Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты)
CAPACITANCE TRANSDUCER FOR DETERMINING COORDINATES OF GEOMETRIC CENTER OF TWO-DIMENSIONAL REGION (VARIANTS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к измерительным устройствам с использованием емкостных средств. Электроемкостный преобразователь предназначен для определения геометрического центра двумерной области разных тел, например, плоской пластины произвольной формы выполненной из однородного диэлектрического материала. Для электропроводящих тел электроемкостный преобразователь способен определить геометрический центр двумерной области соприкосновения тела с измерительной поверхностью преобразователя. Основная область использования изобретения - измерительная техника. Дополнительно, электроемкостный преобразователь может найти применение во множестве других областей в составе устройств, где есть необходимость в определении геометрического центра двумерной области, в соответствии с назначениями вариантов электроемкостного преобразователя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно телевизионное устройство для определения центра тяжести однородного тела изображений плоских фигур на основе телевизионного изображения. [Авторское свидетельство СССР 426144].
Известно устройство для измерения геометрического центра объекта. [Авторское свидетельство СССР SU - 1380590. 20.12.1985 г.]. Это устройство относится к телевизионным следящим системам.
Известно устройство для измерения геометрического центра изображения. [Патент РФ SU 1495829 23.07.1989 г.] Изобретение относится к системам обработки изображений.
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 компонент в схеме устройств.
Известно устройство [Авторское свидетельство СССР N 427635] 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 компонент, 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. При этом геометрические фигуры электродов первой измерительной части имеют суммарную площадь, равную суммарной площади геометрических фигур второй измерительной части, причем диэлектрическая пластина расположена с постоянными зазорами между обращенными друг к другу поверхностями общего электрода. В описании электроемкостного преобразователя для измерения уровня» по патенту РФ RU 2087873 С1 приведен вариант, в котором электроемкостный преобразователь используется для определения уровня электропроводящих жидкостей. Этот вариант преобразователя дополнительно содержит изолирующую диэлектрическую пластину. [Патент РФ RU 2087873 С1 20.08.1997]
Анализ конструкции электроемкостного преобразователя для измерения уровня показал, что его можно использовать по другому назначению - в преобразователе для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала.
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. Описанная зависимость выходного сигнала измеряемого параметра от величин емкостей электродов широко известна в измерительной технике и используются для нахождения величины перемещения проводящей пластины или мембраны расположенной между двумя электродами в дифференциальных датчиках перемещения или датчиках для измерения другой физической величины, например, в емкостных датчиках разности давлений. Техническим результатом изобретения электроемкостного преобразователя для измерения уровня являлось обеспечение возможности применения совместно с преобразователем уровня электронных модулей, разработанных для дифференциальных датчиков. Датчики, в которых для определения измеряемого параметра выполняют вычисление измеряемой величины на основе описанной зависимости, имеют ряд положительных свойств. Прежде всего, это высокая чувствительность и помехоустойчивость присущие дифференциальным схемам, высокая температурная стабильность и независимость показаний от величины диэлектрической проницаемости измеряемой среды. Эти положительные свойства перешли к преобразователю для измерения уровня.
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.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В состав изобретения входит группа электроемкостных преобразователей для определения геометрического центра двумерной области, основанных на единых физических принципах. Все электроемкостные преобразователи группы объединены общей частью назначения - определение геометрического центра двумерной области. В вариантах электроемкостного преобразователя, предназначенных для разных условий применения, общая часть назначения дополнена и конкретизирована. Технический результат заключается в реализации назначения, а также в повышении точности, быстродействия и снижении стоимости преобразователей. Технический результат рассмотрен для каждого изобретения группы в отдельности.
Описание изобретения построено по принципу постепенного развития и увеличения структурной сложности электроемкостных преобразователей, включает в себя основные варианты (разновидности) электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области, которые приведены в формуле изобретения в виде независимых пунктов и их варианты, в виде зависимых пунктов. В дальнейшем по тексту описания, для выделения основных вариантов использован термин «разновидность», который является синонимом термина «вариант». Разновидности и варианты выделены в описании отдельной серией номеров, независимой от номеров пунктов в формуле изобретения.
1. Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси
Электроемкостный преобразователь соответствует п. 2 формулы изобретения.
Назначение электроемкостного преобразователя заключается в определении координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси имеет множество вариантов, связанных с особенностями применения. Для вариантов электроемкостного преобразователя можно выделить признаки формулы изобретения, которые являются общими. Эти признаки связаны с общим назначением электроемкостного преобразователя - определение координаты геометрического центра двумерной области и относятся к существенным признакам для всех вариантов. В формулах вариантов введены дополнительные признаки к независимому пункту формулы, необходимые для реализации особенностей назначения в разных условиях применения, а также признаки, необходимые для улучшения свойств электроемкостного преобразователя.
Электроемкостный преобразователь характеризуется следующим признакам изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и множество измерительных электродов. Причем измерительные электроды множества расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области и образуют первую и вторую измерительные части. 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 электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды первой измерительной части электрически соединены между собой и подключены к выводу первой измерительной части, измерительные электроды второй измерительной части электрически соединены между собой и подключены к выводу второй измерительной части, дополнительный вывод электроемкостного преобразователя подключен к общему электроду. Величина координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси выражена в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя, при этом величина координаты связана с системой величин электрических емкостей зависимостью (15).
Форма, размеры и расположение измерительных электродов определены в системе координат множества электродов.
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 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».
В электроемкостном преобразователе для размещения измерительных электродов использована диэлектрическая пластина. Пластина по всей поверхности имеет практически одинаковую толщину и может состоять из нескольких слоев. Пластина, обычно, имеет плоскую поверхность. В тоже время наличие плоской поверхности не является обязательным. Из области техники широко известны пластины, выполненные из гибкого пластика или из резины, поверхности которых можно придать форму цилиндра. Известны телевизоры с экранами в виде пластины, изогнутой в виде части цилиндра. Диэлектрическая пластина с такой поверхностью может использоваться в электроемкостном преобразователе для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел, в котором двумерная область образуется в области соприкосновения за счет деформации электропроводящего тела. При этом двумерная область соприкосновения принимает форму поверхности пластины. Для упрощения изложения сущности изобретения в вариантах электроемкостных преобразователей использована диэлектрическая пластина с плоской поверхностью. Особенности использования пластины с цилиндрической поверхностью приведены в описании варианта электроемкостного преобразователя под номером 1.10.
В электроемкостном преобразователе для определения координаты геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала плоская поверхность тела, примыкающая к измерительной поверхности диэлектрической пластины, является двумерной областью. В электроемкостных преобразователях для определения координат геометрического центра электропроводящих тел или для электропроводящих и диэлектрических тел область соприкосновения, полученная в результате деформации тела в месте соприкосновения с измерительной поверхностью пластины, также представляет собой двумерную область. Поэтому использование термина «двумерная область» для обозначения данных областей в названии электроемкостного преобразователя является обоснованным. Второе название двумерной области - «двухмерная область». Термины «двухмерный» и «двумерный» являются синонимами.
В данном изобретении 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 X. Оси X и Y системы координат расположены на поверхности диэлектрической пластины или поверхности ее слоя.
а
2
Для множества измерительных электродов электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области имеется 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 электродов. Эта система координат обозначена как «локальная система координат множества» измерительных электродов. В локальной системе координат коэффициент  в формуле (15) равен нулю.
Приведенная в формуле изобретения система измерительных электродов позволяет использовать множество вариантов конструкции измерительных электродов. Общим для всех вариантов конструкции измерительных электродов является то, что электроды для 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 электродов. Поэтому для доказательства реализации основного назначения для всех вариантов электроемкостного преобразователя достаточно рассмотрения математических зависимостей, основанных на условиях, приведенных в формуле изобретения, для одного варианта с конкретной конструкцией электродов.
Для доказательства реализации назначения использован вариант электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала. Выбор варианта сделан в связи с тем, что в формуле изобретения этого варианта используются признаки, по существу, эквивалентные признакам электроемкостного преобразователя для измерения уровня по патенту РФ RU 2087873 С1, который в данном изобретении используется по другому назначению, с той целью, чтобы показать преемственность изобретений.
1.1 Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала
Формула изобретения по этому варианту включает в себя признаки, приведенные в независимом пункте 2 и в зависимых пунктах 4 и 7 формулы изобретения. Дополнительно, признаки этого варианта приведены в независимом пункте 1 формулы изобретения. Преобразователь показан на фиг. 1. На фиг. 2 дополнительно показано плоское диэлектрическое тело для пояснения принципа действия.
Назначение электроемкостного преобразователя - определение координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала.
Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала, содержащий диэлектрическую пластину 102, общий электрод 106 и множество измерительных электродов 103. Причем измерительные электроды множества расположены на одной поверхности диэлектрической пластины в границе измерительной области 109 и образуют первую 104 и вторую 105 измерительные части. 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 электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Диэлектрическая пластина расположена с постоянными промежутками между обращенными друг к другу поверхностями общего электрода 106. Геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части имеют суммарную площадь равную суммарной площади геометрических фигур измерительных электродов второй измерительной части. Измерительные электроды 104 первой измерительной части электрически соединены между собой и подключены к выводу 113 первой измерительной части, измерительные электроды 105 второй измерительной части электрически соединены между собой и подключены к выводу 114 второй измерительной части. Дополнительный вывод 115 электроемкостного преобразователя подключен к общему электроду 106.
Диэлектрическая пластина выполнена с плоской поверхностью. Величина координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси связана с системой величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя зависимостью (19). Форма, размеры и расположение измерительных электродов определены в системе координат 118 множества электродов.
Принцип действия электроемкостного преобразователя следующий.
Как показано на фиг. 2, плоское тело 128 произвольной формы из однородного диэлектрического материала, для которого необходимо определить координату геометрического центра части двумерной области тела, помещают на поверхность измерительной области 109 диэлектрической пластины с измерительными электродами с учетом покрытия телом части электродов первой и второй измерительных частей. В связи с тем, что диэлектрическая пластина расположена между обращенными друг на друга поверхностями общего электрода 106, с постоянными промежутками относительно диэлектрической пластины 102, поверхности общего электрода и поверхности измерительных электродов можно рассматривать как обкладки конденсатора, имеющего постоянные промежутки между поверхностями обкладок. Электрическая емкость электродов 104 первой измерительной части может быть рассчитана как сумма двух составляющих. Первая составляющая образована емкостью конденсатора, обкладками которого являются измерительные электроды 104 первой измерительной части и поверхности общего электрода 106. Эта составляющая является «пассивной» составляющей электрической емкости электродов. Емкость соответствует емкости электродов первой измерительной части в отсутствие диэлектрического тела. Вторая составляющая емкости связана с наличием диэлектрического тела 128 в промежутке 111 между частью 108 общего электрода и диэлектрической пластиной 102 с электродами, на участке, в области пересечения двумерной области тела 129 с измерительной областью 109. Вторая составляющая емкости обозначена как «избыточная емкость». При этом полная емкость электродов 104 первой измерительной части равна
Где:
1
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части;
01
С - величина суммы электрических емкостей электродов первой измерительной части в отсутствии тела, для которого производится определение координаты геометрического центра;
1
S - площадь электродов первой измерительной части, в области пересечения двумерной области тела с измерительной областью;
1
К - коэффициент пропорциональности между площадью электродов и избыточной электрической емкостью.
1
Для варианта преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала коэффициент К равен
Где:
0
ε - диэлектрическая постоянная;
1
d - ширина воздушного зазора между общим электродом и поверхностью плоского тела;
2
d - толщина плоского тела;
ПТ
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала плоского тела;
В
ε - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.
Аналогичную зависимость можно записать для емкости электродов 105 второй измерительной части
Где:
2
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части;
02
С - величина суммы электрических емкостей электродов второй измерительной части в отсутствии тела, для которого производится определение координаты геометрического центра;
2
S - площадь измерительных электродов второй измерительной части, в области пересечения двумерной области тела с измерительной областью;
Суммарная величина площади электродов первой измерительной части, ограниченная сверху и снизу двумя параллельными направлению оси абсцисс X отрезками линий 150 и 151, равна
Где:
1
S' - площадь ограниченной области электродов первой измерительной части;
- длина трапеций электродов;
- суммарная ширина больших оснований трапеций электродов первой измерительной части;
- суммарная ширина малых оснований трапеций электродов первой измерительной части;
2
1
Δу=y-y.
Координата у определена как координата центра ограниченной области по оси Y, относительно начала системы координат по оси Y. Начало системы координат совпадает с положением нижних оснований трапеций электродов по оси Y, как показано на фиг. 2
Величина площади электродов второй измерительной части, ограниченная сверху и снизу теми же отрезками линий, равна
Где:
2
S' - площадь ограниченной области электродов второй измерительной части;
_
суммарная ширина больших оснований трапеций электродов второй измерительной части;
- суммарная ширина малых оснований трапеций 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 электродов первой и второй измерительных частей
В связи с тем, что суммарная фигура, составленная из ограниченных площадей электродов первой и второй измерительных частей, имеет постоянную ширину вдоль оси X в функции расстояния вдоль оси Y и ограничена сверху и снизу по оси Y параллельными оси X отрезками линий 150 и 151, центр этой фигуры по оси Y совпадает с геометрическим центром ограниченной области.
Следовательно, для геометрического центра ограниченной области можно записать выражение
Где:
Отрезки линий 150 и 151 являются отрезками кусочно-постоянной аппроксимации верхней и нижней границы 129 двумерной области тела 128. Анализ показывает, что такая аппроксимация, вследствие неточного совпадения с верхним и нижним участками границы двумерного тела, является источником погрешности в определении координаты геометрического центра. Погрешность аппроксимации зависит от суммарной ширины системы электродов и стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины по отношению к высоте электродов. При этом верхний и нижний участки границы двумерного тела приближаются к отрезкам кусочно-постоянной аппроксимации. В связи с чем, для системы электродов с относительно небольшой суммарной шириной, можно пренебречь погрешностью аппроксимации и записать следующие равенства
С учетом выражений (1), (3) и (12) площади электродов можно выразить в следующем виде
1
2
Подставляя S' и S' в выражение (9) получаем формулу для вычисления координаты геометрического центра по одной оси двумерной области в области пересечения измерительной области и двумерной области тела
Где:
1
G - величина координаты геометрического центра двумерной области тела по оси ординат в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
a
1
- коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя по оси ординат, зависящий от конструкции измерительных электродов;
а
2
- коэффициент, определяющий расположение начала системы координат по оси ординат относительно измерительных электродов.
Для варианта преобразователя, в котором суммарные площади электродов первой и второй измерительной частей равны между собой, коэффициенты имеют следующие значения
02
01
В связи с равенством площадей электродов первой и второй измерительных частей разность электрических емкостей C-C равна нулю. Поэтому выражение (15) можно записать в виде
или
Выражение (19) совпадает с зависимостью, которая использована для вычисления измеряемой величины для электроемкостного преобразователя для измерения уровня по патенту РФ RU 2087873 С1.
а
а
2
2
Коэффициент , определяющий начало координаты геометрического центра относительно электродов по оси ординат Y, в выражениях (4) и (6) задан относительно расположения оси абсцисс X системы координат 118 множества измерительных электродов, проходящей через линии нижних оснований трапеций (см. фиг. 2). Выражения, аналогичные (4) и (6), могут быть записаны с началом системы координат по оси Y относительно верхних оснований трапеций или с заданным смещение 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 .
а
2
На практике удобно принять коэффициент  равным нулю. В этом случае ось абсцисс X проходит через сечение электродов, в котором суммарная ширина электродов первой измерительной части равна суммарной ширине электродов второй измерительной части. Эта система координат обозначена как «локальная система координат» множества электродов.
При выводе формулы (15) для вычисления координаты геометрического центра части двумерной области использована кусочно-постоянная аппроксимация верхней и нижней границы двумерной области. Для электроемкостного преобразователя для определений координаты геометрического центра части двумерной области, погрешность такой аппроксимации уменьшается в случае относительного уменьшения ширины измерительной области с измерительными электродами. Относительное уменьшение ширины измерительной области не противоречит назначению электроемкостного преобразователя, т.к. реализация назначения определена для измерения координаты геометрического центра для части двумерной области, которая образована в области пересечения двумерной области 129 с измерительной областью 109. При этом измерительная область 109 может быть относительно небольшой ширины.
В случае отсутствия тела знаменатель дроби в формуле (15) приближается к нулю. В результате величина координаты геометрического центра может принимать ложное значение. Для исключения такой ситуации перед вычислением необходимо осуществлять проверку наличия тела. Проверка наличия тела может быть выполнена по условию превышения заданного порога суммы избыточных емкостей измерительных электродов.
Таким образом, реализация назначения для электроемкостного преобразователя, заключающегося в определении координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала считается доказанной.
Признаки описанного варианта по существу совпадают с признакам формулы изобретения по патенту РФ RU 2087873 С1. В связи с чем, возможность использования электроемкостного преобразователя для измерения уровня по другому назначению считается доказанным.
При выводе математических зависимостей в варианте изобретения использованы одни и те же существенные признаки, что и в независимом пункте 2 формулы изобретения. Как показано в описании вариантов 1.4-1.10 электроемкостного преобразователя, использование в формуле дополнительных признаков изобретения, связанных с конструкцией диэлектрической пластины и общего электрода, не изменяет конечные математические выражения (15), (28) и (29) для вычисления геометрического центра двумерной области. Поэтому введение дополнительных признаков, связанных с конструкцией диэлектрической пластины и общего электрода не меняет основное назначение вариантов преобразователя.
Таким образом, реализация назначения электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси считается доказанной.
1.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси с выходным сигналом пропорциональным координате геометрического центра двумерной области в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 3 и п. 21 формулы изобретения. Вариант показан на фиг. 3.
С целью получения выходного сигнала в виде цифрового кода электроемкостный преобразователь дополнительно снабжен микроконтроллером 120, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь «электрическая емкость -цифровой код» 121, блок памяти 123 и процессор 124, причем выводы измерительных частей и электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, вывод общего электрода подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан со входом процессора, сигналы 125 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя поступают на вход процессора, процессор реализует функцию вычисления величины координаты геометрического центра по одной оси в соответствии с формулой (15), а также формирует выходной сигнал 126, выраженный в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.
1.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области с электродами измерительных частей имеющими равные суммарные площади
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 4 формулы изобретения. Вариант электроемкостного преобразователя характеризуется тем, что геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части множества имеют суммарную площадь равную суммарной площади геометрических фигур второй измерительной части.
02
01
1
2
В связи с равенством суммарных емкостей, разность величин пассивных составляющих емкостей электродов измерительных частей C-C в числителе формулы (15) практически равна нулю. В связи с чем, уменьшаются погрешности определения геометрического центра двумерной области, т.к. числитель в этом случае не зависит от изменения диэлектрической проницаемости диэлектрической пластины с электродами, например, в результате изменения температуры. Дополнительно, в связи с равенством суммарных площадей электродов, электромагнитная помеха одинаково воздействует на измерительные электроды измерительных частей. При этом, в результате вычитания емкостей электродов C и С в формуле (15) аддитивная составляющая сигнала помехи компенсируется. В результате улучшается помехоустойчивость преобразователя. Для вычисления координаты геометрического центра двумерной области по одной оси в этом варианте дополнительно могут быть использованы выражения (18) или (19).
Вариант предлагается в качестве оптимального варианта для всех электроемкостных преобразователей в группе изобретений. В тоже время, использование этого варианта не обязательно для реализации назначения электроемкостного преобразователя.
В связи с особенностями применения, для разновидностей электроемкостного преобразователя входящих в группу изобретений существует несколько вариантов исполнения электроемкостного преобразователя, отличающихся конструкцией диэлектрической пластины и общего электрода. Эти варианты могут быть использованы совместно с вариантами системы измерительных электродов в разных комбинациях. Чтобы не повторять описание вариантов конструкции диэлектрической пластины и общего электрода для каждой новой разновидности электроемкостных преобразователей входящих в группу изобретений в дальнейшем будут приведены только особенности конструкции измерительных электродов, их расположение на диэлектрической пластине, а также схемы соединений и подключений, со ссылкой на группу описанных ниже вариантов.
1.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 5, 14, 29, 43 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 4. На фиг. 5 дополнительно показано электропроводящее тело и схема соединений общего электрода для пояснения принципа действия.
В этом варианте электроемкостный преобразователь для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области содержит изолирующую диэлектрическую пластину 130, расположенную на поверхности стороны диэлектрической пластины 102 с измерительными электродами 103. Общий электрод 106 расположен со стороны диэлектрической пластины, которая противоположна стороне с измерительными электродами.
Конструкция общего электрода имеет множество вариантов. В каждом из вариантов общий электрод должен обеспечивать реализацию функции экранирования измерительных электродов со стороны диэлектрической пластины, которая противоположна стороне с электродами, а также обеспечивать электрическое соединение или емкостную связь с электропроводящим телом 131.
В данном случае, в сравнении с электроемкостным преобразователем для определения координат(ы) геометрического центра плоских тел из однородного диэлектрического материала, общий электрод выполнен в виде одной части, в качестве второй части общего электрода используется электропроводящее тело, для которого определяют координаты геометрического центра двумерной области. В этом варианте преобразователя имеется возможность осуществлять прикосновение к поверхности измерительной области 109 диэлектрической пластины тела из электропроводящего материала, имеющего поверхность для соприкосновения, например, в виде плоского среза или поверхность, образованную в результате деформации электропроводящего тела при его прикосновении к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя. Изолирующая диэлектрическая пластина выполнена из твердого диэлектрического материала или диэлектрического материала допускающего упругую деформацию по толщине в отдельных областях пластины.
Принцип действия электроемкостного преобразователя заключается в следующем.
1
Для определения геометрического центра двумерной области выполняют прикосновение к поверхности измерительной области диэлектрической пластины электропроводящего тела 131. В этом случае в области пересечения двумерной области соприкосновения электропроводящего тела и измерительной области увеличиваются емкости конденсаторов, обкладки которых образованны измерительными электродами измерительных частей и общим электродом, в качестве которого выступает электропроводящее тело. Для емкостей электродов измерительных частей справедливы выражения (1) и (3). Значение коэффициента К при этом равно
Где:
0
ε- диэлектрическая постоянная;
3
d - толщина изолирующей измерительные электроды диэлектрической пластины в области соприкосновения;
3
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала изолирующей измерительные электроды пластины.
1
Т.к. коэффициент К в формулах (15), (28) и (29) для вычисления координат(ы) геометрического центра тела двумерной области сокращается, характер зависимости (20) не влияет на реализацию назначения преобразователя.
В остальном, описание принципа действия преобразователя аналогично рассмотренному принципу действия варианта электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала, обозначенного номером 1.1.
1.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области для электропроводящих и диэлектрических тел
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 6, 15, 30, 44 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 6. На фиг. 7 дополнительно показано твердое тело из диэлектрического материала и схема соединений общего электрода для пояснения принципа действия.
В этом варианте электроемкостный преобразователь дополнительно содержит деформируемую диэлектрическую пластину 135, которая выполнена с возможностью упругой деформации по толщине в отдельных областях пластины. Деформируемая диэлектрическая пластина расположена поверх электродов измерительной области 109. На наружной стороне пластины нанесен тонкий растягивающийся электрод 137, который подключен к общему электроду 106.
Принцип действия электроемкостного преобразователя заключатся в следующем.
К измерительной области диэлектрической пластины прикасаются телом 138 из диэлектрического или электропроводящего материала, которое под собственным весом или под действием внешней силы F деформирует деформируемую пластину 135 до заданной глубины. В этом случае, с уменьшением толщины диэлектрического слоя в области пересечения двумерной области соприкосновения тела и измерительной области увеличиваются емкости конденсаторов, обкладки которых образованны измерительными электродами измерительных частей и тонким растягивающимся электродом 137. При этом для величин емкостей электродов измерительных частей справедливы выражения (1) и (3). Коэффициент К1 в этом случае равен
Где:
4
d - толщина деформируемой диэлектрической пластины в рамках области соприкосновения под действием внешней силы на тело;
ДП
ε - относительная диэлектрическая проницаемость деформируемой пластины;
5
d - толщина деформируемой диэлектрической пластины в отсутствие воздействия тела на пластину.
В остальном, описание принципа действия преобразователя аналогично рассмотренному принципу действия варианта электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала, обозначенного номером 1.1
1
Т.к. коэффициент К в формулах (15), (28) и (29) для вычисления координат(ы) геометрического центра тела двумерной области сокращается, характер зависимости (21) не влияет на реализацию основного назначения преобразователя.
Положительное свойство варианта заключается в возможности определения геометрического центра двумерной области, как для диэлектрических тел, так и для электропроводящих тел.
1.6 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 7, 16, 31, 45 формулы изобретения. Особенности варианта преобразователя показаны на фиг. 8.
Вариант характеризуется тем, что, с целью определения координат(ы) геометрического центра двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала, диэлектрическая пластина 102 расположена с постоянными промежутками между обращенными друг к другу поверхностями общего электрода. В этом варианте общий электрод 106 выполнен из двух частей 107 и 108, причем диэлектрическая пластина выполнена плоской.
Такая конструкция общего электрода позволяет располагать на поверхности диэлектрической пластины поверх измерительных электродов плоские диэлектрические тела, с формированием между измерительными электродами и общим электродом равномерного электрического поля и определять геометрический центр области пересечения двумерной области плоского тела с измерительной областью диэлектрической пластины.
Принцип действия варианта 1.6 приведен в описании варианта электроемкостного преобразователя под номером 1.1.
1.7 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области с изоляцией электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 8, 17, 32, 46 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 9.
Вариант предназначен для тех областей применения, где требуется изоляция измерительных электродов, например, от прямого прикосновения с электропроводящими телами или защиты электродов от механических повреждений.
Вариант характеризуется тем, что электроемкостный преобразователь 101 содержит изолирующую пластину 130 из диэлектрического материала, расположенную на поверхности стороны диэлектрической пластины 102 с измерительными электродами 103. Изолирующая диэлектрическая пластина 130 выполнена из твердого диэлектрического материала или диэлектрического материала допускающего упругую деформацию по толщине в отдельных областях пластины.
При наличии изолирующей пластины в вариантах электроемкостного преобразователя с номерами 1.1 и 1.6 коэффициент К1 равен
Где:
3
d - толщина изолирующей диэлектрической пластины в области соприкосновения с телом;
ИП
ε - относительная диэлектрическая проницаемость изолирующей пластины.
1
Т.к. коэффициент К в формулах (15), (28) и (29) для вычисления координат(ы) геометрического центра двумерной области сокращается, введение диэлектрической изолирующей пластины практически не влияет на реализацию основного назначения электроемкостного преобразователя.
Положительное свойство варианта заключается в изоляции электродов от прямого соприкосновения с электропроводящими телами и защите от механических повреждений электродов. Другое положительное свойство - снижение погрешности дискретизации. Если толщину изолирующей диэлектрической пластины выбрать в несколько раз больше ширины электродов, то электрическое поле от границы тела на уровне слоя диэлектрической пластины с электродами распределяется на большую площадь. При этом проекция границы тела на измерительные электроды будет менее четкой и охватывает в направлении ширины электродов большее количество электродов. В результате среднее значение границы определяется преобразователем более точно.
1.8 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области с расположением электродов на одной или нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 9, 18, 33, 47 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 10.
В электроемкостных преобразователях группы изобретений используются измерительные электроды из электропроводящего материала, толщина которых много меньше размеров электродов, например, печатные электроды. Измерительные электроды расположены на поверхности диэлектрической платины или на поверхности слоя диэлектрической пластины.
С использованием варианта с расположением измерительных электродов на нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины, диэлектрическая пластина с измерительными электродами выполнена многослойной, при этом измерительные электроды 142 и 143 измерительных частей расположены на нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины. На фиг. 10 показано размещение электродов на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины. Дополнительный слой с электродами обозначен цифрой 141. Конструктивно измерительные электроды могут быть нанесены с помощью фотолитографии на один слой диэлектрической пластины с разных сторон слоя, например, на слой 141 или с одной стороны отдельных слоев 140 и 141, которые наложены друг на друга и соединены между собой. При этом измерительные электроды, расположенные на разных поверхностях слоев пластины, изолированы друг от друга.
Вариант с расположением электродов на нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины может найти применения в случае необходимости пересечения измерительных электродов или их выводов на диэлектрической пластине. Например, такая конструкция диэлектрической пластины может использоваться в электроемкостном преобразователе с расположением измерительных областей с электродами в виде строк и столбцов.
1.9 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области с диэлектрической пластиной и электродами, выполненными из практически прозрачного материала
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 10, 19, 34, 48 формулы изобретения.
Вариант отличается тем, что диэлектрическая пластина и электроды выполнены из практически прозрачного материала. В этом варианте диэлектрическая пластина, например, может быть изготовлена из стекла, а электроды из оксида индия-олова.
1.10 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области с диэлектрической пластиной имеющей плоскую или цилиндрическую поверхность
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 11, 20, 35, 49 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что диэлектрическая пластина имеет плоскую поверхность или поверхность в форме поверхности цилиндра или ее части.
Вариант с цилиндрической поверхностью может найти применение для определения координат(ы) 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 цилиндрической поверхности диэлектрической пластины. При этом, для расположения электродов может быть выбрана как вогнутая, так и выпуклая поверхность цилиндра. На практике целесообразно использовать диэлектрическую пластину, которая выполнена в виде части полого цилиндра.
Диэлектрическая пластина с цилиндрической поверхностью может быть получена путем изгибания пластины с плоской поверхностью по поверхности пластины с электродами. Координатная сетка системы координат измерительной области пластины, оси которой связаны с поверхностью диэлектрической пластины, при таком изгибании поверхности не деформируется. Поэтому с изгибом поверхности пластины 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.
1
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 пластины 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 К для варианта электроемкостного преобразователя для электропроводящих тел имеет вид
Где:
0
ε - диэлектрическая постоянная;
3
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала изолирующей измерительные электроды пластины;
3
d - толщина изолирующей измерительные электроды диэлектрической пластины;
1
R - радиус цилиндрической поверхности, на которой расположены измерительные электроды диэлектрической пластины.
В конечных формулах (15), (28) и (29) для вычисления координат(ы) геометрического центра двумерной области этот коэффициент сокращается, поэтому выполнение диэлектрической пластины с цилиндрической поверхностью не влияет на реализацию целевой функции электроемкостного преобразователя, в соответствующей области применения.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси имеет следующие положительные свойства.
Электроемкостный преобразователь позволяет находить геометрический центр части двумерной области «аппаратным» способом, на основе данных по суммам емкостей электродов каждой из измерительных частей, в результате чего исключается алгоритмический анализ формы области пересечения измерительной области с двумерной областью тела, что сокращает ресурсоемкие вычисления для определения геометрического центра в микроконтроллере электроемкостного преобразователя, в сравнении с вариантами, где геометрический центр вычисляется на основе анализа расположения множества точек двумерной области. Это существенно увеличивает быстродействие преобразователя и снижает его электропотребление.
Электроемкостный преобразователь имеет высокую чувствительность и помехозащищенность. Высокая помехозащищенность связана со следующим. Сигнал помехи, который действует одновременно на все измерительные электроды преобразователя и выражается в виде аддитивной составляющей в сигналах величин электрических емкостей измерительных электродов, компенсируется в выходном сигнале за счет вычитания величин емкостей электродов в соответствии с формулой (15). Сигнал помехи, который выражается в виде мультипликативной составляющей в сигналах электрических емкостей, компенсируется в выходном сигнале за счет того, что числитель и знаменатель в формуле (15) в результате помехи изменяются в одной и той же пропорции. В результате нахождения отношения электрических емкостей, сигнал помехи компенсируется. Выполнение электродов с условием равенства суммарных площадей электродов первой и второй измерительной частей, повышает симметрию системы и способствует более полной компенсации помехи.
Высокая чувствительность и помехозащищенность позволяет уменьшить величину энергии, подаваемой на электроды в процессе измерения емкостей, что позволяет снизить энергопотребление преобразователя.
Величина координаты геометрического центра двумерной области по одной оси, вычисленная по формуле (15), практически не зависит от толщины и диэлектрической проницаемости плоского диэлектрического тела в варианте для диэлектрических тел, не зависит от толщины и диэлектрической проницаемости изолирующей или деформируемой пластины. В результате, увеличивается температурная стабильность определения геометрического центра части двумерной области.
Величина координаты геометрического центра не чувствительна к увеличению масштаба двумерной области по оси ординат относительно геометрического центра области соприкосновения. Это свойство, в частности, позволяет правильно определять геометрический центр в области соприкосновения с электропроводящим телом с учетом его равномерной деформации при соприкосновении.
Признаки формулы изобретения допускают множество возможных вариантов конструкций электродов. В оптимальном варианте преобразователя измерительные электроды рекомендуется выполнить в форме трапеций, ориентированных во взаимно противоположных направлениях, как показано на фиг. 1. В такой структуре, измерительные электроды первой измерительной части дополняют измерительные электроды второй измерительной части до образования постоянной ширины, суммарная ширина электродов первой измерительной части изменяется линейно, поэтому конструкция электродов соответствует формуле изобретения. Измерительные электроды в форме трапеций используются в электроемкостном преобразователе для определения геометрического центра части двумерной области по одной оси и в других разновидностях преобразователей.
Трапеции могут быть выполнены с наклоном на заданный угол относительно оси ординат Y системы координат 144, как показано на фиг. 11. В случае наклона трапеций путем сдвига верхних оснований вдоль оси X абсцисс их суммарная ширина, определенная вдоль оси X абсцисс, и зависимость изменения суммарной ширины вдоль направления оси Y ординат для любой из измерительных частей 116 или 117 не изменяется. С таким наклоном трапеций не изменяется также площадь трапеций. Поэтому наклоненные электроды для цели определения координаты части двумерной области по одной оси эквивалентны не наклоненным. Это свойство электродов позволило в разновидностях и вариантах изобретения реализовать электроемкостный преобразователь для определения геометрического центра двумерной области по двум осям с использованием электродов, расположенных на одной поверхности слоя диэлектрической пластины. На фиг. 11 показана локальная система координат 144, в которой суммарная ширина электродов вдоль оси X первой измерительной части равна суммарной ширине электродов второй измерительной части.
Измерительные электроды измерительных частей, как показано на фиг. 12, могут быть вписаны в заданную измерительную область 119 на диэлектрической пластине путем их обрезки на границе области и удлинения путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области. При этом вписанные и удлиненные измерительные электроды в рамках заданной измерительной области соответствуют признакам изобретения. Обрезка и удлинение электродов не вносит изменения в признаки изобретения, не меняет систему координат множества электродов и величины коэффициентов в формуле (15), в связи с тем, что определение координаты геометрического центра ведется на основе избыточной емкости с использованием участков измерительных электродов только в области пересечения двумерной области с измерительной областью. Это свойство нашло применение в разновидностях и вариантах электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области.
Особенность электродов измерительных частей в том, что они дополняют друг друга до образования постоянной ширины, позволила, как показано в вариантах изобретения 3.3, 3.4 и 3.5, реализовать схемы подключения электродов с сокращением количества выводов измерительных электродов до трех. В результате чего упрощается схема соединений электродов.
Признаки изобретения допускают произвольную структуру электродов измерительных частей вдоль направления оси абсцисс. Например, измерительные электроды измерительных частей могут быть выполнены в виде множества однообразных групп электродов, каждая из которых соответствует признакам данного изобретения, и расположенных с заданными интервалами вдоль направления ширины по оси абсцисс. Такая структура электродов используется в преобразователях для определения геометрического центра двумерной области.
Необходимо отметить, что в формуле изобретения геометрическая форма отдельно взятых электродов не определена. Поэтому отдельно взятые измерительные электроды могут быть в виде фигур произвольной формы, например, с границами в виде кривой линии, или содержать части, расположенные в произвольных местах измерительной области. При этом важно, чтобы соблюдались условия для суммарных фигур из электродов для измерительных частей, приведенные в формуле изобретения. Данное свойство расширяет возможности при конструировании системы электродов.
2. Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси соответствует п. 12 формулы изобретения. Вариант преобразователя показан на фиг. 13.
Назначение электроемкостного преобразователя заключается в определении координаты геометрического центра двумерной области по одной оси.
Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь 201 для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси, содержащий диэлектрическую пластину 102, общий электрод и множество измерительных электродов, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области 209 форма, размеры и расположение которой заданы, образуют первую 204 и вторую 205 измерительные части и разделены на однообразные группы 202 измерительных электродов. При этом группы измерительных электродов расположены на диэлектрической пластине с заданными интервалами вдоль оси абсцисс системы координат 208 множества измерительных электродов. Каждая из групп содержит часть 203 соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп 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 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 206 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 первой измерительной части 204 соединены между собой и подключены к выводу 113 первой измерительной части, измерительные электроды второй измерительной части 205 электрически соединены между собой и подключены к выводу 114 второй измерительной части, дополнительный вывод 115 электроемкостного преобразователя подключен к общему электроду. Величина координаты геометрического центра двумерной области по одной оси выражена в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя, при этом величина координаты связана с системой величин электрических емкостей зависимостью (15).
а
а
1
2
Признак, определяющий выполнение электродов групп и их взаимное расположение, по существу, ограничивает конструкцию электродов в группах и их взаимное расположение в рамках одного образа, в соответствии с которым для разных групп соответствующие коэффициенты  и  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 совпадает. 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 электродов. В этом случае, для нахождения сумм и разностей суммарной ширины электродов измерительных частей, группы с неполным составом электродов в сечении использовать нельзя. В тоже время, неполную группу электродов можно дополнить обрезанными частями электродов до образования полной группы в сечении. Дополненные таким образом группы считаются полными группами и используются для характеристики электродов групп в данном признаке изобретения.
а
2
В рамках данного изобретения, в общем случае, для определения формы, размеров и расположения измерительных электродов, а также определения координаты геометрического центра двумерной области может использоваться система координат множества измерительных электродов, в которой начало системы координат по оси ординат относительно системы электродов задано произвольно. При этом существует выделенная система координат, в которой, в сечении осью абсцисс измерительных электродов групп суммарная ширина измерительных электродов первой измерительной части практически равна суммарной ширине измерительных электродов второй измерительной части. В такой системе координат коэффициент  в формуле (15) равен нулю. Для этой системы координат принято обозначение «локальная система координат множества измерительных электродов». Для данного электроемкостного преобразователя взамен «системы координат множества электродов» может использоваться «система координат измерительной области», на основании того, что измерительная область состоит из одного множества измерительных электродов.
На фиг. 13 показана граница 212 двумерной области 211 тела. Измерительные области групп 202 выделены штриховой линией. Параллельные оси абсцисс отрезки линий 213 и 214, и соответствующие отрезки для других групп, являются участками кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области 212, которые используется при выводе формулы (15) для вычисления геометрического центра части двумерной области. В данном случае отдельные участки соответствуют отдельным группам. При этом кусочно-постоянная аппроксимация границы двумерной области тела выполнена с использованием множества участков. За счет использования множества участков в электроемкостном преобразователе может обеспечиваться покрытие всей области 211 соприкосновения тела с измерительной областью 209, с обеспечением относительно низкой погрешности, связанной с кусочно-постоянной аппроксимацией.
Принцип действия электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси заключается в следующем.
В связи с тем, что каждая группа электродов множества выполнена в соответствии с признаками формулы изобретения электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра части двумерной области, на основе измерения емкостей первой и второй измерительных частей для каждой группы, имеется возможность определения координаты геометрического центра по одной оси в области пересечения измерительной области группы с двумерной областью тела. С учетом того, что системы электродов каждой из групп имеют одинаковую чувствительность и расположены на диэлектрической пластине в одной системе координат с заданными интервалами по оси абсцисс, для вычисления геометрического центра двумерной области по оси ординат Y можно использовать известное выражение
Где:
- координата геометрического центра двумерной области тела по оси ординат Y;
- координата геометрического центра области пересечения двумерной области 311 тела и измерительной области группы электродов с номером i, по оси ординат Y;
- площадь области пересечения двумерной области 311 и измерительной области группы электродов с номером i.
На основе выражения (24), с учетом выражений (9) и (12) для координаты геометрического центра двумерной области для отдельных групп электродов, имеем
С учетом выражений для емкостей электродов (1) и (3) получаем
Суммы емкостей электродов измерительных частей групп равны соответствующим суммам емкостей электродов измерительных частей измерительной области электроемкостного преобразователя. Поэтому справедливы следующие равенства
В результате подстановки этих сумм в выражение (26) получаем формулу для вычисления геометрического центра двумерной области, идентичную формуле (15). Идентичность формул является результатом того, что в данной разновидности электроемкостного преобразователя была произведена конкретизация внутренней структуры электродов по оси абсцисс, без изменения признаков исходной формулы изобретения.
Таким образом, реализация назначения для изобретения «электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси» считается доказанной.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси может быть выполнен в соответствии с вариантами 1.1-1.10. Варианты электроемкостного преобразователя данной разновидности, связанные с особенностями выполнения измерительных электродов, описаны ниже.
2.1 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси с выполнением электродов в форме трапеций
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 13 формулы изобретения. Конструкция измерительных электродов по варианту показана на фиг. 13. Вариант характеризуется следующими признаками.
Электроемкостный преобразователь 201 для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси отличающийся тем, что измерительные электроды первой 204 и второй 205 измерительных частей множества измерительных электродов выполнены в форме трапеций, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций расположены практически параллельно между собой. Измерительные электроды измерительных частей выполнены и расположены в границе измерительной области таким образом, что части геометрических фигур электродов, которые выступают за пределы измерительной области 209, обрезаны по границе измерительной области, геометрические фигуры электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы области, ось абсцисс локальной системы координат 208 множества измерительных электродов проходит через геометрический центр 210 измерительной области 209. Причем измерительные электроды расположены таким образом, что ось абсцисс локальной системы координат множества измерительных электродов, проходит через геометрический центр измерительной области.
В данном варианте конкретизирована форма измерительных электродов и расположение начала локальной системы координат. В случае расположения измерительных электродов с условием прохождения оси абсцисс локальной системы координат множества электродов через геометрический центр измерительной области, сумма площадей электродов первой измерительной части практически равна сумме площадей второй измерительной части. В связи с этим повышается температурная стабильность и помехоустойчивость электроемкостного преобразователя.
2.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси с применением масштабирования электродов по оси абсцисс
Возможен вариант электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области по одной оси, который характеризуется тем, что суммарная ширина электродов одной из измерительных частей в каждом сечении для всех групп пропорционально увеличена или уменьшена относительно размеров, рассчитанных в соответствии с формулой изобретения. В этом случае в той же пропорции увеличивается или уменьшается электрическая емкость и чувствительность электродов этой части. Поэтому, для того, чтобы заданные в формуле изобретения соотношения геометрических размеров электродов, а также соотношения при вычислении геометрического центра с помощью формулы (15) не были нарушены, перед вычислением геометрического центра, измеренную электрическую емкость электродов этой измерительной части необходимо уменьшить или увеличить соответственно, в той же пропорции, путем задания соответствующего масштабного коэффициента. Масштабирование величин электрических емкостей может быть реализовано в микроконтроллере электроемкостного преобразователя. Также, масштабирование в небольших пределах может использоваться для корректировки неточностей изготовления электродов, в процессе калибровки электроемкостного преобразователя.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси имеет следующие положительные свойства.
Электроемкостный преобразователь наследует все описанные положительные свойства электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра части двумерной области. В отличие от преобразователя для определения геометрического центра части двумерной области, в этом электроемкостном преобразователе обеспечивается покрытие всей двумерной области группами электродов в виде регулярной структуры. В результате чего, система измерительных электродов реализует вычисление геометрического центра по одной оси для всей двумерной области. За счет уменьшения ширины групп электродов и увеличения их количества, погрешность аппроксимации границы двумерной области тела может быть уменьшена до допустимого значения. Увеличение точности ограничено только качеством технологического процесса нанесения печатных электродов на поверхность диэлектрической пластины и не сопровождается увеличением количества выводов электроемкостного преобразователя. На фиг. 13 показано, что увеличение количества участков кусочно-постоянной аппроксимации, которые обозначены в виде отрезков линий 213 и 214, и соответствующих отрезков для других групп, позволяет более точно приблизить эти отрезки к границе 212 двумерной области 211.
В электроемкостном преобразователе для определения геометрического центра двумерной области по одной оси в формуле изобретения п. 12 можно исключить конструкционные признаки, относящиеся к системе измерительных электродов измерительной области и заменить эти признаки функциональным признаком, реализация которого была доказана.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси с использованием функционального признака соответствует п. 51 формулы изобретения. Вариант преобразователя показан на фиг. 13. Электроемкостный преобразователь с использованием функционального признака имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и множество измерительных электродов. Причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области, форма, размеры и расположение которой заданы, образуют первую и вторую измерительные части и разделены на однообразные группы измерительных электродов. При этом измерительные электроды измерительных частей измерительной области совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения геометрического центра двумерной области тела по одной оси в области пересечения двумерной области тела и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам, выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. Величина координаты геометрического центра двумерной области по одной оси выражена в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.
3. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области соответствует п. 22 формулы изобретения. Сущность электроемкостного преобразователя рассмотрена на примере варианта преобразователя с четырьмя выводами от измерительных частей, показанного на фиг. 14.
Назначение электроемкостного преобразователя заключается в определении координат геометрического центра двумерной области.
Электроемкостный преобразователь характеризуется следующими признаками изобретения.
Электроемкостный преобразователь 301 для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую пластину 102, общий электрод и измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области, форма, размеры и расположение которой заданы. Измерительная область содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. На фиг. 14 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 304, второй измерительной части первого множества цифрой 305, первой измерительной части второго множества цифрой 306, второй измерительной части второго множества цифрой 307. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат 311 измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат 312 измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов, при этом группы расположены на диэлектрической пластине с заданными 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 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 измерительных электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.
Условия эксплуатации электроемкостного преобразователя предполагают, что двумерная область тела располагается внутри измерительной области с электродами. В этом случае электроемкостный преобразователь выполняет функцию определения координат геометрического центра для всей двумерной области. В общем случае полное перекрытие областей не обязательно. Например, двумерная область может располагаться на краю измерительной области и выступать за край, в результате чего границы двумерной области и измерительной области могут пересекаться. Нахождение двумерной области внутри измерительной области также является вариантом пересечения областей, при котором одна область находится в границах другой области. Поэтому, в общем случае, система электродов электроемкостного преобразователя реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области, в области пересечения двумерной области и измерительной области.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, отличается от электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси тем, что на диэлектрической пластине расположены два множества измерительных электродов, расположенных в собственных системах координат. При этом ось ординат системы координат 311 электродов первого множества расположена под заданным ненулевым углом к оси ординат системы координат 312 электродов второго множества. В этом случае геометрический центр двумерной области находится на пересечении двух линий. Первая линия перпендикулярна оси ординат системы координат первого множества электродов и имеет измеренную с помощью первого множества 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 электродов. Первая и вторая линии тождественны двум осям равновесия двумерной области, пересечение которых определяет расположение геометрического центра двумерной области.
На основании этого, реализация назначения для изобретения «электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области» считается доказанной.
В электроемкостном преобразователе для определения геометрического центра двумерной области используются две системы координат 311 и 312, соответствующих первому и второму множествам электродов. Системы координат являются зависимыми друг от друга, т.к. ось ординат системы координат 311 первого множества наклонена на заданный угол относительно оси ординат системы координат 312 второго множества. Эти системы можно преобразовать к одной системе координат, которая обозначена как система координат измерительной области. Перерасчет положений электродов и положения геометрического центра двумерной области из систем координат 311 и 312 отдельных множеств 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 308 измерительной области, в которой начало координат совпадает с точкой 310 пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств. Такая система координат электроемкостного преобразователя относится к «локальной системе координат измерительной области». При этом, в варианте, ось ординат системы координат, как показано на фиг. 14, повернута таким образом, что эта ось совпадает с направлением одной из сторон диэлектрической пластины 102.
Электроемкостный преобразователь наследует все положительные свойства электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области по одной оси. Дополнительные положительные свойства рассмотрены в описании вариантов электроемкостного преобразователя.
Электроемкостный преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области имеет следующие варианты.
С целью обеспечения использования в разных условиях применения электроемкостный преобразователь может быть выполнен в соответствии с вариантами 1.4-1.10, которые отличаются конструкцией диэлектрической пластины и общего электрода.
Особенности электроемкостного преобразователя данной разновидности связаны, в основном, с особенностями выполнения системы измерительных электродов. Ниже описана сущность нескольких таких вариантов.
3.1 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической пластины
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 23 формулы изобретения. Сущность электроемкостного преобразователя рассмотрена на примере варианта преобразователя с четырьмя выводами от измерительных частей, показанного на фиг. 14-17.
Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.
1
2
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, отличающийся тем, что с целью обеспечения расположения измерительных электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической пластины, измерительные электроды первой и второй измерительных частей первого и второго множеств выполнены в форме трапеций. Как показано на фиг. 15, для групп электродов 317, входящих в первое множество находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 311 первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат первого множества. Для групп электродов 318 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 312 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат второго множества, не равный первому углу. Группы измерительных электродов (см. фиг. 16) первого и второго множества расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области с чередованием и не пресекают друг друга, при этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Электроды измерительных частей (см. фиг. 17) выполнены и расположены таким образом, что части геометрических фигур электродов, которые выступают за пределы измерительной области, обрезаны по границе измерительной области 309, геометрические фигуры электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы области, измерительные электроды расположены таким образом, что точка 310 пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области 309. Каждая из групп электродов содержит три или большее количество измерительных электродов.
Реализация назначения для варианта обеспечивается тем, что для каждого множества электродов, находящиеся с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс, выполнены с наклоном на заданные углы, которые не равны друг другу, поэтому ось ординат электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат электродов второго множества, что соответствует существенному признаку независимого пункта п. 22 формулы электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области.
В связи с тем, что группы электродов первого множества и группы электродов второго множества расположены с заданными интервалами, с параллельным расположением сторон трапеций находящихся на краях групп электродов первого и второго множеств, измерительные электроды групп не пересекают друг друга и могут быть расположены на одной поверхности слоя диэлектрической пластины. Как показано на фиг. 14-25 и фиг. 31-34 в вариантах изобретения, выполнение системы электродов в соответствии с признаками изобретения этого варианта электроемкостного преобразователя, позволят расположить соединительные проводники и выводы на одной поверхности слоя диэлектрической пластины с измерительными электродами.
Расположение измерительных электродов и соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической пластины позволяет увеличить точность электроемкостного преобразователя и уменьшить его стоимость. Повышение точности связано с тем, что в данном случае нет необходимости в совмещении электродов, расположенных на разных поверхностях слоев диэлектрической пластины, в результате может быть уменьшена ширина групп 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 пластины.
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. Совмещение точки пересечения осей абсцисс локальных систем координат множеств электродов с геометрическим центром измерительной области может быть осуществлено путем выбора соответствующего расположения двух множеств измерительных электродов относительно измерительной области и относительно друг друга. При этом каждое множество рассматривается как целое. Необходимое расположение множеств относительно друг друга, как показано на фиг. 16, может быть осуществлено путем перемещения множеств измерительных электродов в направлении, совпадающем с направлением боковых сторон трапеций групп электродов двух множеств, где они параллельны друг другу. Получившуюся фигуру затем вписывают в границу измерительной области путем обрезки боковых сторон трапеций по границе измерительной области, для трапеций, которые выходят за границу измерительной области и удлинения боковых сторон трапеций, которые не доходят до границы измерительной области, как показано на фиг. 16 и фиг. 17.
Расположение точки пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств в геометрическом центре заданной измерительной области, по существу, означает равенство площадей электродов измерительных частей для каждого соответствующего множества. В результате увеличивается стабильность и помехоустойчивость электроемкостного преобразователя.
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», т.к. точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множество совпадает с началом локальной системы координат измерительной области.
3.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 24 формулы изобретения. Особенности конструкции измерительных электродов по варианту показаны на фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17. В этом варианте в дополнение к признакам электроемкостного преобразователя по п. 22 или п. 23 конкретизирована схема соединений электродов и подключений выводов.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь отличающийся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов (см. фиг. 17), 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, дополнительный вывод подключен к общему электроду.
Величины координат геометрического центра двумерной области связаны с системой величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя следующими зависимостями.
Где:
Y1
G - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
Y2
G - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
а
1,Y1
- коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя по оси ординат Y1 системы координат первого множества;
а
1,Y2
- коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя 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;
1,M1
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части первого множества;
2,Ml
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части первого множества;
01,М1
02,М1
С, С - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела;
1,М2
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части второго множества;
2,М2
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части второго множества;
01,М2
02,М2
C, С - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела.
01,М1
02,М1
01,М2
02,М2
1,М1
2,М1
1,М2
2,М2
Величины С, С, С и С находят в процессе калибровки электроемкостного преобразователя, сохраняют в блоке памяти микроконтроллера и, при необходимости, считывают.Эти величины соответствуют измеренным значениям электрических емкостей С, С, С и С в условиях отсутствия тела, для которого определяют геометрический центр двумерной области.
Каждая из зависимостей (28) и (29) аналогична зависимости (15) для одного из двух множеств электродов. Отличия касаются только обозначений емкостей измерительных частей и обозначений систем координат с привязкой к множествам.
С использованием признаков изобретения, приведенных в варианте 3.1, обеспечивается расположение электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической пластины.
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 из трех независимых измерительных частей может быть получена с использованием системы электродов состоящей из четырех измерительных частей, без изменения конструкции измерительных электродов этих частей, путем использования схемы соединений измерительных электродов и подключений выводов. Особенностью вариантов этой схемы является то, что система измерительных электродов элекроемкостного преобразователя для измерения геометрического центра двумерной области имеет три вывода. Схемы соединений измерительных электродов и подключений выводов приведены в вариантах 3.3, 3.4 и 3.5. В описании вариантов доказана реализация назначения электроемкостных преобразователей для определения координат геометрического центра двумерной области, имеющих три вывода.
3.3 Вариант электроемкостного преобразователя 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 электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 25 формулы изобретения. Для этого варианта расположение электродов первой и второй измерительных частей первого и второго множества в отдельности, аналогично варианту, показанному на фиг. 15. На фиг. 18 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 19 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.
Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся 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, дополнительный вывод подключен к общему электроду.
В этом случае, для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (28) и (29). При этом емкости электродов измерительных частей, для которых нет непосредственных измерений, можно выразить через сумму емкостей соединенных электродов и емкостей электродов, которые не соединены. Эта возможность связана с тем, что трапеции первой и второй измерительных частей любой группы 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 электродов принимают условно одинаковой. Погрешность, связанная с этим допущением, относится к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области тела.
2,M1
1,М2
Например, соединены между собой и поэтому неизвестны по отдельности электрические емкости электродов С, С. При этом, для вычисления значений этих емкостей можно воспользоваться формулами
Где:
- величина суммы электрических емкостей измерительных электродов соединенных измерительных частей;
- величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первого и второго множеств электродов.
02,М1
01,М2
Необходимые для вычисления по формулам (28) и (29) величины C и C 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 (30) и (31) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (28) и (29). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования систем координат.
3.4 Вариант электроемкостного преобразователя 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 одноименной измерительной части второго множества электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 26 формулы изобретения. На фиг. 20 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей групп первого и второго множества в отдельности. На фиг. 21 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 22 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.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся 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, дополнительный вывод подключен к общему электроду.
2,М1
2,М2
В данном варианте для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (28) и (29). При этом величины электрических емкостей электродов, для которых нет непосредственных измерений, можно выразить через сумму емкостей соединенных электродов и емкостей электродов которые не соединены. Например, соединены между собой и поэтому неизвестны по отдельности электрические емкости электродов С и С. При этом, для вычисления значений емкостей можно воспользоваться формулами
Где:
4
2,М2
2,М1
С=С+С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов соединенных измерительных частей;
Σ
1,М2
1,М1
4
С=С+С+С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первого и второго множеств электродов.
02,М1
02,М2
Необходимые для вычисления по формулам (28) и (29) величины С и С определяют в процессе калибровки, затем записывают в блок памяти. При вычислении геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление величин электрических емкостей по формулам (32) и (33) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (28) и (29). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.
3.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и отключением одной из измерительных частей одного из множеств электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 27 формулы изобретения. На фиг. 23 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей групп первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 24 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 25 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.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся 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, дополнительный вывод подключен к общему электроду.
2,М2
2,М2
В связи с тем, что в данном варианте не подключены измерительные электроды одной из измерительных частей одного множества, например, второй измерительной части второго множества, значение электрической емкости измерительных электродов С неизвестно. Поэтому непосредственно использовать выражение (29) нельзя. В тоже время, значение электрической емкости измерительных электродов С может быть вычислено исходя из значений электрических емкостей измерительных электродов других измерительных частей
02,M2
Необходимую для вычисления по формулам (29) величину C 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 (34) осуществляется процессором микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (28) и (29). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования систем координат.
Варианты 3.3, 3.4 и 3.5 электроемкостного преобразователя обладают теми же положительными свойствами, что и вариант 3.2. Дополнительное положительное свойство вариантов - сокращение выводов до трех, что позволяет упростить схему соединений и уменьшить расстояние между измерительными областями в случае использования в электроемкостном преобразователе множества измерительных областей, что снижает погрешность определения геометрического центра.
3.6 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с выходным сигналом пропорциональным координатам геометрического центра двумерной области в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 28 формулы изобретения. На фиг. 17, фиг. 19, фиг. 22 и фиг. 25 показана схема микроконтроллера и схемы подключения выводов электроемкостного преобразователя к микроконтроллеру, для вариантов 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5.
Вариант характеризуется следующими признаками.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что с целью формирования выходного сигнала в виде цифрового кода электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области дополнительно снабжен микроконтроллером 350, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 321 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 323 и процессор 234, причем выводы измерительных частей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя связан со входом процессора. Сигналы электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя поступают на вход процессора микроконтроллера, процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра двумерной области, в вычислительном алгоритме которой используются формулы (28) и (29), а также формирует выходные сигналы 326 координат геометрического центра двумерной области, выраженный 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.
В электроемкостном преобразователе для определения геометрического центра двумерной области в формуле изобретения п. 22 можно исключить конструктивные признаки, относящиеся к системе измерительных электродов измерительной области, и заменить эти признаки функциональным признаком, реализация которого была доказана. Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области с использование функционального признака соответствует п. 36 формулы изобретения. Электроемкостный преобразователь показан на фиг. 14.
Электроемкостный преобразователь с использованием функционального признака имеет следующие признаки формулы изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и измерительные электроды. Причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области, форма, размеры и расположение которой заданы. Измерительная область содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части и разделены на соответствующие множеству однообразные группы электродов. При этом измерительные электроды измерительных частей измерительной области совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом реализуют функцию определения геометрического центра двумерной области тела в области пересечения двумерной области тела и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений электродов и подключений выводов. Выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.
Варианты схемы соединений электродов и подключений выводов описаны в вариантах 3.2-3.5 электроемкостного преобразователя и приведены в пп. 24-27 формулы изобретения.
4. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей соответствует п. 37 формулы изобретения. Варианты конструкции электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 26-35.
Назначение электроемкостного преобразователя заключается в определении координат геометрического центра двумерной области и в обеспечении возможности определения геометрических центров нескольких двумерных областей с использованием единой конструкции электроемкостного преобразователя.
Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и расположенное на диэлектрической пластине множество измерительных областей с измерительными электродами. Форма, размеры и расположение измерительных областей заданы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической пластины. Каждая из измерительных областей содержит два множества измерительных электродов, причем измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. В каждой из измерительных областей форма, размеры и расположение измерительных электродов первого и второго множеств определены в отдельных соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительной области измерительные электроды разделены на соответствующие множеству однообразные группы электродов, при этом группы расположены на диэлектрической пластине с заданными 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 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. Для каждой из измерительных областей измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам, выводы измерительных областей, совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. 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 электроемкостного преобразователя.
В соответствии с изобретением отдельные измерительные области могут быть произвольной формы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической пластины. 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. Расположенные в промежутках соединительные проводники также могут быть источниками погрешности. Эту погрешность можно уменьшить различными методами. Например, путем размещения в промежутках дополнительных компенсационных проводников.
Ниже, в вариантах 4.1 и 4.2, приведены примеры реализации электроемкостного преобразователя с измерительными областями в виде прямоугольников и шестиугольников. В вариантах 4.3 и 4.4 использованы измерительные области, распложенные на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде строк и столбцов. Расположенные на разных поверхностях слоев диэлектрической пластины измерительные электроды измерительных областей строк и столбцов также разделены промежутками. Дополнительно, в этом случае для размещения соединительных проводников строк с условием не затенения измерительных электродов столбцов, измерительные электроды измерительных областей столбцов и сами области разделены по оси ординат на части (см. фиг. 32) с промежутками между частями. При этом, расположенные напротив друг друга на разных поверхностях слоев диэлектрической пластины части измерительных областей столбцов и части строк, можно рассматривать как отдельные измерительные области, отделенные заданными промежутками.
Принцип действия электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей пояснен на примере варианта 4.1 электроемкостного преобразователя с измерительными областями в форме прямоугольников.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей имеет следующие положительные свойства.
В данном электроемкостном преобразователе наследуются положительные свойства электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области.
Электроемкостный преобразователь 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 относительно большой величиной пассивной электрической емкости измерительных электродов, которая шунтирует избыточную емкость от тела. Дополнительно, применение распределенных по всей измерительной области диэлектрической пластины электродов снижает чувствительность преобразования, т.к. для определения геометрического центра необходимо использовать общую для всей диэлектрической пластины систему координат. В связи с этим снижается температурная стабильность и точность определения координат геометрического центра. Этот недостаток в данной разновидности электроемкостного преобразователя практически исключен за счет расположения на диэлектрической пластине множества измерительных областей. При этом для каждой двумерной области имеется возможность определить геометрический центр с использованием группы измерительных областей, покрывающей двумерную область тела. В этом случае, для определения геометрического центра используется минимальное количество электродов, что уменьшает величину их пассивной емкости. В связи с тем, что для каждой измерительной области используется своя локальная система координат, для каждой относительно небольшой измерительной области имеется возможность выполнить систему электродов с увеличенной чувствительностью преобразования. При этом, высокая точность сохранятся при определении координат двумерной области с применением группы измерительных областей.
Электроемкостный преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей имеет следующие варианты.
С целью обеспечения использования в разных условиях применения, электроемкостный преобразователь может быть выполнен в нескольких вариантах, отличающихся конструкцией диэлектрической пластины и общего электрода по вариантам 1.4-1.10. Особенности электроемкостного преобразователя данной разновидности связаны, в основном, с особенностями выполнения измерительных областей с измерительными электродами. Ниже описана сущность нескольких таких вариантов.
4.1 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 38 формулы изобретения. На фиг. 26 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 27 приведена система измерительных электродов, схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличающийся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, которые расположены на диэлектрической пластине 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 электроемкостного преобразователя 401 содержит диэлектрическую пластину 102 на которой расположены множество измерительных областей 409 в форме геометрических фигур прямоугольников. Измерительные области расположены на диэлектрической пластине с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области 404 диэлектрической пластины.
В данном варианте электроемкостного преобразователя использована система измерительных электродов с четырьмя выводами от измерительной области, описанная в вариантах 3.1 и 3.2 раздела «сущность изобретения».
В каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром. Совмещение начала системы координат измерительной области с геометрическим центром измерительной области, как показано в описании варианта 3.1, может быть осуществлено путем соответствующего расположения множеств измерительных электродов относительно измерительной области и относительно друг друга. На фиг. 27 локальные системы координат первого и второго множеств обозначены цифрами 411 и 412, соответственно. Локальная система координат измерительной области обозначена цифрой 408.
Измерительные электроды и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической пластины 102. Схема соединений электродов может быть применена для любого количества электродов без пересечения электродов и выводов, с максимальным количеством проводников 410, проходящих вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем. Выводы системы электродов каждой измерительной области на фиг. 26 и фиг. 27 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границы диэлектрической пластины в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов электроемкостного преобразователя, посредством проводников шлейфов 407, к микроконтроллеру или к другому конечному устройству.
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 электроемкостного преобразователя.
Принцип действия электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей заключается в следующем.
Для определения координат геометрического центра двумерной области на измерительную поверхность диэлектрической пластины помещают тело, которое имеет двумерную область соприкосновения с измерительной поверхностью диэлектрической пластины. Для каждой измерительной области на основе измерения емкостей измерительных частей 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 диэлектрической пластины и вычисляют координаты геометрического центра двумерной области в этой системе координат по известным формулам.
Где:
y
G - величина координаты по оси Y геометрического центра двумерной области тела;
- величина координаты по оси Y геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером j;
j
S - площадь измерительной области с номером j, в той части, где измерительная область пересекается с двумерной областью тела;
x
G - величина координаты по оси X геометрического центра двумерной области тела;
- величина координаты по оси X геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером j.
j
Значение площади S пересечения каждой измерительной области с двумерной областью тела можно вычислить по избыточной емкости электродов измерительных частей, на основе выражений, аналогичных (1) и (3) для измерительных частей первого множества электродов и аналогичных выражений для электродов измерительных частей второго множества электродов, по следующей формуле.
Где:
1,M1,j
2,M1,j
C, С - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной частей первого множества соответственно, для измерительной области с номером j;
1,M2,j
2,M2,j
C, C - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной частей второго множества соответственно, для измерительной области с номером j;
01,M1,j
02,M1,j
C, C - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером j;
01,M2,j
02,M2,j
C, C ~ величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером j.
1
Коэффициент пропорциональности К между электрической емкостью и площадью электродов может быть найден по формуле (2) или (22) для случая определения координат геометрического центра двумерной области плоского диэлектрического тела, а также по формуле (20) для электропроводящего тела или по формуле (21) для электропроводящего и диэлектрического тела. При вычислении по формулам (35) и (36) этот коэффициент сокращается, поэтому исполнение диэлектрической пластины и общего электрода не влияют на реализацию назначения.
Для определения геометрического центра одной двумерной области вычисление геометрического центра может осуществляться путем нахождения сумм в числителе и знаменателе в выражениях (35) и (36) по всем измерительным областям измерительной области диэлектрической пластины.
В тоже время, такое суммирование для небольшой двумерной области приводит к погрешности, обусловленной большой величиной пассивной емкости электродов.
Величину этой емкости можно уменьшить следующим способом.
На основе информации о величине суммарной избыточной емкости измерительных частей электродов измерительной области, вычисленной по формуле
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 (35), (36) и (37) с включением в суммы только измерительных областей входящих в группу.
Для определения геометрических центров двумерных областей нескольких тел, тела размещают на измерительной поверхности диэлектрической пластины с промежутками. Ширину промежутков выбирают больше, чем максимальные размеры измерительных областей. В этом случае имеется возможность выделить несколько групп измерительных областей, которые полностью покрывают измерительные области разных тел. Для этих групп, с использованием выражений (35), (36) и (37), определяют геометрические центры двумерных областей по отдельности. Разделение измерительных областей на группы может быть выполнено путем нахождения границ групп 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 измерительной поверхности диэлектрической пластины 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 измерительной поверхности пластины, 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 электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, имеющего множество измерительных областей, считается доказанной.
4.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 39 формулы изобретения. 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.
Вариант имеет следующие признаки формулы изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличающийся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены 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 отличается от варианта 4.1 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 электродов с тремя выводами от измерительных частей по варианту 3.3. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя аналогичен варианту 4.1.
В сравнении с вариантом 4.1, в этом варианте использована система 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.
4.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде строк и столбцов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 40 формулы изобретения. На фиг. 30 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической пластине. На фиг. 31 и фиг. 32 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов, со схемами соединений и подключений электродов.
Вариант электроемкостного преобразователя характеризуется следующими признаками.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, отличающийся тем, что измерительные области расположены на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины, причем расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической пластины измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, образующих строки, а на другой поверхности диэлектрической пластины выполнены в форме прямоугольников, образующих столбцы, при этом в области пересечений измерительных областей строк и столбцов боковые стороны групп электродов измерительных областей строк и столбцов расположены практически параллельно друг другу и с чередованием, таким образом, что на виде на поверхность диэлектрической пластины не пересекают друг друга, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром. 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 строк и столбцов.
Группы электродов измерительных областей строк и столбцов расположены на разных поверхностях слоев с чередованием и не пересекают друг друга. В связи с чем, измерительные электроды измерительных областей на виде сверху на поверхность диэлектрической пластины не затеняют друг друга. Поэтому, измерительные области, расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической пластины можно рассматривать как вариант системы измерительных областей электроемкостного преобразователя, описанного в варианте 4.1
При определении координат двумерной области могут использоваться как измерительные области столбцов, так и измерительные области строк, взятые по отдельности. При этом, в случае определения геометрического центра с использованием измерительных областей строк и столбцов повышается точность определения геометрического центра до уровня точности, сопоставимого с точностью для варианта, например, 4.2, с не пересекающимися измерительными областями. Повышение точности связано с тем, что в локальной системе координат столбца или строки, вдоль направления ширины столбца или ширины строки, чувствительность преобразования может быть увеличена до величины, сопоставимой с чувствительностью отдельной, относительно небольшой по размерам измерительной области, а при вычислении координат геометрического центра может быть использована информация о положении геометрического центра по осям координат с наибольшей чувствительностью.
Возможность определения геометрических центров двумерных областей, как с использованием строк, так и столбцов расширяет степени свободы для раздельного определения геометрических центров двумерных областей, что увеличивает количество двумерных областей, для которых электроемкостный преобразователь способен по отдельности определить геометрические центры. Например, в случае пересечения двух или более двумерных областей с измерительной областью одного столбца, система электродов этого столбца позволит определить только общий геометрический центр частей этих двумерный областей. В тоже время имеется возможность независимого определения геометрических центров этих областей по отдельности с использованием измерительных областей строк.
При осуществлении изобретения количество строк и столбцов может быть произвольным, например, как показано на фиг. 35, где измерительная область диэлектрической пластины, содержит восемь областей строк и восемь столбцов. Оси системы координат показаны только для измерительных областей крайних строк и столбцов. Расположение осей систем координат других строк и столбцов аналогично.
4.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде матрицы и тремя выводами от каждой измерительной области
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 41 формулы изобретения. На фиг. 33 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк, на фиг. 34 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей столбов, со схемами соединений и подключений электродов.
Электроемкостный преобразователь отличается от варианта 4.3 тем, что в нем каждая из измерительных областей строк и столбцов имеет три вывода. В варианте электроемкостного преобразователя использована система измерительных электродов измерительной области с тремя выводами, по варианту 3.3.
Преимуществом варианта является уменьшение общего количества выводов от измерительных областей и уменьшение ширины промежутков между измерительными областями.
4.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с выходными сигналами в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 42 формулы изобретения. Вариант показан на фиг. 35.
В этом варианте электроемкостный преобразователь дополнительно снабжен микроконтроллером, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти и процессор. Причем выводы измерительных областей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод общего электрода подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан со входом процессора. Сигналы электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя поступают на вход процессора микроконтроллера, процессор реализует вычисление координат геометрического центра одной двумерной области или вычисление координат геометрических центров двумерных областей нескольких тел, а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличается от электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра с использованием одной измерительной области тем, что в этом преобразователе использовано множество измерительных областей с измерительными электродами. Формула изобретения электроемкостного преобразователя для каждой из измерительных областей включает в себя все соответствующие признаки для одной измерительной области, описанные в разновидности электроемкостного преобразователя с одной измерительной областью. Поэтому в формуле изобретения можно исключить конструкционные признаки, относящиеся к измерительной области, заменить эти признаки функциональным признаком, реализация которого была доказана.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с введением функционального признака соответствует п. 50 формулы изобретения. Преобразователь с использованием функционального признака имеет следующие признаки формулы изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, содержащий диэлектрическую пластину, общий электрод и расположенное на диэлектрической пластине множество измерительных областей с измерительными электродами. Форма, размеры и расположение измерительных областей заданы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической пластины. Каждая из измерительных областей содержит два множества измерительных электродов, причем измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части и разделены на соответствующие множеству однообразные группы электродов. При этом измерительные электроды измерительных частей каждой измерительной области, совместно с диэлектрической пластиной и общим электродом, реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области тела в области пересечения двумерной области тела и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области. Выводы измерительных областей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. Величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных областей электроемкостного преобразователя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала.
Фиг. 2 - электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси, где показано расположенное на измерительной поверхности диэлектрической пластины плоское диэлектрическое тело. Чертеж предназначен для пояснения принципа действия электроемкостного преобразователя.
Фиг. 3 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси, с выходным сигналом пропорциональным координате геометрического центра двумерной области в виде цифрового кода.
Фиг. 4 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области, для электропроводящих тел.
Фиг. 5 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области, с расположенным на измерительной поверхности диэлектрической пластины электропроводящим телом. Чертеж предназначен для пояснения принципа действия электроемкостного преобразователя.
Фиг. 6 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области для электропроводящих и диэлектрических тел.
Фиг. 7 - на фигуре показан вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области, с расположенным на измерительной поверхности диэлектрической пластины телом выполненным из электропроводящего или диэлектрического материала. Чертеж предназначен для пояснения принципа действия электроемкостного преобразователя.
Фиг.8 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала.
Фиг. 9 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области с изоляцией электродов.
Фиг. 10 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области с расположением электродов на двух или нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины.
Фиг. 11 - вариант конструкции измерительных электродов в виде наклоненных трапеций.
Фиг. 12 - вариант конструкции измерительных электродов в виде наклоненных трапеций, с обрезкой и удлинением трапеций в границе заданной измерительной области на диэлектрической пластине.
Фиг. 13 - электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси.
Фиг. 14 - электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области.
Фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов. На фиг. 15 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей первого и второго множества в отдельности. На фиг. 16 приведены эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. 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.
Фиг. 18 и фиг. 19 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов варианта электроемкостного преобразователя 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 электродов. На фиг. 18 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 19 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.
Фиг. 20, фиг. 21 и фиг. 22 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов варианта электроемкостного преобразователя 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 одноименной измерительной части второго множества электродов. На фиг. 20 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей групп первого и второго множества в отдельности. На фиг. 21 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 22 приведены измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.
Фиг. 23, фиг. 24 и фиг. 25 - вариант электроемкостного преобразователя 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. 23 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей групп первого и второго множества в отдельности. На фиг. 24 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 25 приведены измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.
Фиг. 26 и фиг. 27 - вариант электроемкостного преобразователя 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. 26 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 27 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Фиг. 28 и фиг. 29 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с измерительными областями в форме шестиугольников и тремя вывода 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, фиг. 31 и фиг. 32 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде матрицы. На фиг. 30 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической пластине и их выводов. На фиг. 31 и фиг. 32 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов со схемами соединений и подключений.
На фиг. 33 и фиг. 34 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов со схемами соединений и подключений электродов для варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде строк и столбцов и тремя выводами от измерительной области.
На фиг. 35 показан пример осуществления изобретения с использованием множества измерительных областей расположенных в виде восьми строк и восьми столбцов, с выходным сигналом в виде цифрового кода.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Осуществление изобретения раскрыто на примерах вариантов каждой разновидности электроемкостных преобразователей, составляющих группу изобретений. Номера разновидностей электроемкостных преобразователей и их вариантов в разделе «осуществление изобретения» совпадают с номерами соответствующих разновидностей и вариантов, приведенных в разделе «сущность изобретения».
1. Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси
Электроемкостный преобразователь соответствует п. 2 формулы изобретения. Осуществление электроемкостного преобразователя раскрыто в описании варианта этого преобразователя под номером 1.1.
1.1 Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала
Формула изобретения по этому варианту включает в себя признаки, приведенные в независимом пункте 2 и зависимых пунктах 4 и 7 формулы изобретения. Дополнительно, признаки этого варианта приведены в независимом пункте 1 формулы изобретения. Электроемкостный преобразователь показан на фиг. 1. На фиг. 2 показано плоское диэлектрическое тело для пояснения принципа действия. На фиг. 3 приведена схема подключения микроконтроллера.
Электроемкостный преобразователь 101 для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала содержит диэлектрическую пластину 102, общий электрод 106 и множество печатных измерительных электродов 103. Причем измерительные электроды множества расположены на одной поверхности диэлектрической пластины в границе измерительной области 109 и образуют первую 104 и вторую 105 измерительные части. 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 электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Диэлектрическая пластина расположена с постоянными промежутками между обращенными друг к другу поверхностями общего электрода 106. Геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части имеют суммарную площадь равную суммарной площади геометрических фигур измерительных электродов второй измерительной части.
Измерительные электроды 104 первой измерительной части электрически соединены между собой и подключены к выводу 113 первой измерительной части, измерительные электроды 105 второй измерительной части электрически соединены между собой и подключены к выводу 114 второй измерительной части, дополнительный вывод 115 электроемкостного преобразователя подключен к общему электроду 106.
Форма, размеры и расположение измерительных электродов определены в системе координат 118 множества электродов. Промежуток 111 между поверхностью диэлектрической пластины с измерительными электродами и поверхностью общего электрода выбран с условием возможности размещения в этом промежутке на поверхности пластины плоского тела 128 из однородного диэлектрического материала. Ширина промежутка с другой стороны диэлектрической пластины 102 не определена и ограничена конструктивными параметрами электроемкостного преобразователя.
Принцип действия электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала описан в разделе «сущность изобретения» для варианта электроемкостного преобразователя под номером 1.1.
1.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси с выходным сигналом пропорциональным координате геометрического центра двумерной области по одной оси в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 3 формулы изобретения. Вариант показан на фиг. 3.
В варианте электроемкостный преобразователь дополнительно снабжен микроконтроллером 120, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 121 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 123 и процессор 124, причем выводы измерительных частей 113 и 114 электроемкостного преобразователя 101 подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, вывод общего электрода 115 подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан со входом процессора. Сигналы электрических емкостей 125 в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя поступают на вход процессора, процессор реализует функцию вычисления величины координаты геометрического центра по одной оси в соответствии с формулой (15), а также формирует выходной сигнал координаты в виде цифрового кода на выходе 126 микроконтроллера.
Ниже приведено описание общих вариантов электроемкостных преобразователей для определения координат(ы) геометрического центра, входящих в группу изобретений, связанных с исполнением диэлектрической пластины и общего электрода.
1.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 5, 14, 29, 43 формулы изобретения. Особенности варианта преобразователя показаны на фиг. 4.
Электроемкостный преобразователь 101 по этому варианту содержит диэлектрическую пластину 102 с расположенными на поверхности диэлектрической пластины измерительными электродами 103, изолирующую диэлектрическую пластину 130, расположенную на поверхности стороны диэлектрической пластины 102 с измерительными электродами 103. Общий электрод 106 расположен со стороны диэлектрической пластины, которая противоположна стороне с измерительными электродами.
Изолирующая диэлектрическая пластина 130 выполнена из твердого диэлектрического материала или диэлектрического материала допускающего упругую деформацию по толщине в отдельных областях пластины.
Конструкция общего электрода имеет множество вариантов. Общий электрод может примыкать к диэлектрической пластине или расположен на удалении от нее. На фиг. 4 показан вариант с плоской поверхностью общего электрода. На фиг. 5 дополнительно показано электропроводящее тело 131, и схема подключения общего электрода 106. Общий электрод 106 имеет электрическое соединение или емкостную связь с электропроводящим телом 131. Емкостная связь на фиг. 5 показана в виде конденсатора 132. Общий электрод 106 также подключен к выводу 115 электроемкостного преобразователя. Измерительные электроды расположены в границе измерительной области 109.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) двумерной области для электропроводящих тел» описан в разделе «сущность изобретения», в варианте под номером 1.4.
Вариант может использоваться в комбинации с любым из вариантов системы измерительных электродов, в рамках группы изобретений.
1.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области для электропроводящих и диэлектрических тел
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 6, 15, 30, 44 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 6.
Электроемкостный преобразователь по этому варианту содержит диэлектрическую пластину 102 с расположенными на поверхности диэлектрической пластины измерительными электродами 103, деформируемую диэлектрическую пластину 135, которая выполнена с возможностью деформации по толщине в отдельных областях пластины. Деформируемая диэлектрическая пластина расположена поверх электродов измерительной области 109. На наружной стороне пластины 135 нанесен тонкий растягивающийся электрод 137, который подключен к общему электроду 106. На фиг. 7 дополнительно показано диэлектрическое тело 138, для которого определяют геометрический центр двумерной области. На диэлектрическое тело действует сила F, которая деформирует диэлектрическую пластину 135.
Принцип действия «электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) двумерной области для электропроводящих и диэлектрических тел» описан в разделе «сущность изобретения» в варианте под номером 1.5.
Вариант может использоваться в комбинации с любым из вариантов системы измерительных электродов, в рамках группы изобретений.
1.6 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 7, 16, 31, 45 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 8.
Электроемкостный преобразователь 101 по варианту содержит диэлектрическую пластину 102, общий электрод 106, который разделен на две части 107 и 108. Причем диэлектрическая пластина 102 расположена с постоянными промежутками между обращенными друг к другу поверхностями общего электрода.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в варианте с номерами 1.1 и 1.6 раздела «сущность изобретения».
Вариант может использоваться в комбинации с любым из вариантов системы измерительных электродов, в рамках группы изобретений.
1.7 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области с изоляцией электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 8, 17, 32, 46 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 9
Вариант характеризуется тем, что электроемкостный преобразователь 101 снабжен изолирующей пластиной 130 из диэлектрического материала, расположенной на поверхности стороны диэлектрической пластины 102 с измерительными электродами 103. Изолирующая пластина может рассматриваться как слой диэлектрической пластины, при этом образует наружную поверхность диэлектрической пластины с электродами. Наружная поверхность изолирующей пластины обращена в сторону соприкосновения с телами, для которых определяют геометрический центр двумерной области. Изолирующая диэлектрическая пластина 130 выполнена из твердого диэлектрического материала или диэлектрического материала допускающего упругую деформацию по толщине в отдельных областях пластины.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в варианте под номером 1.7 в разделе «сущность изобретения».
Вариант может использоваться в комбинации с любым из вариантов системы измерительных электродов в рамках группы изобретений.
1.8 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат(ы) геометрического центра двумерной области с расположением электродов на одной или нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует пп. 9, 18, 33, 47 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 10.
В варианте электроемкостного преобразователя с расположением измерительных электродов на нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины, диэлектрическая пластина с измерительными электродами выполнена многослойной, при этом измерительные электроды 142 и 143 измерительных частей расположены на нескольких поверхностях слоев диэлектрической пластины. На фиг. 10 показано размещение электродов на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины. Дополнительный слой с электродами обозначен цифрой 141. Конструктивно измерительные электроды из электропроводящего материала могут быть нанесены с помощью фотолитографии на один слой диэлектрической пластины с разных сторон слоя, например, на слой 141, как показано на фиг. 10. В другом варианте измерительные электроды нанесены с одной поверхности отдельных слоев, например, на слои 140 и 141, которые наложены друг на друга и соединены между собой. При этом измерительные электроды, расположенные на разных поверхностях слоев пластины, изолированы друг от друга.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения», под номером 1.8.
Вариант может использоваться в комбинации с любым из вариантов системы измерительных электродов, в рамках группы изобретений.
2. Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси
Осуществление изобретения раскрыто на примере варианта электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси, который соответствует п. 13 формулы изобретения. В описании осуществления изобретения включены признаки независимого пункта п. 12 формулы изобретения. Электроемкостный преобразователь показан на фиг. 13.
Электроемкоетный преобразователь 201 для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси содержит диэлектрическую пластину 102, общий электрод и множество измерительных электродов, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области 209 форма, размеры и расположение которой заданы, образуют первую 204 и вторую 205 измерительные части и разделены на однообразные группы 202 измерительных электродов. При этом группы измерительных электродов расположены на диэлектрической пластине с заданными интервалами вдоль оси абсцисс системы координат 208 множества измерительных электродов. Каждая из групп содержит часть 203 соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп 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 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 206 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. Геометрические фигуры электродов первой 204 и второй 205 измерительных частей множества измерительных электродов выполнены в форме трапеций, причем 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 электродов, которые выступают за пределы измерительной области 209, обрезаны по границе измерительной области, геометрические фигуры электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы области. Причем измерительные электроды расположены таким образом, что ось абсцисс локальной системы координат 208 множества измерительных электродов, проходит через геометрический центр 210 измерительной области 209. Измерительные электроды первой измерительной части 204 соединены между собой и подключены к выводу 113 первой измерительной части, измерительные электроды второй измерительной части 205 электрически соединены между собой и подключены к выводу 114 второй измерительной части, дополнительный вывод 115 электроемкостного преобразователя подключен к общему электроду.
Дополнительно, на фиг. 13 показана граница 212 двумерной области 211 тела, расположенная в границе измерительной области 209. Показанные на фиг. 13 параллельные оси абсцисс отрезки линий 213 и 214, и соответствующие отрезки для других групп являются участками кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области 212, которая используется при выводе формулы (15) для вычисления геометрического центра двумерной области.
Принцип действия электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области по одной оси приведен в разделе «сущность изобретения».
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области, с целью адаптации к разным условиям применения, может использоваться совместно с любым из вариантов 1.4 - 1.10 выполнения диэлектрической пластины и общего электрода.
3. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области
Осуществление изобретения раскрыто на примере варианта 3.1 электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, который соответствует п. 23 формулы изобретения. В описании осуществления изобретения включены признаки независимого пункта формулы п. 22. Для пояснения осуществления изобретения на фиг. 14 приведена конкретная конструкция электродов. На фиг. 15 показаны измерительные электроды первого и второго множества в отдельности. На фиг. 16 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. 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.
Цифровые обозначения элементов электроемкостного преобразователя, приведенные на фиг. 14, соответствуют обозначениям на фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17.
Электроемкостный преобразователь 301 для определения координат геометрического центра двумерной области, содержит диэлектрическую пластину 102, общий электрод и измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области 309, форма, размеры и расположение которой заданы. Измерительная область содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. На фиг. 14 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 304, второй измерительной части первого множества цифрой 305, первой измерительной части второго множества цифрой 306, второй измерительной части второго множества цифрой 307. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат. Система координат первого множества обозначена цифрой 311, система координат второго множества цифрой 312. Причем ось ординат Y1 системы координат 311 измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат Y2 системы координат 312 измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов, при этом группы расположены на диэлектрической пластине с заданными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов 303 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 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.
1
2
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 пластины. Как показан на фиг. 15 для групп 317 электродов, входящих в первое множество, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 311 первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат первого множества. Для групп электродов 318 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 312 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат второго множества, не равный первому углу.
На фиг. 16. показаны измерительные электроды первого и второго множеств в совмещенном виде. При этом группы измерительных электродов первого и второго множества расположены на диэлектрической пластине в границе измерительной области 309 с чередованием и не пресекают друг друга, при этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Измерительные электроды первого и второго множеств расположены таким образом, что точка 310 пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области 309.
На фиг. 14 дополнительно показана локальная система координат 308 измерительной области 309. При этом начало локальной системы координат измерительной области совпадает с точкой пересечения осей абсцисс локальных систем координат 311 и 312 множеств электродов с геометрическим центром 310 измерительной области.
Для того чтобы измерительные электроды были расположены в границе измерительной области 309, части геометрических фигур электродов, которые выступают за пределы измерительной области, обрезаны по границе измерительной области, геометрические фигуры электродов, которые не доходят до границы измерительной области удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы области. Измерительные электроды, расположенные в границе измерительной области, полученные путем обрезки и удлинения, показаны на фиг. 14 и фиг. 17.
Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений электродов и подключений выводов. Схема соединений и подключений имеет несколько вариантов. Особенности вариантов схемы соединений и подключений приведены в описании вариантов 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5 электроемкостного преобразователя. Выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя.
Принцип действия электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области приведен в разделе «сущность изобретения».
3.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 24 формулы изобретения. Для этого варианта на фиг. 17 показана конструкция и расположение измерительных электродов первого и второго множества, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера. Описание конструкции системы измерительных электродов варианта приведено в описании варианта 3.1, дальнейшим развитием которого является вариант 3.2.
Вариант электроемкостного преобразователя 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 313, измерительные электроды второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 314, измерительные электроды первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 315, измерительные электроды второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 316, дополнительный вывод 115 подключен к общему электроду.
С целью получения выходного сигнала в виде цифрового кода электроемкостный преобразователь 301 может быть дополнительно снабжен микроконтроллером 320. Схема микроконтроллера и схема его подключения показаны на фиг. 17. Микроконтроллер содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь 321 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 323 и процессор 324, причем выводы 313, 314, 315, 316 измерительных частей электроемкостного преобразователя 301 подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, вывод общего электрода 115 подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан со входом процессора. Сигналы электрических емкостей 325 в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя поступают на вход процессора, процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра с использованием в вычислительном алгоритме формул (28) и (29), а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе 326 микроконтроллера.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании под номерами 3, 3.1 и 3.2.
3.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, с тремя выводами от системы измерительных электродов с соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 25 формулы изобретения. Для этого варианта расположение электродов первой и второй измерительных частей первого и второго множества в отдельности, аналогично варианту 3.1, показанному на фиг. 15. На фиг. 18 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине, с обозначением границы измерительной области. На фиг. 19 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера. На фиг. 18 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 334, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 335, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 336, электроды второй измерительной части второго множества-цифрой 337.
Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 341 по варианту 3.3 отличается тем, что измерительные электроды 335 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и с электродами 336 первой измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу 344. Измерительные электроды 334 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 343, измерительные электроды 337 второй измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 345, дополнительный вывод 115 подключен к общему электроду.
В варианте электроемкостного преобразователя, как показано на фиг. 15, находящиеся на краях групп измерительные электроды, которые относятся к разным множествам, принадлежат к разноименным измерительным частям. При этом измерительные электроды разноименных измерительных частей групп дополнительно соединены путем примыкания боковых сторон трапеций групп, как показано на фиг. 18. Выполнение такого соединения не обязательно. Например, в варианте электроемкостного преобразователя под номером 4.3 эти измерительные электроды отделены друг от друга промежутками и соединены только с помощью соединительных проводников.
С целью получения выходного сигнала в виде цифрового кода электроемкостный преобразователь 341 может быть снабжен микроконтроллером 350. Показанная на фиг. 19 схема микроконтроллера 350 аналогична схеме, описанной в варианте 3.2. При этом выводы 343, 344, 345 электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя 351 микроконтроллера, вывод общего электрода 115 подключен к соответствующему входу микроконтроллера. Процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра с использованием в вычислительном алгоритме формул (30), (31), (28) и (29), а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе 326 микроконтроллера.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании под номерами 3, 3.1 и 3.3.
3.4 Вариант электроемкостного преобразователя 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 одноименной измерительной части второго множества электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 26 формулы изобретения. Для этого варианта расположение электродов первой и второй измерительных частей первого и второго множества в отдельности показано на фиг. 20. На фиг. 21 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 20 и фиг. 21 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 364, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 365, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 366, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 367. На фиг. 22 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.
Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 361 по варианту 3.4 отличается тем, что измерительные электроды 365 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и с электродами 367 второй измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу 374, измерительные электроды 364 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 373, измерительные электроды 366 первой измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 375, дополнительный вывод 115 подключен к общему электроду.
В варианте электроемкостного преобразователя, как показано на фиг. 20, находящиеся на краях групп измерительные электроды, которые относятся к разным множествам, принадлежат к одноименным измерительным частям. При этом измерительные электроды одноименных измерительных частей групп дополнительно соединены путем примыкания боковых сторон трапеций групп, как показано на фиг. 21. Выполнение такого непосредственного соединения полезно с точки зрения уменьшения ширины групп, но не обязательно.
С целью получения выходных сигналов координат в виде цифрового кода электроемкостный преобразователь 361 может быть снабжен микроконтроллером 350. Показанная на фиг. 22 схема микроконтроллера 350 аналогична схеме, описанной в варианте 3.2. При этом выводы 373, 374, 375 электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя 351 микроконтроллера, вывод общего электрода 115 подключен к соответствующему входу микроконтроллера. Процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра с использованием в вычислительном алгоритме формул (32), (33), (28) и (29), а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе 326 микроконтроллера.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения», в описании под номерами 3, 3.1 и 3.4.
3.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и отключением одной из измерительных частей одного из множеств электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 27 формулы изобретения. На фиг. 23 показаны форма и расположение электродов первой и второй измерительных частей групп первого и второго множества в отдельности. На фиг. 24 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической пластине. На фиг. 23 и фиг. 24 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 384, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 385, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 386, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 367. На фиг. 25 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.
Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 381 по варианту 3.5 отличается тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды 384 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 393, измерительные электроды 385 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 394, измерительные электроды 386 первой измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 395, дополнительный вывод 115 электроемкостного преобразователя подключен к общему электроду. Как показано на фиг. 23, измерительные электроды 387 второй измерительной части второго множества, обозначенные штриховой линией, не подключены к выводам измерительного преобразователя.
Показанная на фиг. 25 схема микроконтроллера аналогична схеме, описанной в варианте 3.2. При этом выводы 393, 394, 395 электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя 351 микроконтроллера, вывод общего электрода 115 подключен к соответствующему входу микроконтроллера. Процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра с использованием в вычислительном алгоритме формул (34), (28) и (29), а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе 326 микроконтроллера.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения», в описании под номерами 3, 3.1 и 3.5.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области, с целью адаптации к разным условиям применения, может использоваться совместно с любым из вариантов 1.4-1.10 выполнения диэлектрической пластины и общего электрода.
4. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей
Осуществление изобретения раскрыто на примерах вариантов электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей.
4.1 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 38 формулы изобретения. В описании осуществления изобретения включены признаки независимого пункта формулы п. 37. На фиг. 26 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 27 приведена система измерительных электродов и схема соединений электродов и подключений выводов для отдельно взятой измерительной области. Принцип действия электроемкостного преобразователя описан в разделе «сущность изобретения» в варианте 4.1, совместно с дополняющим вариантом 4.2.
Электроемкостный преобразователь 401 для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества двумерных областей содержит диэлектрическую пластину 102 на которой расположено множество измерительных областей 409 в форме геометрических фигур прямоугольников, в виде регулярной структуры. Измерительные области 409 расположены на диэлектрической пластине с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области 404 диэлектрической пластины 102.
В данном варианте электроемкостного преобразователя для каждой измерительной области использована система электродов с четырьмя выводами от измерительной области, описанная в варианте 3.2. Измерительные электроды и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической пластины 102. Схема соединений электродов может быть продолжена для любого количества электродов, без взаимного пересечения электродов и выводов, с максимальным количеством проводников 410, проходящим вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем.
Выводы системы электродов каждой измерительной области на фиг. 26 и фиг. 27 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границ диэлектрической пластины в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов электроемкостного преобразователя, посредством проводников шлейфов 407, к микроконтроллеру или к другому конечному устройству.
Как показано на фиг. 27 пресечение оси абсцисс локальной системы координат 411 первого множества электродов и оси абсцисс системы координат 412 второго множества электродов измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области 409. Также показана локальная система координат 408 измерительной области, начало которой совпадает с пересечением осей абсцисс систем координат 411 и 412. При этом координаты геометрического центра, определенные в системах координат 411 и 412 двух множеств электродов, могут быть пересчитаны в рамках локальной системы координат измерительной области 408. В дальнейшем описании для измерительных областей будут использоваться только системы координат измерительных областей. На фиг. 26 и фиг. 28 - 34 показаны локальные системы координат измерительных областей.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании соответствующего варианта 4.1.
4.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников
Вариант соответствует п. 39 формулы изобретения. Расположение измерительных областей и их выводов показано на фиг. 28. На фиг. 29 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Вариант 4.2 электроемкостного преобразователя 411 отличается от варианта 4.1 тем, что измерительные области 419 выполнены в форме правильных шестиугольников. При этом в измерительных областях использована система электродов с тремя выводами, по варианту 3.3 (фиг. 18 и фиг. 19). Отличие измерительной области в форме шестиугольника, от показанной на фиг. 18 и фиг. 19 в том, что в данном случае измерительные электроды вписаны в границу шестиугольной измерительной области. В этом варианте групповые линии 416 от каждой измерительной области содержат три проводника. Групповые линии шлейфов 417, соответственно, имеют меньшее количество проводников. Показанная на фиг. 29 схема соединений электродов применима для любого количества измерительных электродов, без увеличения количества выводов и с максимальным количеством соединительных проводников 420, проходящих вдоль одной стороны шестиугольника, равным двум. Начало локальной системы координат 418 измерительной области расположено в геометрическом центре соответствующей измерительной области.
В вариантах 4.1 и 4.2 электроемкостного преобразователя измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании вариантов 4.1 и 4.2.
4.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде строк и столбцов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 40 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 30, фиг. 31 и фиг. 32. На фиг. 30 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической пластине. На фиг. 31 и фиг. 32 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов, со схемами соединений и подключений измерительных электродов.
Электроемкостный преобразователь содержит многослойную диэлектрическую пластину 102, общий электрод и множество расположенных на пластине измерительных областей 429 с измерительными электродами. Измерительные электроды расположены на двух изолированных друга от друга поверхностях слоев диэлектрической пластины 102. Причем расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической пластины измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, образующих строки 430, а на другой поверхности диэлектрической пластины выполнены в форме прямоугольников, образующих столбцы 431.
В данном варианте электроемкостного преобразователя для каждой измерительной области использована система электродов, описанная в разделе «сущность изобретения» в вариантах 3.1 и 3.2. Система электродов показана на фиг. 31 и фиг. 32. При этом в области пересечений измерительных областей строк 430 и столбцов 431 боковые стороны групп электродов измерительных областей строк и столбцов расположены практически параллельно друг другу и с чередованием, таким образом, что при их совмещении на перпендикулярном виде на поверхность диэлектрической пластины измерительные электроды не пересекают друг друга. Для размещения соединительных проводников, измерительные области расположены с промежутками, в которых проложены соединительные проводники. В варианте электроемкостного преобразователя промежутки между измерительными областями столбцов можно исключить, выполнив подключение крайнего правого электрода измерительной области столбца с помощью отдельного проводника. Начало локальной системы координат 435 каждой измерительной области строк и локальной системы координат 436 каждой измерительной области столбцов совпадает с геометрическим центром соответствующей измерительной области. Выводы 437 измерительных областей строк и выводы 438 измерительных областей столбцов показаны в виде групповых линий. Выводы измерительных областей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. При осуществлении изобретения количество строк и столбцов может быть произвольным, например, как показано на фиг. 35, где измерительная область диэлектрической пластины содержит матрицу из восьми измерительных областей строк и восьми столбцов.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании соответствующего варианта 4.3.
4.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической пластины в виде матрицы и тремя выводами от измерительной области
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 41 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 33 и фиг. 34. На фиг. 33 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей строк, на фиг. 34 показано расположение измерительных областей столбцов, со схемами соединений измерительных электродов и подключений выводов.
Электроемкостный преобразователь отличается от варианта 4.3 тем, что в нем использована система электродов измерительной области с тремя выводами, соответствующая варианту 3.3.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании вариантов 4.3 и 4.4.
4.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей и выходными сигналами в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 42 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 35.
В этом варианте электроемкостный преобразователь 441 дополнительно снабжен микроконтроллером 450, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 421 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 423 и процессор 424. Причем выводы измерительных областей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод общего электрода 115 подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан со входом процессора. На фиг. 35 выводы измерительных областей показаны в виде групповых линий и отдельных шлейфов от измерительных областей строк 437 и столбцов 438. Сигналы 425 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 421 поступают на вход процессора микроконтроллера, процессор реализует вычисление координат геометрического центра одной двумерной области или вычисление координат геометрических центров нескольких двумерных областей нескольких тел, а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе 426 микроконтроллера.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании соответствующего варианта 4.5.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, с целью адаптации к разным условиям применения, может использоваться совместно с любым из вариантов 1.4-1.10 выполнения диэлектрической пластины и общего электрода.
Осуществление изобретений по пунктам формулы изобретения п. 51, п. 36 и п. 50, в формулах которых использованы функциональные признаки, раскрыто в описании осуществления соответствующих разновидностей электроемкостного преобразователя по п. 12, п. 22 и п. 36 формулы изобретения и их вариантов. Описание осуществления разновидностей и их вариантов приведено под номерами 2, 3 и 4, соответственно, в разделе «осуществление изобретения», где раскрыта полная реализация изобретений, включая осуществление функциональных признаков.