Способ преобразования перемещения в напряжение и устройство для его реализации (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИКи 60 7/2 УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯАВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(57)1, Способ преобразования перемещения в напряжение, заключающийся в формировании из входного напряжениядвух напряжений с помощью емкостныхдатчиков, разность между которыми характеризует перемещение, о т л ич а ю щ и й с я тем, что с цельюрасширения линейного диапазона измерений, входное напряжение Формируют ввиде разности между дополнительным оопорным напряжением и сформированнойс помощью емкостных датчиков из входного напряжения разностью.Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразованиям перемещения в напряжениес помощью двухэлектродных емкостныхдатчиков с изменяемой величиной зазора между обкладками.Известен способ преобразованияперемещения в напряжение с помощьюдвухэлектродного емкостного датчиКа, основанный на измерении выходного напряжения операционного усилителя, в цепь отрицательной обратнойсвязи которого включен емкостный датчик, реализованный в устройстве. Изменение величины зазора между пластинами датчика вызывает изменение емкостного сопротивления датчика и коэффициента передачи операционного усилителя, что позволяет при неизменном напряжении источника входногосигнала получить линейную зависимость 2 Омежду выходным напряжением и измеряемым перемещением 11.При малых значениях емкости датчика и высокой частоте входного сигнала порядка нескольких мегагерц) воз никают технические трудности в реализации способа, обусловленные паразитными емкостями монтажа и параметрами усилителя на высоких частотах. Кроме того, обе пластины емкостного датчика долины быть электрически изолированы, что усложняет конструкцию датчика и не позволяет использовать в качестве одной из пластин непосредственно поверхность объекта перемещения.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому являетсяспособ преобразования перемещения внапряжение, реализуемый с помощью емкостного измерительного устройства и заключающийся в формировании с помоцью измерительного канала, связанного с емкостным датчиком,и опорного канала из входного напряжения прямоугольной формы двух на пряжений, разность между которыми пропорциональна разности емкостей датчика и конденсатора сравнения 2.Недостаток такого способа состоит в ограничении диапазона изме О рения перемещений из-за нелинейности характеристики преобразования.Дель изобретения - расширение линейного диапазона измерения перемещений. 55Указанная цель достигается тем,что согласно способу преобразования перемещения в напряжение, заключающемуся в формировании из входного напряжения двух напряжений с помощью 60 емкостных датчиков, разность между которыми характеризует перемещение, входное напряжение Формируют в виде разности между дополнительным опор- ным напряжением и сФоРмированной 65 с помощью емкостных датчиков из входного напряжения разностью.Поставленная цель достигается тем,что в устройство для преобразования перемещения в напряжение, содержа-щее двухэлектродный емкостный датчик, один из электродов которого заземлен, электронный ключ управляю" ций вход которого подключен к выходу генератора, первую и вторую диод- но-резисторные цепи, аноды диодовкоторых объединены и подключены к выходу электронного ключа, а катоды подключены к соответствующим резисторам, при этом к точке соединения катода, диода и резистора первой диодно-резисторной цепи подключен потенциальный электрод емкостного датчика, введены первый и второй сФмматоры, источник опорного напряжения и первый и второй фильтры нижних частот, подключенные входами к свободным концам резисторов соответственно первой и второй диоднорезисторных цепей, а выходами - к входам первого сумматора, выход которого соединен с инверсным входом второго сумматора, прямой вход которого соединен с источником опорного напряжения, вьход второго сумматора соедийен с введенной выходной шиной, которая является шиной питания электронного ключа.Во втором варианте в устройство для преобразования перемещения в напряжение, содержащее двухэлектродный емкостный датчик, один из электродов которого заземлен, электронный ключ, управляющий вход кото" рого подключен к выходу генератора, первую и вторую диодно-резисторные цепи, аноды диодов которых объединены и подключены к выходу электронного ключа, а катоды подключены к соответствующим резисторам, при этом к точкам соединения катода диода и резистора первой и второй диодно-резисторных цепей подключе-ны потенциальный электрод емкостного датчика и неэаземленный вывод компенсирующего конденсатора, введены третья диодно-реэисторная цепь, анод диода которой подключен к. выходу электронного ключа, первый, второй и третий Фильтры нижних частот, подключенные входами к свобод. ным концам резисторов первой, второй и третьей диодно-резисторных цепей соответственно, первый, второй и третий сумматоры и источник опорного напряжения, подключенный к прямому входу третьего сумматора, выход которого соединен с управляющим входом генератора, а инвертирующий вход - с выходом первого сумма:,тора, входы которого соединены с выходами первого и второго Фильтров1026081 45 60 б 5 нижних частот, а выходы второго и третьего фильтров нижних частот подключены к входам второго сумматора.В третьем варианте в устройство для преобразования перемещения в напряжение содержащее емкостный датчик, электронный ключ, управляющий вход которого подключен к первому . выходу генератора, первую и вторую . диодно-резисторные цепи, аноды диодов которых объединены и подключены к 10 выходу первого электронного ключа,и общую шину, введены второй электронный ключ, подключенный управляющимвходом к второму выходу генератора,третья и четвертая диодно-резисторные 15 цепи, аноды диодов которых объединены и подключены к выходу второгоэлектронного ключа, первый, второй,.третий и четвертый фильтры нижнихчастот, входы которых подключены ксвободным концам резисторов соответствующих диодно-резистарных цепей,первый сумматор, входы которого под"ключены к выходам первого и второго Фильтров нижних частот, второй сумматор, входы которого подключены к выходам третьего и четверого фильтров нижних частот, первЫй и второй последовательно соединенные резисторы,подключенные свободными концами к выходам первого и второго сумматоровсоответственно, компаратор, подключенный первым входом к точке соединения первого и второго резистора,третий резистор, соединяющий второйвход компаратора с общей шиной,источники положительного и отрицательного питания, подключенные. к соответствующим входам компаратора,стабилизатор напряжения и четвертыйи пятый резисторы, соединяющие соответствующие входы стабилизатора, первого и второго электронных ключейс источниками положительного и отрицательного питания, при этом емкост" ный датчик выполнен дифференциальным со средним электродам, соединеннымс общей шиной, а крайними электродами - с катодами диодов второй и третьей диодно-резисторных цепей.На Фиг.1 показана блок-схемаустройства, с помощью которого осуществляют предлагаемый способ на фиг.2;- второй вариант устройства 3 на Фиг.3 - третий вариант устройства.Устройство фиг.1) содержит генератор 1 импулЬсов,. выход которого соединен с входом электронного ключа2, первую диодно-резисторную цепь3 с емкостным датчиком 4 и вторуюдиодно-резисторную цепь 5, включенные между выходом электронного ключа 2 и входами фильтров 6 и 7 низких частот, выходы которых-. соединены соответственно,с суммирующим и вычитающим входами сумматора 8, второй сумматор 9, неинвертирукщий входкоторого подключен к источнику опорного напряжения Д, а инвертирующийвход соединен с выходом сумматора 8,выход второго сумматора 9 подключенк шине питания электронного ключа 2и выходной шине устройства,Устройство по второму вариантуФиг.2). предназначено для преобразования перемещения одновременно ваналоговый и дискретный электрические сигналы, содержит управляемыйпо частоте генератор 10 импульсов,выход которого соединен с входомэлектронного ключа 11 и шиной выдачидискретного сигнала, первую диодно"резисторную цепь 12 с емкостным датчиком 13, вторую диодно-резисторнувцепь 14 с компенсирующим конденсатором 15 и третью днодно-резисторнуюцепь 16, включенные между выходомэлектронного ключа 11 и входамифильтров 17,18 и 19 низких частотсоответственно, выход фильтра 17низких частот соединен с суммирующим входом первого сумматора 20, выход Фильтра 18 низких частот - с вычитающим входом первого сумматора 20и суммирующим входом второго сумматора 21, а выход фильтра 19 низкихчастот соединен с вычитающим входомвторого сумматора 21, выход второго,сумматора 21 связан с шиной выдачианалогового сигнала, неинвертирующнйвход третьего сумматора 22 подключенк источнику опорного напряжения 0а инвертирующий вход соединен с выходом первого сумматора 20, выходтретьего сумматора 22 подключен кУправляющему входу генератора 10импульсов.Устройство по третьему варианту ( Фиг.3), предназначенное для пре-.образования в напряжение перемещения средней пластины дифференциального емкостного датчика, содержит генератор 23 разнополярных импульсов, выходы которого соединены с входами первого электронного ключа 24, Формирующего на выходе прямоугольные" импульсы напряжения положительной полярности, и второго электронного ключа 25, формирующего на выходе прямоугольные импульсы напряжения отрицательной полярности, первую, вторую, третью и четвертую диоднорезисторые цепи 26,27 28 и 29, диод- но-резисторные цепи 26 и 27 включены между выходом электронного ключа 24 и входами фильтров 30 и 31 низких частот, диодно-резисторные цепи 28 и 29 включены между выходом электронного ключа 25 и входами фипьтров 32 и 33 низких частот, плечи дифференциального емкостного датчика 34 подключены к точкам соединения диодов и резисторов первой и второй диодно-резисторных цепей 26 и 27, выходы фильтров 30 и 31 низких частотсоединены соответственно с вычитающим и суммирующим входами первогосумматора 35, выходы фильтров 32 и 33низких частот соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входамивторого сумматора 36 неинвертирующийвход компаратора 37 через первый ивторой резисторы 38 и 39 подключенк выходам первого и второго сумматоров 35 и 36, инвертирующий вход ивыход компаратора 37 соединен с общейшиной, шины питания электронных клю-чей 24 и 25 являются выходными шинами устройства и соединены с.шинами пипитания компаратора 37 и стабилизатором напряжения на гстабилитроне 40,.Устройство работает следующим образом. 20Емкостный датчик 4 запитываетсяпрямоугольными импульсами с выходаэлектронного ключа 2, управляемогоот генератора 1 импульсов через диодно-резисторную цепь 3При этом в . 25точке 41 формируются импульсы напряжения с длительностью спада, определяемой постоянной времени разрядной цепи емкостного датчика 4, а вточке 42 - импульсы напряжения, близкие по форме к прямоугольнымЙа выходах фильтров 6 и 7 низких частотформируются напряжения, пропорциональные средним значениям импульсныхнапряжений в точках 41 и 42. На вылходе сумматора 8.формируется разностное напряжение, которое затем сравнивается с опорным напряжением Оона втором сумматоре 9. Выходное напряжение второго сумматора 9 подаетсяна мину питания электронного ключа 402, и по его величине судят о текущемзначении перемещения,При постоянной времени разряднойцепи емкостного датчика 4, во многораз превышающей постоянную времени 45зарядной цепи, среднее значение импульсов напряжения можно выразить через сумму площадей прямоугольной части импульсаи экслоненциальной части спада импульса с постоянной Време ни разрядной цели емкостного датчика, На выходе первого сумматора 8. формируется напряжение, пропорциональное площади экспоненциальной часТиимпульсов напряжения, создаваемое 55током разряда емкостного датчика 4,Величина дозированного заряда, переносимого импульсом тока за период,пропорциональна площади экспоненциальной части импульсов напряжения иравнаи -1 ВС АСЭ 6 сЫ=-Э КСб "еб- длительность разряда, равная длительности паузы генератора импульсов 1.Второй член в выраженииИ) уменьшается с увеличением длительности разряда Ь . Уже при 1 Ь 7 МС , что может быть обеспечено выбором параметров схемы, величина второго члена составляет не более 0,0011 ВСи с ,цостаточной точностьюс=Э ас=о с к,о М где О-. максимальное напряжение наемкостном датчике 4, пропорциональное при идеальныхпараметрах электронногоключа 2 напряжению на шинепитания ключа,К - коэффициент пропорциональности,- диэлектрическая проницаемость,6 - площадь пластин датчика;Хизмеряемое перемещение.Среднее значение импульсов ток разряда равнод "Б й)где Эс - среднее значение тока разРряда;- частота следования импульсов генератора 1.Напряжение на выходе первого сумматора 8 пропорционально среднему значению тока разряда и с учетом . 2) и(3) равно0 =К.,К 0, 14)85где 08- выходное напряжение первогосумматора 8;К - коэффициент пропорциональностиО,)- выходное напряжение второгосумматора 9.При достаточно большом коэффициенте усиления второго сумматора 9 разность напряжений на ее входах близка к нулю. Принимая выходное напряжение первого сумматора 8 равным опорному напряжению Оо , из выражения4) перемещение Х определяется какЕ 5хкк, ц ЬО, цоВыражение ( 5) не учитывает влияния паразитной емкости монтажа и элв ментов схемы, устанавливая напряжение на выходе Фильтра 7 низких частот изменением его коэффициента передачи, равным напряжению на выходеФильтра 6 низких частот при длительности спада импульсов напряжения вдиодно-резисторной цепи 3, создаваемой паразиткой емкостью монтажа и эле."ментов схемы, можно получить выходную характеристику преобразования,близкую к линейной,Погрешность нелинейности преобра"зования определяется соотношением 0длительности паузы генератора импуль"сов и постоянной времени разряднойцепи емкостного датчика, конечнымзначением коэффициента усиления схемы сравнения, а также неидеальностью 15параметров электронного ключа.Устройство по второму вариантуработает следующим образом.Емкостный датчик 13 запвтывается прямоугольнымв импульсами с вц" 2 О. хода электронного: ключа 11, управляемого от генератора 10 импульсовчерез первую диодно-резисторную цепь12. При этом в точке 43 Формируютсяимпульсы напряжения с длительностью дспада, определяемой постоянной времени разрядной цепи емкостного датчика, в точке 44 - импульсы напряжения с длительностью спада, определяемой постоянйой времени разрядной це- ЗОпи компенсирукщего конденсатора 15.В точке 45 формируются прямоугольныеимпульсы напряжения. На выходахфильтров 17,18 и 19 низких частот, Формируются напряжения, пропорцио"нальные средним значениям импульсных З 5напряжений в точках 43,44 и 45. Навыходе первого сумматора 20 Формируют разность: выходных напряженийФильтров 17 и 18 низких частот,:-:;"которая затем сравнивается с опорным 4 Онапряжением 0 в третьем сумматоре 2 ЪВыходное напряыение третьего сумматора 22 подается на управляющий входгенератора ЙО импульсов. На выходевторого сумматора 21 Формируется раз 45ность выходных напряжений фильтров18 и 19 низких частот. По величиневыходного напряжения второго сумма тора 21 и частоте следования импульсов генератора 10 судят о текущем узначении перемещения,Прв постоянной времени разрядйойцепи емкостного датчика 13, во мио го раз превышающей постоянйую времени зарядной цепи, среднее значение импульсов напряжения можно выразить через сумму площадей прямоугольной части вмпульеа и экспоиенциальной части спада импульса с постоянной времеви разрядной цепи емкостио го датчика. При отсутствии компенсирующего конденсатора 15 во второй диодно-резисторнойццепи иа выход первого сумматора 20 формируется напряжение, пропорциональное площади экспоненциальной части импульсов напряжения, Аналогично выражению (4) выходное напряжение первого сумматора 20 равноОйо=КК х пЖгдето - выходное напряжение первогосумматора 20;Я - диэлектрическая проницаемость5 - площадь пластин датчика,Х - измеряемое перемещение;- частота следования импульсовгенератора 10,Е - напряжение на шине питанияЬэлектронного ключа 11,При достаточно большом коэффициенте усиления третьего сумматора 22 разность напряжений на его входах близка к нулю, Принимая выходное напряжение первого сумматора 20 равным опорному напряжении Оо, из выражения (6) перемещение Х определяется йак)=1 КД 5 ф 1 (1)Яа выходе второго сумматора 21 формируется напряжение, пропорциональное площади экспоненциальной части импульсов напряжения, При идентичных параметрах диодно-резисторных цепей 12, 14 и 16 фильтров 17,18 и 19 низких частот и сумматоров 20 и 21 выходное напряжение второго сумматора 21 равноу=Х,СЕ%, (В)гдеО - выходное напряжение второго сумматора 21; Су- емкость компенсирующего конденсатора 15. Из выражений (7) и(8ХКл с 0 Ойл (9)к оПри одинаковой диэлектрической проницаемости среды между пластинами емкостного датчика и компенсирующего конденсатора в выражении (9) выходное напряжение второго сумматора не зависит от диэлектрической проницаемости среды. Для уменьшения погрешнос ти преобразования, определяемой из мененвями условий среды, необходимо емкостный датчик и компенсвруквий конденсатор располагать в одинаковых условиях,Устройство по третьему варианту работает следующим Образом,Плечи диФФеренциального емкостного датчика 34 запитцваются прямоугольными импульсами с выходов электронных ключей 24 и 25, управляеьвх от генератора 23 разнополярных импульсов,через первую и вторую диодно-резисторные цепи 26 и 27, При этом в точках 46 и 47 формируются импульсы напряжения с длительностями спада, определяемыми постоянными времени разрядных цепей дифференциального емкостно го датчика 34, В точках 47 и 48 формируются импульсы напряжения, близкие по форме к прямоугольным. Йа выходе фильтров 30-33 низких частот формируются напряжения, пропорциональные 10 средним значениям импульсных напряжений в точках 46-49. На выходах первого и второго сумматоров 35 и 36 формируются разностные раэнополярные напряжения которые сравниваются 15 по величине в компараторе 37. При равных по величине выходных напряжениях сумматоров 35 и 36 потенциал точки соединения резисторов 38 и 39 равен потенциалу общей шины. НапряжеО ния, формируемые между выходом компаратора 37 и шинами питания, стабилизируют стабилитроном 40 с напряжением стабилизации Ц и подают на шины питания электронных ключей 24 и 25. По величинам напряжений 0 и О,сумма которых равна найряжению стабилиза- ции Оо,судят о текущем значении пере-мещенйя.цри постоянных времени разрядных цепей, во много раз превышающих пос тоянные времени зарядных цепей емкостного датчика, средние значения импульсов напряжений можно выразитьчерез суммы площадей прямоугольной части импульсов и экспоненциальной З 5 части спада импульсов, На выходах сумматоров 35 и 36 формируются напри жения, пропорциональные площадям экспоненциальной части импульсов напряжений. Аналогично выражению 14) 40 выходные напряжения сумматоров 35 и 36 равным Кг 0110)Е 6)Ъб ККг д %Од, (Н) гдеО 133 - выходные напряжения сумматоров 35 и Збф,К 1 К- коэфФициентыпропорциоК К. нальности;- диэлектрическая проницаемость,б - площадь пластин емкостного датчика 34,Х - частота следования импульсов генератора 23 ф ф-Х- измеряемые зазоры междупластинами датчика.В точке суммирования йапряжений точка соединения резисторов .,38 и 39) потенциал равен нулн поэтому.ха КьХПеремещение Х определяется подстановкой в выражение (12)О 40,=) -ка)к,оаХ- " ОЦОс+ОЬ К;)При - =1 выражение (13) принимаетКавидХ = ОИ 4)дАнализ выражений 13) и(14) показы. вает, что напряжение О линейно зависит от перемещения Х , а точность преобразования определяется идентии" ностью параметров элементов устройст- ва, когда Кг 11=1, и стабилизатор напряжения ОоРасполагая диодно-резисторные цеци в непосредственной близости от потенциальной пластины датчика, можно значительно ослабить влияние паразитной емкости монтажа и элементов схема, которая определяется в основном параметрами диода и резистора. Это позволяет .уменьшить емкость датчика и, следовательно,площадь его пластин и габариты.Предлагаемый способ преобразования перемещения и напряжение и,устройство, для его реализации позволяют получить зависимость близкую к линейной при емкости датчика от долей до единиц пикофарад. При этом диапазон преобразрва ния перемещения составляет от 0,10,5 ммдо 15 мм при частоте генератора импульсов около 2 ИГц,: а погрешность нелинейности 0,5-1,5, в зависимости от параметров элементов и качества настройки устройства.входом генератора, а инвертирующийвход - с выходом первого сумматора,входы которого соединены с выходамипервого и второго Фильтров нижнихчастот, а выходы второго и третьегофильтров нижних частот подключенык входам второго и третьего фильтров нижних частот подключены к входамвторого сумматора. 4. Устройство для преобразованияперемещения в напряжение, содержащее емкостный датчик, электронный ключ, управляюций вход которого подключен к первому выходу генератора, первуюи вторую диодно-резисторные цепи,аноды диодов которых объединены и подключены к выходу первого электронного ключа, и общую шину, о т л ич а ю ц е е с я тем, что, с целью расширения линейного диапазона измерений, в него введены второй электронный ключ, подключенный управляющим входом к второму выходу генератора, третья н четвертая диодно-резисторные цепи, аноды диодов которых второго электронного ключа, первый,второй, третий и четвертый фильтрынижних частот, входы которых подключены к свободным концам резисторов соответствующих диодно-резисторных цепей, первый сумматор, входы которого подключены к выходампервого и второго фильтров нижнихчастот, второй сумматор, входы которого подключены к выходам третьегои четвертого Фильтров нижних частот,первый и второй последовательно соединенные резисторы, подключенные сво бодными концами к выходам первогои второго сумматоров соответственно,. компаратор, подключенный первымвходом к точке соединения первого и второго резистора, третий резистор, соединяющий второй вход компаратора с общей шиной, источники положительного и отрицательного питания,подключенные к соответствующим вхо"дам компаратора, стабилизатор напряжения и четвертый и пятый резисторы, соединяющие соответствующиевходы стабилизатора, первого и второго электронных ключей с источникапитания, при, атом емкостный датчиквйполнен дифференциальным со среднимэлектродом, соединенным с общей шиной а крайними электродамис катодами диодов второй итретьей диоднореэисторных цепей,2. Устройство для преобразованияперемещения в напряжение, содержащеедвухэлектродный емкостный датчик,один из электродов которого заземлен, электронный ключ, управлякцийвход которого подключен к выходу генератора первую и вторую диодно-резисЯторные цепи, аноды диодов которыхобъединены и подключены к выходу.электронного ключа, а катоды подключены к соответствукцим резисторам,при этом к точке соединения катодадиода и резистора первой диодно-резисторной цепи подключен потенциальныйэлектрод емкостного датчика, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюрасширения линейного диапазона измерений, в него введены первый и второйсумматоры, источник опорного напряжения; и первый и второй фильтры нижних частот, подключенные входами ксвободным концам резисторов соответственно первой и второй диодно-резисторных цепей, а выходами к входам первого сумматора, выход которого соединенс инверсным входом второго сумматора, прямой вход которого соединен с объединены и подключены к выходуисточником опорного напряжения, выходвторого сумматора соединен с введенной выходной шиной, которая являетсяшиной питания электронного ключа.3, Устройство для преобразованияперемецения в напряжение, содержащеедвухэлектродный емкостный датчик,один из электродов которого заземлен,электронный ключ, управляюций входкоторого подключен к выходу генератора, первую и вторую диодно-резисторные цепи, аноды диодов которыхобъединены и подключены к .выходуэлектронного ключа, а катоды подключены к соответствуюцим резисторам,при этом к точкам соединения катода, диода и резистора первой и второй диодно-резисторных цепей подключены потенциальный электрод емкостного датчика и незаземленный выводкомпенсирующего конденсатора, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью расширения линейного диапазонаизмерений, в него введены третья диодно-резисторная цепь, анод диода которой 50подключен к выходу электронного ключа,первый, второй и третий Фильтры нижних частот, подключенные входами к сво ми положительного и отрицательногободным концам резисторов первой, второй и третьей диодно-резисторных ценей соответственно, первый, второйи третий сумматоры и источйик опорного напряжения, подключенный к прямому входу третьего сумматора, выход которого соединен с управляюцим