Устройство измерения микроперемещений

Устройство измерения микроперемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.