Преобразователь перемещения в код

(19) ( 1) 55 Н 03 М 1(60 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(21) 4813133/24 (22) 10,04.90 (46) 15,02.93. Бюл, М 6 (71) Минский радиотехнический институт (72) А.С.Кузьмук и В.Ф.Юрьев (56) Стрыгин В.В, Автоматика и вычислительная техника. М,: Высшая школа, 1977, с. 18, рис. 1.9.Авторское свидетельство СССР М 1057975, кл. Н 03 М 1/50, 1982. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В КОД (57) Изобретение относится к контрольноизмерител ьной технике и и редназначено для автоматизации измерения и контроля различных неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение пластины дифференциального емкостного датчика, Целью изобретения является повышение точности преобразователя перемещения в код. С этой целью вгг преобразователь перемещения в код, содержащий дифференциальный емкостный датчик 1 с двумя неподвижными и одной подвижной 2 пластинами, два усилителя 15, 16, блок вычитания, первый токоограничивающий элемент, выполненный в виде резистора 9. введены делитель 19 частоты, цифровой частотометр 20 и пять токоограничивающих элементов, выполненных в виде резисторов 10 - 14, блок вычитания выполнен в виде блока вычитания частот, каждая из. неподвижных пластин дифференциального емкостного датчика выполнен в виде трех одинаковых изолированных секций 9 - 11 и 12 - 14, которые совместно с по- движной пластиной 2 й соответствующими усилителями 15, 16 образуют два ВС-генератора 21, 22, Благодаря этому исключается влияние напряжения питания, изменений температуры и влажности окружающей среды на точность измерения, 1 ил.Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и предназначенодля автоматизации измерения и контроляразличных неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение пластины дифференциальногоемкостного датчика.Известно устройство для измерения перемещения, содержащее дифференциальный емкостный датчик, первый и второйусилители, выходы которых подключены кформирователю разности напряжений,опорный генератор и источник напряжения,причем выходы опорного генератора подключены ко входам усилителей и к крайним 15пластинам дифференциального емкостногодатчика, средняя пластина которого подключена к источнику напряжения.Недостатком известного устройства является невысокая точность и стабильность 20измерений.Наиболее близким к заявленному являются преобразователь перемещения в код,содержащий дифференциальный емкостный датчик, первый и второй усилители, выходы которых подключены к крайнимпластинам дифференциального емкостногодатчика и ко входам формирования разности напряжений; выход которого соединенс информационным входом аналого-цифрового преобразователя, тактовый генератор,подключенный к запускающему входу формирователя временных интервалов, и источник напряжения, подключенный ко входамусилителей и к средней пластине дифференциального емкостного датчика через ключ,управляющий вход которого соединен спервым выходом формирователя временных интервалов, второй выход которогоподключен к управляющему входу аналого- "0цифрового преобразователя,Недостатком известного преобразователя также является невысокая точность истабильность измерений, обусловленнаяневысокой точностью аналоговых измерительных схем и зависимостью параметровформирователя временных интервалов иинтеграторов от питающих напряжений ипороговых напряжений срабатывания, температуры и влажности, Кроме того, использование аналого-цифрового преобразователяна выходе блока сравнения (формирователяразности напряжений) вносит дополнительную погрешность,Цель изобретения - повышение точности преобразователя перемещения в код,. Поставленная цель достигается тем, чтов преобразователь перемещения в код, содержащий дифференциальный емкостныйдатчик с двумя неподвижными и одной подвижной пластинами, первый и второй усилители, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блокавычитания, первый. токоограничивающийэлемент, введены делитель частоты, цифровой частотомер и пять токоограничивающихэлементов, блок вычитания выполнен в видеблока вычитания частот, каждая из неподвижных пластин дифференциального емко-.стного датчика выполнена в виде треходинаковых изолированных секций, первыекрайние секции первой и второй неподвижных пластин дифференциального емкостного датчика соединены с первыми входамисоответственно первого и второго усилителей и с первыми выводами соответственнопервого и второго токоограничивающихэлементов, вторые выводы которых соединены со средними секциями соответственно первой и второй неподвижных пластиндифференциального емкостного датчика и спервыми выводами соответственно третьего и четвертого токоограничивающих элементов, вторые выводы которых соединенысо вторыми край ими секциями соответственно первой и второй неподвижных пластин дифференциального емкостногодатчика и с первыми выводами соответственно пятого и шестого токоограничивающих элементов, вторые выводы которыхсоединены с выходами соответственно первого и второго усилителей, выход блока вычитания частот через делитель частотысоединен со входом цифрового частотомера, выход которого является выходом преобразователя, подвикная пластинадифференциального емкостного датчика ивторые входы первого и второго усилителейсоединены с общей шиной,На чертеже приведена функциональнаясхема преобразователя перемещения в код.Преобразователь содержит дифференциальный емкостный датчик 1, образованный подвижной пластиной 2 и секциями 3 - 8неподвикных пластин, токоограничивающие элементы, выполненные в виде резисторов 9 - 14, усилители 15, 16, общую шину17, блок 18 вычитания частот, делитель частоты 19 и цифровой частотомер 20.Подвижная пластина 2 совместно с сек, циями 3 - 5, резисторами 9 - 11 и усилителем15 образует ВС-генератор 21, эта же подвикная пластина 2 совместно с секциями6-8, резисторами 12-414 и усилителем 16образуют ВС-генератор 22,Преобразователь работает следующимобразом.В каждом цикле измерения производится измерение разности частот ВС-генераторов 21, 22, цепи положительной обратнойсвязи которых образуются емкостями дифференциального емкостного датчика 1 и резисторами 9-14, благодаря чему измеренное значение разности частот выходных напряжений ВС-генераторов 21-22 5 становится пропорциональным измеряемому перемещению,Частоты 11 и 12 ВС-генераторов 21 и 22. в которых в качестве частотоэадающих емкостей используются плечевые емкости С 1 и 10 С 2 дифференциального емкостного датчика 1, будут равны:1 бо+Ьб2 В С 1 2 ЛЯ в1 бо - Ьб 152 В С 2 2 В п 1 (1) боооткуда для Ко следует выражениеКо = дВгп =бо2 о(4)Согласно (3) погрешность д б измерения перемещения определяется погрешно 55 где бо - расстояние между неподвижными 9 - 11 и 12-14 секциями и подвижной 2 пластинами в среднем положении последней, 20Ь б - измеряемое перемещение;т - конструктивный параметр, зависящий от конструкции емкостного датчика 1 и площади секций 3 - 9;В - сопротивление резисторов 9-14.Из (1) следует, что разностная частота 1 на выходе блока 18 вычитания частот будет " пропорциональна измеряемому перемещениюЬд 30=-2-ЛЪ (2) откуда измеряемое перемещение будет равноб: Ко, (3) где Ко = лВгп - коэффициент пропорцио нальности.Таким образом, используя плечи диф. ференциального емкостного датчика 1 в качестве частотозадающих емкостей ВС-генераторов 21, 22 и измеряя разность 40 частот ВС-генераторов 21, 22, получим ли-. нейную зависимость между измеряемой раэностной частотой и измеряемым перемещением.Начальная частота 1 оВС-генераторов 45 21, 22, соответствующая исходному среднему положению средней пластины 2 датчика 1, выбирается так, чтобы обеспечить необходимую точность и разрешающую способность измерений, Величина 1 о согласно (1) 50 равна стью д 1 измерения разностной частоты 1при выбранном коэффициенте Ко,дб=К.д= д(5)2 оДля разрешающей способности Л б измерения, равной такому изменению величины перемещения, при котором показанияцифрового частотомера 20 изменяются наединицу, в соответствии с (3) и (4) получаембо(6)2 1 оИз (5) и (6) следует, что точность и разрешающая способность измерений при выбранной исходной величине зазора боопределяются начальной частотой 1 о ВС-генераторов 21,22, причем они тем выше, чем; выше частота 1 о,При включении устройства ВС-генераторы 21 и 22 работают в непрерывном режиме, генерируя синусоидальныенапряжения, частота которых определяетсяположением подвижной средней пластины 2 дифференциального емкостного датчика1, причем при перемещении пластины 2 частоты ВС-генераторов 21, 22 изменяются впротивоположных направлениях, Напряжения ВС-генераторов 21, 22 поступают навходы блока 18 вычитания частот, на выходекоторого формируется напряжение раэностной частоты, пропорциональной смещению средней пластины 2 датчика 1 отисходного положения равновесия,Разностная частота выходного напряжения блока 18 с помощью масштабногоделителя 19 частоты уменьшается в заданное число раз и поступает на цифровой частотомер 20, где измеряется и индицируется на цифровом индикаторе. При этом, как следует из выражения (3), коэффициент деления масштабного делителя частоты 19 должен равняться Ко. Масштабный делитель частоты 19 служит для согласования максимальной частоты сигнала на выходе блока 18, соответствующей максимальному измеряемому перемещению, с минимальной емкостью счетчика цифрового частотомера 20, величина которой равна максимальному перемещению пластины 2, измеряемому в каких-либо единицах, например, микронах. Иными словами, масштабный делитель частоты 19 нужен для того, чтобы независимо от выбора частоты ВС-генераторов 21, 22 частота сигнала, поступающего на вход цифрового частотомера 20, а значит и показания частотомера 20 были равны величине измеряемого перемещения в микронах. Реализуется блок 19 в виде каскадного соединения."с1795550 10 20 25 необходимого числа триггеров со счетным входом.Цифровой частотомер 20 работает циклицески, периодически измеряя частоту непрерывно поступающего на его вход импульсного напряжения разностной частоты , и предназнацен для измерения и цифровой индикации частоты поступающих на его вход импульсных сигналов с выхода масштабного делителя частоты 19. Типовая структурная схема цифрового частотомера вклюцает всебя счетцик импульсов, блок формирования временных интервалов (таймер) и индикатор, В принцИпе путем регулирования определяемого таймером временного интервала подсчета числа импульсов, поступающих на счетчик, можно добиться равенства числа поступающих на счетчик импульсов величине перемещения в микронах. При этом отпадает необходимость в масштабном делителе 19 частоты, однако при этом может быть не обеспечена разрешающая способность измерения,Частота импульсного сигнала на выходе блока 18 вычитания частот равна модулю разности частот ВС-генераторов 21 и 22, цто соответствует использованию в качестве рабочего перемещения подвижной пластины 2 в ту или другую сторону от исходного положения равновесия. В этом случае макси мал ьная величина измеряемого перемещения равна примерно бо, Для расширения в два раза линейного рабочего диапазона измеряемых перемещения существует две возможности. 35Во-первых, можно определить алгебраическую разность частот ВС- генераторов 21 и 22. В этом случае в блок 18 необходимо ввести узел для фиксации изменения на лфазы сигнала разностной частоты при пе Формула изобретения Преобразователь перемещения в код, содержащий дифференциальный емкостный датчйк с двумя неподвижными и одной подвижной пластинами, первый и второй усилители; выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока выцитания, первый токоограничивающий элемент, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены делитель частоты, цифровой частотомер и пять токоограничивающих элементов, блок вычитания выполнен в виде блока вычитания частот, каждая из неподвижных пластин дифференциального емкостного датчика выполнена в виде трех одинаковых изолированных секций, первые реходе подвижной пластины 2 через среднее положение и учета этого изменения путем изменения знака показаний цифрового частотомера 20. При этом возникает необходимость введения также цифрового вычислительного узла, обеспечивающего нулевое показание цифрового индикатора перемещения при нахождении пластины 2 в одном из крайних положений несмотря на нулевое показание счетчика частотомера 20.Во-вторых, путем изменения номинала В резисторов 9-11 или 12 - 14 одного из ВС- генераторов 21, 22 можно обеспечить равенство частот ВС-генераторов 21, 22 в одном из крайних положений подвижной средней пластины 2 дифференциального емкостного датчика 1. При этом показания цифрового частотомера 20 будут равны О. Этот путь расширения в два раза измеряемого диапазона перемещений наиболее простой и практически наиболее приемлемый. Используемая при обработке измерительного сигнала частота ВС-генераторов 21, 22 зависит только от параметров датчика 1 и резисторов 9 - 14, может быть выбрана точно и стабилизирована путем использованиявысокоточных и высокостабильных резисторов 9 - 14. Изменения температуры и влажности окружающей среды вызьвают одинаковые изменения частоты обоих ВС- генераторов 21, 22 и эти изменения частоты будут взаимно компенсироваться в блоке 18 вычитания частот,При этом частота ВС-генераторов 21; 22 задается резисторами 9- 14, исходя из заданной разрешающей способности измерений, В результате точность и стабильность преобразователя повышаются. крайние секции первой и второй неподвижных пластин дифференциального емкостного датчика соединены с первыми входами соответственно первого и второго усилителей и с первыми выводами соответственно первого и второго токоограничивающих элементов, вторые выводы которых соединены, со средними секциями соответственно первой и второй неподвижных пластин дифференциального емкостного датчика и с первыми выводами соответственно третьего и четвертого токоограничивающих элементов, вторые выводы которых соединены с вторыми крайними секциями соответственно первой и второй неподвижных пластин . дифференциального емкостного датчика и с первыми выводами соответственно пятого и1795550 10 Саста вител ь С. Рыбаков Техред М.Моргентал Корректор С.Юско Редактор В.Трубченко Заказ 435 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 шестого токоограничивающих элементов, вторые выводы которых соединены с выходами соответственно первого и второго усилителей, выход блока вычитания частот через делитель частоты соединен с входом цифрового частотомера, выход которого является выходом преобразователя, подвижная пластина дифференциального емкостного датчика и вторые входы первого и второго усилителей соединены с обшей шиной.