-, с Tpt. угс л:ньли передающими электродами; па фиг ° 3 — то же, с двумя пр:.емными и тре, гольными. передаюvv!kIH электродами; на фиг.4 — то жс, 15 с трапецеидальными электродами связи; на фиг.5 — то же, с трапецеидальными ц. и од ого варианта, представленного на фи..2 „

На ряд передающих электродов 1 подают напряжения, одинак овые по амплитуде, частоте и форме, но разли— чающттеся по фазе. Сдвит по фазе напряжений, приложенных к соседним электродам, всегда одинаков и равен л

2Ii/и, где и = 1./1. Таким образом, над передающими электродами создается электрическое периодическое поле.

Часть этого поля через электроды связи передается на электрод 3.

1:ак известно, распространение волны описывается волновьгм уравнением и может быть представлено в ниде

f(ы t+kx), где А. — временная частота; k — пространственная частота

1 периодическая функция. Если имеется устройство, позволяющее измери ь фазу сигнала, полученного на приемном электроде, то при смещении пластины с передающими и приемным зле трудами относительно пластины с электродами связи на координату х

1 фаза е будет достигнута в момент определяемый из уравнения "t + kx = (1)

При смещении на координату х, та же фаза ч будет достигнута в момент t z ась+ kx = ц (2)

Вы итая из уравнения (2) уравнение (1), r!ozy IHx го(о- t ) = + k(x x )

l где знак определяет направление перемещения. Таким образом, принцип работы предлагаемого емкостного преобразователя перемещений основан на преобразовании перемешоний х — х )во временной интервал t,— t,. Измеренная длительность временного интернала t — t, с коэффициентом &/k соответствует перемещению х — х . При

1 этом линейность преобразования будет обеспечена только при условии, что зависимость формы волны от временной фазы г(ы г) в точности совпадает с зависимостью формы фолны от пространственной фазы f (kx) . На фиг.б представлена зависимость напряженности электрического поля, создаваемого передающими электродами прямоуг ольной формы в фиксированнь!A момент времени при условии, что n = 8, а зависимость от временной фазы имеет вид равнобедренных треугольников, В этом случае при использовании;ле Yòðëäîâ связи ттрямоугольной формы будет наблюдать06266

6 ных электродах образуюся противофазные напряжения одинаковой амплитуды, что позволяет вдвое повысить коэффициент передачи преобразователя по напряжению.

5 15

cR несовпадение зависимостей временной и пространственной фаз, что ограничит точность преобразования .

Для повышения точности преобразования необходимо аппроксимировать ступенчатую зависимость фиг.6 непрерывной линейной функцией, что можно до,стигнуть с помощью усреднения полей, создаваемых двумя соседними передаюпими электродами, На фиг.7 представлена зависимость средней напряженности электрического поля, создаваемого передающими электродами треугольной формы, показанными на фиг.2, в фиксированный момент времени при треугОльной форме напряжения отдельной фазы. Усреднение напряженности поля проводится в направлении, ортогональном перемещению, В этом случае зависимости от пространственной и временной фазы совпадают и теоретически погрешность преобразования равна нулю.

Анализ предлагаемых емкостных преобразователей перемещения показывает, что для обеспечения линейности преобразования необходимо, чтобы электрод связи ни в какой момент времени не перекрывал одновременно электроды,к которым подведены противофазные напряжения. Отсюда возникает ограничение на ширину электрода связи.

Если электрод связи выполнен в виде прямоугольника, то его ширина не может превышать Ь/2-1, а если электрод связи выполнен в виде трапеции, то большее основание трапеции над рядом передающих электродов не может превышать L/2-1, т.е. трапецеидальный электрод связи не может перекрывать одновременно при любом взаимном положении пластин больше чем

Ь/(21) передающих электродов.

При использовании двух приемных электродов, как показано на фиг.3 и 5, оси симметрии электродов связи располагаются с вдвое меныпим периодом Ь/2. В этом случае на прием10

45 формулаизобретения

1 ° Емкостный датчик перемещения, содержащий две подвижные одна относительно другой пластины, на одной из которых размещены ряд передающих электродов и по меньшей мере один приемный электрод, а на другой — электрод связй и средства питания передающих электродов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет линеаризации выходной характеристйки, передающие электроды или электроды связи имеют форму равнобочных трапеций, при этом передающие электроды чередуются большими и малыми основаниями в направлении перемещения.

2, Датчик по п.1, о т и и ч а ю— шийся тем, что электроды связи перекрывают не более чем Ь/21 передающих электродов, где L — пространственный период электродов связи;

1 — пространственный период передающих электродов.

3. Датчик по пп,1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что приемные электроды выполнены в виде двух полосок, расположенных вдоль направления перемещения по обе стороны приемных электродов, а электроды связи расположены так, что поочередно перекрывают передающие электроды и одну из полосок приемного электрода и формируют на приемных электродах противофазные напряжения, при этом расстояние между соседними электродами связи равно 1/2

4. Датчик по пп.1-3, о т л и ч аю шийся тем, что средства литания передающих электродов представляI ют собой генераторы пилообразного напряжения °

1506266

Фиг. 1 иг.1 иг.

1506266