Емкостной датчик абсолютных положений

 

Союз Советсиик

Социапистичесиик

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ iii 926534 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51)М. Кл. (22)Заявлено 09 04.80,(21) 2905845/18-21 г с присоединением заявки №

G 01 D 5/23

3Ъеудеретекииый комитет

СССР (23) Приоритет иа делан изобретений и открытий

Опубликовано 07.05 82 Бюллетень № 17

Дата опубликования описания 07.05.82 (5Ç) УДК 621.317.

373 (088. 8) " =Ъч с

I;

I Ф

\ (72) Автор изобретения

В.А,Артеменко и ! (7!) Заявитель (54 ЕИКОСТНЫИ ДАТЧИК АБСОЛЮТНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в системах автоматического регулирования подвижной части объекта и в вы" числительной технике.

Известно устройство для определения координат. подвижной части объекта, содержащее емкостные кодирующие устройства и схемы преобразования емкостной связи в электрический сигнал.

Передатчик и приемник устройства

IO содержит группы прямоугольных кодовых элементов, выполненные в виде двух гребенок с зубцами, направлен- . ными друг к другу и чередующимися между собой 1) .

Основные недостатки устройства. низкая точность измерения и ограничение возможности измерений в широком диапазоне перемещений.

Известен емкостный датчик перемещений, содержащий емкостное кодирующее устройство, представляющее собой две емкости многослойного дифференциального конденсатора, подключенного параллельно контуру I C частотного детектора. Общая обкладка дифференциального,конденсатора выполнена в виде симметрично набранных прямоугольных пластин,.расположенных под углом 3- к траектории перемещения.

Два других электорода представляют собой пакеты пластин по форме треугольника, установленные симметрично базовой пластине общей обкладки.

Кодирующее устройство при прямолинейном перемещении общей обкладки (электрода) обеспечивает квадратичное изменение емкостей дифференциального конденсатора и линейное изменение частоты контура частотного детектора (23 .

Основной недостаток датчика - недостаточные точность и разрешающая способность, ограниченный диапазон измеряемых величин. ник Ilo форме трапеции и прямоугольную пластину-передатчик, второй и третий конденсаторы подключены параллельно LC-контурам частотных детекторов канала измерения младших разрядов и канала автоматического управления режимом работы второго усилителя схемы повторителя и содержит по две группу электрически соединенных металлических пластин трапецеидальной формы, равномерно расположенных вдоль трактории перемещения шагом 3., а число и< пластин приемника и и пластин передатчика в каждом конденсаторе находится в со от ноше ни и и >) и„.

На фиг. 1 представлена схема емкостного датчика абсолютных положений; на фиг. 2 — емкостное кодирующее устройство, на фиг. 3 — частотная характеристика детектора.

Емкостный датчик абсолютных положений содержит канал измерения старших разрядов координаты подвижной части объекта на длине Lq максимально возможного перемещения, составленный первым амплитудным ограничителем 1, первым частотным детектором 2, первым выходным операционным со смешенным нулем усилителем 3, выходной клеммой 4 канала — канал измерения младших разрядов сигнала на последовательно расположенных N участках, каждый длиной Л/2(< ..1, составленный вторым амплитудным ограни чит елем 5, вторым частотным детектором б, вторым двухфункциональным операционным усилителем 7, третьим операционным усилителем 8 со смещенным нулем, выходной клеммой 9, схему автоматического управления режимной работы усилителя 7, составленную третьим амплитудным ограничителем 10, третьим частотным детектором 11, четвертым операционным усилителем 12 со смещенным нулем, пятым операционным усилителем 1.3 со смещенным нулем, двухканальным компаратором 14 и управляющим транзистором 1, генератор высокочастотных колебаний 16.

По способу первоначальной настройки частотные детекторы 2, 6 и 11 относятся к числу частотных детекторов со,взаимнорасстроенными контурами. Каждый из частотных детекторов 2, 6 и 11 связан с генератором 16 посредством индуктивной связи между катушками индуктивностей 17 и 18, 19 и 20, 21 и 22.

3 926534 4

Цель изобретения — повышение точности и разрешающей способности датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в емкостный датчик абсолютных положений, содержащий генератор синусоидальных колебаний, первый частотный детектор с емкостным кодирующим устройством, выход которого подключен к первому входу первого усилите- 1p ля, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход является выходом старшего разряда датчика, введены первый амплитудный ограничитель, вход которого подключен к синусоидальному генератору, а выход - ко входу первого частотного детектора, канал, измерения младших разрядов, включающий второй амплитудный ограничитель, вход ко- 2в торого подключен к синусоидальному генератору, а-выход — ко входу второго частотного детектора с емкостным кодирующим устройством, выход которого подключен к первому входу 2 второго усилителя, выход которого подключен к первому входу третьего усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход является выходом зо младших разрядов датчика, канал автоматического преобразования режима работы второго усилителя - повторитель-инвертор, включающий третий амплитудный ограничитель, вход которого подключен к выходу генератора синусоидальных колебаний, а выходко входу частотного детектора, выход которого подключен к первому входу четвертого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход - к первому входу компаратора, второй и третий входы которого подключены к источнику опорных напряжений, четвертый вход — к выходу пятого усилителя, а выход - ко входу ключа, пер.вый вход которого подключен к земле, а второй — ко второму входу второго усилителя, выходу второго частотного детектора и первому входу пятого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, причем емкостное кодирующее устройство выполнено в виде трех плоских двухслойных конденсаторов, первый иэ которых подключен параллельно LC-контуру первого частотного детектора и содержит пластину-прием6534

5 92

Каждый из укаэанных частотных детекторов содержит два вэаимнорасстроенных контура, образованных верхней и нижней частями катушек индуктивности и общими для них конденсаторами 23 (24 и 25) постоянной емкости и подстроечными конденсаторами 26 (27 и 28).

Для определения величины емкост" ной связи между частями объекта конденсаторы 29-31 контролирующего устройства подключены параллельно конденсаторам 23 и 26 (24 и 27, 25 и

28) и составляют переменную часть емкости контуров.

Резисторы 32-34 в схеме канала измерения старших разрядов 35 38, канала измерения младших разрядов, а также 39-42 в схеме автоматического управления являются элементами выбора коэффициентов передачи и регулировки величины смещения нуля усилителей 3, 12 и 13.

Резисторы 42-45 совместно с усилителем 7 образуют схему повторителя, которая открыванием управляющего транзистора "15 преобразуется в схему ! и нвертора. .Резисторы 46-49 являются элементами установки коэффициента передачи и смещения нуля усилителя 8.

Емкостное кодирующее устройство состоит из передатчика 50 и приемника 5 1.

С -целью увеличения точности измерения электроды каждого из конденсаторов 30 выполнены в виде множества электрически соединенных между собою пластин трапецеидальной формы, расположенных вдоль траектории перемещений с шагом Х . Использование множества пластин обеспечивает уменьшение технологических погрешностей изготовления благодаря их усреднению по множеству, в то время как выбор пластин трапецеидальной формы обеспечивает линейную зависимость частот контуров и амплитуд выходных сигналов от координаты передатчика.

Для образования пространственного сдвига между сигналами детекторов 6 и 17, необходимого для обеспечения работы схемы автоматического управления, неподвижные электроды конденсаторов 30 сдвинуты между собою на ве" личину а(вдоль траектории перемещения передатчика.

Поверхности основ аний переда т чика 50 и приемника 51 параллельны между собою и образуют свободный зазор величиной d (фиг. 2)

s Ширина пластины электродов, представляющая собой высоту трапеции h„ и зазор d между подвижными и неподвижными электродами находятся в соотношении

so h/d» 1

Указанное соотношение разрешает получить высокую степень линейности выходного сигнала детектора у его экстремальных точек.

15 8 схеме датчика конденсаторы 23 и 26 (24 и 27, 25 и 28)образуют начальную емкость Сд, общую для обоих взаимно расстроенных контуров каждого из детекторов 2, 6 и 11.

10 . Конденсаторы 29 и 30 совместно с начальными емкостями составляют суммарные емкости контуров детекторов и обеспечивают синхронное изменение их резонансных частот при пере25 мещениях подвижных электродов. Линейная зависимость частот контуров от координаты перемещения подвижного электрода обеспечивается тем, что в каждом детекторе начальная емкость С эо является. эквивалентом емкости плоскопараллельного конденсатора с пластинами по форме треугольника, допол няющего форму и площадь трапецеидальных пластин электрода конденсатора коЗ дирующего устройства до треугольника. Синхронное смещение вдоль оси F частот f и fq при изменении ко-. ординаты х„ передатчика означает равное ему смещение частотной характе ао ристики детектора (фиг. 3), Для обеспечения нормальной работы каналов измерения и схемы автоматического управления датчик настроен следующим образом: в положении пере45 датчика х. = xo + h/2, что соответстЮ вует его истиной координате х =

L» - 1л.

= -------- + h/2 = х

При этом электроды канала измерения старших разрядов и пластин электродов канала измерения младших разрядов взаимно перекрыты на величину h/2, контура детекторов 2 и 6 настроены так, что их частоты f и на- частотной оси F располагаются симметрично относительно частоты fz генератора 16 на расстояниях от нее

+ af, - дГ. При этом (фиг. 3) частот926534

55 ная характеристика (а о в) частотного детектора 2 (6) пересекает ocb F в точке f = Кг, а выходное напряжение детектора равно нулю.

В крайнем правом положении передатчика, что соответствует его истинной координате Х = X = 0 и условной Х = Хо, при котором площади взаимного перекрытия конденсаторов 29 и 30 равны нулю, частотная характеристика (а о" в) находится в крайнем . правом положении, а выходное напряжение детектора равно -U„, выходное напряжение усилителя 3 (13) скомпенсировано подачей напряжения +О„ на неинвертирующий вход усилителя 3 (13) с резистора 34 (38) .

Аналогичным образом, но для условных координат передатчика х = хо + h=2 -ь1, x = хо - И настроены частотный детектор 11 и усилитель 12.

При нахождении передатчика поочередно в точках с условными координатами х = x0, х = х выбраны величины опорных напряжений Uo>„ 0оп приводящие к установлению на выходе компаратора 14 логических уровней соответственно "+1 и "-1". При этом в координате х = х на выходе компаратора 14 имеет место уровень "-1", при котором транзистор 15 закрыт, а усилитель 7 с резисторами 42-45 образует схему повторителя, в координате х = х на выходе компарато- . к ра — "+1", транзистор 15 открыт, а усилитель 7 с резисторами 42-45 образует схему инвертора.

В точке с координатой Х = Х, когда на выходе усилителя 7 имеет место напряжение -U, напряжение на выходе усилителя 8 (клемма 9) скомпенсировано подачей на его неинвертирующий вход напряжения +U с резистора 49.

В отличие от известных в технике связи частотных детекторов со взаимно расстроенными контурами, в которых частоты f, f закреплены на частотной оси F, а частоты входного сигнала, оставаясь между ними, девиируют относительно своего среднего значения, в частотных детекторах датчика закреплена частота генератора Уг,a относительно ее синхронно девиируют частоты fq u f<, всегда оставаясь по разные стороны от

Образованная частотами f, и частотная характеристика (а о в) (фиг. 3) девиирует вместе с частотами и в крайних точках Х, Х занимает положения (а, о, в ) и (а" о в) .

Через точку f - проходит ось выходных напряжений детектора. В определенном масштабе выходное напряжение детектора изображается отрезком между осью частот F и точкой пересе 0 чения частотной характеристики с осью напряжений.

В исходном состоянии, при котором передатчик 50 находится в крайнем правом положении частотная характе15 ристика (а о в) детектора 2 (61 занимает на оси частот F крайнее правое положение, а его выходное напряжение равно -U . Частотная характеристика детектора 11 (на щ фиг. 3 пунктирной линией) смещена влево относительно характеристики (а о в ) на величину М, а его выходное напряжение равно Un„ .

Напряжение на выходе смещенных уси25 лителей 3 и 13 равно нулю, усилителя 12 составляет величину s U.

На входах компаратора 14 действует разница напряжений ь0- 0 =60 =0ср

50 Под действием напряжения Оср на выходе компаратора 14 установлено состояние логического уровня "-1", Транзистор 15 закрыт. Усилитель совместно с резисторами 42-45 образует схему повторителя, а на его выходе имеет. место напряжение, равное - U . На выходе смещенного усилителя 8 и клемме 9 напряжение равно нулю.

При перемещении передатчика влево, вследствие роста суммарной емкости в контуре, частотная характеристика (а о e ) смещается влево, отрезая на оси напряжений величину эк45 вивалентную выходному напряжению де-.тектора. Напряжение на выходах детекторов 6 и 11 от уровней -U„, -0я убывает до нуля, а затем, после перехода через нуль возрастает в положи50 тельном направлении. На выходах смещенных усилителей 3, 12, 13 и 8 перемещения передатчика реализуются в линейновозрастающее напряжение.

При выходе передатчика в точку с координатой х, = хо + h — <1 напряжение на выходе усилителя 12 достигает максимальной величины 0 = н

= 20 в то время, как напряжение 0„

9 9265 на выходе усилителя 13 отстает от него на величину 00Р . При дальнейшем увеличении координаты х напряжение 0, линейно убывает, достигая в точке х, = х + ll - AE 2 равенства с напряжением Uqq на выходе усилителя 13.

При перемещении передатчика влево суммарная емкость в контурах детекторов 6 и 11 убывает по обратному l0 закону. Частотная характеристика детектора из крайнего левого положения (а" .о" в")перемещается вправо.

Процесс изменения выходных напряжений детекторов, 6 и 11 на выходах усили- !5 телей 12 и 13 идет в обратном направлении, а его полный цикл заканчивается в точке, отстоящей от предыдущей на расстоянии + — шага распределения пластин электродов конденса- щ тора 30 (31). При этом на указанном интервале напряжение на выходе усилителя 8 дважды возрастает от нуля до 20н и падает до нуля.

Таким образом координата подвиж- 25 ной части объекта, с которой меха- . нически связан передатчик датчика, каждый раз определяется двумя компонентами, компонентой измерения, со держащей числа и„ старших разрядов, 30 и компонентой,. содержащей числа и< младших разрядов.

При этом, благодаря введению в датчик канала измерения младших разрядов точность H разрешающая спо собность датчика повышается в 10 п раз, где п1 число старших разрядов измерения.

Формула изобретения ключен к синусоидальному генератору, а выход - к входу второго частотного детектора с емкостным кодирующим устройством, выход которого подключен к первому входу второго усилителя, выход которого подключен к первому входу третьего усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход является выходом младших разрядов датчика, канал автоматического преобразования режима работы второго усилителя - повторитель-инвертор, включающий третий амплитудный ограничитель, вход которого подключен к выходу генератора синусоидальных колебаний, а выход — к входу частотного детектора, выход которого подключен к первому входу четвертого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход— к первому входу компаратора, второй и третий входы которого подключены к источнику опорных напряжений, четвертый вход - к выходу пятого усилителя, а выход - к входу ключа, первый вход которого подключен к земле, а второй — к второму входу второго усилителя, выходу второго частотного детектора и первому входу пятого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, причем емкостное кодирующее устройство выполнено в виде плоских двухслойных конденсаторов, первый из которых подключен параллельно контуру первого частотного детектора и содержит пластину-приемник по форме трапеции и прямоугольную пластину-передатчик, второй и третий конденсаторы подключены параллельно - контурам частотных детекторов канала измерения младших разрядов и канала автоматического управления режимом работы второго усилителя и содержит по две группы электрически соединенных металлических пластин трапецеидальной формы, равномерно расположенных вдоль траектории перемещения шагом А, а число л пластин приемника и л пластин передатчика в каждом конденсаторе находится в соотношении n< >) n„ .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США N 3938113, кл. G 08 С 19/10, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР

N 599111, кл. G 01 0 5/23 1977. !

Емкостный датчик абсолютных поло- 0 жений, содержащий генератор синусоидальных колебаний, первый частотный детектор с емкостным кодирующим устройством, выход которого подключен к первому входу первого усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход является выходом старшего разряда датчика, отличающийся тем что, с целью расширения диа1 У

50 пазона измерения и повышения разрешающей способности датчика, в него введены первый амплитудный ограничитель, вход которого подключен к синусоидальному генератору, а

55 выход — к входу первого частотного детектора, канал измерения младших разрядов, включающий второй амплитудный ограничитель, вход которого под34 10

926534 айаг

Фы

Сост а ви тел ь M. Катанова

Техред И. Бабинец Корректор А.ференц

Редактор М. Голаковски филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

Заказ 2955/35 Тираж 671 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Раушская наб., д. 4/5