Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты)

Использование: для определения координат геометрического центра двумерной области. Сущность изобретения: система электродов содержит измерительные электроды, расположенные в границе измерительной области. Каждый измерительный электрод имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности, заданной в границе измерительной области. Форма, размеры и расположение измерительной области заданы. Измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части. Измерительные электроды в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом система измерительных электродов реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат измерительной области. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей измерительной области. Технический результат: реализация назначения. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 31 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к измерительным устройствам с использованием емкостных средств. Система электродов реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области. Изобретение может найти применение в составе различных устройств, где есть необходимость в определении координат геометрического центра двумерной области, в различных областях техники. Например, в измерительной технике, в автоматике, в робототехнике и сенсорных устройствах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно телевизионное устройство для определения центра тяжести однородного тела изображений плоских фигур на основе телевизионного изображения. [Авторское свидетельство СССР 426144].

Известен способ измерения координат центра тяжести изображения и устройство для его осуществления. [Патент РФ SU - 2271145. 10.05.1994 г.]. Устройство, которое используется для реализации способа, относится к телевизионным системам. Способ относится к обработке изображения.

Недостатком телевизионных устройств является наличие погрешности в определении координат геометрического центра, связанной с оптическими искажениями формы объекта, а также повышенная стоимость в связи с наличием оптических и телевизионных компонентов в схеме устройств.

Известно устройство [Авторское свидетельство СССР N427635] для определения координат центра тяжести однородного тела. Принцип действия устройства заключается в механическом уравновешивании тела.

Известен способ определения центра тяжести лопатки турбины [Патент РФ SU - 2224228 20.02.2004 г.]. Изобретение относится к статической балансировке конструкций. Способ основан на том, что лопатку укладывают на площадку с балансировочной опорой, определяют численное значение статического момента лопатки, затем положение центра тяжести.

Недостатком устройств для определения центра тяжести однородного тела путем механического уравновешивания является наличие в их конструкции механических компонентов, что определяет повышенную стоимость для цели измерения геометрического центра плоских тел.

Известен электроемкостный преобразователь для измерения уровня, содержащий диэлектрическую пластину с размещенными на одной из ее поверхностей печатными электродами, образующими первую измерительную часть и выполненными в виде геометрических фигур, имеющих изменяющуюся суммарную ширину в функции расстояния вдоль направления высоты, общий электрод и дополнительные печатные электроды, размещенные на одной поверхности диэлектрической пластины с электродами первой измерительной части и образующими вторую измерительную часть. Суммарная ширина в функции расстояния вдоль направления высоты электродов первой измерительной части изменяется линейно. Электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления высоты. [Патент РФ RU 2087873 С1 20.08.1997]

Анализ конструкции электроемкостного преобразователя для измерения уровня показал, что его можно использовать по другому назначению - для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала.

Известен электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и измерительные электроды [Патент РФ RU 2 685 559 С1 22.04.2019 г.]. Система электродов электроемкостного преобразователя является наиболее близкой к данному изобретению.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В 1994 г. был разработан электроемкостный преобразователь для измерения уровня с использованием печатных электродов с изменяющейся шириной вдоль направления высоты. В последствии на преобразователь был получен патент РФ RU 2087873 С1.

Электроемкостный преобразователь предназначался для измерения уровня диэлектрических и электропроводящих жидкостей. Основной целью разработки преобразователя уровня являлось нахождение системы электродов, для которой выходной сигнал уровня пропорционален разности величин емкостей электродов первой и второй измерительных частей, деленной на величину, полученную путем сложения величин емкостей первой и второй измерительных частей, и вычитания суммы емкостей электродов первой и второй измерительных частей в не погруженном состоянии.

Проведенный анализ показал, что выходной сигнал электроемкостного преобразователя для измерения уровня пропорционален координате геометрического центра по одной оси для двумерной области части плоской фигуры из однородного диэлектрического материала, расположенной на поверхности измерительной области преобразователя. Для варианта электроемкостного преобразователя уровня с изоляцией электродов выходной сигнал пропорционален координате по одной оси геометрического центра части области соприкосновения, образованной, например, в результате деформации электропроводящего тела при его соприкосновении с измерительной поверхностью преобразователя. В этих случаях область соприкосновения является двумерной областью.

Развитие темы нашло отражение в разработке электроемкостных преобразователей для определения координат геометрического центра двумерной области. В 2019 году был получен патент РФ RU 2 685 559 С1 на электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области. В этом изобретении для размещения измерительных электродов предусмотрено использование диэлектрической пластины, в связи с чем, отсутствует возможность определения координат геометрического центра двумерной области на криволинейной поверхности. Также, в изобретении не выявлено свойство системы электродов, которое позволяет определять геометрический центр двумерной области в отсутствии контакта тела с поверхностью измерительной области. Эти особенности существенно ограничивают область использования электроемкостного преобразователя.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В состав изобретения входит группа изобретений. Группа изобретений выражена в виде вариантов системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области.

Система электродов содержит систему измерительных электродов. Система измерительных электродов реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных частей измерительных электродов. В варианте изобретения, в котором используется множество измерительных областей, система электродов способна определить координаты геометрических центров нескольких двумерных областей. Дополнительно, в состав системы электродов может входить общий электрод и экранирующий электрод.

Отличие изобретения от наиболее близкого изобретения [патент РФ RU 2 685 559 С1] - возможность использования системы измерительных электродов с их расположением на криволинейной поверхности. Сущность заключается в том, что группы измерительных электродов и измерительные области групп представляют собой полосы с постоянной и относительной небольшой шириной, по отношению к их длине. Если эти полосы проходят по гладкой криволинейной поверхности по касательной к поверхности, полосы практически не изгибаются в направлении ширины. Поэтому полосы с высокой степенью точности можно считать плоскими в направлении ширины. В связи с чем, признаки изобретения, касающиеся конструкции групп измерительных электродов и измерительных областей групп, являются применимыми для криволинейной поверхности. В формуле изобретения поверхность измерительных электродов задана в виде признака «каждый измерительный электрод имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности заданной в границе измерительной области». Этот признак допускает использование измерительной области с криволинейной поверхностью. Возможность определения координат геометрического центра на криволинейной поверхности позволяет использовать данное изобретение для конструирования сенсорной системы манипуляторов роботов.

В изобретения раскрыто новое свойство системы электродов. Анализ конструкции системы электродов показал, что система измерительных электродов в общем случае реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области с учетом весов участков двумерной области. Учет весов участков двумерной области означает, что система измерительных электродов способна определить геометрический центр двумерной области, координаты которого учитывают рельеф тела, в случае если тело находится на некотором удалении от поверхности измерительной области системы электродов. Это свойство может найти применение в сенсорной технике, например, для реализации бесконтактного ввода координат и выбора объектов на экране смартфона. Использование множества измерительных областей позволяет определять детали рельефа поверхности тела, приближенного к поверхности общей измерительной области. Что полезно при конструировании сенсорной системы манипуляторов роботов.

Технический результат изобретения – реализация назначения системы электродов.

Изобретение может найти применение в составе различных устройств, где есть необходимость в определении координат геометрического центра двумерной области, в различных областях техники. Например, в измерительной технике, в автоматике, в сенсорных устройствах и робототехнике.

Перспективной областью применения изобретения является робототехника. Система электродов, которая способна работать на криволинейной поверхности, может использоваться при конструировании сенсорной системы манипуляторов роботов, поверхность «пальцев» которых является криволинейной. При этом на основе изобретения кончики «пальцев» манипулятора робота могут быть оснащены новой сенсорной системой. Также полезна функция, которая позволит роботу на небольшом расстоянии с помощью сенсорной системы «пальцев» уточнить положение предмета, определить рельеф поверхности предмета и величину сближения с предметом, перед тем, как его захватить.

В примере с манипулятором робота, совокупность свойства системы электродов позволяет отслеживать движение манипулятора относительно предметов в режиме реального времени, с высокой скоростью. При этом во время движения точно определять профиль поверхности предмета без прикосновения. Что обеспечивает улучшение выполняемых роботом функций.

Термины и определения

Термин «геометрический центр» двумерной области означает среднее арифметическое положений всех точек фигуры. Другое название - «барицентр». Для тел из однородного материала в условиях постоянной гравитации геометрический центр эквивалентен центру тяжести фигуры. Для однородных тел геометрический центр совпадает с центром масс и с центром инерции. Во многих областях техники гравитационное поле на поверхности Земли считается постоянным, материал, из которого изготавливают изделия - однородным, поэтому правомерна замена геометрического центра на центр тяжести, барицентр или центр инерции. На практике, из всех терминов наиболее часто используется «центр тяжести», т.к. он более старый. Этот термин нашел широкое распространение в строительстве и в машиностроении. В связи с этим в число аналогов изобретения, помимо устройств для определения геометрического центра, входят устройства для определения «центра тяжести», «центра масс», «центра инерции» и «барицентра».

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области содержит измерительные электроды, причем каждый измерительный электрод имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности заданной в границе измерительной области. Измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов, которая непосредственно реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области. Дополнительно, в состав системы электродов может входить общий электрод и экранирующий электрод.

Общий электрод - электрод, который формирует заданную конфигурацию электрического поля окружающего измерительные электроды, а также выполняет функцию выравнивания электрического поля и экранирования измерительных электродов. Общий электрод в конструкции системы электродов может отсутствовать. В вариантах системы электродов функции общего электрода могут выполнять конструктивные элементы устройства, в котором используется система электродов.

Измерительные электроды - это электроды, которые непосредственно предназначены для реализации функции определения координат геометрического центра двумерной области. Измерительные электроды расположены в границах измерительной области и образуют систему измерительных электродов. Каждый измерительный электрод имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности заданной в границе измерительной области. Для варианта с множеством измерительных областей практически гладкая поверхность задана в границе общей измерительной области.

В варианте изобретения измерительные электроды выполнены тонкими. Для размещения измерительных электродов предусмотрена диэлектрическая подложка, которая может быть выполнена в форме плоской или изогнутой пластины, а также в форме оболочки с криволинейной поверхностью. Допустимы другие конструкции измерительных электродов, которые не противоречат признакам изобретения.

Измерительная часть - часть измерительных электродов, в которой измерительные электроды электрически соединены между собой и имеют соответствующий вывод.

Группа измерительных электродов - группа, состоящая из электродов разных измерительных частей, реализующая функцию определения координат геометрического центра части двумерной области.

Измерительная область - это область с измерительными электродами, которая предназначена для определения координат геометрического центра двумерной области. Определение координат геометрического центра реализуется системой измерительных электродов, которые расположены в границе измерительной области. В системе электродов с использованием множества измерительных областей в границах общей измерительной области расположено множество измерительных областей с заданными промежутками, на подобии элементов мозаики. Форма и размеры измерительных областей могут быть произвольными. Внешние границы множества измерительных областей образуют общую измерительную область.

Поверхность измерительной области может быть плоской, изогнутой или криволинейной. В варианте, поверхность измерительной области совпадает с поверхностью, на которой расположены измерительные электроды. В другом варианте, в случае наличия с наружной стороны измерительных электродов изолирующего элемента с постоянной толщиной, например, изолирующего слоя диэлектрической подложки, наружная поверхность изолирующего элемента условно считается поверхностью измерительной области, которая сопряжена с поверхностями электродов. Как показано в описании изобретения характеристики изолирующего элемента не влияют на реализацию основного назначения системы электродов, поэтому эту поверхность можно принять в качестве поверхности измерительной области, которая смещена на небольшое расстояние во всех точках поверхности перпендикулярно поверхности, на которой размещены измерительные электроды.

Двумерная область - область, которая образована на двумерной поверхности измерительной области в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела. В системе электродов для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из однородного диэлектрического материала, поверхность плоского тела прикасается к поверхности измерительной области и образует на поверхности измерительной области двумерную область. В системе электродов для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящего тела, область прикосновения, образованная в результате деформации тела в месте соприкосновения с измерительной областью, также представляет собой двумерную область. В случае приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области, на ее поверхности формируется сгущение силовых линий электрического поля, которое образует двумерную область.

Система электродов в описании изобретения рассматривается совместно с диэлектрической подложкой. Диэлектрическая подложка выполняет функцию крепления измерительных электродов и их изоляции. Для изоляции измерительных электродов используют изолирующий слой подложки. Диэлектрическая подложка может иметь произвольную форму. Для крепления и изоляции измерительных электродов может использоваться другой конструктивный диэлектрический элемент, имеющий практически гладкую поверхность в границе измерительной области, который, в зависимости от области использования системы электродов, может иметь другое название. Поэтому в независимых пунктах формулы изобретения характеристики расположения и конструкция системы электродов описаны без использования диэлектрической подложки или другого конструкционного элемента. Конкретные особенности конструкции системы электродов с применением диэлектрической подложки приведены в вариантах изобретения в зависимых пунктах формулы, а также в описании сущности вариантов системы электродов.

Для упрощения изложения сущности изобретения в большинстве вариантов системы электродов использована диэлектрическая подложка с плоской поверхностью, которая выполнена в форме плоской пластины. Особенности принципа действия системы электродов с изогнутой и криволинейной поверхностью описаны в дополнительных вариантах системы электродов.

Термин «гладкая поверхность» используется в математическом смысле -поверхность, которая образованна непрерывно дифференцируемой функцией в границах области. Применительно к практике - гладкая поверхность это двумерная поверхность без резких изгибов, выступов и углублений.

В изобретении для измерительной области используется система координат, связанная с множеством измерительных электродов. Ось абсцисс системы координат обозначена символом X, а ось ординат - символом Y. Ось Y расположена ортогонально оси Х Оси Х и Y системы координат и координатная сетка расположены на поверхности измерительной области. Для измерительной области, поверхность которой является вогнутой или выпуклой, используется координатная сетка, которая получена путем деформации координатной сетки плоской поверхности.

В измерительной области для каждого из множеств измерительных электродов определена выделенная система координат. В этой системе координат в сечении измерительных электродов множества осью абсцисс суммарная ширина измерительных электродов первой измерительной части равна суммарной ширине электродов второй измерительной части. Условие равенства суммарной ширины первой и суммарной ширины второй измерительных частей в сечении осью абсцисс должно соблюдаться также для каждой из групп множества измерительных электродов. Эта система координат обозначена как «локальная система координат множества измерительных электродов».

Системы координат множеств измерительных электродов измерительной области являются зависимыми и могут быть заменены одной системой координат. Эта система координат имеет название «система координат измерительной области». Начало этой системы координат может быть совмещено с точкой пересечения осей абсцисс локальных систем координат двух множеств измерительных электродов и с геометрическим центром измерительной области. Такая система координат в рамках изобретения обозначена как локальная система координат измерительной области.

1. Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области.

Назначение системы электродов заключается в определении координат геометрического центра двумерной области. Система электродов соответствует п. 1 формулы изобретения.

Система электродов имеет следующие признаки формулы изобретения.

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащая измерительные электроды. Причем измерительные электроды расположены в границе измерительной области, каждый измерительный электрод имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности заданной в границе измерительной области. Форма, размеры и расположение измерительной области заданы. Измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом система измерительных электродов реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат измерительной области. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей системы электродов.

Признаки изобретения в независимом пункте формулы изобретения приведены в обобщенном виде.

Признаки изобретения «причем измерительные электроды расположены в границе измерительной области, каждый измерительный электрод имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности заданной в границе измерительной области» приведены в виде вариантов конкретных конструкций в пп. 12-15 формулы изобретения. Описание системы электродов по пп. 12-15 приведено в вариантах 1.11-1.14 системы электродов.

Признак формулы изобретения «измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу» объединяет признаки системы электродов, которые приведены в пп. 6-8 и п. 21 формулы изобретения. Описание системы электродов по пп. 6-8 и п. 21 приведено в вариантах системы электродов 1.4, 1.5, 1.6 и 2.3, в которых имеются три измерительные части, и в вариантах 1.3, 2.2 где используются четыре измерительные части. Измерительные части характеризуются тем, что измерительные электроды каждой из измерительных частей соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом нет принципиальных ограничений в увеличении количества измерительных частей свыше четырех, в одной измерительной области. Следует отметить, что увеличение количества измерительных частей свыше восьми нерационально, т.к. увеличивается количество выводов.

Функциональный признак «система измерительных электродов реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат» заменяет конструктивные признаки системы измерительных электродов, приведенные в п. 2 формулы изобретения системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области. Такая замена допустима в связи с тем, что реализация функции, приведенной в признаке формулы изобретения, доказана. Доказательство приведено в описании варианта системы электродов под номером 1.1.

1.1 Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала Приведенная в формуле изобретения по п. 2 система электродов позволяет использовать множество вариантов конструкции измерительных электродов. Общим для всех вариантов является то, что электроды измерительных частей выполнены в соответствии с существенными признаками изобретения, в виде условий. Эти условия могут быть записаны в виде математических зависимостей для формы, размеров и взаимного расположения геометрических фигур измерительных электродов. Поэтому, для доказательства реализации основного назначения для всех вариантов системы электродов достаточно рассмотреть математические зависимости, основанные на приведенных в формуле изобретения условиях для одного варианта с конкретной конструкцией электродов. Для доказательства реализации назначения выбран вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел.

Этот вариант включает в себя признаки, приведенные в пунктах п. 1, п. 2, п. 4, п. 5, п. 9 и п. 13 формулы изобретения. Пункт п. 4 характеризует конструкцию измерительных электродов в виде трапеций, пункт п. 5 - схему соединения электродов и подключения выводов, пункт п. 9 - конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 13 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме плоской диэлектрической пластины.

Система электродов показана на фиг. 1 и фиг. 2. Фигуры фиг. 3 и фиг. 4 предназначены для пояснения принципа действия. Для графической иллюстрации варианта системы электродов использованы измерительные электроды в форме трапеций, в соответствии с п. 4 формулы изобретения. Особенности варианта системы электродов по п. 4 формулы изобретения рассмотрены дополнительно, в варианте под номером 1.2.

Назначение варианта системы электродов заключается в определении координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала.

Система электродов характеризуется следующими признаками изобретения.

Система электродов отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет следующего. Измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов, которая содержит два множества измерительных электродов, измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов, при этом группы измерительных электродов расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей измерительной области.

На фиг. 1 и фиг. 2 показаны основные элементы конструкции варианта системы электродов 101 для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящего тела. Измерительные электроды расположены на диэлектрической подложке 102, которая выполнена в виде пластины с плоской поверхностью. Общий электрод 106 расположен на стороне диэлектрической подложки 102, которая противоположна стороне с измерительными электродами. Измерительные электроды 103 расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области 110, форма, размеры и расположение которой заданы и образуют систему измерительных электродов измерительной области. Для изоляции измерительных электродов предусмотрен изолирующий слой 111, расположенный поверх измерительных электродов 103. Система измерительных электродов измерительной области содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. На фиг. 2 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 112, второй измерительной части первого множества цифрой 113, первой измерительной части второго множества цифрой 114, второй измерительной части второго множества цифрой 115. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам, системах координат. На фиг. 2 первому множеству соответствует система координат 116, второму множеству - 117. Причем ось ординат системы координат 116 измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат 117 системы координат измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов. Одна из групп измерительных электродов первого множества обозначена цифрой 118. Группы измерительных электродов в границе измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс, в границах соответствующих измерительных областей групп 125 и 126 измерительных электродов.

На фиг.3 и фиг.4 показана часть 121 системы измерительных электродов, для пояснения принципа действия в которой выделены две группы измерительных электродов 118 и 119, входящих в первое множество. Для удобства пояснения, группы измерительных электродов расположены в границах измерительной области 120, которая повернута таким образом, что ось ординат системы координат 116 расположена вертикально. Эта область не совпадает с измерительной областью 110, показанной на фиг. 2. При этом измерительные электроды 112 и 113 вписаны в границу измерительной области 120. На фиг. 3 показано тело 122 из электропроводящего материала, которое имеет плоскую поверхность соприкосновения с поверхностью измерительной области 120. Тело имеет емкостную связь С1 с общим электродом 106. На фиг. 4 на поверхности измерительной области 120 показана двумерная область 123 соприкосновения, которая образована поверхностью соприкосновения тела. Цифрой 124 обозначена граница двумерной области соприкосновения 123. Измерительные электроды групп 118 и 119 расположены в границах соответствующих измерительных областей 137 и 138 групп измерительных электродов. Группы измерительных электродов состоят из измерительных электродов 112 и 113, входящих в первую и вторую измерительные части первого множества, соответственно. Размеры измерительных электродов, измерительных областей групп и электропроводящего тела показаны без соблюдения масштаба по ширине. Система измерительных электродов 121 реализует функцию определения геометрического центра двумерной области по одной оси.

Из состава системы измерительных электродов сначала рассмотрим отдельно взятую группу измерительных электродов, которая обозначена на фиг. 4 номером 118. Отдельно взятая группа измерительных электродов реализует функцию определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси.

В каждой из групп измерительных электродов множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно. Измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат.

Для определения координат геометрического центра двумерной области на поверхность измерительной области части 121 диэлектрической подложки помещают тело 122, которое на поверхности измерительной области 120 образует двумерную область 123 соприкосновения с поверхностью измерительной области 120 и пересекает измерительную область 137 группы измерительных электродов 118. Двумерная область 123 приведена без соблюдения пропорций в относительных размерах.

В двумерной области соприкосновения между электропроводящей поверхностью тела и электродами измерительных частей, входящих в группу измерительных электродов, образуются конденсаторы. При этом электрическая емкость измерительных электродов 112 первой измерительной части может быть рассчитана как сумма двух составляющих. Первая составляющая образована емкостью конденсатора, обкладками которого являются измерительные электроды 112 первой измерительной части и поверхность общего электрода 106. Эта составляющая является «пассивной» составляющей электрической емкости измерительных электродов. Емкость соответствует электрической емкости измерительных электродов первой измерительной части в отсутствии тела. Емкость второй составляющей образована конденсатором, одной из обкладок которого является проводящая двумерная поверхность соприкосновения электропроводящего тела, образующая двумерную область соприкосновения, вторая обкладка образована электродами первой измерительной части. Эта составляющая емкости обозначена как «избыточная емкость».

Полная емкость измерительных электродов первой измерительной части равна

Где:

С₁ - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части;

C₀₁ - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части в отсутствии тела;

S₁ - площадь измерительных электродов первой измерительной части в области пересечения двумерной области соприкосновения с измерительной областью группы измерительных электродов;

К₁ - коэффициент пропорциональности между площадью и избыточной электрической емкостью измерительных электродов.

Для варианта системы электродов для определения координаты геометрического центра двумерной области с изолирующим электроды слоем диэлектрической подложки коэффициент К₁ равен

Где:

ε₀- диэлектрическая постоянная;

d₁ - толщина изолирующего измерительные электроды диэлектрического слоя в области соприкосновения;

ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость материала изолирующего измерительные электроды слоя.

Аналогичную зависимость можно записать для емкости измерительных электродов 113 второй измерительной части

Где:

С₂ - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части;

С₀₂ - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части в отсутствии тела.

S₂ - площадь измерительных электродов второй измерительной части в области пересечения двумерной области тела с измерительной областью.

Суммарная величина площади измерительных электродов первой измерительной части, ограниченная сверху и снизу двумя параллельными направлению оси абсцисс X отрезками линий 128 и 129, равна

Где:

S' ₁ - площадь ограниченной области измерительных электродов первой измерительной части;

l₁ - длина трапеций измерительных электродов;

l₁₂ - суммарная ширина больших оснований трапеций измерительных электродов первой измерительной части;

l₁₃ - суммарная ширина малых оснований трапеций измерительных электродов первой измерительной части;

Δу=y₂-y₁

Координата y определена как координата центра ограниченной области по оси Y, относительно начала системы координат по оси Y. Начало системы координат 127 совпадает с положением нижних оснований трапеций измерительных электродов по оси Y, как показано на фиг. 4

Величина площади измерительных электродов второй измерительной части, ограниченная сверху и снизу теми же отрезками линий, равна

Где:

S'₂ - площадь ограниченной области измерительных электродов второй измерительной части;

l₂₂ - суммарная ширина больших оснований трапеций измерительных электродов второй измерительной части;

l₂₃ - суммарная ширина малых оснований трапеций измерительных электродов второй измерительной части.

На основе условия формулы изобретения, согласно которому измерительные электроды первой и второй измерительных частей дополняют друг друга до образования постоянной ширины, можно записать равенство

Анализ выражений (4) и (6) с учетом (7) показывает, что координата центра ограниченной области по оси Y может быть выражена через ограниченные площади измерительных электродов первой и второй измерительных частей

В связи с тем, что суммарная фигура, составленная из ограниченных площадей измерительных электродов первой и второй измерительных частей, имеет постоянную ширину вдоль оси Х в функции расстояния вдоль оси У и ограничена сверху и снизу по оси Y параллельными оси X отрезками линий 128 и 129, центр этой фигуры по оси Y совпадает с геометрическим центром ограниченной области.

Следовательно, для геометрического центра ограниченной области можно записать выражение

Где:

Отрезки линий 128 и 129 являются отрезками кусочно-постоянной аппроксимации верхнего и нижнего участков границы 124 двумерной области 123 соприкосновения.

Анализ показывает, что такая аппроксимация, вследствие неточного совпадения с верхним и нижним участками границы двумерной области соприкосновения, является источником погрешности в определении координаты геометрического центра. Погрешность аппроксимации зависит от суммарной ширины системы измерительных электродов группы и стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины по отношению к высоте измерительных электродов. При этом верхний и нижний участки границы двумерного тела приближаются к отрезкам кусочно-постоянной аппроксимации. В связи с чем, для системы измерительных электродов с относительно небольшой суммарной шириной, погрешностью аппроксимации можно пренебречь и записать следующие равенства

С учетом выражений (1), (3) и (12) площади измерительных электродов можно выразить в виде

Подставляя S' ₁ и S' ₂ в выражение (9) получаем формулу для вычисления

координаты геометрического центра по одной оси двумерной области в области пересечения измерительной области и двумерной области соприкосновения тела

Где:

G_Y - величина координаты геометрического центра двумерной области тела по оси ординат в области пересечения двумерной области с измерительной областью;

a₁ - коэффициент, определяющий чувствительность системы электродов по оси ординат, зависящий от конструкции измерительных электродов;

а₂ - коэффициент, определяющий расположение начала системы координат по оси ординат относительно измерительных электродов.

Для варианта системы электродов, в котором суммарные площади измерительных электродов первой и второй измерительных частей равны между собой, коэффициенты имеют следующие значения

В случае равенства площадей измерительных электродов первой и второй измерительных частей разность электрических емкостей C₀₂-C₀₁ равна нулю. Поэтому выражение (15) можно записать в виде

или

Коэффициент а₂, определяющий начало координаты геометрического центра относительно измерительных электродов по оси ординат Y, в выражениях (4) и (6) задан относительно расположения оси абсцисс X системы координат 127 множества измерительных электродов, проходящей через линию нижних оснований трапеций (см. фиг.4). Выражения, аналогичные (4) и (6), могут быть записаны с началом системы координат по оси Г относительно верхних оснований трапеций или с заданным смещением от оснований трапеций. Такая запись не меняет вид формулы (15). Поэтому формула (15) отражает общий случай, когда выбрана система координат с произвольно заданным значением коэффициента а₂.

На практике удобно принять коэффициент а₂ равным нулю. В этом случае ось

абсцисс X проходит через сечение измерительных электродов, в котором суммарная ширина измерительных электродов первой измерительной части равна суммарной ширине измерительных электродов второй измерительной части. Эта система координат обозначена как «локальная система координат» множества измерительных электродов. Локальная система координат на фиг. 4 обозначена номером 116.

Таким образом, реализация группой измерительных электродов функции определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси считается доказанной.

При выводе формулы (15) для вычисления координаты геометрического центра части двумерной области использована кусочно-постоянная аппроксимация верхней и нижней границы двумерной области. Кусочно-постоянная аппроксимация является источником погрешности в определении координат геометрического центра. Величина погрешности стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины участков кусочно-постоянной аппроксимации по оси абсцисс. На фиг. 4 показаны отрезки линий 128 и 129 кусочно-постоянной аппроксимации соответствующие группе измерительных электродов 118 измерительных электродов, которые параллельны оси абсцисс и отрезки линий 131 и 132 соответствующие другой группе 119. Линии кусочно-постоянной аппроксимация заданы для измерительных областей 137 и 138 групп, внутри которых расположены измерительные электроды соответствующих групп. На фиг. 4 видно, что с помощью двух участков аппроксимации, аппроксимация границы двумерной области может быть выполнена более точно, чем с использованием одного участка. В практической реализации количество используемых измерительных областей групп измерительных электродов ограничено только разрешающей способностью фотолитографического процесса нанесения измерительных электродов на диэлектрическую подложку и может достигать в измерительной области нескольких сотен. При этом ширина измерительной области группы измерительных электродов может составлять несколько десятков микрометров. За счет использования множества групп измерительных электродов обеспечивается размещение всей двумерной области соприкосновения внутри измерительной области. Дополнительно снижается погрешность кусочно-постоянной аппроксимации.

В соответствии с формулой изобретения измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией 133 (фиг. 4) вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении.

В связи с тем, что измерительные электроды расположены в границе измерительной области, которая не обязательно является прямоугольной, измерительные электроды групп, находящиеся вблизи границы измерительной области могут быть обрезаны по границе, при этом находящаяся с краю группа в сечении параллельной оси абсцисс линией будет иметь неполный состав измерительных электродов. В этом случае, для нахождения сумм и разностей суммарной ширины измерительных электродов измерительных частей групп, группы с неполным составом измерительных электродов в сечении использовать нельзя. В тоже время, неполную группу измерительных электродов можно условно дополнить частями, которые были обрезаны, до образования полной группы в сечении. Дополненные таким образом группы измерительных электродов считают полными группами и используют для характеристики измерительных электродов групп в данном признаке изобретения.

Рассмотренные признаки изобретения, по существу, ограничивают конструкцию измерительных электродов в группах и их взаимное расположение в рамках одного образа, в соответствии с которым для разных групп соответствующие коэффициенты а₁ и a₂ формуле (15) равны между собой для всех групп. Это означает, что измерительные электроды всех групп имеют одинаковую чувствительность, и что начало системы координат по оси ординат для всех групп измерительных электродов множества совпадает.

В формуле изобретения для характеристики расположения групп измерительных электродов приведен признак: «группы измерительных электродов расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс». Термин «равномерные интервалы» означает, что промежутки между группами измерительных электродов могут быть не строго постоянными, но их непостоянство ограничено на некотором заданном интервале. При этом неточностью равномерного распределения на заданном интервале можно пренебречь.

Уточнение функции равномерного распределения приведено в зависимых пунктах п. 3 и п. 18 формулы изобретения в виде следующего признака изобретения «каждая группа измерительных электродов расположена в измерительной области в границе соответствующей измерительной области группы, при этом измерительные области групп имеют практически одинаковую ширину в направлениях вдоль оси абсцисс и расположены практически без промежутков между границами групп в направлениях вдоль оси абсцисс.» Слово «практически» означает, что условие может быть неточным. При этом величина неточности связана с возникающими на практике погрешностями при определении координат геометрического центра двумерной области. Например, в случае расположения измерительных областей групп измерительных электродов на криволинейной поверхности, между границами измерительных областей групп измерительных электродов в отдельных местах могут существовать промежутки. Для плоской поверхности промежутки между границами измерительных областей групп отсутствуют.

В соответствие с признаками формулы изобретения суммарная ширина вдоль оси абсцисс в функции расстояния вдоль оси ординат для каждой группы измерительных электродов является постоянной величиной. Измерительные электроды всех групп в сечениях, параллельных оси абсцисс, имеют одинаковую ширину. Измерительные области каждой группы измерительных электродов имеют практически одинаковую ширину, которая также не изменяется вдоль оси абсцисс. Поэтому площадь пересечения измерительных электродов каждой группы с двумерной областью можно связать с площадью пересечения двумерной области с измерительной областью группы измерительных электродов, с введением коэффициента пропорциональности

где:

S'' - площадь пересечения двумерной области с измерительной областью группы измерительных электродов;

К₂ - коэффициент пропорциональности;

S₁+S₂ - площадь области пересечения двумерной области 123 с измерительными электродами первой и второй измерительных частей группы.

В связи с тем, что системы измерительных электродов каждой из групп имеют одинаковую чувствительность и расположены в измерительной области в одной системе координат, с учетом выражения (20), для геометрического центра двумерной области по оси ординат Y можно записать

Где:

G_Y - координата геометрического центра двумерной области по оси ординат Y;

- координата геометрического центра области пересечения двумерной области соприкосновения 123 тела и измерительной области группы измерительных электродов с номером i, по оси ординат Y;

- площадь области пересечения двумерной области 123 с измерительными электродами первой и второй измерительных частей группы, для группы измерительных электродов с номером i.

На основе выражения (21), путем замены правой частью выражения (21) с учетом выражений (9) и (12), для координаты геометрического центра двумерной области получаем

С учетом выражений для емкостей электродов (1) и (3)

Суммы емкостей измерительных электродов измерительных частей групп измерительных электродов равны соответствующим суммам емкостей измерительных электродов измерительных частей измерительной области. Поэтому справедливы следующие равенства

В результате подстановки этих сумм в выражение (23) получаем формулу для вычисления геометрического центра двумерной области, идентичную формуле (15).

В связи с этим, реализация функции определения координаты двумерной области по одной оси, с помощью двух измерительных частей множества измерительных электродов, считается доказанной.

В соответствии с формулой изобретения, измерительная область содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных электродов второго множества. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах системы электродов.

В этом случае геометрический центр двумерной области находится на пересечении двух линий. Первая линия перпендикулярна оси ординат системы координат первого множества измерительных электродов и имеет измеренную с помощью первого множества измерительных электродов координату геометрического центра, вторая линия перпендикулярна оси ординат системы координат второго множества и имеет координату, равную измеренной величине координаты геометрического центра по оси ординат посредством второго множества измерительных электродов. Первая и вторая линии тождественны двум осям равновесия двумерной области, пересечение которых определяет расположение геометрического центра двумерной области. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей.

Таким образом, назначение системы электродов, заключающееся в определении координат геометрического центра двумерной области, образованной соприкосновением электропроводящего тела с поверхностью измерительной области системы электродов, считается доказанным.

Как показано в описании изобретения, использование различных вариантов выполнения диэлектрической подложки и общего электрода не меняет вид основных формул (15), (25) и (26) для определения координат геометрического центра двумерной области. Поэтому реализация назначения «определение координат геометрического центра двумерной области» распространяется на описанные в изобретении разновидности и их варианты.

В соответствии с изобретением, измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах системы электродов. Система электродов допускает использование множества схем соединений электродов и подключений выводов. Варианты схем приведены в вариантах системы электродов. Координаты геометрического центра двумерной области связаны системой емкостей измерительных частей математическими зависимостями. Математические зависимости приведены в описании вариантов схем соединений электродов и подключений выводов.

В системе электродов, которая показана на фиг. 1, для определения геометрического центра двумерной области используются две системы координат 116 и 117, соответствующих первому и второму множествам измерительных электродов. Системы координат являются зависимыми друг от друга, т.к. ось ординат системы координат 116 первого множества наклонена на заданный угол относительно оси ординат системы координат 117 второго множества. Эти системы можно преобразовать к одной системе координат, которая обозначена как система координат измерительной области. Перерасчет положений измерительных электродов и положения геометрического центра двумерной области из систем координат 116 и 117 отдельных множеств измерительных электродов в систему координат измерительной области выполняют по известным формулам. Соответственно, в системе координат измерительной области можно определить форму, размеры и расположение измерительных электродов.

Наиболее удобной для применения является система координат 135 измерительной области, в которой начало координат совпадает с точкой пересечения осей абсцисс 136 локальных систем координат 116 и 117 первого и второго множеств. Такая система координат системы электродов относится к «локальной системе координат измерительной области». При этом, в варианте, ось ординат системы координат, как показано на фиг. 1, повернута таким образом, что эта ось совпадает с направлением одной из сторон диэлектрической подложки 102 в виде пластины.

Анализ показывает, что существуют системы измерительных электродов, в которых электроды двух множеств, а также их выводы могут быть расположены на одной поверхности. Варианты этих систем электродов приведены в пунктах формулы изобретения п. 4, п. 5, п. 6, п. 7, п. 8. Варианты основаны на свойствах системы электродов, в которой измерительные электроды выполнены в форме трапеций. Для иллюстрации свойств на фиг.5 и фиг.6. показана группа 212 измерительных электродов в форме трапеций. Трапеции группы измерительных электродов 212 могут быть выполнены с наклоном на заданный угол ϕ₁ относительно оси ординат Y системы координат 216, как показано на фиг. 5. В случае наклона трапеций путем сдвига верхних оснований вдоль оси абсцисс X их суммарная ширина, определенная вдоль оси абсцисс, и зависимость изменения суммарной ширины вдоль направления оси ординат Г для измерительных электродов 202 или 203 измерительных частей не изменяются. С наклоном трапеций не изменяется также площадь трапеций. Для множества наклоненных групп измерительных электродов не изменятся система координат множества измерительных электродов. Поэтому наклоненные электроды для цели определения координаты двумерной области по одной оси эквивалентны не наклоненным электродам. Измерительные электроды измерительных частей входящих в группу, как показано на фиг. 6, могут быть вписаны в заданную измерительную область 214 группы измерительных электродов путем их обрезки на границе измерительной области и удлинения путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области группы. Также могут быть вписаны в заданную измерительную область измерительные электроды множества групп. При этом вписанные и удлиненные измерительные электроды в рамках заданной измерительной области соответствуют признакам изобретения. Обрезка и удлинение измерительных электродов не вносят изменения в признаки изобретения, не меняют систему координат множества измерительных электродов и величины коэффициентов в формуле (15), в связи с тем, что определение координаты геометрического центра ведется на основе избыточной электрической емкости измерительных электродов с использованием участков измерительных электродов только в области пересечения двумерной области с измерительной областью.

Эти свойства позволяют создать системы электродов, состоящие из двух или большего количества множеств измерительных электродов, в которых измерительные электроды множеств, при расположении на поверхности, не пересекают друг друга. При этом системы измерительных электродов соответствуют признакам п. 2 формулы изобретения.

Одна из таких систем измерительных электродов используется в варианте 1.2 системы электродов, описание которого приведено ниже.

1.2 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением измерительных электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической подложки

Вариант системы электродов соответствует п. 4 формулы изобретения. Сущность системы электродов рассмотрена на примере варианта системы электродов с четырьмя выводами от измерительных частей по п. 5 формулы изобретения. Конструкция системы электродов рассмотрена с учетом признаков вариантов по п. 9 и п. 13. Пункт п. 9 задает конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 13 - конструкцию диэлектрической подложки в форме плоской диэлектрической пластины. Вариант системы электродов показан на фиг. 9. Для пояснения сущности использованы чертежи фиг. 7 и фиг. 8.

Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, отличающаяся тем, что с целью обеспечения расположения измерительных электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности, измерительные электроды выполнены в форме трапеций. Для групп измерительных электродов 218 (см. фиг. 7) входящих в первое множество находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 216 первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол ϕ₂ по отношению к оси ординат системы координат первого множества. Для групп измерительных электродов 219 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 217 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол α₂ по отношению к оси ординат системы координат 217 второго множества, не равный первому углу ϕ₁. Группы измерительных электродов (см. фиг. 8) первого и второго множеств расположены в границе измерительной области 110 с чередованием и не пересекают друг друга, при этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Электроды измерительных частей (см. фиг. 8 и фиг. 9) выполнены и расположены таким образом, что части геометрических фигур измерительных электродов, которые выступают за пределы измерительной области 110, обрезаны по границе измерительной области. Геометрические фигуры измерительных электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области, измерительные электроды расположены таким образом, что точка 221 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 216 и 217 первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области 110.

Конструктивно измерительные электроды расположены на поверхности одного слоя диэлектрической подложки, которая имеет плоскую поверхность и выполнена в виде диэлектрической пластины.

Дополнительно на фиг. 7 показаны измерительные области 214 и 215 для групп измерительных электродов. Измерительные области групп 214 и 215 составляют измерительную область 110, как показано на фиг. 9.

Реализация назначения для варианта системы электродов обеспечивается тем, что для каждого множества измерительных электродов, находящиеся с краю групп измерительных электродов боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс, выполнены с наклоном на заданные углы, которые не равны друг другу. При этом, при совмещении множеств измерительных электродов, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций расположены практически параллельно между собой. Поэтому ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат второго множества измерительных электродов, что соответствует существенному признаку пункта п. 2 формулы изобретения.

В варианте изобретения измерительные электроды расположены на поверхности одного слоя диэлектрической подложки 102, которая имеет плоскую поверхность и выполнена в виде диэлектрической пластины. В связи с тем, что группы измерительных электродов первого множества и группы измерительных электродов второго множества расположены в границе измерительной области с чередованием и не пересекают друг друга, измерительные электроды групп могут быть расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки. Как показано на фиг. 9, 11, 14, 17, 29 и фиг. 31 в вариантах изобретения, выполнение системы электродов в соответствии с признаками изобретения этих вариантов, позволяет расположить измерительные электроды, соединительные проводники и выводы на одной поверхности слоя диэлектрической подложки.

Расположение измерительных электродов и соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической подложки позволяет увеличить точность системы электродов и уменьшить стоимость устройства, в котором используется система электродов. Повышение точности связано с тем, что в этом случае нет необходимости в совмещении измерительных электродов, расположенных на разных поверхностях слоев диэлектрической подложки, в результате может быть уменьшена ширина групп измерительных электродов и уменьшена погрешность кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области. Уменьшение стоимости связано с упрощением технологического процесса изготовления, при котором необходимо наносить электроды только на одну поверхность слоя диэлектрической подложки.

В варианте изобретения измерительные электроды расположены таким образом, что точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области. Расположение точки пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств в геометрическом центре измерительной области, по существу, означает равенство площадей измерительных электродов измерительных частей для каждого соответствующего множества. В результате увеличивается стабильность и помехоустойчивость системы электродов.

В случае использования локальной системы координат измерительной области признак изобретения «точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области» может быть заменен признаком «начало локальной системы координат измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области».

1.3 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от измерительных частей

Вариант системы электродов соответствует п. 5 формулы изобретения. В этом варианте в дополнение к признакам системы электродов по п. 2 конкретизирована схема соединений электродов и подключений выводов. Особенности схемы соединений по варианту показаны на фиг. 9.

Вариант имеет следующие признаки изобретения.

Система электродов, отличающаяся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов, измерительные электроды первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные электроды образуют систему измерительных электродов, состоящую из четырех измерительных частей.

В варианте с наличием общего электрода, выполненного по любому из пп. 9-11 формулы изобретения, схема соединений электродов и подключений выводов дополнительно содержит вывод от общего электрода.

Величины координат геометрического центра двумерной области связаны с системой величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах системы электродов следующими зависимостями.

Где:

G_Y1 - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;

G_Y2 - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;

a_1,Yl - коэффициент, определяющий чувствительность системы электродов по оси ординат Y1 системы координат первого множества;

а_1,Y2 - коэффициент, определяющий чувствительность системы электродов по оси ординат Y2 системы координат второго множества;

a_2,Y1 - коэффициент, определяющий расположение начала системы координат первого множества относительно измерительных электродов по оси ординат Y1;

a_2,Y2 - коэффициент, определяющий расположение начала системы координат второго множества относительно измерительных электродов по оси ординат Y2;

C_1,M1 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части первого множества;

С_2,M1 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части первого множества;

С_01,M1,С_02,M1 - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела;

С_1,M2 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части второго множества;

C_2,М2 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части второго множества;

С_01,М2^,С_02,М2 - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела.

Величины C_01,M1, C_02,M1, C_01,М2 и C_02,М2 находят в процессе калибровки системы электродов, сохраняют в блоке памяти микроконтроллера и, при необходимости, считывают. Эти величины соответствуют измеренным значениям электрических емкостей С_1,M1, С_2,М1, C_1,М2 и C_2,М2 в условиях отсутствия тела, для которого определяют геометрический центр двумерной области.

Каждая из зависимостей (25) и (26) аналогична зависимости (15) для одного из двух множеств измерительных электродов. Отличия касаются только обозначений емкостей измерительных частей и обозначений систем координат, с привязкой к множествам.

Анализ показывает, что при определении координат геометрического центра двумерной области одна из четырех измерительных частей является зависимой от других измерительных частей. Для реализации назначения достаточно использования трех измерительных частей. При этом система измерительных электродов из трех независимых измерительных частей может быть получена с использованием системы измерительных электродов состоящей из четырех измерительных частей путем использования схемы соединений измерительных электродов и подключений выводов, без изменения конструкции измерительных электродов этих частей. При этом образуется система измерительных электродов измерительной области, состоящая из трех измерительных частей, в которой в каждой измерительной части измерительные электроды соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.

Особенностью вариантов этой схемы является то, что система измерительных электродов имеет три вывода. Схемы соединений измерительных электродов и подключений выводов приведены в вариантах 1.4, 1.5 и 1.6. В описании вариантов доказана реализация назначения системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, для системы измерительных электродов имеющей три измерительные части. При этом система измерительных электродов измерительной области имеет три вывода.

1.4 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от измерительных частей и соединением измерительных электродов одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества измерительных электродов

Вариант системы электродов соответствует п. 6 формулы изобретения. Для этого варианта расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности, аналогично варианту, показанному на фиг. 7. На фиг. 10 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп измерительных электродов, как они расположены в измерительной области. На фиг. 11 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов. Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области отличающаяся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с электродами разноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные электроды образуют систему измерительных электродов, состоящую из трех измерительных частей.

В случае наличия общего электрода, выполненного по любому из пп. 9-11 формулы изобретения, схема соединений электродов и подключений выводов дополнительно содержит вывод от общего электрода.

В рассматриваемом варианте системы электродов для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (25) и (26). При этом емкости измерительных электродов измерительных частей, для которых нет непосредственных измерений, можно выразить через сумму емкостей соединенных измерительных электродов и емкостей измерительных электродов, которые не соединены. Эта возможность связана с тем, что трапеции первой и второй измерительных частей любой группы измерительных электродов дополняют друг друга до образования постоянной ширины, величина которой известна, при этом величину воздействия тела, для которого определяют геометрический центр, на две ближайшие группы измерительных электродов принимают условно одинаковой. Погрешность, связанная с этим допущением, относится к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области тела.

Например, соединены между собой и поэтому неизвестны по отдельности электрические емкости измерительных электродов C_2,M1 C_1,М2. При этом, для вычисления значений этих емкостей можно воспользоваться формулами

Где:

C₃=С_2,M1+C_1,M2 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов соединенных измерительных частей;

С_Σ=C_2,М2+C_1,M1+C₃ - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первого и второго множеств измерительных электродов.

Необходимые для вычисления по формулам (25) и (26) величины C_02,M1 и С_01,М2 определяют в процессе калибровки, затем записывают в блок памяти микроконтроллера, а при вычислении геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление величин электрических емкостей по формулам (27) и (28) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.

1.5 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от измерительных частей и соединением измерительных электродов одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества измерительных электродов

Вариант системы электродов соответствует п. 7 формулы изобретения. На фиг. 12 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 13 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены в измерительной области. На фиг. 14 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.

Вариант имеет следующие признаки изобретения.

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, отличающаяся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с электродами одноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом измерительные электроды образуют систему измерительных электродов, состоящую из трех измерительных частей.

В случае наличия общего электрода, выполненного по любому из пп. 9-11 формулы изобретения, схема соединений электродов и подключений выводов дополнительно содержит вывод от общего электрода.

В рассматриваемом варианте системы электродов для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (25) и (26). При этом величины электрических емкостей измерительных электродов, для которых нет непосредственных измерений, можно выразить через сумму емкостей соединенных измерительных электродов и емкостей измерительных электродов, которые не соединены. Например, соединены между собой и поэтому неизвестны по отдельности электрические емкости измерительных электродов С_2,М1 и C_2,М2. При этом, для вычисления значений емкостей можно воспользоваться формулами

Где:

С₄=C_2,M2+C_2,М1 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов соединенных измерительных частей;

СΣ=С_1,M2+C_1,M1+С₄ - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первого и второго множеств измерительных электродов.

Необходимые для вычисления по формулам (25) и (26) величины C_02,M1 и C_02,M2 определяют в процессе калибровки, затем записывают в блок памяти. При вычислении геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление величин электрических емкостей по формулам (29) и (30) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.

1.6 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от измерительных частей и отключением одной из измерительных частей одного из множеств измерительных электродов

Вариант системы электродов соответствует п. 8 формулы изобретения. На фиг. 15 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 16 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены в измерительной области. На фиг. 17 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.

Вариант имеет следующие признаки изобретения.

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области отличающаяся тем что, в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды любых трех измерительных частей первого и второго множеств для каждой измерительной части по отдельности соединены между собой и подключены к соответствующим выводам измерительных частей. При этом измерительные электроды образуют систему измерительных электродов, состоящую из трех измерительных частей.

В случае наличия общего электрода, выполненного по любому из пп. 9-11 формулы изобретения, схема соединений электродов и подключений выводов дополнительно содержит вывод от общего электрода.

В рассматриваемом варианте системы электродов не подключены измерительные электроды одной из измерительных частей одного множества, например, второй измерительной части второго множества, значение электрической емкости измерительных электродов неизвестно. Поэтому непосредственно использовать выражение (26) нельзя. В тоже время, значение электрической емкости измерительных электродов С_2,М2 может быть вычислено исходя из значений электрических емкостей измерительных электродов других измерительных частей

Необходимую для вычисления по формулам (26) величину C_02,M2 определяют в процессе калибровки и записывают в блок памяти. При вычислении координат геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление электрической емкости исключенной измерительной части по формуле (31) осуществляется процессором микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования систем координат.

Варианты 1.4, 1.5 и 1.6 системы электродов обладают теми же положительными свойствами, что и вариант 1.3. Дополнительное положительное свойство вариантов -сокращение выводов до трех, что позволяет упростить схему соединений и уменьшить расстояние между измерительными областями в случае использования в системе электродов множества измерительных областей, что снижает погрешность определения геометрического центра.

На фиг. 18 показана схема микроконтроллера и схема подключений выводов системы электродов к микроконтроллеру.

Микроконтроллер предназначен для преобразования координат геометрического центра двумерной области, которые выражены на выводах измерительных частей системы электродов, в виде цифрового кода. Конструктивно микроконтроллер может входить в состав устройства, в котором использована система электродов.

Микроконтроллер 260 содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь 266 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 269 и процессор 267. Причем выводы измерительных частей системы электродов подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод 211 общего электрода подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом процессора. Сигналы 268 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 266 поступают на вход процессора 267 микроконтроллера, процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра двумерной области, в вычислительном алгоритме которой используются формулы (25) и (26), а также формирует выходные сигналы 270 координат геометрического центра двумерной области, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.

Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.

Схема микроконтроллера, показанная на фиг. 18, применима к вариантам 1.4, 1.5 и 1.6. Отличия связаны с тем, что схемы подключения выводов системы электродов для вариантов 1.4, 1.5 и 1.6 отличаются наличием трех выводов от измерительных частей. Поэтому к аналого-цифровому преобразователю подключены три вывода.

1.7 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала

Система электродов по варианту включает в себя признаки изобретения, приведенные в пунктах п. 1, п. 2, п. 4, п. 9, п. 10 и п. 13 формулы изобретения. Пункты п. 2 и п. 4 задают конструкцию измерительных электродов. Пункт п. 9 и п. 10 характеризуют конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 13 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме пластины с плоской поверхностью.

Особенности варианта системы электродов показаны на фиг. 19. На фиг. 20 дополнительно показано твердое плоское тело 305 из однородного диэлектрического материала и схема соединений общего электрода для пояснения принципа действия с обозначением вывода 211 общего электрода.

В варианте вместе с системой электродов 302 для определения координат геометрического центра двумерной области используют диэлектрическую подложку 102, выполненную в форме пластины, с расположенными на поверхности стороны диэлектрической подложки 102 измерительными электродами 103. Общий электрод 106 содержит две части. Первая часть 303 общего электрода расположена со стороны диэлектрической подложки 102, которая противоположна стороне с измерительными электродами, причем общий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами 103. Вторая часть 304 общего электрода, расположена со стороны диэлектрической подложки с измерительными электродами, причем часть общего электрода имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами.

Принцип действия системы электродов заключается в следующем.

Для определения геометрического центра двумерной области размещают на поверхности измерительной области плоское тело из однородного диэлектрического материала между измерительными электродами и частью общего электрода 304. В этом случае в области пересечения двумерной области соприкосновения тела и измерительной области увеличиваются емкости конденсаторов, обкладки которых образованны измерительными электродами 103 измерительных частей и частью общего электрода 304.

Для емкостей измерительных электродов измерительных частей справедливы выражения (1) и (3). Значение коэффициента К₁ при этом равно

Где:

ε₀ - диэлектрическая постоянная;

d₂ - ширина воздушного зазора между частью общего электрода и поверхностью плоского тела;

d₃ - толщина плоского тела;

ε_ПТ - относительная диэлектрическая проницаемость материала плоского тела;

ε_B - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.

Т.к. коэффициент К₁ в формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра двумерной области сокращается, характер зависимости (32) не влияет на реализацию назначения системы электродов.

В остальном, описание принципа действия системы электродов аналогично рассмотренному принципу действия варианта системы электродов для определения геометрического центра двумерной области тел из электропроводящего материала, обозначенного номером 1.1.

1.8 Вариант системы электродов, в котором система электродов дополнительно содержит общий электрод, поверхность которого расположена со стороны поверхности измерительных электродов, которая противоположна стороне измерительной области

Вариант соответствует п. 9 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что система электродов дополнительно содержит общий электрод, причем общий электрод расположен со стороны поверхности измерительных электродов, которая противоположна поверхности измерительной области, общий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных электродов на соответствующих участках.

Вариант показан на фиг. 1 и фиг. 2.

Измерительные электроды 103 имеют две поверхности. Одна поверхность, обращенная в сторону измерительной области 102, используется для определения координат геометрического центра двумерной области. Для того чтобы исключить влияние электрического поля на измерительные электроды с противоположной стороны поверхности измерительных электродов, в варианте изобретения предложено использовать общий электрод 106. Функция общего электрода заключается в выравнивании электрического поля, которое воздействует на измерительные электроды со стороны поверхности измерительных электродов, которая противоположна стороне измерительной области. Для обеспечения выравнивания электрического поля необходимо, чтобы поверхность общего электрода была расположена с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных электродов, на соответствующих участках. В этом случае электрическое поле со стороны общего электрода будет одинаково влиять на измерительные электроды и не внесет погрешности в определение геометрического центра. Дополнительно, общий электрод выполняет функцию экранирования измерительных электродов от помех.

Общий электрод может быть выполнен, например, в виде плоской пластины или в виде тонкого печатного электрода 106 (фиг. 1).

Общий электрод в конструкции системы электродов может быть заменен на конструктивные элементы устройства, в которых используется система электродов, которые выполняют функцию общего электрода. В отдельных приложениях, где не требуется высокая точность, функции общего электрода может выполнять внешнее окружение системы электродов. Например, устройство, в котором используется система электродов, со стороны, противоположной стороне измерительной области, может быть установлено на относительно большом расстоянии от электропроводящих предметов, или, например, на кирпичной стене без металлической арматуры. В результате функция экранирования измерительных электродов и выравнивания электрического поля может не потребоваться.

1.9 Вариант системы электродов, в котором система электродов дополнительно содержит общий электрод, поверхность которого расположена со стороны измерительной области

Вариант соответствует п. 10 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что система электродов дополнительно содержит общий электрод, причем общий электрод расположен со стороны поверхности измерительных электродов, которая обращена в сторону поверхности измерительной области, общий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных электродов на соответствующих участках.

В варианте (фиг. 19) дополнительная часть 304 общего электрода расположена со стороны измерительной области 110, которая образована на наружной поверхности диэлектрической подложки 102, причем часть общего электрода имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью измерительных электродов на соответствующих участках. В этом случае функция общего электрода дополняется функцией формирования однородного электрического поля в пространстве между измерительными электродами 103 и частью общего электрода 304. Общий электрод может быть выполнен, например, в виде плоской пластины, а также в виде других конструкций.

Общий электрод такой конструкции используется в варианте 1.7 системы электродов для определения координат геометрического центра плоского тела из диэлектрического материала.

1.10 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с экранирующим электродом

Вариант соответствует п. 11 формулы изобретения.

Вариант характеризуется тем, что система электродов дополнительно содержит экранирующий электрод, причем экранирующий электрод расположен со стороны поверхности измерительных электродов, которая противоположна поверхности измерительной области, экранирующий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных электродов на соответствующих участках.

Вариант системы электродов с экранирующим электродом показан на фиг. 21 на примере электроемкостного преобразователя 320. Электроемкостный преобразователь содержит плоскую диэлектрическую подложку 102 с изолирующим слоем 111, систему измерительных электродов 103, общий электрод 328, блок аналого-цифрового преобразователя 323 и экранирующий электрод 321. Экранирующий электрод выполнен в виде плоского электрода, расположенного со стороны измерительных электродов 103, которая противоположна стороне с измерительной областью 110, причем экранирующий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных электродов на соответствующих участках.

Принцип действия экранирующего электрода следующий. В измерительной технике известен способ уменьшения «паразитной» емкости проводника измерительной цепи, за счет изоляции экранирующего проводника и его подключения к источнику возмущающего измерительную цепь напряжения. В этом случае потенциал на экранирующем проводнике синфазно изменяется с потенциалом в проводнике измерительной цепи, в результате уменьшается взаимная емкость. В данном случае, с помощью этого способа можно уменьшить пассивную емкость измерительных электродов. Для этой цели в систему электродов введен экранирующей электрод 321. Для измерения емкости измерительных частей измерительных электродов может быть использован аналого-цифровой преобразователь на основе измерения RC-параметров. При этом экранирующий электрод подключают к выводу источника возмущающего RC-цепь напряжения.

Экранирующий электрод, дополнительно реализует функцию экранирования электродов от помех со стороны блока электроники и выравнивания электрического поля. Возмущающее напряжение подается на электрод 321 по проводнику 324 от схемы аналого-цифрового преобразователя. Конструкция экранирующего электрода имеет множество вариантов.

1.11 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением измерительных электродов на гладкой поверхности диэлектрической подложки

Вариант системы электродов соответствует п. 12 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что измерительные электроды выполнены тонкими и расположены на практически гладкой поверхности слоя диэлектрической подложки, причем поверхность слоя диэлектрической подложки задана в границе измерительной области.

В этом варианте поверхность каждого измерительного электрода принимает форму поверхности слоя диэлектрической подложки на соответствующем участке поверхности.

Для системы электродов, выполненной в соответствии с п. 1 формулы изобретения, практически гладкая поверхность слоя диэлектрической подложки задана в границе измерительной области. Поэтому каждый измерительный электрод имеет поверхность, которая является частью практически гладкой поверхности заданной в границе измерительной области. Для системы электродов с использованием множества измерительных областей по п. 16 формулы изобретения практически гладкая поверхность слоя диэлектрической подложки задана в границе общей измерительной области.

Вариант конкретизирует конструкцию и расположение измерительных электродов.

Тонкими электродами считаются электроды, толщина которых много меньше ширины или высоты электродов. Например, тонкими являются печатные электроды. Термин «гладкая поверхность» используется в математическом смысле - поверхность, которая образованна непрерывно дифференцируемой функцией в границах заданной области. Применительно к практике - гладкая поверхность это поверхность без резких изгибов, выступов и углублений.

1.12 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением измерительных электродов на плоской поверхности

Вариант системы электродов соответствует п. 13 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме плоской пластины, а измерительные электроды расположены на плоской поверхности слоя пластины выполненной из диэлектрического материала.

Этот вариант показан на фиг.1. Измерительные электроды 103 расположены на плоской поверхности слоя диэлектрической подложки 102 в границе измерительной области 110. Для изоляции электродов предусмотрен изолирующий слой 111, расположенный поверх измерительных электродов 103. Поверхность измерительной области 110 образована на наружной поверхности изолирующей пластины 110. Диэлектрическая подложка выполнена в форме пластины с плоской поверхностью.

1.13 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением измерительных электродов на гладкой изогнутой поверхности диэлектрической подложки, имеющей форму изогнутой пластины

Вариант системы электродов соответствует п. 14 формулы изобретения. Вариант отличается тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме частично или полностью изогнутой пластины, а измерительные электроды расположены на частично или полностью изогнутой поверхности слоя пластины выполненной из диэлектрического материала.

Вариант может найти применение для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел, в котором двумерная область в области соприкосновения образуется за счет деформации электропроводящего тела. В этом случае двумерная область принимает форму изогнутой поверхности. При этом, для расположения измерительных электродов может быть выбрана как вогнутая, так и выпуклая цилиндрическая поверхность. На практике целесообразно использовать диэлектрическую подложку, которая выполнена в виде части полого цилиндра. Также, этот вариант можно использовать, когда необходимо сгибать диэлектрическую подложку по типу открытия или закрытия книжки или сворачивать ее в свиток.

Диэлектрическая подложка с цилиндрической поверхностью может быть получена путем изгибания подложки с плоской поверхностью по поверхности подложки с электродами. Координатная сетка системы координат измерительной области подложки, оси координат которой связаны с поверхностью диэлектрической подложки, при таком изгибании поверхности не деформируется. Поэтому с изгибом поверхности подложки не изменяются геометрическая форма, размеры и расположение фигур измерительных электродов. Следовательно, не меняются признаки формулы изобретения, которые определяют форму, размеры и относительное расположение измерительных электродов.

В зависимостях (1) и (3) между электрической емкостью и площадью измерительных электродов использована формула для плоского конденсатора, с обкладками, имеющими плоскую поверхность. В случае использования подложки с цилиндрической поверхностью необходимо применять формулу для цилиндрического конденсатора. Общий вид зависимостей между емкостью и площадью измерительных электродов (1) и (3) не изменяется, при этом выражение для вычисления коэффициента К₁ для варианта системы электродов для электропроводящих тел имеет вид

Где:

ε₀ - диэлектрическая постоянная;

S₁ - относительная диэлектрическая проницаемость материала слоя диэлектрической подложки, изолирующего измерительные электроды;

d₁ - толщина изолирующего измерительные электроды диэлектрического слоя подложки;

R₁ - радиус цилиндрической поверхности, на которой расположены измерительные электроды диэлектрической подложки.

В конечных формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра двумерной области коэффициент K₁ сокращается, поэтому расположение измерительных электродов на цилиндрической поверхности не влияет на реализацию основного назначения системы электродов, в соответствующей области применения.

В связи с тем, что координатная сетка при изгибе не меняется в варианте системы электродов можно использовать любую поверхность, полученную путем изгиба.

1.14 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, с расположением системы измерительных электродов на гладкой криволинейной поверхности

Вариант соответствует п. 15 формулы изобретения.

Принцип действия варианта системы электродов пояснен на чертежах фиг. 22, фиг. 23, фиг. 24 и фиг. 25.

Сущность данного варианта изобретения заключается в том, что система измерительных электродов расположена на гладкой криволинейной поверхности, например, диэлектрической подложки, имеющей форму оболочки. При этом в соответствии с изобретением, группы измерительных электродов и измерительные области групп представляют собой полосы с относительно небольшой шириной, по отношению к их длине. Если эти полосы проходят по касательной к поверхности, то полосы практически не изгибаются в направлении ширины. Поэтому полосы с высокой степенью точности можно считать плоскими в направлении ширины. При этом изгиб полос в направлении длины не деформирует поверхность полос (см. вариант 1.13). Поэтому признаки изобретения, касающиеся конструкции групп измерительных электродов и измерительных областей групп, являются применимыми для данного варианта поверхности.

Практический интерес представляют варианты криволинейной поверхности, имеющие простые формы, например форму части поверхности сферы, которая имеет поверхность с постоянным радиусом кривизны.

На фиг. 22 показана криволинейная поверхность измерительной области 326 в форме сферического квадрата. Цифрой 327 обозначена поверхность сегмента сферы. Поверхность сферы имеет радиус кривизны r. Центр радиуса поверхности сферического квадрата расположен в нулевой точке прямоугольной системы координат X, Y, Z. Часть границы сферического квадрата между точками 1-2 образована сечением сферы с плоскостью, которая проходит через ось X и отклонена на заданный угол относительно оси Y. Часть границы между точками 3-4 образована той же плоскостью, но повернутой на противоположный угол относительно оси Z. Аналогичным образом, с помощью другой плоскости, проходящей через ось Y, определены границы сферического квадрата между точками 1-3 и 2-4. На фиг. 22 также показана точка n, которая соответствует пересечению сферы и двух плоскостей, которые отклонены на углы ϕ₁ и ϕ₂ относительно оси Z.

На фиг. 24 показана картографическая проекция сферического квадрата 326 на плоскость Х-Y. Особенностью этой проекции является то, что расстояния по осям X и Y не искажены. На фиг. 23 также показана координатная сетка 328, полученная поворотами плоскостей на одинаковые фиксированные углы. Если ширина сферического квадрата составляет π/2 радиан, 6 сферических квадратов можно сшить, с образованием полного покрытия всей сферы.

Каждая линия показанной координатной сетки является геодезической линией на поверхности сферического квадрата. Геодезические линии являются аналогами прямых линий на криволинейной поверхности. Проходящие вдоль геодезической линии полосы измерительных областей групп измерительных электродов являются касательными к поверхности. Ввиду относительно малой ширины полос, измерительные области групп практически не деформированы искривлением поверхности сферы в направлении ширины, и эти полосы можно считать плоскими, с изогнутой в направлении длины поверхностью, как в варианте 1.13 системы электродов. На фиг. 23 показана одна из множества измерительных областей 329 групп измерительных электродов, которая проходит вдоль геодезической линии а-в.

Расстояния между линиями координатной сетки в углах сферического квадрата немного уменьшаются с приближением к углам, что создает погрешность в определении геометрического центра. Эта погрешность относится к погрешности аппроксимации криволинейной поверхности плоскими фигурами. Погрешность аппроксимации можно существенно уменьшить, уменьшая размер измерительной области. Например, квадрат 326 можно разбить на четыре равных сферических квадрата 330, как показано на фиг. 24. Такая разбивка получается поворотом осей системы координат для каждого сферического квадрата на соответствующий угол и уменьшения размера квадрата. Каждый сферический квадрат в данном изобретении рассматривается как одна измерительная область из числа множества измерительных областей, границы которых расположены практически без промежутков друг к другу. Для каждой измерительной области 330 определена соответствующая локальная система координат 331, которая, в данном случае, совпадает с системой координат сферического квадрата. Система электродов для определения геометрического центра двумерной области, как показано в описании изобретения, способна определить геометрический центр двумерной области на основе данных измерений координат геометрических центров во множестве измерительных областей, составляющих систему.

На фиг. 25 показана разбивка измерительной области 326 на полоски, которые обладают относительно небольшой величиной деформации поверхности (напоминающие полоски кожи, из которых сшит волейбольный мяч). На фиг. 25 показана измерительная область 332 системы электродов в виде полоски, локальная система координат 333 измерительной области и измерительная область 334 группы измерительных электродов. На практике, поверхность любой формы можно аппроксимировать с использованием множества фигур разных форм и размеров. Для аппроксимации поверхности в дополнение к квадратам используют треугольники, шестиугольники и другие фигуры в разных комбинациях, которые располагают на поверхности в виде мозаики. На отдельных участках поверхности с высокой степенью кривизны, с целью уменьшения погрешности аппроксимации, можно использовать фигуры для измерительных областей с относительно небольшими размерами. При этом погрешность определения геометрического центра двумерной области с криволинейной поверхностью можно уменьшить практически до любой заданной величины.

Таким образом, реализация назначения варианта системы электродов с расположением измерительных электродов на криволинейной поверхности, считается доказанной.

1.15 Особенности принципа действия системы электродов для определения координат двумерной области полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области

Анализ конструкции системы электродов показывает, что система измерительных электродов в общем случае реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области с учетом весов участков двумерной области. Определение координат геометрического центра двумерной области с помощью прикосновения является частным случаем общего способа определения координат геометрического центра двумерной области при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области.

Как показано на фиг. 26 и фиг. 27, в случае приближения электропроводящего тела 337 (электропроводящего шара) к поверхности измерительной области 110 на поверхности измерительной области образуется двумерная область 338 приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области. Двумерная область 338 приближения образуется в области сгущения силовых линий 336 электрического поля, которые распространяются между поверхностью общей измерительной области с измерительными электродами и шаром. Максимальное сгущение силовых линий формируется в местах двумерной области, которые приближены на минимальное расстояние к поверхности тела. На фиг. 26 и фиг. 27 дополнительно показаны изолинии 339 одинаковой напряженности электрического поля 336 и геометрический центр 341 двумерной области. Нормаль от геометрического центра двумерной области при соприкосновении с поверхностью электропроводящего тела 337 образует точку, которая приблизительно соответствует геометрическому центру части двумерной поверхности тела, обращенной в сторону поверхности измерительной области.

Для математических выкладок поверхность измерительной области условно разобьем на множество квадратных участков 340 одинаковой площади. Величину площади каждого участка выберем такой величины малости, чтобы с заданной точностью можно принять веса точек в границах участка одинаковыми по всей поверхности участка. При этом веса участков пропорциональны электрической емкости соответствующих участков измерительных электродов измерительной области. В области сгущений силовых линий, где поверхность шара приближена на минимальное расстояние, избыточная электрическая емкость участков и их веса являются максимальными. Поэтому эта часть двумерной области приближения является доминирующей для нахождения координат геометрического центра. С другой стороны, в частях двумерной области, которые удалены от поверхности шара, избыточная емкость участков снижается, соответственно снижаются веса этих участков. Поэтому эти части не оказывают большого влияния на координаты геометрического центра и ими можно пренебречь. В связи с этим можно условно ограничить двумерную область приближения.

В данном варианте изобретения, используется величина, которая является обратной величиной расстояния и условно обозначена как приближение. Эта величина увеличивается в случае приближения. Для того чтобы учесть величину приближения электропроводящего тела к участкам поверхности измерительной области с электродами введем для участков поверхности весовые коэффициенты.

Где:

- весовой коэффициент, учитывающий относительную величину приближения электропроводящего тела к участку поверхности двумерной области;

- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью участка и площадью измерительных электродов участка двумерной области с номером i;

- коэффициент пропорциональности между средней электрической емкостью участков и средней площадью участков двумерной области.

Где:

- величина избыточной электрической емкости измерительных электродов участка двумерной области с номером i;

- площадь измерительных электродов участка двумерной области с номером i;

- среднеарифметическая величина избыточной электрической емкости электродов участков двумерной области;

- среднеарифметическая величина площади измерительных электродов участков двумерной области;

- обратная величина расстояния между участком двумерной области и поверхностью электропроводящего тела;

- средняя величина обратной величины расстояния между участками поверхности двумерной области и поверхностью электропроводящего тела;

ε₀ - диэлектрическая постоянная;

ε_B - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.

Для определения координат геометрического центра двумерной области по осям Y1 и Y2 с введение весовых коэффициентов справедливы следующие выражения

Где:

G_Y1 - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества измерительных электродов в области пересечения двумерной области с измерительной областью;

- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y1 участка двумерной области под номером i;

- сумма избыточных емкостей измерительных электродов первой и второй измерительных частей первого множества электродов для участка с номером i;

G_Y2 - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;

- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y2 участка двумерной области под номером i;

- сумма избыточных емкостей измерительных электродов первой и второй измерительных частей второго множества измерительных электродов для участка с номером i. В правых частях выражений (37) и (38) площади измерительных электродов участков сокращаются, сумма средних величин по всей двумерной области заменена на равную этой сумме величину избыточной емкости суммы измерительных электродов первой и второй измерительной части соответствующего множества измерительных электродов, величина емкости участка . заменена на сумму избыточных емкостей измерительных электродов первой и второй измерительных частей соответствующего множества, в границах соответствующего участка с номером i.

После подстановки правых частей выражений (25) и (26) для координат геометрического центра для участка двумерной области под номером i взамен и в соответствующие выражения (37) и (38) получим выражения для вычисления координат геометрического центра всей двумерной области, идентичные выражениям (25) и (26). В связи с чем, введение весовых коэффициентов не меняет вид формул (25) и (26) для вычислений координат геометрического центра. Выражения (25) и (26) используются для вычисления координат геометрических центров двумерной области для всех систем электродов в рамках данного изобретения. Поэтому, в случае введения весовых коэффициентов К для вычисления координат геометрического центра двумерной области, вид формул для вычисления координат геометрических центров для всех вариантов системы электродов не меняется. В связи с этим, система электродов в общем случае выполняет функцию определения координат геометрического центра двумерной области с учетом весовых коэффициентов участков двумерной области, которые приблизительно пропорциональны относительной величине приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области. При этом весовые коэффициенты имеют величину больше единицы в границе двумерной области, которая в наибольшей степени приближена к поверхности электропроводящего тела и меньше единицы в части двумерной области с наименьшим приближением. В случае если для всех участков двумерной области соблюдается равенство весовой коэффициент равен 1.

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области имеет следующие положительные свойства.

Система электродов имеет относительно высокое быстродействие. Высокое быстродействие связано с тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области реализуется непосредственно системой измерительных электродов, которые одновременно являются датчиками и аналоговым вычислительным устройством. При этом система измерительных электродов реализует основной объем вычислений координат геометрического центра двумерной области.

Система электродов имеет относительно высокую точность определения координат геометрического центра двумерной области. Высокая точность связана с тем, что при определении координат геометрического центра двумерной области используется множество точек на поверхности измерительной области, параметры электрического поля в которых непосредственно учитываются системой измерительных электродов. Точность измерения координат геометрического центра ограничивается только точностью изготовления измерительных электродов, которая с использованием современной технологии фотолитографического нанесения электродов может быть высокой.

Система электродов обладает высокой помехоустойчивостью. Высокая помехоустойчивость объясняется тем, что координаты геометрического центра двумерной области вычисляют с помощью функции, в которой координата геометрического центра выражена как разность емкостей измерительных частей в виде относительной величины. В результате чего, в значительной степени компенсируются мультипликативная и аддитивная составляющие помехи, действующей на электроды.

Система измерительных электродов измерительной области может быть расположена на гладкой поверхности практически любой формы - на плоской, изогнутой или криволинейной поверхности. Что существенно расширяет область применения системы электродов.

Функция определения координат геометрического центра двумерной области реализуется с учетом весовых коэффициентов участков двумерной области. Весовые коэффициенты позволяют учесть рельеф поверхности тела, которое приближено к поверхности измерительной области. В результате, система электродов может использоваться для бесконтактного ввода координат места приближения тела к поверхности измерительной области посредством измерения координат геометрического центра двумерной области приближения тела.

Система электродов обладает относительно высокой чувствительностью. Высокая чувствительность связана с тем, что электрическое поле измерительных электродов направлено на объект, для которого определяют геометрический центр двумерной области.

Использование системы электродов позволяет снизить стоимость устройства, в котором она используется. Снижение стоимости объясняется тем, что система измерительных электродов может быть размещена на одной поверхности слоя, например, диэлектрической подложки. Что значительно удешевляет технологический процесс изготовления.

Система измерительных электродов позволяет использовать измерительные области любой формы и размеров и объединять эти области по принципу объединения элементов мозаики. Такое объединение позволяет реализовать функцию определения геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей или определить координаты геометрического центра нескольких двумерных областей по отдельности. При этом такое объединение с математической точки зрения является очень естественным и опирается на определение геометрического центра как точки, которая является средним арифметическим положений всех точек фигуры.

2. Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей соответствует п. 16 формулы изобретения. Варианты конструкции системы электродов показаны на фиг. 28-31. Назначение системы электродов заключается в определении координат геометрического центра двумерной области и в обеспечении возможности определения геометрических центров нескольких двумерных областей.

В независимом пункте формулы признаки изобретения приведены в обобщенном виде. Система электродов характеризуется следующими признаками изобретения.

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, содержащая множество измерительных областей с измерительными электродами. Причем форма, размеры и расположение измерительных областей заданы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области. Измерительные электроды расположены в границах соответствующих измерительных областей на практически гладкой поверхности, которая задана в границе общей измерительной области, при этом сопряженная с гладкой поверхностью поверхность измерительных электродов имеет форму этой поверхности на соответствующих участках. Измерительные электроды каждой измерительной области образуют систему измерительных электродов измерительной области содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом система измерительных электродов каждой измерительной области реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области. Величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы электродов.

Функциональный признак «система измерительных электродов реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат» заменяет конструктивные признаки системы измерительных электродов для измерительной области, приведенные в п. 2 или п. 17 формулы изобретения для системы электродов.

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличается от системы электродов для определения координат геометрического центра с использованием одной измерительной области тем, что в этой системе использовано множество измерительных областей с измерительными электродами. Формула изобретения по п. 16 и п. 17 для каждой из измерительных областей включает в себя соответствующие признаки для одной измерительной области, которые приведены в п. 1 и п. 2 формулы изобретения, соответственно. Принцип действия и доказательство реализации назначения системы электродов измерительной области описаны в варианте 1.1 системы электродов для одной измерительной области. Для системы электродов с использованием множества измерительных областей применимы варианты системы электродов по пп. 4-15 формулы изобретения, которые описаны под номерами 1.2-1.14 в вариантах системы электродов для одной измерительной области.

Описание разновидности системы электродов для множества измерительных областей касается, в основном, особенностей конструкции системы электродов, а также математических выкладок для сопряжения измерительных областей между собой. Принцип действия системы электродов с использованием множества измерительных областей описан для варианта под номером 2.2 с измерительными областями в виде прямоугольников.

Дополнительно описан вариант системы электродов с измерительными областями в форме шестиугольников.

Количество вариантов системы электродов описанными вариантами не ограничивается.

2.1 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей

Вариант соответствует п. 17 формулы изобретения. Система электродов имеет следующие признаки изобретения.

Система электродов, отличающаяся тем, что в каждой измерительной области функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат реализуется за счет следующего. Измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов, которая содержит два множества измерительных электродов, измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов, при этом группы измерительных электродов расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей измерительной области.

В соответствии с изобретением отдельные измерительные области могут быть произвольной формы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга, например, на поверхности диэлектрической подложки в границе общей измерительной области. Такое расположение напоминает расположение измерительных областей в виде элементов мозаики. Заданные промежутки между измерительными областями необходимы для размещения соединительных проводников. С промежутками связана погрешность в определении координат геометрического центра двумерной области, которая относится к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы измерительной области, поэтому ширину промежутков необходимо выбирать минимально возможной. Промежутки между измерительными областями могут иметь постоянную ширину, например, с целью повышения симметрии расположения измерительных областей.

Возможен вариант, в котором соединительные проводники и выводы размещены внутри измерительных областей групп измерительных электродов. В этом случае границы измерительных областей расположены с промежутками практически нулевой величины. Вариант соответствует п. 22 формулы изобретения. Расположенные в промежутках между измерительными областями групп измерительных электродов или в пространстве измерительных областей групп соединительные проводники также могут быть источником погрешности. Эту погрешность можно уменьшить различными методами. Например, путем размещения в промежутках дополнительных компенсационных проводников.

В п. 19 формулы изобретения приведены признаки изобретения варианта системы измерительных электродов, который характеризует схему соединений электродов и подключений выводов в измерительной области, состоящей из четырех измерительных частей, в которой измерительные электроды любых двух измерительных частей разных множеств электрически соединены между собой или любая одна измерительная часть исключена, образуя новую систему, состоящую из трех измерительных частей, в каждой из измерительных частей которой измерительные электроды соединены между собой и имеют соответствующий электрический вывод от измерительных электродов измерительной части. Данная система измерительных электродов получается с использованием вариантов схем соединений электродов и подключением выводов в соответствии с признаками п. 6, п. 7 и п. 8 формулы изобретения и описанными в вариантах 1.4, 1.5, 1.6 системы электродов.

2.2 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников

Вариант системы электродов соответствует п. 20 формулы изобретения. Описание варианта учитывает признаки изобретения по п. 4, п. 5, п. 13 и п. 16 формулы изобретения. Пункт п. 4 характеризует конструкцию измерительных электродов в виде трапеций, пункт п. 5 - схему соединения электродов и подключения выводов, пункт п. 13 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме плоской диэлектрической пластины, п. 16 определяет взаимное расположение измерительных областей и измерительных электродов.

Система электродов показана на фиг. 28 и фиг. 29. На фиг. 28 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 29 приведена система измерительных электродов, схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.

Вариант имеет следующие признаки изобретения.

Система электродов по п. 20, отличающаяся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников и расположены в границе общей измерительной области в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.

Данный вариант системы электродов 401 содержит систему измерительных электродов с четырьмя выводами от измерительных частей измерительной области, описанная в варианте 1.3 раздела «сущность изобретения». В варианте системы электродов использована диэлектрическая подложка 402, на которой расположены множество измерительных областей 410 в форме геометрических фигур прямоугольников. Измерительные области расположены на диэлектрической подложке в форме пластины, с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области диэлектрической подложки 404. Измерительные электроды расположены в границах соответствующих измерительных областей на практически гладкой поверхности слоя диэлектрической пластины, которая задана в границе общей измерительной области.

В каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром. На фиг. 29 локальные системы координат первого и второго множеств измерительных электродов обозначены цифрами 416 и 417, соответственно. Локальная система координат измерительной области обозначена цифрой 408.

Измерительные электроды и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки 402. Схема соединений электродов может быть применена для любого количества измерительных электродов без пересечения электродов и выводов, с максимальным количеством проводников 409, проходящих вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем. Выводы системы электродов каждой измерительной области на фиг. 28 и фиг. 29 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границы диэлектрической подложки в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов системы электродов, посредством проводников шлейфов 407, к микроконтроллеру устройства, в котором использована система электродов.

Величины координат геометрического центра двумерной области или геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных областей системы электродов.

Принцип действия системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей заключается в следующем.

Для определения координат геометрического центра двумерной области на поверхность общей измерительной области помещают тело, которое образует с поверхностью двумерную область соприкосновения. Для каждой измерительной области на основе измерения емкостей измерительных частей измерительных электродов определяют геометрические центры в области пересечения двумерной области и измерительной области, в локальной для измерительной области системе координат. Затем, для вычисления координат геометрического центра двумерной области, координаты геометрических центров пересечения измерительных областей с двумерной областью переводят в общую систему координат общей измерительной области и вычисляют координаты геометрического центра двумерной области в этой системе координат, на основе следующих формул.

Где:

GY - величина координаты по оси Y геометрического центра двумерной области тела в системе координат общей измерительной области;

- величина координаты по оси Y геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером i в системе координат общей измерительной области;

- площадь измерительных электродов измерительной области с номером i, в той части, где измерительная область пересекается с двумерной областью тела; - суммарная величина избыточной электрической емкости измерительных электродов измерительных частей измерительной области с номером i;

G_X - величина координаты по оси X геометрического центра двумерной области тела в системе координат общей измерительной области;

- величина координаты по оси X геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером i.

Значение емкости суммарной величины избыточной электрической емкости измерительных электродов измерительных частей измерительной области с номером i связано с величиной площади пересечения измерительных электродов каждой измерительной области с двумерной областью тела выражением, аналогичным выражению (1) или (3)

Где:

К₁ - коэффициент пропорциональности между электрической емкостью и площадью измерительных электродов.

Для системы электродов измерительной области состоящей из четырех измерительных частей величина равна

Где:

- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной частей первого множества соответственно, для измерительной области с номером i;

- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной частей второго множества соответственно, для измерительной области с номером i;

- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером i;

- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером i.

Коэффициент пропорциональности К₁ между электрической емкостью и площадью измерительных электродов может быть найден по формуле (2) для плоской диэлектрической подложки, или по формуле (33) для диэлектрической подложки изогнутой в форме части цилиндра. При вычислении геометрического центра по формулам (39) и (40) этот коэффициент К₁ сокращается, поэтому использование вариантов диэлектрической подложки не оказывает влияния на реализацию назначения системы электродов. В связи с тем, что группы измерительных электродов, из которых состоит измерительная часть измерительной области, имеют постоянную ширину и содержат заданное количество однообразных измерительных групп измерительных электродов, расположенных в границах измерительных областей групп измерительных электродов, площадь измерительной области пропорциональна площади измерительных электродов измерительной области. В выражениях (39) и (40) коэффициент пропорциональности также сокращается. Поэтому, в формулах (39) и (40) использована площадь измерительных электродов измерительной области в области их пересечения с измерительной областью, взамен площади поверхности измерительной области в области пересечения измерительной области с двумерной областью.

Для определения геометрического центра одной двумерной области вычисление геометрического центра может осуществляться путем нахождения сумм в числителе и знаменателе в выражениях (39) и (40) по всем измерительным областям общей измерительной области. В тоже время, такое суммирование для небольшой двумерной области приводит к погрешности, обусловленной большой величиной пассивной емкости измерительных электродов.

Величину этой емкости можно уменьшить следующим способом.

На основе информации о величинах суммарной избыточной емкости измерительных частей измерительных электродов измерительной области находят измерительные области с величиной избыточной емкости больше заданной пороговой величины. Эти измерительные области считают полностью или частично покрытыми двумерной областью тела. Из числа этих областей выделяют группу измерительных областей, связанных между собой границами. Затем, вычисляют координаты общего геометрического центра двумерной области для связанных измерительных областей по формулам (39), (40) с включением в суммы только измерительных областей входящих в группу измерительных областей.

Для определения геометрических центров двумерных областей нескольких тел, тела размещают на поверхности общей измерительной области с промежутками. Ширину промежутков выбирают больше, чем максимальные размеры измерительных областей. В этом случае имеется возможность выделить несколько групп измерительных областей, которые покрывают двумерные области разных тел. Для этих групп измерительных областей, с использованием выражений (42), (43), определяют геометрические центры двумерных областей по отдельности. На основе координат геометрических центров отдельных измерительных областей каждой группы измерительных областей определяют координаты геометрического центра двумерной области.

Разделение множества измерительных областей на группы может быть выполнено путем нахождения границ групп измерительных областей по замкнутым цепочкам измерительных областей, окружающих группы измерительных областей, избыточная емкость которых ниже заданного порога.

Возможен алгоритм вычисления геометрических центров двумерных областей нескольких тел, имеющих двумерные области в форме кругов приблизительно одинаковых размеров, которые могут быть расположены на поверхности общей измерительной области без промежутков относительно друг друга. Этот алгоритм заключается в том, что с использованием информации о положении геометрических центров всех двумерных областей строят двумерный сплайн избыточной емкости по всей поверхности общей измерительной области, определяют точки максимумов, которые, в первом приближении, считают центрами двумерных областей. Затем, измерительные области, лежащие в лощинах сплайна, с учетом того, что форма двумерных областей тел, как и форма и расположение измерительных областей известны, условно разделяют на части, для которых по отдельности вычисляют геометрические центры. С учетом координат геометрических центров частей разделенных областей и площадей этих частей, находят геометрические центры двумерных областей.

На основании этого, реализация назначения системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, имеющего множество измерительных областей, считается доказанной.

2.3 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников

Вариант системы электродов соответствует п. 21 формулы изобретения. На фиг. 30 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 31 приведена система измерительных электродов и схема соединений и подключений электродов для отдельно взятой измерительной области.

Вариант имеет следующие признаки формулы изобретения.

Система электродов отличающаяся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в границе общей измерительной области в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.

Вариант 2.3 отличается от варианта 2.2 тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в виде регулярной структуры из строк и столбцов. В дополнение к этому, в варианте использована система измерительных электродов с тремя выводами от измерительных частей по варианту 1.4. Принцип действия варианта системы электродов аналогичен варианту 2.2.

В сравнении с вариантом 2.2, в этом варианте использована система измерительных электродов с тремя выводами от измерительных частей, в результате чего уменьшается количество выводов от измерительных областей, что позволяет уменьшить промежутки между измерительными областями, уменьшить количество проводников в шлейфах и количество каналов преобразования «емкость - цифровой код» в микроконтроллере устройства.

2.4 Особенности реализации назначения системы электродов для определения координат двумерной области полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области, с использованием множества измерительных областей

Для вычисления координат геометрического центра двумерной области приближения можно воспользоваться выражениями с введением весовых коэффициентов для каждой измерительной области, по аналогии с выражениями (34), (35), (36). Для того чтобы учесть величину приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области с измерительными электродами введем для группы измерительных областей, которые составляют двумерную область приближения, следующие весовые коэффициенты.

Где:

- весовой коэффициент, учитывающий относительную величину приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области, для измерительной области с номером i;

- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью измерительных электродов измерительной области и площадью измерительной области под номером i;

- коэффициент пропорциональности между средней избыточной электрической емкостью измерительных электродов группы измерительных областей и средней площадью измерительных электродов группы измерительных областей.

Где:

- величина избыточной электрической емкости измерительных электродов

двумерной области с номером г;

- площадь измерительных электродов измерительной области с номером г;

- среднеарифметическая величина избыточных электрических емкостей электродов группы измерительных областей;

- среднеарифметическая величина площадей измерительных электродов группы измерительных областей;

- средняя величина обратной величины расстояния между поверхностью двумерной измерительной области с номером i, входящей в группу измерительных областей, и поверхностью электропроводящего тела;

- средняя величина обратной величины расстояния между поверхностью группы измерительных областей и поверхностью электропроводящего тела;

ε₀- диэлектрическая постоянная;

ε_B - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.

Для определения координат геометрического центра двумерной области по осям Y и X воспользуемся следующими выражениями

Где:

G_Y - координата по оси Y геометрического центра двумерной области приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области.

G_X - координата по оси X геометрического центра двумерной области приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области.

В результате подстановки весовых коэффициентов , определенных в соответствии с выражениями (43), (44) и (45), в правых частях выражений (46) и (47) площади сокращаются. При этом правые части выражений (46) и (47) и выражений (39) и (40), в которых координаты геометрического цента выражены через емкости измерительных электродов, получаются соответственно одинаковыми.

В отличие от выражений (39) и (40), предназначенных для случая вычисления координат геометрического центра двумерной области при прикосновении электропроводящего тела к поверхности измерительной области, в выражениях (46) и (47) используются полные площади измерительных областей, входящих в группу измерительных областей, которая образует двумерную область. При этом для каждой измерительной области введены весовые коэффициенты, которые учитывают соотношение между электрической емкостью и площадью измерительной области, как в случае приближения, так и в случае прикосновения электропроводящего тела с поверхностью измерительной области.

В связи с этим, система электродов с использованием множества измерительных областей реализует функцию определения координат геометрического центра одной или нескольких двумерных областей с учетом весовых коэффициентов, которые учитывают величину приближения участков поверхности электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области. В результате, система электродов обеспечивает реализацию функции определения координат одного или нескольких геометрических центров двумерных областей сформированных при прикосновениях и приближениях электропроводящих тел.

Система электродов с использованием множества измерительных областей имеет следующие преимущества в сравнении с системой электродов с одной измерительной областью.

Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с одной измерительной областью, в случае определения координат геометрического центра для относительно небольшой по размерам двумерной области имеет относительно большую погрешность определения координат. Погрешность связана с большой величиной пассивной электрической емкости измерительных электродов измерительной области, которая шунтирует избыточную емкость от тела. Дополнительно, применение распределенных по всей измерительной области измерительных электродов снижает чувствительность преобразования, т.к. для определения геометрического центра необходимо использовать общую для всей измерительной области систему координат. В связи с этим снижается температурная стабильность и точность определения координат геометрического центра. Этот недостаток в данной разновидности системы электродов практически исключен за счет разбиения одной большой измерительной области на множество измерительных областей. При этом для каждой двумерной области имеется возможность определить геометрический центр с использованием группы измерительных областей. В этом случае используются электроды с минимальной площадью, что уменьшает величину их пассивной емкости. В связи с тем, что для каждой измерительной области используется своя локальная система координат, в этих областях имеется возможность выполнить систему электродов с увеличенной чувствительностью преобразования. При этом высокая точность сохранятся при определении координат двумерной области с применением группы измерительных областей.

Применение множества измерительных областей существенно повышает точность определения координат геометрического центра двумерной области при расположении измерительных электродов на криволинейной поверхности, так как форма измерительных электродов измерительной области меньше подвержена искажению при разбиении криволинейной поверхности на множество измерительных областей и уменьшении их размера.

Использование множества измерительных областей позволяет учесть детали рельефа тела, которое приближено к поверхности общей измерительной области. Это связано с тем, что на основе измерения суммарной избыточной емкости измерительных электродов и координат геометрического центра в каждой измерительной области, имеется возможность построить сплайн поверхности, который аппроксимирует поверхность тела. Построенный на основе этих данных сплайн будет более точно отображать рельеф поверхности, в сравнении с использованием другого набора данных, так как опорные вершины сплайна расположены в геометрических центрах измерительных областей, координаты которых учитывают множество точек рельефа поверхности тела. В примере с сенсорной системой робота, это свойство системы измерительных электродов позволяет сенсорной системе робота, с помощью «пальцев» манипулятора, чувствовать рельеф поверхности предметов без прикосновения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 и фиг. 2 - система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области. На фиг. 1 приведен вид на диэлектрическую подложку сбоку. На фигуре показана конструкция диэлектрической подложки в форме плоской пластины, изолирующий слой, измерительные электроды и общий электрод. На фиг. 2 приведен вид спереди на диэлектрическую подложку со стороны измерительных электродов. Показаны форма и расположение измерительных электродов, расположение измерительной области, а также локальные системы координат множеств измерительных электродов и система координат измерительной области.

Фиг. 3 и фиг. 4 - чертежи для пояснения принципа действия для варианта системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала. На фиг. 3 показана система электродов с расположенным на поверхности измерительной области электропроводящим телом. На фиг. 4 приведен чертеж для пояснения математических выкладок, для доказательства реализации назначения системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области.

Фиг. 5 и фиг. 6 - чертежи конструкции измерительных электродов в виде наклоненных трапеций, с обрезкой и удлинением трапеций в границе заданной измерительной области, для пояснения конструкции измерительных электродов.

Фиг. 7 и фиг. 8 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов для варианта системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов. На фиг. 7 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 8 приведены эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп измерительных электродов, как они расположены в границе измерительной области.

Фиг. 9 - система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от измерительных частей со схемой соединения электродов и подключения выводов.

Фиг. 10 и фиг. 11 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов для варианта системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества измерительных электродов. На фиг. 10 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены в границе измерительной области. На фиг. 11 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.

Фиг. 12, фиг. 13 и фиг. 14 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов для варианта системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением измерительных электродов одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества измерительных электродов. На фиг.12 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 13 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп измерительных электродов, как они расположены в границе измерительной области. На фиг. 14 приведены измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.

Фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17 - вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и отключением одной из измерительных частей одного из множеств электродов. На фиг. 15 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 16 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп измерительных электродов, как они расположены в границе измерительной области. На фиг. 17 приведены измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.

Фиг. 18 - на фигуре показан вариант системы электродов с микроконтроллером, предназначенным для формирования выходных сигналов координат геометрического центра двумерной области в виде цифрового кода.

Фиг. 19 и фиг. 20 - вариант для определения координат геометрического центра двумерной области для плоского тела из однородного диэлектрического материала. На фиг. 19 приведена конструкция диэлектрической подложки и общего электрода. На фиг. 20 дополнительно показано плоское тело из однородного диэлектрического материала, для пояснения принципа действия.

Фиг. 21 - вариант системы электродов с экранирующим электродом.

Фиг. 22, фиг. 23, фиг. 24 и фиг. 25 - на фигурах показаны особенности измерительной области с криволинейной поверхностью, для пояснения принципа действия для варианта системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области на криволинейной поверхности в форме части поверхности сферы.

Фиг. 26 и фиг. 27 - фигуры предназначены для пояснения реализации назначения системы электродов для определения координат двумерной области, полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области. На фиг. 26 показана система электродов и электропроводяще тело, которое приближено к измерительной области, но не прикасается к этой поверхности. На фиг. 27 показана двумерная область, образованная приближением к измерительной области электропроводящего тела.

Фиг. 28 и фиг. 29 - вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с измерительными областями в форме прямоугольников и четырьмя выводами от измерительной области. На фиг. 28 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 29 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.

Фиг. 30 и фиг. 31 - система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с измерительными областями в форме шестиугольников и тремя выводами от измерительной области. На фиг.30 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 31 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Осуществление изобретения раскрыто на примерах разновидностей и вариантов системы электродов, составляющих группу изобретений. Номера разновидностей системы электродов и их вариантов в разделе «осуществление изобретения» совпадают с номерами соответствующих разновидностей и вариантов, приведенных в разделе «сущность изобретения».

1. Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области

Осуществление изобретения раскрыто на примере варианта системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, для тел из электропроводящего материала. Система электродов по варианту включает в себя признаки изобретения, приведенные в пунктах п. 1, п. 2, п. 4, п. 9 и п. 13 формулы изобретения. Описание принципа действия системы электродов приведено в варианте 1.1 Особенности конструкции системы измерительных электродов и схемы соединения электродов и подключения выводов приведены в вариантах 1.3 и 1.4 в разделе «сущность изобретения».

Конструкция диэлектрической подложки, общего электрода и системы измерительных электродов показана на фиг. 1, на виде сбоку. На фиг.7 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 8 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп измерительных электродов, как они расположены в измерительной области на диэлектрической подложке. На фиг.9 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области и схема соединений электродов и подключений выводов.

На фиг. 1 показаны основные элементы конструкции варианта системы электродов 101 для определения геометрического центра двумерной области для электропроводящего тела. Измерительные электроды выполнены тонкими. Для размещения измерительных электродов 103 использована диэлектрическая подложка 102, которая выполнена в виде диэлектрической пластины с плоской поверхностью. При этом поверхность измерительных электродов имеет форму плоской поверхности диэлектрической подложки. Для изоляции измерительных электродов предусмотрен изолирующий слой 111, расположенный поверх измерительных электродов 103. Общий электрод 106 расположен на диэлектрической подложке со стороны поверхности измерительных электродов, которая противоположна поверхности измерительной области 110. При этом общий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных электродов на соответствующих участках.

Система измерительных электродов показана на фиг.9. Относительные размеры измерительных электродов искажены. Измерительные электроды расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области 110, форма, размеры и расположение которой заданы. Измерительная область 110 содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 202, второй измерительной части первого множества цифрой 203, первой измерительной части второго множества цифрой 204, второй измерительной части второго множества цифрой 205. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат. Система координат первого множества обозначена цифрой 216, система координат второго множества цифрой 217. Причем ось ординат Y1 системы координат 216 измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат Y2 системы координат 217 измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов, при этом группы измерительных электродов расположены на диэлектрической подложке в границах измерительных областей групп 214 и 215. Первая группа измерительных электродов первого множества обозначена номером 212. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат.

Для любого отдельно взятого множества измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией 133 (см. фиг. 7) вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении.

В варианте изобретения конкретная конструкция системы измерительных электродов определена методом графических построений. Эта система полностью соответствует признакам, которые заданы в п. 2 формулы изобретения.

Измерительные электроды первой и второй измерительных частей первого и второго множеств выполнены в форме трапеций. Измерительные электроды совместно с соединительными проводниками и выводами расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки.

На фиг. 5 приведена исходная группа 212 измерительных электродов. Трапеции группы измерительных электродов 212 могут быть выполнены с наклоном на заданный угол относительно оси ординат Y системы координат 216 первого множества, путем сдвига верхних оснований трапеций вдоль оси абсцисс, как показано в правой части фиг.5. При этом, как показано в разделе сущность изобретения, наклоненные измерительные электроды группы для цели определения координаты двумерной области по одной оси эквивалентны не наклоненным измерительным электродам. На фиг.6 приведен пример обрезки и удлинения группы измерительных электродов, при котором целевая функция системы электродов также не меняется.

Как показано на фиг. 7, находящиеся на краях групп измерительных электродов боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 216 первого множества измерительных электродов, выполнены с наклоном на первый заданный угол ϕ₁ по отношению к оси ординат системы координат 216 первого множества. Для групп измерительных электродов 219 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 217 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол ϕ₂ по отношению к оси ординат системы координат второго множества, не равный первому углу ϕ₁.

На фиг. 8 группы измерительных электродов первого и второго множеств, показанные на фиг. 7, наложены на диэлектрическую подложку в месте, где расположена измерительная область 110, с чередованием. При этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Точка 221 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 216 и 217 первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области 110.

На фиг. 9 показано, что эти измерительные электроды расположены в границе измерительной области 110, при этом части геометрических фигур измерительных электродов, которые выступают за пределы измерительной области, обрезаны по границе измерительной области 110. Геометрические фигуры измерительных электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области.

На фиг. 9 дополнительно показана локальная система координат 220 измерительной области 110, начало которой совпадает с геометрическим центром измерительной области 110 и с точкой 221 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 216 и 217 множеств измерительных электродов.

Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений электродов и подключений выводов. Схема соединений и подключений выводов имеет несколько вариантов. Особенности вариантов схемы соединений и подключений приведены в описании вариантов 1.3,1.4,1.5 и 1.6 системы электродов.

Принцип действия системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области приведен в разделе «сущность изобретения».

1.3 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от измерительных частей

Вариант системы электродов соответствует п. 4 формулы изобретения. Для этого варианта на фиг.9 показана конструкция и расположение измерительных электродов первого и второго множеств и схема соединений электродов и подключений выводов.

Описание конструкции системы измерительных электродов варианта приведено в описании варианта 1.2, дальнейшим развитием которого является вариант 1.3.

Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов, отличается особенностями схемы соединений электродов и подключений выводов измерительных электродов измерительных частей. В схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 206, измерительные электроды второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 207, измерительные электроды первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 208, измерительные электроды второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 209, дополнительный вывод 211 подключен к общему электроду.

Принцип действия варианта системы электродов приведен в разделе «сущность изобретения» в описании под номерами 1, 1.1,1.2 и 1.3.

1.4 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от измерительных частей и соединением измерительных электродов одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества измерительных электродов

Вариант системы электродов соответствует п. 6 формулы изобретения. Для этого варианта форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности, аналогичны варианту 1.3, показанному на фиг. 7. На фиг. 10 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены в измерительной области 110. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 232, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 233, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 234, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 235. На фиг. 11 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области 110, и схема соединений электродов и подключений выводов.

Схема соединений электродов и подключений выводов системы электродов 231 по варианту 1.4 отличается тем, что измерительные электроды 233 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и с электродами 234 первой измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу 237. Измерительные электроды 232 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 236, измерительные электроды 235 второй измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 238, дополнительный вывод 211 подключен к общему электроду. В варианте системы электродов, как показано на фиг.10, находящиеся на краях групп измерительные электроды 233 и 234, которые относятся к разным множествам, принадлежат к разноименным измерительным частям, соединены между собой путем соединения боковых сторон трапеций групп измерительных электродов. Выполнение такого соединения не обязательно. Измерительные электроды могут быть соединены с помощью соединительных проводников.

1.5 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от измерительных частей и соединением измерительных электродов одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества измерительных электродов

Вариант системы электродов соответствует п. 7 формулы изобретения. Для этого варианта форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности показаны на фиг. 12. На фиг. 13 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены в измерительной области 110. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 242, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 243, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 244, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 245. На фиг. 14 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области 110, схема соединений электродов и подключений выводов.

Схема соединений электродов и подключений выводов системы электродов 241 по варианту 1.5 отличается тем, что измерительные электроды 243 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и с электродами 245 второй измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу 247, измерительные электроды 242 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 246, измерительные электроды 244 первой измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 248, дополнительный вывод 211 подключен к общему электроду. В варианте системы электродов, как показано на фиг. 13, находящиеся на краях групп измерительные электроды 243 и 245, которые относятся к разным множествам, принадлежат к одноименным измерительным частям. При этом измерительные электроды одноименных измерительных частей групп соединены путем соединения боковых сторон трапеций групп. Выполнение такого непосредственного соединения полезно с точки зрения уменьшения ширины групп, но не обязательно.

Принцип действия варианта системы электродов приведен в разделе «сущность изобретения», в описании под номером 1.1 и 1.5.

1.6 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от измерительных частей и отключением одной из измерительных частей одного из множеств измерительных электродов

Вариант системы электродов соответствует п. 8 формулы изобретения. На фиг. 15 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 16 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены в измерительной области 110 на диэлектрической подложке. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 252, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 253, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 254, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 255. На фиг. 17 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов. Схема соединений электродов и подключений выводов системы электродов 251 по варианту 1.6 отличается тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды 252 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 256, измерительные электроды 253 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 257, измерительные электроды 254 первой измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 258, дополнительный вывод 211 системы электродов подключен к общему электроду. Как показано на фиг. 15, измерительные электроды 255 второй измерительной части второго множества, обозначенные штриховой линией, не подключены к выводам системы электродов.

2. Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей

Осуществление изобретения раскрыто на примерах вариантов 2.2 и 2.3 системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей.

2.2 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников

Вариант системы электродов соответствует п. 20 формулы изобретения. В описании осуществления изобретения включены признаки пункта формулы п. 17. На фиг. 28 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 29 приведена система измерительных электродов и схема соединений электродов и подключений выводов для отдельно взятой измерительной области.

Система электродов 401 для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей содержит диэлектрическую подложку 402, на которой расположено множество измерительных областей 410 с электродами в форме геометрических фигур прямоугольников, в виде регулярной структуры. Измерительные области 410 расположены на диэлектрической подложке с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области диэлектрической подложки 404.

В данном варианте системы электродов для каждой измерительной области использована система измерительных электродов с четырьмя выводами от измерительной области, описанная в варианте 1.3. Измерительные электроды и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки 402. Схема соединений электродов может быть продолжена для любого количества измерительных электродов, без взаимного пересечения измерительных электродов и выводов, с максимальным количеством проводников 409, проходящих вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем.

Выводы системы измерительных электродов каждой измерительной области на фиг. 28 и фиг. 29 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границ диэлектрической подложки в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов системы электродов, посредством проводников шлейфов 407, к микроконтроллеру или к другому конечному устройству.

Как показано на фиг. 29 пересечение оси абсцисс локальной системы координат 416 первого множества измерительных электродов и оси абсцисс системы координат 417 второго множества измерительных электродов измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области. Также показана локальная система координат 408 измерительной области, начало которой совпадает с пересечением осей абсцисс систем координат 416 и 417. При этом координаты геометрического центра, определенные в системах координат 416 и 417 двух множеств измерительных электродов, могут быть пересчитаны в рамках локальной системы координат измерительной области 408.

В варианте 2.2 системы электродов измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6. Принцип действия варианта системы электродов приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 2.2.

2.3 Вариант системы электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников

Вариант соответствует п. 21 формулы изобретения. Расположение измерительных областей и их выводов показано на фиг. 30. На фиг. 31 приведена система измерительных электродов и схема соединений и подключений выводов для отдельно взятой измерительной области.

Вариант 2.3 системы электродов 411 отличается от варианта 2.2 тем, что измерительные области 420 выполнены в форме правильных шестиугольников. При этом в измерительных областях использована система измерительных электродов с тремя выводами, аналогично варианту 1.4 (фиг. 11). Отличие измерительной области в форме шестиугольника, от показанной на фиг. 11 в том, что в данном случае измерительные электроды вписаны в границу шестиугольной измерительной области. В этом варианте групповые линии 414 от каждой измерительной области содержат три проводника. Групповые линии 414 объединены в групповые линии шлейфов 415. Показанная на фиг. 31 схема соединений электродов применима для любого количества измерительных электродов, без увеличения количества выводов и с максимальным количеством соединительных проводников 419, проходящих вдоль одной стороны шестиугольника, равным двум. Начало локальной системы координат 418 измерительной области расположено в геометрическом центре соответствующей измерительной области.

В варианте 2.3 системы электродов измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 1.3,1.4, 1.5 и 1.6. Принцип действия варианта системы электродов приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 2.3.

1. Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области, которая образована на двумерной поверхности измерительной области системы электродов в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела, содержащая измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены в границе измерительной области, каждый измерительный электрод имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности, заданной в границе измерительной области, форма, размеры и расположение измерительной области заданы, диэлектрическую подложку, выполняющую функцию крепления и изоляции измерительных электродов, измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных электродов реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей измерительной области системы электродов.

2. Система электродов по п. 1, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов, которая содержит два множества измерительных электродов, измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части, форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных электродов второго множества, для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов, при этом группы измерительных электродов расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс, каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей, в каждой из групп множества измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат, измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении, измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений электродов и подключений выводов, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей измерительной области на выводах системы электродов.

3. Система электродов по п. 2, отличающаяся тем, что для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительных электродов измерительной области каждая группа измерительных электродов расположена в измерительной области в границе соответствующей измерительной области группы, при этом измерительные области групп имеют практически одинаковую ширину в направлениях вдоль оси абсцисс и расположены практически без промежутков между границами групп в направлениях вдоль оси абсцисс.

4. Система электродов по п. 2, отличающаяся тем, что с целью обеспечения расположения измерительных электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности измерительные электроды выполнены в форме трапеций, для групп измерительных электродов, входящих в первое множество, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол по отношению к оси ординат системы координат первого множества, для групп измерительных электродов, входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол по отношению к оси ординат системы координат второго множества, не равный первому углу, группы измерительных электродов первого и второго множеств расположены в границе измерительной области с чередованием и не пересекают друг друга, при этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций расположены практически параллельно между собой, измерительные электроды измерительных частей выполнены и расположены таким образом, что части геометрических фигур измерительных электродов, которые выступают за пределы измерительной области, обрезаны по границе измерительной области, геометрические фигуры измерительных электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области, измерительные электроды расположены таким образом, что точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области.

5. Система электродов по п. 2, отличающаяся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды первой измерительной части первого множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.

6. Система электродов по п. 2, отличающаяся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с измерительными электродами разноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.

7. Система электродов по п. 2, отличающаяся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с измерительными электродами одноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.

8. Система электродов по п. 2, отличающаяся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды любых трех измерительных частей первого и второго множеств для каждой измерительной части по отдельности соединены между собой и подключены к соответствующим выводам измерительных частей.

9. Система электродов по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит общий электрод, причем общий электрод расположен со стороны поверхности измерительных электродов, которая противоположна поверхности измерительной области, общий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных электродов на соответствующих участках.

10. Система электродов по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит общий электрод, причем общий электрод расположен со стороны поверхности измерительных электродов, которая обращена в сторону поверхности измерительной области, общий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных электродов на соответствующих участках.

11. Система электродов по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит экранирующий электрод, причем экранирующий электрод расположен со стороны поверхности измерительных электродов, которая противоположна поверхности измерительной области, экранирующий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с практически постоянными расстояниями с поверхностями измерительных электродов на соответствующих участках.

12. Система электродов по п. 1, отличающаяся тем, что измерительные электроды выполнены тонкими и расположены на практически гладкой поверхности слоя диэлектрической подложки.

13. Система электродов по п. 12, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме плоской пластины, а измерительные электроды расположены на плоской поверхности слоя пластины, выполненной из диэлектрического материала.

14. Система электродов по п. 1, отличающаяся тем, что функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей для измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов, которая содержит два множества измерительных электродов, измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части, форма, размеры и расположение измерительных электродов

15. Система электродов по п. 12, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме оболочки, имеющей гладкую криволинейную поверхность, а измерительные электроды расположены на криволинейной поверхности слоя оболочки, выполненной из диэлектрического материала.

16. Система электродов для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, которая образована на двумерной поверхности общей измерительной области системы электродов в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела, содержащая множество измерительных областей с измерительными электродами, причем форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области, измерительные электроды расположены в границах соответствующих измерительных областей, каждый измерительный электрод имеет со стороны измерительной области поверхность, которая является частью практически гладкой плоской поверхности или практически гладкой изогнутой поверхности или практически гладкой криволинейной поверхности, заданной в границе общей измерительной области, диэлектрическую подложку, выполняющую функцию крепления и изоляции измерительных электродов, измерительные электроды каждой измерительной области образуют систему измерительных электродов измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных электродов каждой измерительной области реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей системы электродов.

17. Система электродов по п. 16, отличающаяся тем, что в каждой измерительной области функция определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат реализуется за счет того, что измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов, которая содержит два множества измерительных электродов, измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части, форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных электродов второго множества, для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов, при этом группы измерительных электродов расположены в измерительной области с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс, каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей, в каждой из групп множества измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат, измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении, измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений электродов и подключений выводов, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей измерительной области.

18. Система электродов по п. 17, отличающаяся тем, что для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительных электродов измерительной области, каждая группа измерительных электродов расположена в границе соответствующей измерительной области группы, при этом измерительные области групп имеют практически одинаковую ширину в направлениях вдоль оси абсцисс и расположены практически без промежутков между границами групп в направлениях вдоль оси абсцисс.

19. Система электродов по п. 17, отличающаяся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов в измерительной области, состоящей из четырех измерительных частей, измерительные электроды любых двух измерительных частей разных множеств электрически соединены между собой или любая одна измерительная часть исключена, образуя новую систему измерительных электродов, состоящую из трех измерительных частей, в каждой из измерительных частей которой измерительные электроды соединены между собой и имеют соответствующий электрический вывод от измерительных электродов измерительной части.

20. Система электродов по п. 16, отличающаяся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников и расположены в границе общей измерительной области в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.

21. Система электродов по п. 16, отличающаяся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в границе общей измерительной области в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.

22. Система электродов по п. 16, отличающаяся тем, что промежутки между измерительными областями заданы нулевой величины, при этом соединительные проводники для соединения измерительных электродов измерительных частей и выводы измерительных частей расположены в границах измерительных областей групп измерительных электродов.