Детектор элементов каркаса со схемой регулирования

Детектор элементов каркаса со схемой регулирования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к схемному устройству для емкостного детектора скрытых объектов, а также к детектору для обнаружения скрытых элементов каркаса, содержащему такое схемное устройство.

Уровень техники

Известно, что емкостные датчики оснащаются мостовыми схемами с обратной связью, описанными, например, в книге "Capacitive sensors" ("Емкостные датчики"), Larry K. Baxter, IEEE Press. Такими мостовыми схемами с обратной связью также оснащаются емкостные детекторы элементов каркаса для обнаружения скрытых в стенах элементов каркаса (в частности, балок и стоек), как это описано, например в публикации DE 102010028718.

Как известно, в емкостных детекторах элементов каркаса используется один или несколько электродов, к которым прикладываются напряжения, в результате чего возникают электрические поля. С этими полями можно соотнести емкости. Объекты, находящиеся в зоне действия детектора элементов каркаса, изменяют электрические поля и приводят к изменениям емкостей.

Однако изменения емкостей очень малы по сравнению с самой изменяющейся емкостью. Это предъявляет высокие требования к емкостным измерительным средствам детекторов.

Раскрытие изобретения

Задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в создании схемного устройства, которое позволяло бы обнаруживать изменение емкости, малое по сравнению с общей емкостью, при улучшенном разрешении. Эта задача решается в схемном устройстве, охарактеризованном признаками пункта 1 формулы. Задачей настоящего изобретения является также создание детектора элементов каркаса, который обладал бы повышенной достоверностью результатов измерения в отношении слишком высокой и слишком низкой чувствительности обнаружения скрытых объектов и повышенной глубиной обнаружения. Эта задача решается в детекторе элементов каркаса, охарактеризованном признаками пункта 10 формулы. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.

Предлагаемое в изобретении схемное устройство содержит первый конденсатор, второй конденсатор и третий конденсатор. При этом первая обкладка каждого из конденсаторов соединена с первым узлом схемы. Обкладки конденсаторов также могут называться пластинами или электродами конденсатора. Эти три термина употребляются в рамках данной заявки синонимично.

При этом схемное устройство выполнено с возможностью подачи на первый конденсатор первого зависящего от времени, т.е. переменного во времени, напряжения, на второй конденсатор - второго зависящего от времени напряжения и на третий конденсатор - третьего зависящего от времени напряжения. При этом первое напряжение и второе напряжение тактируются противофазно, т.е. подаются синхронно в противоположных друг другу фазах, а второе напряжение и третье напряжение тактируются синфазно, т.е. подаются синхронно в одинаковых фазах. Схемное устройство также содержит усилитель, синхронный демодулятор и компаратор. Входы усилителя соединены с первым узлом схемы и с контактом массы. Синхронный демодулятор предусмотрен для того, чтобы синхронно с тактом первого напряжения подавать выходной сигнал усилителя попеременно на два входа компаратора. Далее, схемное устройство выполнено с возможностью генерации регулирующего параметра в зависимости от значения на выходе компаратора. Кроме того, схемное устройство выполнено с возможностью изменения значений амплитуды первого напряжения и третьего напряжения и/или значения амплитуды второго напряжения в зависимости от регулирующего параметра. Преимуществом изобретения является то, что такое схемное устройство позволяет обнаруживать с высоким разрешением изменение емкости первого конденсатора, второго конденсатора и/или третьего конденсатора, малое по сравнению с абсолютным значением емкости первого конденсатора, второго конденсатора и/или третьего конденсатора.

В одном варианте выполнения схемного устройства оно содержит четвертый конденсатор. При этом первая обкладка четвертого конденсатора соединена с первым узлом схемы. Схемное устройство при этом выполнено с возможностью подачи на четвертый конденсатор четвертого зависящего от времени напряжения. Это четвертое напряжение и первое напряжение тактируются синфазно. Преимуществом этого варианта осуществления изобретения является получение симметричной компоновки схемного устройства, позволяющей обнаруживать малые изменения емкостей конденсаторов с очень высоким отношением "сигнал-шум".

В одном варианте выполнения схемного устройства оно содержит регулируемый источник постоянного тока, расположенный между контактом массы и второй обкладкой первого конденсатора, или второго конденсатора, или третьего конденсатора, или четвертого конденсатора. При этом схемное устройство также содержит резистор, расположенный между второй обкладкой конденсатора и вторым узлом схемы, предусмотренным для того, чтобы находиться под постоянным потенциалом, повышенным относительно контакта массы. При этом между источником постоянного тока и второй обкладкой конденсатора расположен выключатель (коммутирующее устройство). В этом случае резистор действует в качестве подтягивающего (нагрузочного) резистора, на котором падает напряжение, величина которого зависит от значения силы тока, выдаваемого регулируемым источником постоянного тока. Это напряжение подается на конденсатор. Выключатель позволяет тактировать это напряжение, т.е. подавать его с определенным тактом.

В одном варианте выполнения этого схемного устройства оно содержит первый регулируемый источник постоянного тока, второй регулируемый источник постоянного тока, третий регулируемый источник постоянного тока, четвертый регулируемый источник постоянного тока, первый выключатель, второй выключатель, третий выключатель, четвертый выключатель, первый резистор, второй резистор, третий резистор и четвертый резистор. При этом первый выключатель расположен между второй обкладкой первого конденсатора и первым контактом первого источника постоянного тока. Второй контакт первого источника постоянного тока соединен с контактом массы. Первый резистор расположен между второй обкладкой первого конденсатора и вторым узлом схемы. Второй выключатель расположен между второй обкладкой второго конденсатора и первым контактом второго источника постоянного тока. Второй контакт второго источника постоянного тока соединен с контактом массы. Второй резистор расположен между второй обкладкой второго конденсатора и вторым узлом схемы. Третий выключатель расположен между второй обкладкой третьего конденсатора и первым контактом третьего источника постоянного тока. Второй контакт третьего источника постоянного тока соединен с контактом массы. Третий резистор расположен между второй обкладкой третьего конденсатора и вторым узлом схемы. Четвертый выключатель расположен между второй обкладкой четвертого конденсатора и первым контактом четвертого источника постоянного тока. Второй контакт четвертого источника постоянного тока соединен с контактом массы. Четвертый резистор расположен между второй обкладкой четвертого конденсатора и вторым узлом схемы. Применение четырех источников постоянного тока в сочетании с четырьмя резисторами, действующими в качестве подтягивающих (нагрузочных) резисторов, выгодно тем, что позволяет генерировать четыре зависящих от времени напряжения, которые могут тактироваться посредством четырех выключателей.

В еще одном варианте выполнения схемного устройства оно содержит инвертирующий усилитель. При этом инвертирующий вход инвертирующего усилителя соединен через первый резистор со второй обкладкой конденсатора. Неинвертирующий вход инвертирующего усилителя соединен с третьим узлом схемы, предусмотренным для того, чтобы находиться под постоянным потенциалом, находящимся посредине между потенциалом второго узла схемы и потенциалом контакта массы. Выход инвертирующего усилителя соединен через второй резистор с инвертирующим входом инвертирующего усилителя. Кроме того, выход инвертирующего усилителя соединен со второй обкладкой другого конденсатора. В этом варианте выполнения схемного устройства выгодно достигается возможность генерации двух из зависящих от времени напряжений с помощью только одного источника постоянного тока. При этом использование инвертирующего усилителя обеспечивает тактирование этих двух напряжений в противофазе.

В альтернативном варианте выполнения схемного устройства оно содержит регулируемый источник постоянного напряжения, расположенный между контактом массы и второй обкладкой первого конденсатора, или второго конденсатора, или третьего конденсатора, или четвертого конденсатора. При этом между источником постоянного напряжения и второй обкладкой конденсатора расположен дополнительный выключатель (переключатель), выполненный с возможностью соединения второй обкладки конденсатора либо с источником постоянного напряжения, либо с контактом массы. Этот вариант выполнения схемного устройства выгоден тем, что одно из зависящих от времени напряжений может генерироваться посредством регулируемого источника постоянного напряжения. При этом выключатель обеспечивает возможность тактирования приложенного к конденсатору напряжения.

В одном варианте выполнения схемного устройства оно содержит тактовый генератор, выполненный с возможностью генерации тактового сигнала и обратного тактовому сигналу противотактового сигнала. При этом схемное устройство выполнено с возможностью управления синхронным демодулятором посредством тактового сигнала. Кроме того, схемное устройство выполнено с возможностью тактирования первого напряжения посредством тактового сигнала и тактирования второго напряжения посредством противотактового сигнала. Это выгодно тем, что в этом случае первое напряжение и второе напряжение тактируются в противофазе.

В еще одном альтернативном варианте выполнения схемного устройства оно содержит регулируемый источник переменного тока, расположенный между контактом массы и второй обкладкой первого конденсатора, или второго конденсатора, или третьего конденсатора, или четвертого конденсатора. При этом схемное устройство также содержит резистор, расположенный между второй обкладкой конденсатора и вторым узлом схемы, предусмотренным для того, чтобы находиться под повышенным относительно контакта массы постоянным потенциалом. В этом варианте выполнения схемного устройства резистор действует в качестве подтягивающего (нагрузочного) резистора, на котором падает напряжение, зависящее от силы тока, выдаваемого регулируемым источником переменного тока. Это напряжение прикладывается к одному из конденсаторов. Благодаря зависимости от времени тока, выдаваемого регулируемым источником переменного тока, также обеспечивается зависимость от времени напряжения, падающего на конденсаторе.

В предпочтительном варианте выполнения схемного устройства компаратор представляет собой интегрирующий компаратор или компаратор выборки-хранения. В этом случае компаратор позволяет сравнивать сигналы, выдаваемые усилителем во время обеих тактовых фаз противофазно тактируемых напряжений.

Предлагаемый детектор для обнаружения скрытых элементов каркаса (далее для краткости называемый детектором элементов каркаса) содержит охарактеризованное выше схемное устройство. Предлагаемый детектор элементов каркаса обладает повышенной чувствительностью обнаружения объектов. Благодаря этому уменьшается опасность ошибочных обнаружений объектов, т.е. ошибочных обнаружений, обусловленных слишком высокой и слишком низкой чувствительностью обнаружения. Кроме того, увеличивается максимальная глубина обнаружения объектов детектором элементов каркаса.

В предпочтительном варианте выполнения детектора элементов каркаса он содержит первый электрод и второй электрод. При этом первый электрод образует вторую обкладку первого конденсатора. Второй электрод образует первую обкладку первого конденсатора. В этом случае емкость первого конденсатора изменяется при приближении детектора элементов каркаса к объекту. Преимуществом является возможность обнаружения объекта схемным устройством с высоким отношением "сигнал-шум".

В одном варианте выполнения детектора элементов каркаса он содержит третий электрод. При этом первый электрод и третий электрод совместно образуют вторую обкладку первого конденсатора. В этом варианте выгодно достигается симметричность компоновки детектора элементов каркаса.

В дополнительном варианте выполнения детектора элементов каркаса схемное устройство выполнено с четвертым конденсатором. При этом детектор элементов каркаса содержит четвертый электрод и пятый электрод. Четвертый электрод и пятый электрод совместно образуют вторую обкладку второго конденсатора, или третьего конденсатора, или четвертого конденсатора. При этом второй электрод образует первую обкладку этого конденсатора. В этом вариант детектор элементов каркаса также имеет симметричную компоновку. При этом, когда такой детектор элементов каркаса приближается к объекту, изменяются емкости двух конденсаторов. Преимуществом является возможность обнаружения объектов схемным устройством с высоким разрешением.

В альтернативном варианте выполнения детектора элементов каркаса он содержит третий электрод. При этом третий электрод и второй электрод образуют второй конденсатор, третий конденсатор или четвертый конденсатор. Преимуществом детектора элементов каркаса и в этом варианте его выполнения является то, что когда такой детектор элементов каркаса приближается к объекту, изменяются емкости двух конденсаторов.

В одном варианте выполнения этого детектора элементов каркаса схемное устройство выполнено с четырьмя конденсаторами. При этом детектор элементов каркаса содержит четвертый электрод и пятый электрод. Четвертый электрод и второй электрод, а также пятый электрод и второй электрод образуют оба конденсатора, не образованных первым электродом и третьим электродом. Преимуществом детектора элементов каркаса в этом варианте его выполнения является то, что когда детектор элементов каркаса приближается к объекту, изменяются емкости всех четырех конденсаторов.

В предпочтительном варианте выполнения детектора элементов каркаса второй электрод расположен между первым электродом и третьим электродом. В этом случае преимуществом является то, что детектор элементов каркаса, в зависимости от схемы включения электродов, позволяет выполнять абсолютное или дифференциальное измерение приближения детектора элементов каркаса к объекту.

Целесообразно, чтобы конденсаторы схемного устройства детектора элементов каркаса, образованные не электродами, были выполнены в виде конденсаторов постоянной емкости. В этом случае преимуществом является то, что при приближении детектора элементов каркаса к объекту емкости конденсаторов, выполненных в виде конденсаторов постоянной емкости, не изменяются.

В предпочтительном варианте выполнения детектора элементов каркаса электроды выполнены в виде металлических пластин. Например, электроды могут быть выполнены в виде металлических поверхностей на печатной плате. В этом варианте преимуществом является то, что емкость электродов изменяется тогда, когда детектор элементов каркаса приближается к объекту.

Краткое описание чертежей

Осуществление изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, на которых показано:

на фиг. 1 - структурная схема схемного устройства;

на фиг. 2 - фрагмент альтернативного схемного устройства;

на фиг. 3 - фрагмент еще одного альтернативного схемного устройства;

на фиг. 4 - структурная схема еще одного альтернативного схемного устройства;

на фиг. 5 - структурная схема детектора элементов каркаса в базовом варианте;

на фиг. 6 и 7 - схематические изображения двух детекторов элементов каркаса для абсолютных измерений с помощью двух возбужденных электродов;

на фиг. 8 и 9 - схематические изображения детекторов элементов каркаса с двумя возбужденными электродами для дифференциальных измерений;

на фиг. 10 - график для сравнения абсолютных и дифференциальных измерений;

на фиг. 11-14 - схематические изображения детекторов элементов каркаса с пятью электродами для дифференциальных измерений;

на фиг. 15-18 - схематические изображения режима измерения детекторами элементов каркаса;

на фиг. 19 и 20 - схематические изображения детекторов элементов каркаса с пятью электродами для абсолютных измерений;

на фиг. 21 и 22 - схематические изображения режимов измерения этими детекторами элементов каркаса;

на фиг. 23, 24 и 25 - схематические изображения других детекторов элементов каркаса с пятью электродами для абсолютных измерений;

на фиг. 26, 27 и 28 - схематические представления режимов измерения этими детекторами элементов каркаса; и

на фиг. 29-32 электрические поля, получаемые во время работы детекторов элементов каркаса, имеющих различные конфигурации.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показана структурная схема схемного устройства 100. Схемное устройство 100 служит схемой регулирования для обнаружения изменений емкостей одного или нескольких конденсаторов. Схемное устройство 100 может использоваться, например, в емкостных детекторах, в частности в емкостных детекторах элементов каркаса.

Схемное устройство 100 содержит первый узел 101 схемы, второй узел 102 схемы и контакт 103 массы. Во время работы схемного устройства 100 второй узел 102 схемы находится под потенциалом, повышенным относительно контакта 103 массы, так что между вторым узлом 102 схемы и контактом 103 массы приложено напряжение Vcc. Кроме того, схемное устройство 100 содержит четвертый узел 104 схемы, пятый узел 105 схемы, шестой узел 106 схемы и седьмой узел 107 схемы.

Схемное устройство 100 содержит первый конденсатор 110, второй конденсатор 120, третий конденсатор 130 и четвертый конденсатор 140. Первый конденсатор 110 имеет первую обкладку 111 и вторую обкладку 112. Обкладки 111, 112 конденсатора также можно назвать пластинами конденсатора или электродами конденсатора. Второй конденсатор 120 имеет первую обкладку 121 и вторую обкладку 122. Третий конденсатор 130 имеет первую обкладку 131 и вторую обкладку 132. Четвертый конденсатор 140 имеет первую обкладку 141 и вторую обкладку 142. Первые обкладки 111, 121, 131, 141 конденсаторов 110, 120, 130, 140 соединены с первым узлом 101 схемы.

Схемное устройство 100 также содержит первый источник 150 постоянного тока, второй источник 160 постоянного тока, третий источник 170 постоянного тока и четвертый источник 180 постоянного тока. Четыре источника 150, 160, 170, 180 постоянного тока являются регулируемыми источниками постоянного тока, предусмотренными для выдачи постоянных токов с регулируемой амплитудой. Первый источник 150 постоянного тока имеет первый контакт 151, второй контакт 152 и управляющий контакт 153. Второй источник 160 постоянного тока имеет первый контакт 161, второй контакт 162 и управляющий контакт 163. Третий источник 170 постоянного тока имеет первый контакт 171, второй контакт 172 и управляющий контакт 173. Четвертый источник 180 постоянного тока имеет первый контакт 181, второй контакт 182 и управляющий контакт 183. Каждый из вторых контактов 152, 162, 172, 182 источников 150, 160, 170, 180 постоянного тока соединен с контактом 103 массы. Посредством управляющих контактов 153, 163, 173, 183 для соответствующих источников 150, 160, 170, 180 постоянного тока может задаваться управляющее воздействие, определяющее величину сил постоянных токов, выдаваемых источниками 150, 160, 170, 180 постоянного тока через свои контакты 151, 152, 161, 162, 171, 172, 181, 182.

Схемное устройство 100 также содержит первый выключатель 154, первый подтягивающий резистор 155, второй выключатель 164, второй подтягивающий резистор 165, третий выключатель 174, третий подтягивающий резистор 175, четвертый выключатель 184 и четвертый подтягивающий резистор 185. Вторая обкладка 112 первого конденсатора 110 соединена с четвертым узлом 104 схемы. Первый подтягивающий резистор 155 расположен между четвертым узлом 104 схемы и вторым узлом 102 схемы. Первый выключатель 154 расположен между четвертым узлом 104 схемы и первым контактом 151 первого источника 150 постоянного тока. Вторая обкладка 122 второго конденсатора 120 соединена с пятым узлом 105 схемы. Второй подтягивающий резистор 165 расположен между пятым узлом 105 схемы и вторым узлом 102 схемы. Второй выключатель 164 расположен между пятым узлом 105 схемы и первым контактом 161 второго источника 160 постоянного тока. Вторая обкладка 132 третьего конденсатора 130 соединена с шестым узлом 106 схемы. Третий подтягивающий резистор 175 расположен между шестым узлом 106 схемы и вторым узлом 102 схемы. Третий выключатель 164 расположен между шестым узлом 106 схемы и первым контактом 171 третьего источника 170 постоянного тока. Вторая обкладка 142 четвертого конденсатора 140 соединена с седьмым узлом 107 схемы. Четвертый подтягивающий резистор 185 расположен между седьмым узлом 107 схемы и вторым узлом 102 схемы. Четвертый выключатель 184 расположен между седьмым узлом 107 схемы и первым контактом 181 четвертого источника 180 постоянного тока.

Схемное устройство 100 также содержит генератор 190, имеющий выход 191 для тактового сигнала и выход 192 для противотактового сигнала. Тактовый генератор 190 выполнен с возможностью выдачи через выход 191 тактового сигнала с заданной частотой. Кроме того, тактовый генератор 190 выполнен с возможностью выдачи через выход 192 противотактового сигнала, сдвинутого по фазе на 180° относительно тактового сигнала, выдаваемого через выход 191. Схемное устройство 100 выполнено таким образом, чтобы приводить в действие первый выключатель 154 и четвертый выключатель 184 синхронно с тактовым сигналом, выдаваемым через соответствующий выход 191. Кроме того, схемное устройство 100 выполнено таким образом, чтобы приводить в действие второй выключатель 164 и третий выключатель 174 синхронно с противотактовым сигналом, выдаваемым через соответствующий выход 192.

Схемное устройство 100 также содержит усилитель 200, синхронный демодулятор 210, компаратор 220 и генератор 230 регулирующего параметра. Усилитель имеет отрицательный вход 201, положительный вход 202 и выход 203. Отрицательный вход 201 усилителя 200 соединен с первым узлом 101 схемного устройства 100. Положительный вход 202 усилителя 200 соединен с контактом 103 массы. Синхронный демодулятор 210 имеет сигнальный вход 211, модулирующий вход 212, первый выход 213 и второй выход 214. Сигнальный вход 211 синхронного демодулятора 210 соединен с выходом 203 усилителя 200. Модулирующий вход 212 соединен с выходом 191 для тактового сигнала тактового генератора 190. Компаратор 220 имеет первый вход 221, второй вход 222 и выход 223. Первый вход 221 соединен с первым выходом 213 синхронного демодулятора 210. Второй вход 222 компаратора 220 соединен со вторым выходом 214 синхронного демодулятора 210. Генератор 230 регулирующего параметра имеет вход 231 отклонения, первый выход 232 управляющих сигналов, второй выход 233 управляющих сигналов и выход 234 регулирующего параметра. Вход 231 отклонения соединен с выходом 223 компаратора 220. Первый выход 232 управляющих сигналов соединен с управляющим контактом 153 первого источника 150 постоянного тока и с управляющим контактом 173 третьего источника 170 постоянного тока. Второй выход 233 управляющих сигналов генератора 230 регулирующего параметра соединен с управляющим контактом 163 второго источника 160 постоянного тока и с управляющим контактом 183 четвертого источника 180 постоянного тока.

Первый источник 150 постоянного тока генерирует ток I_A. Второй источник 160 постоянного тока генерирует ток I_B. Третий источник 170 постоянного тока генерирует ток I_-A. Четвертый источник 180 постоянного тока генерирует ток I_-B. Токи I_A и I_-B первого источника 150 постоянного тока и четвертого источника 180 постоянного тока прерываются первым выключателем 154 и четвертым выключателем 184 с частотой тактового сигнала, выдаваемого через соответствующий выход 191 тактового генератора 190. Токи I_B и I_-A второго источника 160 постоянного тока и третьего источника 170 постоянного тока прерываются посредством второго выключателя 164 и третьего выключателя 174 с частотой противотактового сигнала, выдаваемого через соответствующий выход 192 тактового генератора 190. На четырех подтягивающих резисторах 155, 165, 175, 185 падают пропорциональные токам I_A, I_B, I_-A, I_-в напряжения, приложенные к четырем конденсаторам 110, 120, 130, 140 относительно общего опорного потенциала на первом узле 101 схемы. Первый узел 101 схемы образует виртуальную "массу".

Сигнал, выдаваемый на выходе 203 усилителя 200, подается синхронным демодулятором 210 синхронно с тактом тактового сигнала, выдаваемого через соответствующий выход 191 тактового генератора, попеременно на два входа 221, 222 компаратора 220. Компаратор 220 может быть, например, интегрирующим компаратором или компаратором выборки-хранения. Если компаратор 220 выполнен в виде интегрирующего компаратора, то он сравнивает интеграл сигнала, выдаваемого через выход 203 усилителя 200, взятый во время первой половины такта, с интегралом этого сигнала, взятым во время второй половины такта. Если компаратор 220 выполнен в виде компаратора выборки-хранения, то он сравнивает сигнал, выдаваемый через выход 203 усилителя 200, в определенный момент времени в первой половине такта, с сигналом в соответствующий момент времени во второй половине такта. Компаратор 220 выдает через свой выход 223 сигнал, зависящий от результата этого сравнения.

Генератор 230 регулирующего параметра генерирует, в зависимости от этого сигнала компаратора, принимаемого через вход 231 отклонения, регулирующий параметр n. Для этого генератор 230 регулирующего параметра может содержать пропорциональные, интегрирующие и дифференцирующие компоненты. Генератор 230 регулирующего параметра может быть выполнен, например, цифровым.

Генератор 230 регулирующего параметра также генерирует первый управляющий сигнал I₁, выдаваемый через первый выход 232 управляющих сигналов, и второй управляющий сигнал I₂, выдаваемый через второй выход 233 управляющих сигналов. Первый управляющий сигнал I₁ представляет собой сумму значения смещения Ι₀ и умноженного на n значения диапазона I_Δ: I₁=I₀+nI_Δ. Второй управляющий сигнал I₂ представляет собой разность значения смещения Ι₀ и умноженного на n значения диапазона I_Δ: Ι₂=Ι₀-nI_Δ. Таким образом, регулирующий параметр n изменяет оба управляющих сигнала I₁, I₂ в противоположных направлениях на значение смещения Ι₀. Первый управляющий сигнал I₁ подается через первый выход 232 управляющих сигналов генератора 230 регулирующего параметра в качестве управляющего сигнала в первый источник 150 постоянного тока и в третий источник 170 постоянного тока и определяет амплитуды токи I_A и I_-A, выдаваемых этими источниками 150, 170 постоянного тока. Второй управляющий сигнал I₂ подается через второй выход 233 управляющих сигналов генератора 230 регулирующего параметра в качестве регулирующего параметра во второй источник 160 постоянного тока и в четвертый источник 180 постоянного тока и определяет амплитуды токов I_B и I_-в, выдаваемых этими источниками 160, 180 постоянного тока.

Посредством зависящего от регулирующего параметра n управления амплитудами силы токов I_A, I_-A, I_b, I_-в, выдаваемых источниками 150, 160, 170, 180 постоянного тока, изменяющаяся синхронно с тактом составляющая сигнала, поступающего на отрицательный вход 201 усилителя 200, приводится в процессе регулирования к эталонному значению на положительном входе 202 усилителя 200, т.е. к потенциалу контакта 103 массы. В зависимости от того, выполнен ли компаратор 220 в виде интегрирующего компаратора или в виде компаратора выборки-хранения, это относится ко всей длительности такта или только к моментам выборки. В результате этого первый узел 101 схемы становится виртуальной "массой".

Поскольку схемное устройство 100 регулирует разность между сигналами, поступающими на входы 201, 202 усилителя 200, приводя ее к нулю, усилитель 200 может быть выполнен с очень высоким коэффициентом усиления. Благодаря этому для схемного устройства 100 достигается очень высокое отношение "сигнал-шум".

Первый конденсатор 110 имеет емкость С_изм. Второй конденсатор 120 имеет емкость С_этал. Третий конденсатор 130 имеет емкость С_{комп,изм}. Четвертый конденсатор 140 имеет емкость С_{комп,этал}. Каждый из подтягивающих резисторов 155, 165, 175, 185 имеет значение сопротивления R_p. В предельном случае, когда R_p→0, справедливо выражение:

Регулирующий параметр n четко определен, пока знаменатель в уравнении 1 не равен нулю. Однако схемное устройство 100, показанное на фиг. 1, осуществляет регулирование, только если С_изм больше С_{комп,изм} и С_этал больше С_{комп.этал}. Если поменять соотношение выходов 213, 214 синхронного демодулятора 210 с входами 221, 222 компаратора 220, то схемное устройство 100 будет осуществлять регулирование, если С_изм меньше С_{комп,изм}, а С_этал меньше С_{комп,этал}. Такой же эффект дает инвертирование входных сигналов усилителя 200.

Емкости С_изм и С_этал являются переменными и имеют соответствующую постоянную составляющую С_изм,0, С_этал,0 и соответствующую переменную составляющую Δ_изм и Δ_этал. Таким образом, эти емкости можно выразить следующим образом:

С_изм=С_изм,0+Δ_изм

С_этал=С_этал,0+Δ_этал

Выбор С_{комп,изм}=C_изм,0-ε и С_{комп,этал}=С_этал,0-ε, дает выражение:

Остаточную связь ε можно выбирать произвольно, в частности также произвольно малой. Таким образом, изменение регулирующего параметра n для заданных изменений Δ_изм, Δ_этал емкостей измерительного конденсатора 110 и эталонного конденсатора 120 можно задать произвольно, в частности также произвольно большим. Это означает, что и малые изменения емкостей дают большое значение регулирующего параметра и, который служит измеряемой величиной.

Преимуществом схемного устройства 100 является возможность уменьшить эффективную основную емкость, не влияя при этом на абсолютное изменение емкости. Эффективная в схемном устройстве 100 основная емкость определяется суммой разностей емкостей первого конденсатора 110 и четвертого конденсатора 140, с одной стороны, и второго конденсатора 120 и третьего конденсатора 130, с другой стороны. За счет подходящего выбора емкостей корректирующих конденсаторов 130, 140 эффективная основная емкость может принять сколь угодно малое значение. Однако абсолютное изменение емкости, вызываемое, например, приближением объекта к схемному устройству 100, по-прежнему пропорционально абсолютным значениям емкостей конденсаторов 110, 120. Поскольку емкости этих конденсаторов 110, 120 могут принимать сколь угодно большие значения, не влияя на эффективную основную емкость, это позволяет без больших затрат реализовать достаточно высокие значения изменений емкостей, обусловленных влиянием близости объекта.

Вместо корректирующих конденсаторов 130, 140 схемное устройство 100 также может содержать любые комплексные полные сопротивления, которые могут быть выполнены, например, в виде LCR-цепей.

В упрощенном варианте выполнения схемного устройства 100 от регулирующего параметра n зависит лишь один из генерируемых генератором 230 регулирующего параметра управляющих сигналов Ι₁, I₂. То есть, тогда справедливы выражения: I₁=I₀+nI_Δ; I₂=I₀+const или I₁=I₀+const; I₂=I₀-nI_Δ.

Измерительный конденсатор 110 в детекторе элементов каркаса со схемным устройством 100, как правило, будет выполнен в виде одного или нескольких электродов, например в виде металлической поверхности на печатной плате. Вместе с тем, в качестве таких электродов также может быть выполнен один или несколько остальных конденсаторов 120, 130, 140. Это может быть полезным, в частности, с точки зрения стабильности регулирующего параметра n при изменчивых внешних условиях (температура, влажность воздуха). Подробнее это рассматривается ниже.

Принцип действия, положенный в основу схемного устройства 100, можно обобщить следующим образом. Согласно уравнению 1 четыре емкости С_изм, С_этал, С_{комп,изм} и С_{комп,этал} входят в выражение для определения регулирующего параметра n с одинаковыми весами. Это справедливо в случае, когда, как было описано выше, все подтягивающие резисторы 155, 165, 175, 185 имеют одинаковое значение сопротивления R_p, а для приведения в действие четырех источников 150, 160, 170, 180 постоянного тока используются одно и то же значение смещения Ι₀ и одно и то же значение диапазона I_Δ. Если же допустить, что значения сопротивления подтягивающих резисторов 155, 165, 175, 185, а также значения смещения I₀ и значения диапазона I_Δ различны, то уравнение 1 можно расширить, включив перед емкостями весовые коэффициенты. Тогда получаем:

Вообще α_х=α'_х. Значения стоящих перед емкостями коэффициентов со штрихом и без него различаются только в случае, если и значения смещения I₀, и значения диапазона I_Δ варьируются независимо друг от друга.

Ниже со ссылкой на фиг. 2, 3 и 4 рассматриваются другие варианты схемного устройства 100, показанного на фиг. 1. При этом на фиг. 2 и 3 показаны только те части схемных устройств, которыми эти схемные устройства отличаются от схемного устройства 100, показанного на фиг. 1. На фиг. 2, 3 и 4 для компонентов, соответствующих компонентам схемного устройства 100, показанного на фиг. 1, используются те же номера позиций.

На фиг. 2 показан фрагмент схемного устройства 1100. По сравнению со схемным устройством 100, показанным на фиг. 1, в этом схемном устройстве 1100 отсутствуют первый источник 150 постоянного тока, первый выключатель 154 и первый подтягивающий резистор 155. Вместо них схемное устройство 1100 содержит первый источник 1150 постоянного напряжения с первым контактом 1151, вторым контактом 1152 и управляющим контактом 1153. Кроме того, схемное устройство 1100 содержит дополнительный выключатель (переключатель) 1154. Второй контакт 1152 первого источника 1150 постоянного напряжения соединен с контактом 103 массы. Дополнительный выключатель 1154 схемного устройства 1100 служит для того, чтобы соединять четвертый узел 104 схемы либо с первым контактом 1154 первого источника 1150 постоянного напряжения, либо с контактом 103 массы. Управляющий контакт 1153 первого источника 1150 постоянного напряжения соединен с первым выходом 232 управляющих сигналов генератора 230 регулирующего параметра. Дополнительный выключатель 1154 приводится в действие синхронно с тактовым сигналом, выдаваемым через соответствующий выход 191 тактового генератора 190.

Таким образом, по сравнению со схемным устройством 100, показанным на фиг. 1, в схемном устройстве 1100, показанном на фиг. 2, первый источник 150 постоянного тока и первый подтягивающий резистор 155 заменены первым источником 1150 постоянного напряжения. Первый источник 1150 постоянного напряжения генерирует зависящее от времени постоянное напряжение с регулируемой амплитудой, которое прикладывается к первому конденсатору 110 относительно первого узла 101 схемы. Остальные источники 160, 170, 180 постоянного тока и подтягивающие резисторы 165, 175, 185, имеющиеся в схемном устройстве 100, в схемном устройстве 1100, показанном на фиг. 2, могут быть соответственно заменены источниками постоянного напряжения. Уравнение 2 в схемном устройстве 1100 сохраняет свою действительность, если допустить, что значения смещения Ι₀ и значения диапазона I_Δ для отдельных источников постоянного напряжения различны.

На фиг. 3 показан фрагмент еще одного схемного устройства 1200. По сравнению со схемным устройством 100, показанным на фиг. 1, в схемном устройстве 1200 отсутствуют третий источник 170 постоянного тока, третий выключатель 174 и третий подтягивающи