Емкостной датчик абсолютных положений

Союз СоветсиииСоциапистичесиикРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К. АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 1 926534(23) Приоритет ио делан изобретений и открытийОпубликовано 07.05 82 Бюллетень17 Дата опубликования описания 07.05.82(54 ЕМКОСТНЫИ ДАТЧИК АБСОЛЮТНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано всистемах автоматического регулирования подвижной части объекта и в вы"числительной технике.Известно устройство для определения координат, подвижной части объекта,содержащее емкостные кодирующие устройства и схемы преобразования емкостной связи в электрический сигнал,Передатчик и приемник устройстваосодержит группы прямоугольных кодовых элементов, выполненные в видедвух гребенок с зубцами, направленными друг к другу и чередующимисямежду собой 1115Основные недостатки устройства -. низкая точность измерения и ограничение возможности измерений в широкомдиапазоне перемещений,Известен емкостный датчик перемещений, содержащий емкостное кодирующее устройство, представляющее собойдве емкости многослойного дифференциального конденсатора, подключенногопараллельно контуру 1.С частотногодетектора. Общая обкладка дифференциального,конденсатора выполнена ввиде симметрично набранных прямоугольных пластин,.расположенныхпод углом 3- к траектории перемещения.Два других электорода представляютсобой пакеты. пластин по форме треугольника, установленные симметрично базовой пластине общей обкладки. Кодирующее устройство при прямолинейном перемещении общей обкладки (электрода) обеспечивает квадратичное изменение емкостей дифференциального конденсатора и линейное изменение частоты контура частотного детектора 23. Основной недостаток датчика - недостаточные точность и разрешающая способность, ограниченный диапазон измеряемых величин.ник по форме трапеции и прямоугольную пластину-передатчик, второй итретий конденсаторы подключены параллельно 1.С-контурам частотныхдетекторов канала измерения младшихразрядов и канала автоматическогоуправления режимом работы второгоусилителя схемы повторителя и содержит по две группу электрически соединенных металлических пластин трапецеидальной формы, равномерно расположенных вдоль трактории перемещения шагом 3., а число п пластинприемника и ипластин передатчикав каждом конденсаторе находится всоотношении п) и,На фиг, 1 представлена схема емкостного датчика абсолютных положений; на фиг. 2 - емкостное кодирующее устройство, на фиг. 3 - частотная характеристика детектора.Емкостный датчик абсолютных положений содержит канал измерения старших разрядов координаты подвижнойчасти объекта на длине 1.1 максимально возможного перемещения, составленный первым амплитудным ограничителем 1, первым частотным детектором 2,первым выходным операционным со смешенным нулем усилителем 3, выходнойклеммой 4 канала - канал измерениямладших разрядов сигнала на последовательно расположенных й участках,каждый длинойЛ/2( 1, составленный вторым амплитудным ограничителем 5, вторым частотным детектором б,вторым двухфункциональным операционным усилителем 7, третьим операционным усилителем 8 со смещенным нулем,выходной клеммой 9, схему автоматического управления режимной работыусилителя 7, составленную третьимамплитудным ограничителем 10, третьим частотным детектором 11, четвертым операционным усилителем 12 сосмещенным нулем, пятым операционнымусилителем 1.3 со смещенным нулем,двухканальным компаратором 14 и управляющим транзистором 15, генераторвысокочастотных колебаний 16,По способу первоначальной настройки частотные детекторы 2, б и 11 относятся к числу частотных детекторов со,взаимнорасстроенными контурами. Каждый из частотных детекторов 2,6 и 11 связан с генератором 16 посредством индуктивной связи между катушками индуктивностей 17 и 18, 19 и 20,21 и 22. 3 926534 4Цель изобретения - повышение точности и разрешающей способности датчика,Поставленная цель достигается тем,что в емкостный датчик абсолютныхположений, содержащий генератор синусоидальных колебаний, первый частотный детектор с емкостным кодирующимустройством, выход которого подключен к первому входу первого усилите рля, второй вход которого подключенк источнику опорного напряжения, авыход является выходом старшего разряда датчика, введены первый амплитудный ограничитель, вход которого подключен к синусоидальному генератору,а выход - ко входу первого частотного детектора, канал, измерения младших разрядов, включающий второйамплитудный ограничитель, вход ко- щторого подключен к синусоидальномугенератору, а выход - ко входу второго частотного детектора с емкостным кодирующим устройством, выходкоторого подключен к первому входу 25второго усилителя, выход которогоподключен к первому входу третьегоусилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход является выходом зомладших разрядов датчика, канал автоматического преобразования режимаработы второго усилителя - повторитель-инвертор, включающий третийамплитудный ограничитель, вход которого подключен к выходу генераторасинусоидальных колебаний, а выходко входу частотного детектора, выход которого подключен к первомувходу четвертого усилителя, второйвход которого подключен к источникуопорного напряжения, а выход - к первому входу компаратора, второй итретий входы которого подключены кисточнику опорных напряжений, четвертый вход - к выходу пятого усилителя, а выход - ко.входу ключа, пер.вый вход которого подключен к земле,а второй - ко второму входу второгоусилителя, выходу второго частотного детектора и первому входу пятого усилителя, второй вход которогоподключен к источнику опорного напряжения, причем емкостное кодирующееустройство выполнено в виде трех55плоских двухслойных конденсаторов,первый иэ которых подключен параллельно С-контуру первого частотного детектора и содержит пластину-прием6534 5 92Каждый из укаэанных частотных детекторов содержит два вэаимнорасстроенных контура, образованных верхней и нижней частями катушек индуктивности и общими для них конденсаторами 23 (24 и 25) постоянной емкости и подстроечными конденсаторами 26 (27 и 28).Для определения величины емкост" ной связи между частями объекта конденсаторы 29-31 контролирующего устройства подключены параллельно конденсаторам 23 и 26 (24 и 27, 25 и 28) и составляют переменную часть емкости контуров.Резисторы 32-34 в схеме канала измерения старших разрядов 35-38, канала измерения младших разрядов, а также 39-42 в схеме автоматического управления являются элементами выбора коэффициентов передачи и регулировки величины смещения нуля усилителей 3, 12 и 13.Резисторы 42-45 совместно с усилителем 7 образуют схему повторителя, которая открыванием управляющего транзистора "15 преобразуется в схемуинвертора..Резисторы 46-49 являются элементами установки коэффициента передачи и смещения нуля усилителя 8.Емкостное кодирующее устройство состоит из передатчика 50 и приемника 51. С целью увеличения точности измерения электроды каждого из конденсаторов 30 выполнены в виде множества электрически соединенных между собою пластин трапецеидальной формы, расположенных вдоль траектории перемещений с шагом Х . Использование множества пластин обеспечивает уменьшение технологических погрешностей изготовления благодаря их усреднению по множеству, в то время как выбор пластин трапецеидальной формы обеспечивает линейную зависимость частот контуров и амплитуд выходных сигналов от координаты передатчика. Для образования пространственного сдвига между сигналами детекторов 6 и 17, необходимого для обеспечения работы схемы автоматического улравле" ния, неподвижные электроды конденсаторов 30 сдвинуты между собою на ве" личину д 1 вдоль траектории перемещения передатчика. Поверхности оснований передатчика 50 и приемника 51 параллельнымежду собою и образуют свободныйзазор величиной д (фиг. 2)5 Ширина пластины электродов, представляющая собой высоту трапеции Ь,и зазор д между подвижными и неподвижными электродами находятсяв соотношениио й/д " 1Указанное соотношение разрешаетполучить высокую степень линейностивыходного сигнала детектора у егоэкстремальных точек.15 8 схеме датчика конденсаторы 23и 26 (24 и 27, 25 и 28)образуют начальную емкость Сн , общую для обоихвзаимно расстроенных контуров каждого из детекторов 2, 6 и 11,10 . Конденсаторы 29 и 30 совместнос начальными емкостями составляютсуммарные емкости контуров детекторов и обеспечивают синхронное изменение их резонансных частот при пере 25 мещениях подвижных электродов. Линейная зависимость частот контуров откоординаты перемещения подвижногоэлектрода обеспечивается тем, что вкаждом детекторе начальная емкость С5 О является. эквивалентом емкости плоскопараллельного конденсатора с пластинами по форме треугольника, дополняющего форму и площадь трапецеидальных пластин электрода конденсатора ко 35 дирующего устройства до треугольника.Синхронное смещение вдольоси Гчастот 1 и Г при изменении ко-.ординаты х передатчика означает равное ему смещение частотной характере ристики детектора (фиг. 3),Для обеспечения нормальной работыканалов измерения и схемы автоматического управления датчик настроенследующим образом: в положении передатчика х= хв + Ь/2, что соответствует его истиной координате х =1 л.2-+ и/2 = хПри этом электроды канала измерения старших разрядов и пластин электродов канала измерения младших разрядов взаимно перекрыты на величину Ь/2, контура детекторов 2 и 6настроены так, что их частоты Г ина частотной оси Г располагаютсясимметрично относительно частоты 1генератора 16 на расстояниях от нееная характеристика (а о в) частотногодетектора 2 (6) пересекает ось Гв точке 1. = Гг, а выходное напряжениедетектора равно нулю.В крайнем правом положении передатчика, что соответствует его истинной координате Х = Х = 0 и условной Х = Х 0, при котором площади взаимного перекрытия конденсаторов 29и 30 равны нулю, частотная характеристика (ао" в) находится в крайнем. правом положении, а выходное напряжение детектора равно -О, выходноенапряжение усилителя 3 (13) скомпенсировано подачей напряжения +О нанеинвертирующий вход усилителя 3 (13)с резистора 34 (38).Аналогичным образом, но для условных координат пеРедатчиках = хо + 6=2 -д 1 х = хо - Инастроены частотный детектор 11 иусилитель 12,При нахождении передатчика поочередно в точках с условными координатами х = хо, х = х выбраны величины опорных напряжений О 0 п , Оопприводящие к установлению на выходекомпаратора 14 логических уровнейсоответственно "+1 и "-1". При этомв координате х = х 0 на выходе компаратора 14 имеет место уровень "-1",при котором транзистор 15 закрыт,а усилитель 7 с резисторами 42-45образует схему повторителя, в координате х = х на выходе компаратокра - "+1", транзистор 15 открыт, аусилитель 7 с резисторами 42-45 образует схему инвертора,В точке с координатой Х = Х 0, когдана выходе усилителя 7 имеет местонапряжение -Он, напряжение на выходеусилителя 8 (клемма 9) скомпенсировано подачей на его неинвертирующийвход напряжения +О с резистора 49 В отличие от известных в технике связи частотных детекторов со взаимно расстроенными контурами, в которых частоты Г, Г закреплены на частотной оси Г, а частоты входного сигнала, оставаясь между ними, девиируют относительно своего среднего значения, в частотных детекторах датчика закреплена частота генератора Уг,а относительно ее синхронно девиируют частоты Г и Г, всегда оставаясь по разные стороны отОбразованная частотами 1, и частотная характеристика (а о в)% Через точку т - проходит ось выходных напряжений детектора, В определенном масштабе выходное напряжение детектора изображается отрезкоммежду осью частот Г и точкой пересе чения частотной характеристики сосью напряжений.В исходном состоянии, при которомпередатчик 50 находится в крайнемправом положении частотная характе 15 ристика (а о в) детектора 2 (,61занимает на оси частот Г крайнееправое положение, а его выходноенапряжение равно -О. Частотная характеристика детектора 11 ( на 20 фиг. 3 пунктирной линией) смещенавлево относительно характеристики (а ов ) на величину М , аего выходное напряжение равно Ок,Напряжение на выходе смещенных уси лителей 3 и 13 равно нулю, усилителя 12 составляет величину д О.На входах компаратора 14 действует разница напряженийьО-О=дО =Осрэ 0 Под действием напряжения Оср на выходе компаратора 14 установленосостояние логического уровня "-1",Транзистор 15 закрыт, Усилитель 7совместно с резисторами 42-45 образует схему повторителя, а на еговыходе имеет место напряжение, равное -О. На выходе смещенного усилителя 8 и клемме 9 напряжение равнонулю.При перемещении передатчика влево,вследствие роста суммарной емкостив контуре, частотная характеристика (а о в) смещается влево, отрезая на оси напряжений величину эквивалентную выходному напряжению де. - .тектора, Напряжение на выходах детекторов 6 и 11 от уровней -О, -Ояубывает до нуля, а затем, после перехода через нуль возрастает в положительном направлении. На выходах смещенных усилителей 3, 12, 13 и 8 перемещения передатчика реализуются в линейновозрастающее напряжение. При выходе передатчика в точкус координатой х, = х 0 + Ь - д 1,напряжение на выходе усилителя 12достигает максимальной величины О --и9 9265 на выходе усилителя 13 отстает от него на величину Оср, При дальнейшем увеличении координаты х; напряжение О, линейно убывает, достигая в точке х, = х + и - ь 2 равенства с напряжением О 4 на выходе усилителя 13.При перемещении передатчика влево суммарная емкость в контурах детекторов 6 и 11 убывает по обратному 10 закону, Частотная характеристика детектора из крайнего левого положения (а 1 о" в")перемещается вправо. Процесс изменения выходных напряжений детекторов, 6 и 11 на выходах усили телей 12 и 13 идет в обратном направлении, а его полный цикл заканчивается в точке, отстоящей от предыдущей на расстоянии Л. - шага распределения пластин электродов конденса тора 30 (31). При этом на указанном интервале напряжение на выходе усилителя 8 дважды возрастает от нуля до 2 Он и падает до нуля.Таким образом координата подвиж ной части объекта, с которой меха-, нически связан передатчик датчика, каждый раз определяется двумя компонентами, компонентой измерения, содержащей числа и старших разрядов, 5 О и компонентой содержащей числа п младших разрядов.При этом, благодаря введению в датчик канала измерения младших разрядов точность и разрешающая способность датчика повышается в 10Л 4 раз, где и- число старших разрядов измерения.Формула изобретенияЕмкостный датчик абсолютных положений, содержащий генератор синусоидальных колебаний, первый частотный детектор с емкостным кодирующим устройством, выход которого подключен к первому входу первого усилителя,второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход является выходом старшего разряда датчика, о т л и ч а ю щ и й с ятем что, с целью расширения диа 1 150 пазона измерения и повышения разрешающей способности датчика, в него введены первый амплитудный ограничитель, вход которого подключен к синусоидальному генератору, а55 выход - к входу первого частотного детектора, канал измерения младших разрядов, включающий второй амплитудный ограничитель, вход которого под 34 10ключен к синусоидальному генератору,а выход - к входу второго частотного детектора с емкостным кодирующимустройством, выход которого подключен к первому входу второго усилителя, выход которого подключен к первому входу третьего усилителя, второйвход которого подключен к источникуопорного напряжения, а выход является выходом младших разрядов датчика, канал автоматического преобразования режима работы второго усилителя - повторитель-инвертор, включающий третий амплитудный ограничитель,вход которого подключен к выходугенератора синусоидальных колебаний,а выход - к входу частотного детектора, выход которого подключен к первому входу четвертого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход -к первому входу компаратора, второйи третий входы которого подключенык источнику опорных напряжений, четвертый вход - к выходу пятого усилителя, а выход - к входу ключа, пер-вый вход которого подключен к земле,а второй - к второму входу второгоусилителя, выходу второго частотного детектора и первому входу пятогоусилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, причем емкостное кодирующееустройство выполнено в виде плоскихдвухслойных конденсаторов, первыйиз которых подключен параллельноконтуру первого частотного детектора и содержит пластину-приемник по форме трапеции и прямоугольную пластину-передатчик, второй и третий конденсаторы подключены параллельно- контурам частотных детекторовканала измерения младших разрядови канала автоматического управлениярежимом работы второго усилителя исодержит по две группы электрическисоединенных металлических пластинтрапецеидальной формы, равномерно расположенных вдоль траектории перемещения шагом А, а число л 4 пластин приемника и л пластин передатцика вкаждом конденсаторе находится всоотношении п ) и .Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США 8 3938113,кл. С 08 С 19/10 в 1976.2. Авторское свидетельство СССРй 599 111, кл. С 01 0 5/23, 1977.926534 Редакт олаковск сно каз 29 д. 4/ ал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная 35ВНИИПИ Государпо делам из 113035 Москва юг. 7Сост а ви тел ь М. КатановаТехред И. Бабинец Корректор А.фе Тираж 671 Потвечного комитета СССРбретений и открытийВ, Раущская наб.,