Преобразователь перемещения в код

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и предназначено 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 в 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 подвижной пластиной 2 и соответствующими усилителями 15,16 образуют два RC-генератора 21, 22. Благодаря этому исключается влияние напряжения питания, изменений температуры и влажности окружающей среды на точность измерения. 1 ил. f .я ел С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 03 М 1/60

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4813133/24 (22) 10,04.90 (46) 15.02.93. Бюл. N. 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

N 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 яв- . ляется повышение точности преобразователя перемещения в код. С этой целью в. Ы 1795550 Al 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 и соответствующими усилителями 15, 16 образуют два RC-генератора 21, 22. Благодаря этому исключается влияние напряжения питания, изменений температуры и влажности окружающей среды на точность измерения, 1 ил.

1795550

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и предназначено для автоматизации измерения и контроля различных неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение пластины дифференциального емкостного датчика.

Известно устройство для измерения перемещения, содержащее дифференциальный емкостный датчик, первый и второй усилители, выходы которых подключены к формирователю разности напряжений, опорный генератор и источник напряжения, причем выходы опорного генератора подключены ко входам усилителей и к крайним "5 пластинам дифференциального емкостного датчика, средняя пластина которого подключена к источнику напряжения.

Недостатком известного устройства является невысокая точность и стабильность измерений.

Наиболее близким к заявленному являются преобразователь перемещения в код, содержащий дифференциальный емкостный датчик, первый и второй усилители, выходы которых подключены к крайним пластинам дифференциального емкостного датчика и ко входам формирования разности напряжений; выход которого соединен с информационным входом аналого-цифро- 30 вого преобразователя, тактовый генератор, подключенный к запускающему входу формирователя временных интервалов, и источник напряжения, подключенный ко входам усилителей и к средней пластине дифферен- 35 циального емкостного датчика через ключ, управляющий вход которого соединен с первым выходом формирователя временных интервалов, второй выход которого подключен к управляющему входу аналого- "0 цифрового преобразователя.

Недостатком известного преобразователя также является невысокая точность и стабильность измерений, обусловленная невысокой точностью аналоговых измери- 4- > тельных схем и зависимостью параметров формирователя временных интервалов и интеграторов от питающих напряжений и пороговых напряжений срабатывания, температуры и влажности. Кроме того, использо- 50 вание аналого-цифрового преобразователя на выходе блока сравнения (формирователя разности напряжений) вносит дополнительную погрешность, Цель изобретения — повышение точно- 55 сти преобразователя перемещения в код. . Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь перемещения в код, содержащий дифференциальный емкостный датчик с двумя неподвижными и одной подвижной пластинами, первый и второй усилители, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычитания, первый. токоограничивающий элемент. введены делитель частоты, цифровой частотомер и пять токоограничивающих элементов, блок вычитания выполнен в виде блока вычитания частот, каждая из неподвижных пластин дифференциального емко-. стного датчика выполнена в виде трех одинаковых изолированных секций, первые крайние секции первой и второй неподвижных пластин дифференциального емкостного датчика соединены с первыми входами соответственно первого и второго усилителей и с первыми выводами oooTBBTGTBGHHQ первого и второго токоо>раничивающих элементов, вторые выводы которых соединены со средними секциями cooTBBTcTBGH но первой и второй нецодвииIbix пластин дифференциального емкостного датчика v. c первыми выводами соответственно третьего и четвертого токоограничивающих элементов, вторые выводы которых соединены со вторыми крайними секциями соответственно первой и второй неподвижных пластин дифференциального емкостного датчика и с первыми выводами соответственно пятого и шестого токоограничивающих элементов, вторые выводы которых соединены с выходами соответственно IIepвого и второго усилителей, выход блока вычитания частот через делитель частоты соединен со входом цифрового частотомера, выход которого является выходом преобразователя, подви>кная пластина дифференциального емкостного датчика и вторые входы первого и второго усилителей соединены с общей шиной.

На чертеже приведена функциональная схема преобразователя перемещения в код.

Преобразователь содержит дифференциальный емкостный датчик 1, образованный подвижной пластиной 2 и секциями 3 — 8 неподви>кных пластин, токоограничивающие элементы, выполненные в виде резисторов 9 — 14, усилители 15, 16, общую шину

17, блок 18 вычитания частот, делитель частоты 19 и цифровой частотомер 20.

Подвижная пластина 2 совместно с сек. циями 3 — 5, резисторами 9 — 11 и усилителем

15 образует RC-генератор 21, эта же подви>кная пластина 2 совместно с секциями

6-8, резисторами 12-414 и усилителем 16 образуют RC-генератор 22.

Преобразователь работает следующим образом.

В каждом цикле измерения производится измерение разности частот RC-генераторов 21, 22, цепи положительной обратной

1795550 связи которых образуются емкостями дифференциального емкостного датчика 1 и резисторами 9-14, благодаря чему измеренное значение разности частот выходных напряжений RC-генераторов 21-22 5 становится пропорциональным измеряемому перемещению.

Частоты f1 и. fzRC-генераторов 21 и 22. в которых в качестве частотоэадающих емкостей используются плечевые емкости С1 и 10

С2 дифференциального емкостного датчика

1, будут равны:

1 do+60

2лй С1 2лЯ m

1 бо — Ьб 15

2_#_й Сг 2л Я m

do о откуда для К следует выражение

Ко - 7ERm -=

oo

2 fî (4)

Согласно (3) погрешность д d измерения перемещения определяется погрешно55 где do — расстояние между неподвижными

9 — 11 и 12-14 секциями и подвижной 2 пластинами в среднем положении последней, Л d — измеряемое перемещение;

m — конструктивный параметр, зависящий от конструкции емкостного датчика 1 и площади секций 3 — 9:

R — сопротивление резисторов 9-14.

Из (1) следует, что разностная частота f на выходе блока 18 вычитания частот будет " пропорциональна измеряемому перемещению

hd 30 = - 2-Ь-йж (2) откуда измеряемое перемещение будет равно

Ь d=Kof, (3) где Kp = лйгп — коэффициент пропорцио- 35 нальности.

Таким образом, используя плечи диф. ференциального емкостного датчика 1 в качестве частотозадающих емкостей

RC-генераторов 21, 22 и измеряя разность 40 частот RC-генераторов 21, 22, получим ли-. нейную зависимость между измеряемой раэностной частотой и измеряемым перемещением.

Начальная частота faRC-генераторов 45

21, 22, соответствующая исходному среднему положению средней пластины 2 датчика

1, выбирается так, чтобы обеспечить необходимую точность и разрешающую способность измерений. Величина fo согласно (1) 50 равна стью д f измерения разностной частоты f при выбранном коэффициенте Ко, Dd--К.Pf= д (5) fo

Для разрешающей способности Л d измерения, равной такому изменению величины перемещения, при котором показания цифрового частотомера 20 изменяются на единицу, в соответствии с (3) и (4) получаем

Лd- =Koo-=

do (6)

2 fo

Из (5) и (6) следует, что точность и разрешающая способность измерений при выбранной исходной величине зазора dо определяются начальной частотой f< RC-генераторов 21, 22, причем они тем выше, чем

; выше частота fo.

При включении устройства RC-генераторы 21 и 22 работают в непрерывном режиме, генерируя синусоидальные напряжения, частота которых определяется положением подвижной средней пластины

2 дифференциального емкостного датчика

1, причем при перемещении пластины 2 частоты RC-генераторов 21, 22 изменяются в противоположных направлениях, Напряжения RC-генераторов 21, 22 поступают на входы блока 18 вычитания частот, на выходе которого формируется напряжение раэностной частоты, пропорциональной смещению средней пластины 2 датчика. 1 от исходного положения равновесия, Разностная частота выходного напряжения блока 18 с помощью масштабного делителя 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 К>.

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 RC-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. с

1795550

20

30

40 необходимого числа триггеров со счетным входом.

Цифровой частотомер 20 работает циклически, периодически измеряя частоту непрерывно поступающего на его вход импульсного напряжения разностной частоты К и предназначен для измерения и цифровой индикации частоты поступающих на его вход импульсных сигналов с выхода масштабного делителя частоты 19. Типовая структурная схема цифрового частотомера включает в себя счетчик импульсов, блок формирования временных интервалов (таймер) и индикатор. В принцИпе путем регули-рования 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 необходиMocTb 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 RC-генераторов 21 и 22, что соответствует использованию в качестве рабочего перемещения подвижной пластины

2 в ту или другую сторону от исходного положения равновесия. В этом случае максимальная величина измеряемого перемещения равна примерно бо. Для расширения в два раза линейного рабочего диапазона измеряемых перемещения существует две возможности. 35

Во-первых, можно определить алгебраическую разность частот RC- генераторов 21 и 22. В этом случае в блок 18 необходимо ввести узел для фиксации изменения на лфазы сигнала разностной частоты при пеФормула 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 вычитания, первый токоограничивающий элемент, отличающийся 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

R резисторов 9-11 или 12 — 14 одного из RCгенераторов 21, 22 можно обеспечить равенство частот RC-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 RC-генераторов

21, 22 зависит только от параметров датчика

1 и резисторов 9 — 14, может быть выбрана точно и стабилизирована путем использования высокоточных и высокостабильных резисторов 9 — 14. Изменения температуры и влажности окружающей среды вызывают одинаковые изменения частоты обоих RCгенераторов 21, 22 и эти изменения частоты будут взаимно компенсироваться в блоке 18 вычитания частот. При этом частота RC-генераторов 21; 22 задается резисторами 914, 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 и

1795550

Саста вител ь С. P ы баков

Техред М.Моргентал Корректор С.дско

Редактор В.Трубченко

Заказ 435 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 шестого токоограничивающих элементов, вторые выводы которых соединены с выходами cooTBGTGTBGHHo 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.