Емкостный датчик силы
Сущность изобретения: датчик содержит две жестко соединенные по периферии одинаковые мембраны 1 и 2 с двухсторонними жесткими центральными втулками 3 и 4. Втулка 3 жестко установлена в проточке основания 6. Внутри мембранной полости жестко связаны с втулками изолированные от них электроды 8 и 9 разных диаметров емкостного преобразователя перемещения. Электрод 8 меньшего диаметра подключен к входу, а электрод 9 большего диаметра - к выходу операционного усилителя 13, выход которого соединен с входом компаратора 14, который через термозависимый делитель напряжения связан с инверсным входом операционного усилителя 13. Термозависимый резистор 12 размещен во внутренней полости мембран 1 и 2. С внутренней стороны втулок 3 и 4 соосно в центре установлены опорные ограничители хода 11. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может найти широкое применение в области измерения механических величин: усилий, масс, давлений и т.д.
В последнее время большой интерес приобретают емкостные датчики механических величин, обладающие потенциально более высокой точностью, чем наиболее распространенные в настоящее время тензорезисторные преобразователи усилий [1] Достоинства емкостных датчиков обусловлены трехэлектродной конструкцией в схемах емкостных делителей напряжения, позволяющей за счет линеаризации характеристики работать при больших модуляциях зазора и обладающей высокой помехоустойчивостью, и работой с малыми зазорами, увеличивающими чувствительность при малых габаритах. Известны емкостные датчики силы, в которых на самом чувствительном упругом элементе размещен дифференциальный емкостный преобразователь [2] Недостатками их является конструктивная и схемотехническая сложность, вызванная дифференциальным принципом построения, требующая симметрии конструкции и идентичности обеих половин преобразователя. Известен емкостный силоизмерительный преобразовательпрототип [3] который содержит подвижный и неподвижный электроды, формируемые методом напыления на изоляционную подложку из Al2O3 серебра. Подвижный металлический электрод соединен с неподвижным путем приваривания к стеклянному кольцу. Недостатками этого преобразователя являются: недоступная для широкого производителя сложность изготовления, вызванная спецтехнологиями, наличие хрупкого неметаллического упругого элемента стекла в силовой измерительной цепи, требования одинаковых температурных коэффициентов расширения стекла, алюминия и т.д. отсутствие развязки между силовводом и заделкой упругого элемента в основании в силу недифференциальности конструкции. Настоящий датчик силы конструктивно просто изготавливается обычными средствами механообработки. Он характеризуется мембранами, установленными соосно и взаимообращенно и выполненными по обе стороны мембраны с жесткими центральными втулками, к которым снаружи приложены измеряемые усилия, а внутри на них установлены изолированные электроды недифференциального преобразователя перемещения, причем электрод меньшего диаметра окружен охранным кольцом и соединен с инверсным входом операционного усилителя, а электрод большего диаметра соединен с выходом усилителя, который подключен к входу компаратора напряжения, выход которого через термозависимый делитель напряжения соединен с входом усилителя, причем термозависимый резистор усилителя введен в межмембранную полость. На фиг. 1 схематически приведена конструкция и блок-схема электронного блока датчика силы. Датчик содержит две идентичные мембраны 1 и 2 с двусторонними жесткими центральными втулками 3 и 4. Во втулке 4 снаружи выполнено углубление под шарик 5, на который давит шток. Втулка 3 установлена в проточке основания 6. С втулками 3 и 4 через слой изоляционного клея 7 соединены электроды 8 и 9. Электрод 8 окружен охранным кольцом 10. В центрах втулок 3 и 4 соосно выполнены опорные ограничители хода упоры 11. Во внутренней полости мембран установлен терморезистор 12. Электрод 8 соединен с входом операционного усилителя 13, электрод 9 с его выходом, который соединен с входом операционного усилителя 14. Выход операционного усилителя 14 через делитель напряжения (R4, R5, R6) соединен с входом усилителя 13. Для термокомпенсации в плечо делителя включен терморезистор 12, расположенный в межмембранной полости. Мембраны 1 и 2 жестко соединены по периферии сваркой технологических "усов". Измеряемое усилие Fx штока (поршня) через шарик 5 воздействует на мембрану 1, а реакция опоры основания в 6 Fоп Fx воздействует на мембрану 2. Под действием усилий Fx мембраны прогибаются на = Fx/W, где W жесткость мембраны, при этом зазор между мембранами уменьшается x= o-2,. Емкость между электродами увеличивается, т.е. Емкость Cx включена в частотозависимую цепь обратной связи операционного усилителя 13 (ОУ), в силу чего паразитные шунтирующие емкости C*1 и C*2 практически не сказываются на значении емкости Сx и выходная частота где Ko постоянная, определяемая резисторами электронной схемы (рис.1) и равная , а значение емкости между электродами 8 и 9 при отсутствии измеряемой силы. Таким образом, величина характеризует начальную частоту датчика, а величина его чувствительность. Включение изолированных от мембран электродов 8 и 9 соответственно к инверсному входу и выходу ОУ обеспечивает линейный закон преобразования измеряемого усилия Fx в выходную частоту fx. Линейная зависимость fx от Fx обеспечивается независимо от начального o и текущего x значения зазора, что позволяет выбрать предел измерения силы Fxном таким, чтобы 2 o, когда прогиб мембран достигает практически значения начального зазора. Для предотвращения замыкания электродов и их механического повреждения при значениях измеряемой силы, превышающей Fxном, в конструкции датчика предусмотрены упоры 11, делающие невозможным прогиб мембран больше величины 2max. Уравнение преобразования (1) справедливо лишь для плоского конденсатора, когда r/o_ , где r радиус электрода. При o 0,1 0,6 мм и r 30 мм сказывается шунтирующее действие кривой емкости Ск, которая изменяется в существенно меньшей степени, чем Cx при воздействии силы Fx и вносит нелинейность в уравнение преобразования (31). Посколькууравнение преобразования
становится нелинейным, причем погрешность линейности составляет
Для снижения погрешности линейности до 0,5% при /o 0,8 краевая емкость должна быть снижена до уровня, необходимого из соотношения
Cк/Cxo 0,01 (5)
Линеаризация реального уравнения преобразования [3] достигается выполнением электрода 9 большим электрода 8 на величину
r = rэ9-rэ8= (45)o (6)
где rэ8 и rэ9 соответственно радиусы электродов 8 и 9. Кроме того, меньший из электродов снабжен защитным (охранным) кольцом 10, которое электрически соединено с корпусом датчика и, таким образом, является эквипотенциальным по отношению к охраняемому электроду 8. Отношение характеризует кратность изменения проходной емкости между электродами в диапазоне измеряемых усилий от 0 до Fxном. В макетах емкостных датчиков силы на пределы до 1 10 кН удалось реализовать пятикратное изменение емкости от 20 до 100 пФ при изменении зазора от 0,6 до 0,12 мм. Дальнейшему увеличению кратности изменения емкости препятствуют технологические допуски на толщины мембран и величину начального зазора, преодолеть которые традиционными способами обработки и соединения деталей 1, 2, 8, 9 не удалось. Однако достигаемое значение глубины модуляции на порядок выше ее в классических дифференциальных конструкциях емкостных датчиков (М 5 8%).
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1