Емкостный датчик перемещений

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения линейных или угловых перемещений. Емкостный датчик перемещений содержит мостовую схему, в два плеча которой включены конденсаторы с возможностью изменения емкости в зависимости от перемещения подвижных пластин, при этом конструктивные параметры конденсаторов и круговая частота генератора синусоидального напряжения связаны функциональной зависимостью, определяющей настройку на максимальную чувствительность к перемещению , где - площадь пластин (обкладок) конденсаторов и расстояние между ними при отсутствии перемещения, - сопротивление балансных резисторов, - относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой работает устройство, и диэлектрическая постоянная. Технический результат - повышение чувствительности емкостного датчика перемещений. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения линейных или угловых перемещений, в частности при построении акселерометров прямого или компенсационного способа измерения.

Известен емкостный дифференциальный маятниковый датчик угла системы горизонтальной коррекции гироагрегата ГА-3 курсовой системы ТКС-П (Михайлв О.И., Козлов И.М., Гергель Ф.С. Авиационные приборы. М.: Машиностроение. 1977, на стр. 234, рис. 9.35). Датчик состоит из двух статорных пластин, подвешенных в виде маятников на внешней раме карданова подвеса и соединены с вторичными обмотками трансформатора, играющего роль источника напряжения. Роторная обмотка датчика жестко соединена с осью внутренней рамы карданного подвеса и электрически – с входом усилителя горизонтальной коррекции, на второй вход которого подключена средняя точка вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, емкостный датчик представляет мостовую схему, в два плеча которого включены конденсаторы, емкости которых изменяются в зависимости от угла рассогласования между статорными пластинами и роторной пластиной, а двумя другими плечами моста являются вторичные полуобмотки трансформатора. Следует отметить, что при наличии угла рассогласования меняются площади обкладок конденсаторов, а расстояние между ними остается постоянным.

Однако в аналоге не указаны соотношения между конструктивными параметрами конденсаторов и основным параметром питающего напряжения – частотой питания, которые определяют чувствительность емкостного датчика.

Известен компенсационный акселерометр (патент РФ № 2233451, МПК G01P 15/13/  Баженов В.И. Вдовенко И.В.и др. Опубл.27.03.2004, бюл №9), в котором для определения угла отклонения инерционной массы используется дифференциальный ёмкостный датчик положения, который содержит корпус, установленную в нем пластину из монокристаллического кремния, имеющую внутреннюю неподвижную часть, внешнюю подвижную часть с первой и второй основными поверхностями, соединенную с внутренней неподвижной частью двумя упругими перемычками, которые образуют упругий подвес с осью, проходящей через оси изгиба упругих перемычек. На внешней подвижной части находятся подвижные электроды, и выполненные в виде металлизированных участков на установленной на стойке в корпусе плате неподвижными электродами. Подвижные и неподвижные электроды образуют два конденсатора, которые включены в два плеча моста, во вторые два плеча которого включены балластные резисторы. В одну диагональ включен источник питания – генератор переменного синусоидального напряжения заданной частоты, а в другую – включен усилитель, выход которого является выходом мостового ёмкостного датчика перемещений.

Однако в прототипе не указано, какими выбрать параметры конструкции собственно ёмкостного датчика и параметры генератора синусоидального напряжения, чтобы получить максимальную чувствительность.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении чувствительности емкостного датчика перемещений.

Технический результат достигается тем, что в емкостном датчике перемещений, содержащим мостовую схему, в два плеча которой включены конденсаторы с возможностью изменения емкости в зависимости от перемещения подвижных пластин, при этом емкость одного из конденсаторов увеличивается, емкость другого конденсатора уменьшается в зависимости от направления перемещения, неподвижные пластины имеют общую точку, а подвижные пластины связаны с перемещаемым элементом, и в два других плеча включены балансные резисторы, имеющие общую точку, генератор синусоидальных напряжений подключен в одну диагональ мостовой схемы между общими точками конденсаторов и балансных резисторов и усилитель напряжения включен во вторую диагональ мостовой схемы, выход которого является выходом устройства, новым является то, что конструктивные параметры конденсаторов и круговая частота генератора синусоидального напряжения связаны функциональной зависимостью, определяющей настройку на максимальную чувствительность к перемещению

,

где – площадь обкладок (пластин) конденсаторов и расстояние между ними при отсутствии перемещения; – сопротивление балансных резисторов; – относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой работает устройство, и диэлектрическая постоянная.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2, на которых соответственно приведены: вариант кинематической схемы построения емкостного датчика перемещений и его электрическая схема.

На фиг.1 и фиг.2 приняты следующие обозначения:

1 – конденсатор ;

2 – конденсатор ;

1.1 и 2.1 – подвижные пластины конденсаторов и соответственно;

1.2 и 2.2 – неподвижные пластины конденсаторов и соответственно;

3 – подвижная кристаллическая пластина;

4 – неподвижная кристаллическая пластина;

5 – инерционная масса;

6 – катушка датчика моментов;

7 – магнит датчика моментов;

8 – корпус;

9 – генератор синусоидального напряжения;

10 – усилитель;

– вектор линейного ускорения;

– сила инерции;

– инерционный момент;

– расстояние между обкладками конденсатора при отсутствии перемещения подвижных пластин;

– линейное перемещение подвижных пластин;

– расстояние от оси подвеса до геометрического центра пластины конденсатора;

– расстояние от центра инерционной массы до оси подвеса;

– угол поворота подвижных пластин;

– балансные резисторы;

– токи в ветвях мостовой схемы;

– напряжения в точках А и В;

– напряжение на выходе усилителя;

– напряжение на выходе генератора 9;

– амплитуда напряжения и круговая частота.

Работу емкостного датчика перемещений поясним на примере компенсационного акселерометра в соответствии с фиг.1, а получение условия максимальной чувствительности проведем на основании электрической схемы, представленной на фиг.2.

В соответствии с кинематической схемой фиг.1 конденсаторы 1 и 2 созданы подвижными и неподвижными пластинами 1.1 и 1.2 для конденсатора 1, емкость которого определяется выражением

(1)

и пластинами 2.1 и 2.2 для конденсатора 2, емкость которого определяется выражением

, (2)

где в выражениях (1) и (2) – площадь обкладок (пластин) конденсаторов и расстояние между ними при отсутствии перемещения; – линейное перемещение подвижных пластин; – относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой работает устройство, и диэлектрическая постоянная; – емкость конденсатора при .

Обкладки 1.1 и 1.2; а так же обкладки 2.1 и 2.2 наносятся на кремниевые пластины 3 и 4 путем металлизации. Расстояние между обкладками изменяется, когда кремниевая пластина 3 поворачивается вокруг оси подвеса, которая формируется упругими перемычками. При действии ускорения возникает сила инерции , приложенная к инерционной массе 5, которая на плече создает инерционный момент , направленный по оси подвеса кремниевой пластины 3. Инерционный момент будет уравновешиваться моментом датчика момента (катушка 6 и магнит 7), который формируется по сигналу емкостного датчика перемещений , где – крутизна датчика моментов. Из установившегося режима следует, что угол отклонения подвижной пластины и соответственно линейное перемещение будут определяться выражениями

и .

Для оценки чувствительности емкостного датчика перемещений рассмотрим его работу в соответствии с электрической схемой, представленной на фиг.2.

Генератор напряжения 10 включен в диагональ DE мостовой схемы, а усилитель 10 – в диагональ АВ мостовой схемы.

Выходное напряжение усилителя, которое является выходным напряжением емкостного датчика перемещений, будем формировать в комплексном виде в соответствии с формулой

, (3)

где – коэффициент усиления усилителя, – комплексы напряжения в точках А и В.

Так как выход мостовой схемы подключен к усилителю с большим входным сопротивлением, то комплексы токов в плечах ЕА и АD, а также в плечах ВЕ и ВD будут одинаковыми и соответственно равны

; (4)

, (5)

где емкости определяются выражениями (1) и (2) соответственно, – комплекс напряжения генератора.

Тогда с учетом (4) и (5) комплексы напряжения в точках A и В будут равны

;

. (6)

В соответствии с формулами (3) и (6) выходное напряжение емкостного датчика перемещений будет равно

(7)

С учетом (1) и (2) выражение (7) приобретает вид

(8)

Перейдем в (8) от комплексного вида к виду и найдем амплитуду

Так как для реальных параметров , то выражение для амплитуды приобретает вид

,

где - крутизна емкостного датчика перемещений.

Крутизна характеризует чувствительность и зависит как от параметров конденсатора, так и частоты питания генератора, при этом, чем больше крутизна, тем выше чувствительность. Поэтому исследуем на максимум в зависимости от круговой частоты

или

. (9)

Откуда с учетом выражения получаем условие

, (10)

которое определяет максимальную чувствительность емкостного датчика перемещений.

При выполнении условия (9) крутизна датчика перемещений будет равна

.

В частности условие (10) можно использовать для выбора оптимальной частоты напряжения генератора, которым питается емкостный мост.

Рассмотрим в качестве примера емкостный датчик перемещений, применяемый в компенсационном акселерометре А-15, который выпускается Раменским приборостроительным заводом (РПЗ).

Параметры емкостного датчика перемещений:

– площадь обкладок конденсатора;

– величина рабочего зазора (расстояние между обкладками конденсатора) в нейтральном положении маятника;

– диэлектрическая постоянная;

– относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой работает устройство;

– амплитуда напряжения генератора.

В соответствии с условием максимума чувствительности (10) определим круговую частоту напряжения генератора, задав балансное сопротивление

.

И соответственно .

Исследования реальной характеристики показали, что по частоте имеется явный максимум чувствительности, и хорошая линейность выходной характеристики в пределах отклонения .

Емкостный датчик перемещений, содержащий мостовую схему, в два плеча которой включены конденсаторы с возможностью изменения емкости в зависимости от перемещения подвижных пластин, при этом емкость одного из конденсаторов увеличивается, емкость другого конденсатора уменьшается в зависимости от направления перемещения, неподвижные пластины имеют общую точку, а подвижные пластины связаны с перемещаемым элементом, и в два других плеча включены балансные резисторы, имеющие общую точку, генератор синусоидальных напряжений подключен в одну диагональ мостовой схемы между общими точками конденсаторов и балансных резисторов и усилитель напряжения включен во вторую диагональ мостовой схемы, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что конструктивные параметры конденсаторов и круговая частота генератора синусоидального напряжения связаны функциональной зависимостью, определяющей настройку на максимальную чувствительность к перемещению

,

где - площадь пластин (обкладок) конденсаторов и расстояние между ними при отсутствии перемещения, - сопротивление балансных резисторов, - относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой работает устройство, и диэлектрическая постоянная.