ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
LINEAR DISPLACEMENT CAPACITIVE TRANSDUCER

Изобретение относится к области прецизионных измерений перемещений посредством измерения емкости. Емкостной датчик может быть использован для определения линейных перемещений сканирующих устройств в сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ).
Известен емкостной измеритель перемещений, включающий операционный усилитель, к первому входу которого подключены первая измерительная и вторая опорная емкости, соединенные через ключи с модулем опорного напряжения и с "землей". Ко второму входу подключена компенсирующая емкость [1].
Это устройство выбрано в качестве прототипа, как совпадающее с предложенным решением по большинству признаков.
Основной недостаток описанного измерителя перемещений заключается в том, что во время переключения электронных ключей происходит инжекция заряда, что приводит к искажению величины измеряемой емкости и соответственно к неточности измерения перемещений.
Целью изобретения является создание универсального и надежного датчика линейных перемещений.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения линейных перемещений.
Указанный технический результат достигается тем, что в емкостной датчик для измерения линейных перемещений, содержащий измерительную емкость и опорную емкость, подключенные к первому входу интегратора, включающего операционный усилитель и емкость, между измерительной емкостью и опорной емкостью к первому входу интегратора подключены последовательно демодулятор и полосовой усилитель, а между измерительной емкостью и выходом интегратора последовательно включены первый модулятор и потенциометр масштаба, при этом к опорной емкости последовательно подключены второй модулятор и потенциометр смещения.
На фиг.1 представлена схема емкостного датчика для измерения линейных перемещений.
Емкостной датчик для измерения линейных перемещений содержит контур обратной связи 1, включающий измерительную емкость 2 с первой 3 и второй 4 обкладками. К первой обкладке 3 измерительной емкости 2 подключен своим входом полосовой усилитель 5, выход которого соединен с демодулятором 6, содержащим первый генератор 7 и первый умножитель 8. Демодулятор 6 соединен с потенциометром 9, который, в свою очередь, подключен к первому входу интегратора 10, включающего операционный усилитель 11 и емкость 12. Выход интегратора 10 соединен с измерителем сигнала 13 и потенциометром масштаба 14, который, в свою очередь, подключен к первому модулятору 15, содержащему второй генератор 16 и второй умножитель 17. Первый модулятор 15 соединен со второй обкладкой 4 измерительной емкости 2. К первой обкладке 3 измерительной емкости 2 подключена схема опорного возбуждения 18. Эта схема содержит опорную емкость 19 с первой обкладкой 20, соединенной с первой обкладкой 3 измерительной емкости 2. Вторая обкладка 21 опорной емкости 19 подключена ко второму модулятору 22, включающему третий генератор 23 и третий умножитель 24. Второй модулятор 22 соединен с потенциометром смещения 25.
Емкостной датчик для измерения линейных перемещений работает следующим образом. Схема опорного возбуждения 18 создает напряжение Uоп на опорной емкости 19. Интегратор 10 и демодулятор 6 работают как ноль-детектор, и напряжение в точке "0" примерно равно 0 вольт, поэтому Uоп*Cоп=Uизм*Cизм или 1/Cизм=Uизм/Uоп*Cоп.
В результате происходит измерение обратной емкости или перемещения с пониженным уровнем шумов и повышенным быстродействием. В результате этого повышается точность измерения линейных перемещений.
При использовании емкостного датчика для измерения линейных перемещений в СЗМ первая обкладка 3 измерительной емкости 2 может быть расположена на перемещающемся элементе пьезосканера, а вторая обкладка 4 на неподвижном элементе СЗМ. При перемещении первой обкладки 3 относительно второй обкладки 4 (изменении между ними расстояния) происходит изменение емкости 2, измеряя которую определяют линейное перемещение подвижного элемента пьезосканера.
Предложенная конструкция емкостного датчика для измерения линейных перемещений позволяет минимизировать массу подвижных частей измерительной емкости 2 (обкладки 3) за счет исключения дополнительных механических элементов (экранов), что положительно сказывается на точностных характеристиках сканирующей зондовой микроскопии. Подробно принципы работы СЗМ см. в [2, 3].
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент DE 19644125, 1997-10-02.
2. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др. Сенсорные системы, т.12, №1,1998, с.99-121.
3. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И.Данилов. Успехи химии, 64(8), 1995, с.818-833.