ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЕМКОСТНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения линейных или угловых перемещений.
Известен емкостной датчик перемещений, содержащий разделенные на секции потенциальный и токовый электроды, установленные с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия, генератор, делитель частоты, усилитель. [1]
Однако, недостатком такого устройства является то, что этот емкостной датчик измеряет только величину и направление перемещения, но не определяет абсолютное значение положения подвижной части измерителя относительно неподвижной.
Наиболее близким по технической сущности является дифференциальный емкостной измеритель перемещений, содержащий секционированные потенциальный и токовый электроды, установленные в параллельных плоскостях с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия, генератор, выход которого подсоединен к входу делителя частоты, усилитель, подсоединенный к секциям токового электрода. [2]
Однако, недостатком такого устройства является то, что данный измеритель перемещений накапливающего типа не измеряет абсолютное значение положения подвижной части измерителя относительно неподвижной.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет измерения не только величины и направления перемещения, но и измерение абсолютного значения положения подвижной части измерителя относительно неподвижной.
Указанная цель достигается тем, что в известный дифференциальный емкостной измеритель перемещений [2], содержащим секционированные потенциальный и токовый
электроды, установленные в параллельных плоскостях с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия, генератор, выход которого подсоединен к входу делителя частоты, усилитель, подсоединенный к секциям токового электрода, введены фазорасщепитель и измеритель разности фаз. При этом усилитель подсоединен к первому входу измерителя разности фаз, второй и третий входы которого подсоединены соответственно к выходу делителя частоты и к выходу генератора. Количество секций в токовом электроде равно двум и они перекрывают все секции потенциального электрода, над которым электрическое поле изменяется от 0 до 360 градусов электрических и количество которых равно количеству выходов фазорасщепителя, подсоединенного к ним, зазор между секциями потенциального и секциями токового электродов равен минимально допустимой величине.
В результате введения дополнительных устройств - фазорасщепителя, измерителя разности фаз и дополнительных связей между имеющимися и вновь введенными устройствами, обеспечивается реализация фазового метода, т.е. когда разность фаз между опорньм импульсным сигналом и измеряемым импульсньм сигналом линейно изменяется от 0 до 360 градусов электрических при изменении углового положения от О до 360 градусов угловых или при изменении линейного положения от 0 до любой выбранной конечной длины. Каждому электрическому градусу будет соответствовать свое значение углового или линейного положения. При этом предлагаемый измеритель перемещения также измеряет величину и направление перемещения.
Работа дифференциального емкостного измерителя перемещения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема одного из вариантов дифференциального емкостного измерителя перемещений, в частности углового перемещения, с потенциальным электродом, который содержит восемь секций, с токовым электродом, содержащим две секции. Количество секций потенциального электрода может меняться от 3 до N, количеств секций токового электрода может быть только N=2.
На фиг.2 отдельно показаны потенциальный и токовый электроды измерителя линейного перемещения. При этом потенциальный электрод содержит шестнадцать секций, а токовый две секции.
Зазор между секциями потенциального и зазор между секциями токового электродов равен минимально допустимой величине.
На фиг.3 показана временная диаграмма выходных сигналов с фазорасщепителя для N=8, где N - количество выходов с фазорасщепителя 5.
Δφ
На фиг.4 показана временная диаграмма выходных сигналов с формирователя импульсов сдвига фаз U 10 и электронного ключа Uэк 12.
Дифференциальный емкостной измеритель перемещений содержит потенциальный электрод 1, токовый электрод 2, образующие два дифференциальных конденсатора, генератор 3, делитель частоты 4, фазорасщепитель 5, усилитель 6, измеритель разности фаз 7. Предложенный вариант измерителя разности фаз содержит фильтр 8, формирователь импульсов 9, формирователь импульсов сдвига фаз 10, электронный ключ 11, счетчик импульсов 12.
Дифференциальный емкостной измеритель перемещения работает следующим образом.
К секциям потенциального электрода 1 прикладываются одинаковые по амплитуде, частоте, форме, но различающиеся по фазе сигналы (фиг.3). Эти сигналы организованы генератором 3, делителем частоты 4 и фазорасщепителем 5. На фиг.3 показаны возбуждающие сигналы для восьми секций потенциального электрода. Для измерителя углового положения количество секций потенциального электрода 1 и количество выходов с вазорасщепителя 5 одинаково. Для измерения линейного перемещения количество секций потенциального электрода в два раза больше, чем количество выходов с фазорасщепителя 5. При этом возбуждающие сигналы с последнего возбуждают параллельно все секции потенциального электрода, как показано на фиг.3. Итак, в варианте (см. фиг.1, фиг.2) фазорасщепитель 5 вырабатывает сигналы с фазой 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°. Над секциями потенциального электрода создается электрическое периодическое поле, изменяющееся о 0 до 360 градусов электрических, которое передается на две секции токового электрода. Каждая из двух секций токового электрода перекрывает либо целое число секций и равное их половине N/2, либо целое число секций N/2-1 плюс две оконечные секции, перекрытые не полностью. В результате появляется методическая погрешность, обусловленная дискретностью. При увеличении количества секций потенциального электрода 1 и выходных сигналов с фазорасщепителя 5 вышеупомянутая погрешность уменьшается.
Вследствие непараллельности и экцентриситета поверхностей потенциального и токового электрода имеет место однопериодная инструментальная погрешность, которая значительно снижается за счет наличия двух секций в токовом электроде и дифференциального их подключения к усилителю 6. Итак, сигнал с усилителя 6, проходя на первый вход измерителя разности фаз 7 через фильтр 8, выделяющий первую гармонику, формирователь импульсов 9, формируется как сигнал Ux, имеющий фазовый сдвиг по отношению к Uo, сформированного делителем частоты 4 и прошедшего на второй вход измерителя разности фаз 7. Оба сигнала Ux и Uo подаются на первый, второй входы формирователя импульсов сдвига фаз 10, на выходе которого формируется
импульсный сигнал, длительность которого пропорциональна величине фазового сдвига между Ux и Uo, а следовательно и величине угла поворота или величине линейного перемещения подвижной части измерителя относительно неподвижной. Импульсный сигнал с формирователя импульсов сдвига фаз, 10, поступающий на первый вход электронного ключа 11, открывает для прохождения через второй его вход импульсов тактовой частоты с генератора 3, на вход счетчика импульсов 12, который является также третьим входом измерителя разности фаз 7.
Δφ
Таким образом, в счетчике импульсов регистрируется количество импульсов тактовой частоты, пропорциональное величине фазового сдвига между Ux и Uo. Временная диаграмма выходных сигналов с формирователя импульсов сдвига фаз U и электронного ключа Uэк для величины фазового сдвига Δφ между Ux и Uo представлена на фиг.4.
Предлагаемый дифференциальный емкостной измеритель перемещений имеет расширенные функциональные возможности, т.к. обеспечивает абсолютное измерение положения подвижной части измерителя относительно неподвижной.
Источники информации:
1. Емкостной датчик перемещений, авторское свидетельство №1696846 G 01 B 7/00.
2. Дифференциальный емкостной измеритель перемещений, авторское свидетельство №1813198 G 01 B 7/00.