Устройство для измерения микроперемещений

Устройство для измерения микроперемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Известно аналогичное устройство, в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, и с помощью частотно-модулированного сигнала выявляются перемещения подвижного узла (Гудинаф Ф. Емкостный датчик ускорения, выполненный на основе сочетания объемной и поверхностной микротехнологий. Электроника. 1993. №11-12. С.86-87).

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с влиянием входных емкостей усилительных элементов.

В качестве прототипа выбрано устройство (Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, стр.249, рис 8.5), содержащее первую и вторую измерительные емкости, первый и второй ключи, два усилительных элемента с гистерезисом и два времязадающих резистора, времязадающие резисторы соединены со входом и выходом соответствующих усилительных элементов. Первая и вторая измерительные емкости соединены одними концами соответственно с входами первого и второго усилительных элементов, а вторыми концами с общим проводом. Ключи включены параллельно измерительным емкостям, а управляющие входы ключей соединены с выходами усилительных элементов. Первый ключ, первый усилительный элемент, первая измерительная емкость и первый резистор образуют первый генератор и аналогично второй ключ, второй усилительный элемент, вторая измерительная емкость и второй резистор образуют второй генератор.

Недостатком известного устройства является низкая точность и низкая чувствительность, связанные с влиянием входных емкостей усилительных элементов, на которых выполнены генераторы, а также паразитные емкости ключей.

Решаемая задача - совершенствование емкостного преобразователя перемещений.

Технический результат - повышение точности емкостного преобразователя перемещений.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем первую и вторую измерительные емкости, первый и второй ключи, усилительный элемент с гистерезисом и времязадающий резистор, времязадающий резистор соединен со входом и выходом усилительного элемента, согласно изобретению первый и второй ключи выходами соединены со входом усилительного элемента, со входами первого и второго ключей соединены одними концами первая и вторая измерительные емкости, а вторыми концами измерительные емкости соединены с землей, дополнительная емкость установлена между землей и входом усилительного элемента, причем величина измеряемого микроперемещения определена по измерениям периодов генерации на трех режимах по следующей формуле:

где Т₁ - период генерации с первой измерительной емкостью; Т₂ - период генерации со второй измерительной емкостью; T₃ - период генерации с отключенными измерительными емкостями; h - начальный зазор между электродами.

Предлагаемое устройство иллюстрируется принципиальной схемой, приведенной на чертеже, содержащей первую измерительную емкость 1 (С₁) и вторую измерительную емкость 2 (С₂). Первая измерительная емкость 1 соединена одним концом со входом первого ключа 3, а вторая измерительная емкость 2 соединена одним концом со входом второго ключа 4. Вторыми концами первая 1 и вторая 2 измерительные емкости соединены с землей. Выход первого ключа 3 и выход второго ключа 4 соединены вместе и одновременно соединены со входом усилительного элемента 5. Управляющие входы первого 3 и второго 4 ключей на схеме обозначены соответственно q₁ и q₂. Времязадающий резистор 6 соединен одним концом со входом усилительного элемента 5, а вторым концом с его выходом. Между входом усилительного элемента 5 и землей введена дополнительная емкость 7.

Алгоритм работы схемы основан на методе трех генераторов, аппаратно которые совмещены с использованием одного усилительного элемента 5 с гистерезисом, например, на логическом элементе типа триггера Шмитта. Полный цикл работы генератора включает в себя три режима: на первом режиме ко входу усилительного элемента 5 включена первая измерительная емкость 1 через отпертый ключ 3. Второй ключ 4 при этом заперт. Ко входу усилительного элемента 5 одновременно подключены дополнительная емкость 7 (С_д) и паразитная емкость входа усилительного элемента (С_вх). Величина дополнительной емкости не критична и выбирается соизмеримой с измерительными. Выходной сигнал (f_вых) в виде периода следования импульсов измеряется и запоминается, например, микроконтроллерным устройством.

На втором режиме ко входу усилительного элемента подключается вторая измерительная емкость 2 через отпертый второй ключ 4. Первый ключ 3 при этом заперт. В формировании импульсной последовательности участвуют те же дополнительная емкость 7 и паразитная емкость (С_вх), тот же времязадающий резистор 6, что и на первом режиме. Выходной сигнал на втором режиме измеряется и запоминается аналогично первому режиму.

Периоды генерации на первом и втором режимах соответственно с первой и второй измерительными емкостями во времязадающих цепочках равны:

где U_верх и U_ниж - напряжения, соответствующие верхнему и нижнему порогам петли гистерезиса усилительного элемента 5; U_n - напряжение питания усилительного элемента.

С целью исключения влияния паразитных емкостей в цикле измерения введен третий режим, когда обе измерительные емкости С₁ и С₂ отключены. Соответственно первый 3 и второй 4 ключи заперты. В качестве времязадающих емкостей на третьем режиме используется сумма из дополнительной С_д и паразитной емкостей С_вх. Соответственно третий период генерации определяется:

Из совместного решения (1), (2) и (3), по известным периодам колебаний трех генераторов, найдем отношение разности измерительных емкостей к их сумме:

Для дифференциальных измерительных емкостей имеют место следующие соотношения:

где ε₀, ε - диэлектрическая постоянная и диэлектрическая проницаемость между электродами измерительных емкостей; S - площадь измерительных электродов; х - величина измеряемого микроперемещения.

Разность между текущими значениями измерительных емкостей несет информацию об измеряемом микроперемещении, поэтому для его вычисления из (3) и (4) можно записать:

Из выражения (5) видно, что на величину измеряемого микроперемещения не влияют ни конструктивные, ни физические параметры схемы, например паразитные емкости, площадь измерительных электродов, напряжение питания и диэлектрическая проницаемость среды между электродами.

Устройство для измерения микроперемещений, содержащее первую и вторую измерительные емкости, первый и второй ключи, усилительный элемент с гистерезисом и времязадающий резистор, времязадающий резистор соединен со входом и выходом усилительного элемента, отличающееся тем, что первый и второй ключи выходами соединены со входом усилительного элемента, со входами первого и второго ключей соединены одними концами первая и вторая измерительные емкости, а вторыми концами измерительные емкости соединены с землей, дополнительная емкость установлена между землей и входом усилительного элемента, причем величина измеряемого микроперемещения определена по измерениям периодов генерации на трех режимах по следующей формуле:

где Т₁ - период генерации с первой измерительной емкостью;

T₂ - период генерации со второй измерительной емкостью;

T₃ - период генерации с отключенными измерительными емкостями;

h - начальный зазор между электродами.