Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области (варианты)
ELECTRIC CAPACITANCE CONVERTER FOR DETERMINING COORDINATES OF A GEOMETRIC CENTER OF A TWO-DIMENSIONAL REGION (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к измерительным устройствам с использованием емкостных средств. Электроемкостный преобразователь предназначен для определения координат геометрического центра двумерной области. Например, для определения координат геометрического центра двумерной области плоской пластины произвольной формы, выполненной из однородного материала. Для электропроводящих тел электроемкостный преобразователь способен определить геометрический центр двумерной области соприкосновения или приближения тела. Преобразователь может найти применение в измерительной технике, а также в других областях техники в составе различных устройств, где есть необходимость в определении координат 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 компонентов в схеме устройств.
Известно устройство [Авторское свидетельство СССР N427635] для определения координат центра тяжести однородного тела. Принцип действия устройства заключается в механическом уравновешивании тела.
Известен способ определения центра тяжести лопатки турбины [Патент РФ SU - 2224228 20.02.2004 г.]. Изобретение относится к статической балансировке конструкций. Способ основан на том, что лопатку укладывают на площадку с балансировочной опорой, определяют численное значение статического момента лопатки, затем положение центра тяжести.
Недостатком устройств для определения центра тяжести однородного тела путем механического уравновешивания является наличие в их конструкции механических компонентов, что определяет повышенную стоимость для цели измерения геометрического центра плоских тел.
Известен электроемкостный преобразователь для измерения уровня, содержащий диэлектрическую пластину с размещенными на одной из ее поверхностей печатными электродами, образующими первую измерительную часть и выполненными в виде геометрических фигур, имеющих изменяющуюся суммарную ширину в функции расстояния вдоль направления высоты, общий электрод и дополнительные печатные электроды, размещенные на одной поверхности диэлектрической пластины с электродами первой измерительной части и образующими вторую измерительную часть. Суммарная ширина в функции расстояния вдоль направления высоты электродов первой измерительной части изменяется линейно. Электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления высоты. 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 используется 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. Преобразователи группы объединены общей частью назначения - определение координат 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. Дополнительный технический результат рассмотрен для каждого изобретения группы в отдельности.
Формула изобретения и описание включает в себя, по существу, две основные разновидности электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, которые приведены в формуле изобретения в виде независимых пунктов. В первой разновидности для определения координат геометрического центра двумерной области используется одна измерительная область. Эта разновидность имеет название «Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области». Электроемкостный преобразователь второй разновидности отличается тем, что для определения координат геометрического центра двумерной области используют множество измерительных областей. Эта особенность отражена в названии разновидности «Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей». Разновидности приведены в виде независимых пунктов, варианты разновидностей описаны в зависимых пунктах формулы изобретения. С целью упрощения поиска разновидности и варианты пронумерованы. Номера в описании изобретения не зависимы от номеров пунктов формулы изобретения.
В формулах разновидностей и вариантов используются признаки, по существу, эквивалентные признакам электроемкостного преобразователя для измерения уровня по патенту РФ RU 2087873 С1, что доказывает преемственность изобретений.
Анализ показывает, что функция преобразования, реализуемая системой измерительных электродов электроемкостного преобразователя, обеспечивает определение координат геометрического центра двумерной области с учетом весов участков двумерной области. Это свойство позволяет найти координаты места приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя, с учетом особенностей поверхности тела и без соприкосновения с поверхностью измерительной области.
Применение разновидности электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области с использованием множества измерительных областей позволяет обеспечить определение координат геометрического центра двумерной области расположенной как на плоской, так и на криволинейной поверхности общей измерительной области, которая составлена из множества измерительных областей, расположенных на поверхности диэлектрической подложки в виде элементов мозаики произвольной формы и размеров. При этом общий геометрический центр двумерной области находят исходя из измеренных координат геометрических центров множества измерительных областей.
Термины и определения
Термин «геометрический центр» двумерной области означает среднее арифметическое положений всех точек фигуры. Другое название - «барицентр». Для тел из однородного материала в условиях постоянной гравитации геометрический центр эквивалентен центру тяжести фигуры. Для однородных тел геометрический центр совпадает 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 определения координат геометрического центра двумерной области для тел из однородного диэлектрического материала, поверхность плоского тела примыкает к поверхности измерительной области и образует на поверхности измерительной области двумерную область. В электроемкостных преобразователях для определения координат геометрического центра электропроводящего тела, область соприкосновения, образованная в результате деформации тела в месте соприкосновения с измерительной областью, также представляет собой двумерную область. В случае приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области, на ее поверхности формируется сгущение силовых линий электрического поля, которое образует двумерную область. В общем случае двумерная область это область, которая образована на двумерной поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела.
Измерительная область - это область, которая расположена на поверхности диэлектрической подложки и предназначена для определения координат геометрического центра двумерной области. Определение координат геометрического центра реализуется системой измерительных электродов, которые расположены в границе измерительной области. В первой разновидности электроемкостного преобразователя используется одна измерительная область. В электроемкостном преобразователе с использованием множества измерительных областей, на поверхности диэлектрической положки располагается множество измерительных областей, границы которых расположены с минимальными заданными промежутками друг от друга, на подобии расположения элементов мозаики. Форма и размеры измерительных областей могут быть произвольными. Внешние границы множества измерительных областей образуют общую измерительную область электроемкостного преобразователя.
В электроемкостном преобразователе для размещения измерительных электродов использована диэлектрическая подложка. Подложка может быть выполнена в нескольких вариантах. Общий признак основных вариантов приведен в зависимом пункте п. 14 формулы: «диэлектрическая положка выполнена в форме тела, ограниченного с двух сторон двумя плоскими или двумя криволинейными поверхностями, которое имеет практически постоянную толщину». Такое определение подложки допускает, что подложка, в частности, может быть выполнена в виде пластины с плоской поверхностью, а также в виде оболочки, которая имеет криволинейную поверхность. В описании изобретения показано, что в случаях использования диэлектрической подложки, как с плоской, так и с криволинейной поверхностью, обеспечивается реализация назначения электроемкостного преобразователя. Для упрощения изложения сущности изобретения в большинстве вариантов электроемкостных преобразователей использована диэлектрическая подложка с плоской поверхностью, которая представляет собой пластину. Особенности реализации назначения электроемкостного преобразователя с диэлектрической подложкой в виде оболочки, имеющей криволинейную поверхность, приведены в варианте 1.17. Использование подложки с криволинейной поверхностью существенно расширяет область применения изобретения.
Измерительные электроды - электроды, которые непосредственно предназначенные реализации функции определения координат геометрического центра двумерной области. В некоторых случаях, в тексте описания и в формуле изобретения словосочетание «измерительные электроды» написано в сокращенном виде - слово «измерительные» отпущено и присутствует только слово «электроды». В этих случаях из контекста ясно, что имеются в виду «измерительные электроды». Во всех других случаях в словосочетаниях со словом «электроды» сокращения не используются.
Множество измерительных электродов - множество, которое имеет определенное функциональное назначение. Множество измерительных электродов имеет наименование, например, «первое множество измерительных электродов» которое предназначено для определения координат геометрического центра двумерной области по одной оси. В некоторых случаях, в тексте описания и в формуле изобретения словосочетание «множество измерительные электроды» написано в сокращенном виде - словосочетание «измерительные электроды» отпущено и присутствует только слово «множество». В этих случаях из контекста ясно, что имеется в виду «множество измерительных электродов». Во всех других случаях в словосочетаниях со словом «множество» сокращения не используются.
Система измерительных электродов - совокупность измерительных электродов измерительной области, которая совместно с общим электродом и диэлектрической подложкой реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области.
Измерительная часть - часть измерительных электродов системы, в которой измерительные электроды электрически соединены между собой и имеют соответствующий вывод.
Группа измерительных электродов - группа, состоящая из электродов разных измерительных частей, реализующая функцию определения координат геометрического центра части двумерной области по одной оси. В некоторых случаях, в тексте описания и в формуле изобретения словосочетание «группа измерительных электродов» написано в сокращенном виде - словосочетание «измерительные электроды» отпущено и присутствует только слово «группа». В этих случаях из контекста ясно, что имеется в виду «группа измерительных электродов». Во всех других случаях в словосочетаниях со словом «группа» сокращения не используются.
В изобретении для измерительной области используется система координат, связанная с множеством измерительных электродов. Ось абсцисс системы координат обозначена символом X, а ось ординат - символом Y. Ось Y расположена ортогонально оси X. Оси Х и Y системы координат и координатная сетка расположены на поверхности подложки. Для участков поверхности подложки, поверхность которых является вогнутой или выпуклой, используется координатная сетка, которая получена путем деформации координатной сетки плоской поверхности.
В измерительной области для каждого из множеств измерительных электродов определена выделенная система координат. В этой системе координат в сечении измерительных электродов множества осью абсцисс суммарная ширина измерительных электродов первой измерительной части равна суммарной ширине электродов второй измерительной части. Условие равенства суммарной ширины первой и суммарной ширины второй измерительных частей в сечении осью абсцисс должно соблюдаться также для каждой из групп множества измерительных электродов. Эта система координат обозначена как «локальная система координат множества измерительных электродов».
Системы координат множеств измерительных электродов измерительной области являются зависимыми и могут быть заменены одной системой координат. Эта система координат имеет название «система координат измерительной области». Начало этой системы координат может быть совмещено с точкой пересечения осей абсцисс локальных систем координат двух множеств измерительных электродов и с геометрическим центром измерительной области. Такая система координат в рамках изобретения обозначена как локальная система координат измерительной области.
1. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области
Назначение электроемкостного преобразователя заключается в определении координат геометрического центра двумерной области. Электроемкостный преобразователь соответствует п. 1 формулы изобретения.
Дополнительные признаки вариантов этой разновидности описаны в зависимых пунктах пп. 2-22. В состав формулы изобретения также включен вариант, в котором обобщены признаки независимого пункта п. 1 и основных вариантов, в виде независимого пункта формулы п. 23.
Приведенная в формуле изобретения система измерительных электродов позволяет использовать множество вариантов конструкции измерительных электродов. Общим для всех является то, что электроды измерительных частей выполнены в соответствии с существенными признаками изобретения, в виде условий. Эти условия могут быть записаны в виде математических зависимостей для формы, размеров и взаимного расположения геометрических фигур электродов. Поэтому, для доказательства реализации основного назначения для всех вариантов электроемкостного преобразователя достаточно рассмотрения математических зависимостей, основанных на приведенных в формуле изобретения условиях для одного варианта с конкретной конструкцией электродов. Для доказательства реализации назначения выбран вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел, который относится к первой разновидности.
1.1. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала
Формула изобретения по этому варианту включает в себя признаки, приведенные в независимом пункте п. 1 и зависимых пунктах пп. 3, 4, 9, 11 и 15 формулы изобретения. Пункт п. 3 характеризует конструкцию измерительных электродов в виде трапеций, пункт п. 4 - схему соединения электродов и подключения выводов, пункт п. 9 - конструкцию и расположение изолирующего слоя диэлектрической подложки, пункт п. 11 - конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 15 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме плоской диэлектрической пластины.
Электроемкостный преобразователь показан на фиг. 1 и фиг. 2. Фигуры фиг. 3 и фиг. 4 предназначены для пояснения принципа действия. Для графической иллюстрации варианта электроемкосного преобразователя использованы измерительные электроды в форме трапеций, в соответствии с п. 3 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя по п. 3 формулы изобретения рассмотрены дополнительно, в варианте под номером 1.2.
Назначение варианта электроемкостного преобразователя заключается в определении координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала.
Электроемкостный преобразователь характеризуется следующими признаками изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую подложку, общий электрод и измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической подложке в границе соответствующей измерительной области, форма, размеры и расположение которой заданы. Измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов, которая содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных электродов первого и второго множеств определены в отдельных соответствующих множествам системах координат. Причем ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов. Группы расположены на диэлектрической подложке с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных 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.
На фиг. 1 и фиг. 2 показаны основные элементы конструкции варианта электроемкостного преобразователя 101 для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящего тела. Электроемкостный преобразователь содержит диэлектрическую подложку 102, которая выполнена в виде пластины с плоской поверхностью, общий электрод 106 и измерительные электроды. Общий электрод 106 расположен на стороне диэлектрической подложки 102, которая противоположна стороне с измерительными электродами. Измерительные электроды 103 расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области 110, форма, размеры и расположение которой заданы и образуют систему измерительных электродов измерительной области. Для изоляции электродов предусмотрен изолирующий слой 111, расположенный поверх измерительных электродов 103. Система измерительных электродов измерительной области содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. На фиг. 2 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 112, второй измерительной части первого множества цифрой 113, первой измерительной части второго множества цифрой 114, второй измерительной части второго множества цифрой 115. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам, системах координат. На фиг. 2 первому множеству соответствует система координат 116, второму множеству - 117. Причем ось ординат системы координат 116 измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат 117 системы координат измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов. Одна из групп первого множества обозначена цифрой 118. Группы расположены на диэлектрической подложке с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс, в границах соответствующих измерительных областей групп 125 и 126 электродов.
На фиг. 3 и фиг. 4 показана часть 121 электроемкостного преобразователя, для пояснения принципа действия, в которой выделены две группы электродов 118 и 119, входящих в первое множество. Для удобства пояснения, группы измерительных электродов расположены в границах измерительной области 120, которая повернута таким образом, что ось ординат системы координат 116 расположена вертикально. Эта область не совпадает с измерительной областью 110, показанной на фиг. 2. При этом измерительные электроды 112 и 113 вписаны в границу измерительной области 120. На фиг. 3 показано тело 122 из электропроводящего материала, которое имеет плоскую поверхность соприкосновения с поверхностью измерительной области 120. Тело имеет емкостную связь С1 с общим электродом 106. На фиг 4 на поверхности измерительной области 120 показана двумерная область 123 соприкосновения, которая образована поверхностью соприкосновения тела. Цифрой 124 обозначена граница двумерной области соприкосновения 123. Измерительные электроды групп 118 и 119 расположены в границах соответствующих измерительных областей 137 и 138 групп электродов. Группы электродов состоят из измерительных электродов 112 и 113, входящих в первую и вторую измерительные части первого множества, соответственно. Размеры измерительных электродов, измерительных области групп и электропроводящего тела показаны без соблюдения масштаба по ширине.
Система измерительных электродов части 121 электроемкостного преобразователя реализует функцию определения геометрического центра двумерной области по одной оси.
Из состава системы электродов электроемкостного преобразователя сначала рассмотрим отдельно взятую группу измерительных электродов, которая обозначена на фиг. 4 номером 118. Отдельно взятая группа измерительных электродов реализует функцию определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси.
В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно. Измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат.
Для определения координат геометрического центра двумерной области на поверхность измерительной области части 121 электроемкостного преобразователя помещают тело 122, которое на поверхности измерительной области 120 образует двумерную область 123 соприкосновения с поверхностью измерительной области 120 электроемкостного преобразователя 121 и пересекает измерительную область 137 группы измерительных электродов 118. Двумерная область 123 приведена без соблюдения пропорций в относительных размерах.
В двумерной области соприкосновения между электропроводящей поверхностью тела и электродами измерительных частей, входящих в группу, образуются конденсаторы. При этом электрическая емкость электродов 112 первой измерительной части может быть рассчитана как сумма двух составляющих. Первая составляющая образована емкостью конденсатора, обкладками которого являются измерительные электроды 112 первой измерительной части и поверхность общего электрода 106. Эта составляющая является «пассивной» составляющей электрической емкости электродов. Емкость соответствует электрической емкости электродов первой измерительной части в отсутствии тела. Емкость второй составляющей образована конденсатором, одной из обкладок которого являются проводящая двумерная поверхность соприкосновения электропроводящего тела, образующая двумерную область соприкосновения, вторая обкладка образована электродами первой измерительной части. Эта составляющая емкости обозначена как «избыточная емкость».
Полная емкость электродов 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;
1
S - площадь электродов первой измерительной части в области пересечения двумерной области соприкосновения с измерительной областью группы электродов;
1
К - коэффициент пропорциональности между площадью и избыточной электрической емкостью измерительных электродов.
1
Для варианта электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области с изолирующим электроды слоем диэлектрической подложки коэффициент K равен
Где:
0
ε - диэлектрическая постоянная;
1
d - толщина изолирующего измерительные электроды диэлектрического слоя в области соприкосновения;
1
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала изолирующего измерительные электроды слоя.
Аналогичную зависимость можно записать для емкости электродов 113 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.
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 128 и 129, равна
Где:
- 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
Δy=y-y.
Координата у определена как координата центра ограниченной области по оси Y, относительно начала системы координат по оси Y. Начало системы координат 127 совпадает с положением нижних оснований трапеций электродов по оси Y, как показано на фиг. 4
Величина площади электродов второй измерительной части, ограниченная сверху и снизу теми же отрезками линий, равна
Где:
- 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 Х в функции расстояния вдоль оси Y и ограничена сверху и снизу по оси Y параллельными оси X отрезками линий 128 и 129, центр этой фигуры по оси Y совпадает с геометрическим центром ограниченной области.
Следовательно, для геометрического центра ограниченной области можно записать выражение
Где:
Отрезки линий 128 и 129 являются отрезками кусочно-постоянной аппроксимации верхнего и нижнего участков границы 124 двумерной области 123 соприкосновения.
Анализ показывает, что такая аппроксимация, вследствие неточного совпадения с верхним и нижним участками границы двумерной области соприкосновения, является источником погрешности в определении координаты геометрического центра. Погрешность аппроксимации зависит от суммарной ширины системы измерительных электродов группы и стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины по отношению к высоте 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, погрешностью аппроксимации можно пренебречь и записать следующие равенства
С учетом выражений (1), (3) и (12) площади электродов можно выразить в виде
Подставляя  и  в выражение (9) получаем формулу для вычисления координаты геометрического центра по одной оси двумерной области в области пересечения измерительной области и двумерной области соприкосновения тела
Где:
Y
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 случае равенства площадей электродов первой и второй измерительных частей разность электрических емкостей C-C равна нулю. Поэтому выражение (15) можно записать в виде
или
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 127 множества измерительных электродов, проходящей через линию нижних оснований трапеций (см. фиг. 4). Выражения, аналогичные (4) и (6), могут быть записаны с началом системы координат по оси Y относительно верхних оснований трапеций или с заданным смещением от оснований трапеций. Такая запись не меняет вид формулы (15). Поэтому формула (15) отражает общий случай, когда выбрана система координат с произвольно заданным значением коэффициента .
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. Локальная система координат на фиг. 4 обозначена номером 116.
Таким образом, реализация группой измерительных электродов функции определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси считается доказанной.
При выводе формулы (15) для вычисления координаты геометрического центра части двумерной области использована кусочно-постоянная аппроксимация верхней и нижней границы двумерной области. Кусочно-постоянная аппроксимация является источником погрешности в определении координат геометрического центра. Величина погрешности стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины участков кусочно-постоянной аппроксимации по оси абсцисс. На фиг. 4 показаны отрезки линий 128 и 129 кусочно-постоянной аппроксимации соответствующие группе 118 измерительных электродов, которые параллельны оси абсцисс и отрезки линий 131 и 132 соответствующие другой группе 119. Линии кусочно-постоянной аппроксимация заданы для измерительных областей 137 и 138 групп, внутри которых расположены электроды соответствующих групп. На фиг. 4 видно, что с помощью двух участков аппроксимации, аппроксимация границы двумерной области может быть выполнена боле точно, чем с использованием одного участка. В практической реализации количество используемых измерительных областей групп ограничено только разрешающей способностью фотолитографического процесса нанесения электродов на диэлектрическую подложку и может достигать в измерительной области нескольких сотен. При этом ширина измерительной области группы может составлять несколько десятков микрометров. За счет использования множества групп электродов обеспечивается размещение всей двумерной области соприкосновения внутри измерительной области электроемкостного преобразователя. Дополнительно снижается погрешность кусочно-постоянной аппроксимации.
В соответствии с формулой изобретения измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией 133 (фиг. 4) вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении.
В связи с тем, что измерительные электроды расположены в границе измерительной области, которая не обязательно является прямоугольной, измерительные электроды групп, находящиеся вблизи границы измерительной области могут быть обрезаны по границе, при этом находящаяся с краю группа в сечении параллельной оси абсцисс линией будет иметь неполный состав электродов. В этом случае, для нахождения сумм и разностей суммарной ширины электродов измерительных частей групп, группы с неполным составом электродов в сечении использовать нельзя. В тоже время, неполную группу электродов можно условно дополнить частями, которые были обрезаны, до образования полной группы в сечении. Дополненные таким образом группы считаются полными группами и используют для характеристики электродов групп в данном признаке изобретения.
а
a
1
2
Рассмотренные признаки изобретения, по существу, ограничивают конструкцию электродов в группах и их взаимное расположение в рамках одного образа, в соответствии с которым для разных групп соответствующие коэффициенты  и  в 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 множества совпадает.
В формуле изобретения для характеристики расположения групп электродов приведен признак: «группы измерительных электродов расположены на диэлектрической подложке с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс». Термин «равномерные интервалы» означает, что промежутки между группами измерительных электродов могут быть не строго постоянными, но их непостоянство ограничено на некотором заданном интервале. При этом неточностью равномерного распределения на заданном интервале можно пренебречь.
Уточнение функции равномерного распределения приведено в зависимых пунктах п. 2 и п. 25 формулы изобретения в виде следующего признака изобретения. Каждая группа измерительных электродов расположена на диэлектрической подложке в границе соответствующей измерительной области группы, при этом измерительные области групп имеют практически одинаковую ширину в направлениях вдоль оси абсцисс и расположены практически без промежутков между границами групп в направлениях вдоль оси абсцисс. Слово «практически» означает, что условие может быть неточным. При этом величина неточности связана с возникающими на практике погрешностями при определении координат геометрического центра двумерной области. Например, в случае расположения измерительных групп на криволинейной поверхности диэлектрической подложки, между границами измерительных областей групп в отдельных местах могут существовать промежутки. Для плоской поверхности диэлектрической подложки промежутки между границами измерительных областей групп отсутствуют.
В соответствие с признаками формулы изобретения суммарная ширина вдоль оси абсцисс в функции расстояния вдоль оси ординат для каждой группы электродов является постоянной величиной. Измерительные электроды всех групп в сечениях, параллельных оси абсцисс, имеют одинаковую ширину. Измерительной области каждой группы имеют практически одинаковую ширину, которая также не изменяется вдоль оси абсцисс. Поэтому площадь пересечения электродов каждой группы измерительных электродов с двумерной областью можно связать с площадью пересечения двумерной области с измерительной областью группы электродов, с введением коэффициента пропорциональности
где:
''
S - площадь пересечения двумерной области с измерительной областью группы электродов;
2
К - коэффициент пропорциональности.
1
2
S+S - площадь области пересечения двумерной области 123 с измерительными электродами первой и второй измерительных частей группы.
В связи с тем, что системы электродов каждой из групп имеют одинаковую чувствительность и расположены на диэлектрической подложке в одной системе координат, с учетом выражения (20), для геометрического центра двумерной области по оси ординат Y можно записать
Где:
Y
G - координата геометрического центра двумерной области по оси ординат Y;
- координата геометрического центра области пересечения двумерной области соприкосновения 123 тела и измерительной области группы электродов с номером i, по оси ординат Y;
- площадь области пересечения двумерной области 123 с измерительными электродами первой и второй измерительных частей группы, для группы с номером i.
На основе выражения (21), путем замены  правой частью выражения (21) с учетом выражений (9) и (12), для координаты геометрического центра двумерной области получаем
С учетом выражений для емкостей электродов (1) и (3)
Суммы емкостей 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 (23) получаем формулу для вычисления геометрического центра двумерной области, идентичную формуле (15).
В связи с этим, реализация функции определения координаты двумерной области по одной оси, с помощью двух измерительных частей множества измерительных электродов, считается доказанной.
В соответствии с формулой изобретения, измерительная область содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных электродов второго множества. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.
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. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.
Таким образом, назначение электроемкостного преобразователя, заключающееся в определении координат геометрического центра двумерной области, образованной соприкосновением электропроводящего тела с поверхностью измерительной области электроемкостного преобразователя, считается доказанным.
Как показано в описании изобретения, использование различных вариантов выполнения диэлектрической подложки и общего электрода не меняет вид основных формул (15), (25) и (26) для определения координат геометрического центра двумерной области. Поэтому реализация назначения «определение координат геометрического центра двумерной области» распространяется на описанные в изобретении разновидности и их варианты.
В соответствии с изобретением, измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя. Электроемкостный преобразователь допускает использование множества схем соединений электродов и подключений выводов. Варианты схем приведены в вариантах электроемкостного преобразователя. Координаты геометрического центра двумерной области связаны системой емкостей измерительных частей математическими зависимостями. Математические зависимости приведены в описании вариантов схем соединений электродов и подключений выводов.
В электроемкостном преобразователе, который показан на фиг. 1, для определения геометрического центра двумерной области используются две системы координат 116 и 117, соответствующих первому и второму множествам измерительных электродов. Системы координат являются зависимыми друг от друга, т.к. ось ординат системы координат 116 первого множества наклонена на заданный угол относительно оси ординат системы координат 117 второго множества. Эти системы можно преобразовать к одной системе координат, которая обозначена как система координат измерительной области. Перерасчет положений электродов и положения геометрического центра двумерной области из систем координат 116 и 117 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 135 измерительной области, в которой начало координат совпадает с точкой пересечения осей абсцисс 136 локальных систем координат 116 и 117 первого и второго множеств. Такая система координат электроемкостного преобразователя относится к «локальной системе координат измерительной области». При этом, в варианте, ось ординат системы координат, как показано на фиг. 1, повернута таким образом, что эта ось совпадает с направлением одной из сторон диэлектрической подложки 102 в виде пластины.
Анализ показывает, что существуют системы измерительных электродов, в которых электроды двух множеств, а также их выводы могут быть расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки. Варианты этих систем электродов приведены в зависимых пунктах формулы изобретения п. 3, п. 4, п. 5, п. 6, п. 7, а также п. 26, п. 27 и п. 28.
1
Варианты основаны на свойствах системы электродов, в которой измерительные электроды выполнены в форме трапеций. Для иллюстрации свойств на фиг. 5 и фиг. 6. показана группа 212 измерительных электродов в форме трапеций. Трапеции группы измерительных электродов 212 могут быть выполнены с наклоном на заданный угол ϕ относительно оси ординат Y системы координат 216, как показано на фиг. 5. В случае наклона трапеций путем сдвига верхних оснований вдоль оси абсцисс X их суммарная ширина, определенная вдоль оси абсцисс, и зависимость изменения суммарной ширины вдоль направления оси ординат Y для электродов 202 или 203 измерительных частей не изменяются. С наклоном трапеций не изменяется также площадь трапеций. Для множества наклоненных групп измерительных электродов не изменятся система координат множества измерительных электродов. Поэтому наклоненные электроды для цели определения координаты двумерной области по одной оси эквивалентны не наклоненным электродам. Измерительные электроды измерительных частей входящих в группу, как показано на фиг. 6, могут быть вписаны в заданную измерительную область 214 группы электродов на диэлектрической подложке путем их обрезки на границе измерительной области и удлинения путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области группы. Также могут быть вписаны в заданную измерительную область измерительные электроды множества групп. При этом вписанные и удлиненные измерительные электроды в рамках заданной измерительной области соответствуют признакам изобретения. Обрезка и удлинение электродов не вносят изменения в признаки изобретения, не меняют систему координат множества измерительных электродов и величины коэффициентов в формуле (15), в связи с тем, что определение координаты геометрического центра ведется на основе избыточной электрической емкости электродов с использованием участков измерительных электродов только в области пересечения двумерной области с измерительной областью.
Эти свойства позволяют создать системы электродов, состоящие из двух или большего количества множеств измерительных электродов, в которых измерительные электроды множеств, при расположении на поверхности, не пересекают друг друга. При этом системы электродов соответствуют признакам п. 1 формулы изобретения.
Одна из таких систем измерительных электродов используется в варианте 1.2 электромкостного преобразователя, описание которого приведено ниже.
1.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической подложки
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 3 формулы изобретения. Сущность электроемкостного преобразователя рассмотрена на примере варианта электроемкостного преобразователя с четырьмя выводами от измерительных частей, показанного на фиг. 9. Для пояснения сущности использованы чертежи фиг. 7 и фиг. 8.
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 подложки, измерительные электроды выполнены в форме трапеций. Для групп электродов 218 (см. фиг. 7) входящих в первое множество находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 216 первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат первого множества. Для групп электродов 219 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 217 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат 217 второго множества, не равный первому углу. Группы измерительных электродов (см. фиг. 8) первого и второго множеств расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области 110 с чередованием и не пересекают друг друга, при этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Электроды измерительных частей (см. фиг. 8 и фиг. 9) выполнены и расположены таким образом, что части геометрических фигур электродов, которые выступают за пределы измерительной области 110, обрезаны по границе измерительной области. Геометрические фигуры электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области, измерительные электроды расположены таким образом, что точка 221 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 216 и 217 первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области 110.
Дополнительно на фиг. 7 показаны измерительные области 214 и 215 для групп измерительных электродов. Измерительные области групп 214 и 215 составляют измерительную область 110, как показано на фиг. 9.
Реализация назначения для варианта электроемкостного преобразователя обеспечивается тем, что для каждого множества измерительных 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. При этом, при совмещении множеств электродов, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций расположены практически параллельно между собой. Поэтому ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат второго множества измерительных электродов, что соответствует существенному признаку независимого пункта п. 1 формулы изобретения.
В связи с тем, что группы измерительных электродов первого множества и группы измерительных электродов второго множества расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области с чередованием и не пересекают друг друга, измерительные электроды групп могут быть расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки. Как показано на фиг. 9, 11, 14, 17, 33 и фиг. 35 в вариантах изобретения, выполнение системы электродов в соответствии с признаками изобретения этих вариантов, позволяет расположить измерительные электроды, соединительные проводники и выводы на одной поверхности слоя диэлектрической подложки.
Расположение измерительных электродов и соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической подложки позволяет увеличить точность электроемкостного преобразователя и уменьшить его стоимость. Повышение точности связано с тем, что в этом случае нет необходимости в совмещении электродов, расположенных на разных поверхностях слоев диэлектрической подложки, 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 подложки.
В варианте изобретения измерительные электроды расположены таким образом, что точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области. Расположение точки пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств в геометрическом центре измерительной области, по существу, означает равенство площадей электродов измерительных частей для каждого соответствующего множества. В результате увеличивается стабильность и помехоустойчивость электроемкостного преобразователя.
В случае использования локальной системы координат измерительной области признак изобретения «точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области» может быть заменен признаком «начало локальной системы координат измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области.
1.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 4 формулы изобретения. В этом варианте в дополнение к признакам электроемкостного преобразователя по п. 1 конкретизирована схема соединений электродов и подключений выводов. Особенности схемы соединений по варианту показаны на фиг. 9.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь отличающийся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов, измерительные электроды первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, 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;
a
1,Y1
- коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя по оси ординат Y1 системы координат первого множества;
a
1,Y2
- коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя по оси ординат Y2 системы координат второго множества;
а
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,M1
С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части первого множества;
01,M1
02,M1
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
C - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части второго множества;
01,M2
02,М2
С, С - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела.
01,M1,
02,M1
01,М2
02,M2
1,M1,
2,M1
1,М2
2,M2
Величины C C, C и C находят в процессе калибровки электроемкостного преобразователя, сохраняют в блоке памяти микроконтроллера и, при необходимости, считывают. Эти величины соответствуют измеренным значениям электрических емкостей C C, C и C в условиях отсутствия тела, для которого определяют геометрический центр двумерной области.
Каждая из зависимостей (25) и (26) аналогична зависимости (15) для одного из двух множеств электродов. Отличия касаются только обозначений емкостей измерительных частей и обозначений систем координат, с привязкой к множествам.
Анализ показывает, что при определении координат геометрического центра двумерной области одна из четырех измерительных частей является зависимой от других измерительных частей. Для реализации назначения достаточно использования трех измерительных частей. При этом система измерительных электродов из трех независимых измерительных частей может быть получена с использованием системы электродов состоящей из четырех измерительных частей путем использования схемы соединений измерительных электродов и подключений выводов, без изменения конструкции измерительных электродов этих частей. При этом образуется система измерительных электродов измерительной области, состоящая из трех измерительных частей, в которой в каждой измерительной части измерительные электроды соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.
Особенностью вариантов этой схемы является то, что система измерительных электродов элекроемкостного преобразователя для измерения геометрического центра двумерной области имеет три вывода. Схемы соединений измерительных электродов и подключений выводов приведены в вариантах 1.4, 1.5 и 1.6. В описании вариантов доказана реализация назначения электроемкостных преобразователей для определения координат геометрического центра двумерной области, для системы электродов имеющей три измерительные части. При этом система измерительных электродов измерительной области имеет три вывода.
1.4 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 разноименной измерительной части второго множества электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 5 формулы изобретения. Для этого варианта расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности, аналогично варианту, показанному на фиг. 7. На фиг. 10 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 11 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов. Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.
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. При этом измерительные электроды образуют систему измерительных электродов, состоящую из трех измерительных частей.
В этом случае, для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (25) и (26). 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 C, C. При этом, для вычисления значений этих емкостей можно воспользоваться формулами
Где:
3
2,M1
1,М2
C=C+C - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов соединенных измерительных частей;
∑
2,М2
1,M1
3
C=С+С+С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первого и второго множеств электродов.
02,M1
01,M2
Необходимые для вычисления по формулам (25) и (26) 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 (27) и (28) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования систем координат.
1.5 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. 6 формулы изобретения. На фиг. 12 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 13 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 14 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
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. При этом измерительные электроды образуют систему измерительных электродов, состоящую из трех измерительных частей.
2,М1
2,М2
В данном варианте для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (25) и (26). 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 C. При этом, для вычисления значений емкостей можно воспользоваться формулами
Где:
4
2,М2
2,M1
С=С+С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов соединенных измерительных частей;
∑
1,M2
1,М1
4
C=С+C+С - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первого и второго множеств электродов.
02,M1
02,M2
Необходимые для вычисления по формулам (25) и (26) величины С и C определяют в процессе калибровки, затем записывают в блок памяти. При вычислении геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление величин электрических емкостей по формулам (29) и (30) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.
1.6 Вариант 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. 7 формулы изобретения. На фиг. 15 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 16 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 17 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.
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. При этом измерительные электроды образуют систему измерительных электродов, состоящую из трех измерительных частей.
2,М2
2,M2
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 (26) нельзя. В тоже время, значение электрической емкости измерительных электродов C может быть вычислено исходя из значений электрических емкостей измерительных электродов других измерительных частей
02,M2
Необходимую для вычисления по формулам (26) 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 (31) осуществляется процессором микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования систем координат.
Варианты 1.4, 1.5 и 1.6 электроемкостного преобразователя обладают теми же положительными свойствами, что и вариант 1.3. Дополнительное положительное свойство вариантов - сокращение выводов до трех, что позволяет упростить схему соединений и уменьшить расстояние между измерительными областями в случае использования в электроемкостном преобразователе множества измерительных областей, что снижает погрешность определения геометрического центра.
1.7 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с выходным сигналом в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 8 формулы изобретения. На фиг. 18 показана схема микроконтроллера и схема подключений выводов электроемкостного преобразователя к микроконтроллеру.
Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.
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 260, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 266 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 269 и процессор 267, причем выводы измерительных частей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод 211 общего электрода подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом процессора. Сигналы 268 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 266 поступают на вход процессора 267 микроконтроллера, процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра двумерной области, в вычислительном алгоритме которой используются формулы (25) и (26), а также формирует выходные сигналы 270 координат геометрического центра двумерной области, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.
Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.
Схема микроконтроллера, показанная на фиг. 18, применима к вариантам 1.4, 1.5 и 1.6. Отличия связаны с тем, что схемы подключения выводов электроемкостного преобразователя для вариантов 1.4, 1.5 и 1.6 отличаются наличием трех выводов от измерительных частей. Поэтому к аналого-цифровому преобразователю подключены три вывода.
1.8 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала
Формула изобретения по этому варианту включает в себя признаки, приведенные в независимом пункте п. 1 и зависимых пунктах пп. 11, 12 и 15 формулы изобретения. Пункт п. 11 и п. 12 характеризуют конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 15 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме пластины с плоской поверхностью.
Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 19. На фиг. 20 дополнительно показано твердое плоское тело 305 из однородного диэлектрического материала и схема соединений общего электрода для пояснения принципа действия с обозначением вывода 211 общего электрода.
В варианте электроемкостный преобразователь 302 для определения координат геометрического центра двумерной области содержит диэлектрическую подложку 102, выполненную в форме пластины, с расположенными на поверхности стороны диэлектрической подложки 102 измерительными электродами 103. Общий электрод 106 содержит две части. Первая часть 303 общего электрода расположена со стороны диэлектрической подложки 102, которая противоположна стороне с измерительными электродами, причем общий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами 103. Вторая часть 304 общего электрода, расположена со стороны диэлектрической подложки с измерительными электродами, причем часть общего электрода имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами.
Принцип действия электроемкостного преобразователя заключается в следующем.
Для определения геометрического центра двумерной области размещают на поверхности измерительной области плоское тело из однородного диэлектрического материала между измерительными электродами и частью общего электрода 304. В этом случае в области пересечения двумерной области плоского тела и измерительной области увеличиваются емкости конденсаторов, обкладки которых образованны измерительными электродами 103 измерительных частей и частью общего электрода 304.
1
Для емкостей электродов измерительных частей справедливы выражения (1) и (3). Значение коэффициента К при этом равно
Где:
0
ε - диэлектрическая постоянная;
2
d - ширина воздушного зазора между частью общего электрода и поверхностью плоского тела;
3
d - толщина плоского тела;
ПТ
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала плоского тела;
B
ε - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.
1
Т.к. коэффициент К в формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра двумерной области сокращается, характер зависимости (32) не влияет на реализацию назначения электроемкостного преобразователя.
В остальном, описание принципа действия электроемкостного преобразователя аналогично рассмотренному принципу действия варианта электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области тел из электропроводящего материала, обозначенного номером 1.1.
1.9 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих или диэлектрических тел, с деформируемым диэлектрическим слоем подложки
Формула изобретения по этому варианту включает в себя признаки, приведенные в независимом пункте п. 1 и зависимых пунктах пп. 11, 15 и п. 21 формулы. Пункт п. 11 характеризует конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 15 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме пластины с плоской поверхностью, пункт п. 21 - конструкцию деформируемого диэлектрического слоя и растягивающегося электрода.
Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 21. На фиг. 22 дополнительно показано твердое тело, которое может состоять из диэлектрического или электропроводящего материала и схема соединений общего электрода для пояснения принципа действия.
В этом варианте электроемкостный преобразователь 307 содержит деформируемый слой 308 диэлектрической подложки, который выполнен с возможностью упругой деформации по толщине в отдельных областях слоя. Деформируемый диэлектрический слой расположен поверх измерительных электродов 103. На наружной стороне слоя нанесен тонкий растягивающийся электрод 309, который подключен к общему электроду 106.
Принцип действия электроемкостного преобразователя заключатся в следующем.
К измерительной области диэлектрической подложки прикасаются телом 310 из диэлектрического или электропроводящего материала, которое под собственным весом или под действием внешней силы F деформирует слой 308 из диэлектрического материала 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 образованы измерительными электродами 103 измерительных частей и тонким растягивающимся электродом 309. При этом для величин емкостей электродов измерительных частей справедливы выражения (1) и (3). Коэффициент К1 в этом случае равен
Где:
4
d - толщина деформируемого диэлектрического слоя подложки в рамках области соприкосновения под действием внешней силы на тело;
ДП
ε - относительная диэлектрическая проницаемость деформируемого слоя подложки;
5
d - толщина деформируемого слоя диэлектрической подложки в отсутствие воздействия тела на подложку с измерительными электродами.
В остальном, описание принципа действия преобразователя аналогично рассмотренному принципу действия варианта электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала, обозначенного номером 1.1.
1
Т.к. коэффициент К в формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра тела двумерной области сокращается, характер зависимости (33) 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. Функция определения геометрического центра системой электродов, как показано в описании изобретения, учитывает веса участков двумерной области в области приближения тела. В связи с чем, тело, которое воздействует на деформируемый диэлектрический слой, может иметь поверхность произвольной формы.
Ниже приведено описание вариантов электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области, отличающихся конструкцией отдельных элементов преобразователя. Данные варианты могут использоваться в разных комбинациях в вариантах электроемкостных преобразователей, реализующих конкретное назначение. Варианты распространяются на электроемкостные преобразователи с одной измерительной областью, так и на электроемкостные преобразователи с множеством измерительных областей.
1.10 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с изоляцией измерительных электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 9 и п. 32 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 23.
Вариант характеризуется тем, что электроемкостный преобразователь 312 содержит изолирующий диэлектрический слой 111 из диэлектрического материала, расположенный на поверхности стороны диэлектрической подложки 102 с измерительными электродами 103. Причем изолирующий диэлектрический слой выполнен из твердого диэлектрического материала или диэлектрического материала допускающего упругую деформацию по толщине в отдельных областях. Изолирующий слой может быть выполнен из прозрачного материала.
Функция изолирующего слоя заключается в изоляции электродов от прямого соприкосновения с телом и защиты электродов от механических повреждений.
1
1
1
Для электроемкостного преобразователя для электропроводных тел, где используется диэлектрическая подложки в форме плоской пластины, в выражении (1) коэффициент пропорциональности К между электрической емкостью и площадью электродов соответствуют выражению (2). При этом, увеличение толщины изолирующего слоя подложки и соответственно коэффициента K практически не влияет на реализацию основного назначения электроемкостного преобразователя, т.к. коэффициент К в формулах (15), (25) и (26) для определения координат геометрического центра двумерной области сокращается. В любых других вариантах электроемкостного преобразователя наличие изолирующего слоя, независимо от его толщины, практически не препятствует реализации основного назначения электроемкостного преобразователя.
В связи с чем, изолирующий слой может быть относительно большой толщины и прочности. Дополнительное положительное свойство изолирующего слоя - снижение погрешности дискретизации. Если толщину изолирующего слоя выбрать в несколько раз больше ширины электродов, то электрическое поле от границы тела на уровне поверхности диэлектрической подложки с измерительными 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.
1.11 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением электродов на одной или нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 10 и п. 33 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 24.
В электроемкостных преобразователях группы изобретений используются измерительные электроды из электропроводящего материала с относительно малой толщиной, например, печатные электроды. Измерительные электроды расположены на наружной поверхности диэлектрической подложки или на поверхности ее слоя. С использованием варианта электроемкостного преобразователя 314 с расположением измерительных электродов на нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки, диэлектрическая подложка с измерительными электродами выполнена многослойной, при этом измерительные электроды 315 измерительных частей расположены на нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки. На фиг. 24 показано размещение электродов на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки. Дополнительный слой с электродами обозначен цифрой 316. Конструктивно измерительные электроды могут быть нанесены с помощью фотолитографии на один слой диэлектрической подложки с разных сторон слоя, например, на слой 316, или с одной из сторон отдельных слоев 316 и 317, которые наложены друг на друга и соединены между собой. При этом измерительные электроды, расположенные на разных поверхностях слоев подложки, изолированы друг от друга.
Вариант с расположением электродов на нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки может найти применения в случае необходимости пересечения измерительных электродов или их выводов на диэлектрической подложке. Например, такая конструкция диэлектрической подложки может использоваться в электроемкостном преобразователе с расположением измерительных областей с электродами в виде строк и столбцов.
1.12 Вариант электроемкостного преобразователя, с расположением общего электрода со стороны диэлектрической подложки, которая противоположна стороне с измерительными электродами
Вариант соответствует п. 11 и п. 34 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что общий электрод расположен со стороны диэлектрической подложки, которая противоположна стороне с измерительными электродами, причем общий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами.
Функция общего электрода заключается в выравнивании электрического поля, которое воздействует на измерительные электроды со стороны диэлектрической подложки, которая противоположна стороне с измерительными электродами. Дополнительно, общий электрод выполняет функции экранирования измерительных электродов от помех, а также функцию подключения к измерительной схеме электропроводящего тела.
Общий электрод может быть выполнен, например, в виде плоской пластины или в виде тонкого печатного электрода 106 (фиг. 1) на поверхности слоя диэлектрической оболочки, а также в виде других конструкций.
1.13 Вариант электроемкостного преобразователя, в котором часть общего электрода расположена со стороны диэлектрической подложки с измерительными электродами
Вариант соответствует п. 12 и п. 35 формулы изобретения.
В варианте (фиг. 19) дополнительная часть 304 общего электрода расположена со стороны диэлектрической подложки с измерительными электродами, причем часть общего электрода имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами. В этом случае функция общего электрода дополняется функцией формирования однородного электрического поля между измерительными электродами 103 и частью общего электрода 304. Общий электрод может быть выполнен, например, в виде плоской пластины, а также в виде других конструкций.
Общий электрод такой конструкции используется в варианте 1.8 электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра плоского тела из диэлектрического материала.
1.14 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с экранирующим электродом
Вариант соответствует п. 13 и п. 36 формулы изобретения.
Вариант электроемкостного преобразователя 320 с экранирующим электродом показан на фиг. 25. Экранирующий электрод 321 выполненный в виде электрода, расположенного со стороны диэлектрической подложки 102, которая противоположна стороне с измерительными электродами 103, причем экранирующий электрод имеет поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами. При этом общий электрод 322 выполнен в виде электропроводящих боковых конструкций. Под диэлектрической подложкой с экранирующим электродом расположены элементы 323 электронной схемы электроемкостного преобразователя. Экранирующий электрод соединен проводником 324 с электронной схемой.
Принцип действия экранирующего электрода следующий. В измерительной технике известен способ уменьшения «паразитной» емкости проводника измерительной цепи за счет изоляции экранирующего проводника и его подключения к источнику напряжения, возмущающего измерительную цепь. В этом случае потенциал на экранирующем проводнике синфазно изменяется с потенциалом в проводнике измерительной цепи, в результате уменьшается взаимная емкость. В данном случае, с помощью этого способа можно уменьшить пассивную емкость измерительных электродов. Для этой цели в вариант электремкостного преобразователя введен экранирующей электрод 321. В качестве аналого-цифрового преобразователя может быть использован преобразователь на основе измерения RC-параметров. При этом экранирующий электрод подключают к выводу источника возмущающего RC-цепь напряжения. Экранирующий электрод, дополнительно реализует функцию экранирования электродов от помех со стороны блока электроники и выравнивания электрического поля. Возмущающее напряжение подается на электрод 321 по проводнику 324 от схемы аналого-цифрового преобразователя. С введением экранирующего электрода, в качестве общего электрода могут быть использованы, например, электропроводящие конструкции 328 электроемкостного преобразователя, которые подключают к общей точке аналого-цифрового преобразователя емкость-цифровой код и общие электропроводящие слои электронной платы схемы. Конструкция экранирующего электрода имеет множество вариантов.
1.15 Варианты формы диэлектрической подложки
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области имеет множество вариантов формы диэлектрической подложки.
Общие признаки выполнения диэлектрической подложки приведены в зависимых пунктах формулы п. 14 и п. 37. В соответствие с этими признаками диэлектрическая подложка выполнена в форме тела, ограниченного с двух сторон двумя плоскими или двумя криволинейными поверхностями и имеющего практически постоянную толщину. Такое определение подложки допускает, что подложка, в частности, может быть выполнена в форме пластины, а также в форме оболочки, которая имеет криволинейную поверхность.
В варианте (п. 15 и п. 38. формулы изобретения) диэлектрическая подложка выполнена в форме пластины с плоской поверхностью. Диэлектрической подложки в форме пластины с плоской поверхностью использована для пояснения сущности изобретения практически для всех вариантов изобретения. Особенности электроемкостного преобразователя с применением других форм диэлектрической подложки приведены в вариантах 1.16 и 1.17.
В варианте (п. 16 и п. 39. формулы изобретения) диэлектрическая подложка выполнена в форме пластины с изогнутой поверхностью в форме части цилиндра. Особенности реализации назначения электроемкостного преобразователя с диэлектрической подложкой в форме изогнутой пластины описаны в варианте 1.16
Диэлектрическая подложка может быть выполнена в форме оболочки (п. 17 или п. 40 формулы изобретения). При этом измерительные электроды могут быть расположены как на вогнутой, так и на выпуклой поверхности оболочки.
В варианте изобретения (п. 18 и п. 41 формулы изобретения), поверхность оболочки имеет форму части поверхности сферы. Особенности реализации назначения электроемкостного преобразователя с диэлектрической подложкой в виде оболочки, имеющей сферическую поверхность, приведены в варианте 1.17.
1.16 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с диэлектрической подложкой, выполненной в форме пластины, поверхность которой является изогнутой
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 16 и п. 39 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме пластины с изогнутой поверхностью. Например, в форме поверхности цилиндра или ее части.
Вариант может найти применение для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел, в котором двумерная область в области соприкосновения образуется за счет деформации электропроводящего тела. В этом случае двумерная область принимает форму изогнутой поверхности диэлектрической подложки. При этом, для расположения электродов может быть выбрана как вогнутая, так и выпуклая цилиндрическая поверхность. На практике целесообразно использовать диэлектрическую подложку, которая выполнена в виде части полого цилиндра. Также, этот вариант можно использовать, когда необходимо сгибать диэлектрическую подложку по типу открытия или закрытия книжки или сворачивать ее в свиток.
Диэлектрическая подложка с цилиндрической поверхностью может быть получена путем изгибания подложки с плоской поверхностью по поверхности подложки с электродами. Координатная сетка системы координат измерительной области подложки, оси координат которой связаны с поверхностью диэлектрической подложки, при таком изгибании поверхности не деформируется. Поэтому с изгибом поверхности подложки не изменяются геометрическая форма, размеры и расположение фигур измерительных электродов. Следовательно, не меняются признаки формулы изобретения, которые определяют форму, размеры и относительное расположение измерительных электродов.
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 подложки с цилиндрической поверхностью необходимо применять формулу для цилиндрического конденсатора. Общий вид зависимостей между емкостью и площадью измерительных электродов (1) и (3) не изменяется, при этом выражение для вычисления коэффициента К для варианта электроемкостного преобразователя для электропроводящих тел имеет вид
Где:
0
ε - диэлектрическая постоянная;
1
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала слоя диэлектрической подложки, изолирующего измерительные электроды;
1
d - толщина изолирующего измерительные электроды диэлектрического слоя подложки;
1
R - радиус цилиндрической поверхности, на которой расположены измерительные электроды диэлектрической подложки.
В конечных формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра двумерной области этот коэффициент сокращается, поэтому выполнение диэлектрической подложки с цилиндрической поверхностью не влияет на реализацию основного назначения электроемкостного преобразователя, в соответствующей области применения.
В связи с тем, что координатная сетка при изгибе не меняется в варианте электроемкостного преобразователя можно использовать любую поверхность, полученную путем изгиба диэлектрической подложки.
1.17 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с диэлектрической подложкой, выполненной в форме оболочки, имеющей криволинейную поверхность, например, в форме части поверхности сферы
Вариант соответствует п. 17, п. 18, п. 40 и п. 41 формулы изобретения. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя пояснен на чертежах фиг. 26, фиг. 27, фиг. 28 и фиг. 29.
Сущность данного варианта изобретения заключается в том, что группы измерительных электродов и измерительные области групп представляют собой полосы с относительной небольшой шириной, по отношению к их длине. Если эти полосы проходят по геодезическим линиям на криволинейной поверхности и по касательной к поверхности, полосы практически не изгибаются в направлении ширины. Поэтому полосы с высокой степенью точности можно считать плоскими в направлении ширины. При этом изгиб полос в направлении длины не деформирует поверхность полос (см. вариант 1.16). Поэтому признаки изобретения, касающиеся конструкции групп измерительных электродов и измерительных областей групп, являются применимыми для данного варианта диэлектрической подложки.
Практический интерес представляют варианты криволинейной поверхности, имеющие простые формы, например форму части поверхности сферы, которая имеет поверхность с постоянным радиусом кривизны.
На фиг. 26 показана криволинейная поверхность измерительной области 326 диэлектрической подложки в форме сферического квадрата. Цифрой 327 обозначена поверхность сегмента сферы. Поверхность сферы имеет радиус кривизны r. Центр радиуса поверхности сферического квадрата расположен в нулевой точке прямоугольной системы координат X, Y, Z. Часть границы сферического квадрата между точками 1-2 образована сечением сферы с плоскостью, которая проходит через ось Х и отклонена на заданный угол относительно оси Y. Часть границы между точками 3-4 образована той же плоскостью, но повернутой на противоположный угол относительно оси Z.
1
2
Аналогичным образом, с помощью другой плоскости, проходящей через ось Y, определены границы сферического квадрата между точками 1-3 и 2-4. На фиг. 26 также показана точка n, которая соответствует пересечению сферы и двух плоскостей, которые отклонены на углы ϕ и ϕ относительно оси Z.
На фиг. 28 показана картографическая проекция сферического квадрата 326 на плоскость Х-Y. Особенностью этой проекции является то, что расстояния по осям X и Y не искажены. На фиг. 27 также показана координатная сетка 328, полученная поворотами плоскостей на одинаковые фиксированные углы. Если ширина сферического квадрата составляет π/2 радиан, 6 сферических квадратов можно сшить, с образованием полного покрытия всей сферы.
Каждая линия показанной координатной сетки является геодезической линией на поверхности сферического квадрата. Геодезические линии является аналогами прямых линий на криволинейной поверхности. Проходящие вдоль геодезической линии полосы измерительных областей групп электродов являются касательными к поверхности. Ввиду относительно малой ширины полос, измерительные области групп практически не деформированы искривлением поверхности сферы в направлении ширины, и эти полосы можно считать плоскими, с изогнутой в направлении длины поверхностью, как в варианте 1.16 электроемкостного преобразователя. На фиг. 27 показана одна из множества измерительных областей 329 групп электродов, которая проходит вдоль геодезической линии а-в.
Следует отметить, расстояния между линиями координатной сетки в углах сферического квадрата немного уменьшаются с приближением к углам, что создает погрешность в определении геометрического центра. Эту погрешность относится к погрешности аппроксимации криволинейной поверхности плоскими фигурами. Погрешность аппроксимации можно существенно уменьшить, уменьшая размер измерительной области. Например, квадрат 326 можно разбить на четыре равных сферических квадрата 330, как показано на фиг. 28. Такая разбивка получается поворотом осей системы координат для каждого сферического квадрата на соответствующий угол и уменьшения размера квадрата. Каждый сферический квадрат в данном изобретении рассматривается как одна измерительная область из числа множества измерительных областей, границы которых расположены практически без промежутков друг к другу. Для каждой измерительной области 330 определена соответствующая локальная система координат 331, которая, в данном случае, совпадает с системой координат сферического квадрата. Электроемкостный преобразователь для определения геометрического центра двумерной области, как показано в описании изобретения, способен определить геометрический центр двумерной области на основе данных измерений координат геометрических центров во множестве измерительных областей, составляющих систему.
На фиг. 29 показана разбивка измерительной области 326 на плоски, которые обладают относительно небольшой величиной деформации поверхности (напоминающие плоски кожи, из которых сшит волейбольный мяч). На фиг. 29 показана измерительная область 332 электроемкостного преобразователя в виде полоски, локальная система координат 333 измерительной области и измерительная область 334 группы электродов. На практике, поверхность любой формы можно аппроксимировать с использованием множеств фигур разных форм и размеров. Для аппроксимации поверхности в дополнение к квадратам используют треугольники, шестиугольники и другие фигуры в разных комбинациях, которые располагают на поверхности в виде мозаики. На отдельных участках поверхности с высокой степенью кривизны, с целью уменьшения погрешности аппроксимации, можно использовать фигуры для измерительных областей с относительно небольшими размерами. При этом погрешность определения геометрического центра двумерной области с криволинейной поверхностью можно уменьшить практически до любой заданной величины.
Таким образом, реализация назначения варианта электроемкостного преобразователя с использованием диэлектрической подложки в виде оболочки, имеющей криволинейную поверхность, считается доказанной.
1.18 Вариант электроемкостного преобразователя, в котором диэлектрическая подложка содержит один или несколько слоев
Вариант соответствует п. 19 и п. 42 формулы изобретения.
На отдельных слоях диэлектрической оболочки могут быть размещены измерительные электроды в случае необходимости их взаимного пересечения. Дополнительно, могут размещаться части общего электрода, экранирующий электрод, защитные, изолирующие слои и слои другого назначения.
1.19 Вариант электроемкостного преобразователя, в котором диэлектрическая подложка выполнена с возможностью упругой деформации по толщине отдельных слоев
Вариант соответствует п. 20 и п. 43 формулы изобретения.
Вариант может использоваться в случае необходимости определения геометрического центра двумерной области для тел, с деформацией слоев пластины или оболочки. Вариант основан на свойстве системы электродов учитывать веса участков двумерной области при деформации слоев.
1.20 Электроемкостный преобразователь, в котором диэлектрическая подложка содержит деформируемый диэлектрический слой, который расположен поверх слоя с измерительными электродам и растягивающийся электрод, который расположен поверх деформируемого слоя
Вариант соответствует п. 21 и п. 44 формулы изобретения. Вариант используется в электроемкостном преобразователе для определения координат геометрического центра диэлектрических и электропроводящих тел (см. вариант 1.9).
1.21 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что диэлектрическая подложка и расположенные на ней электроды выполнены практически прозрачными
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 22 и п. 45 формулы изобретения.
Вариант характеризуется тем, что изолирующий слой, диэлектрическая подложка и электроды выполнены практически прозрачными. В этом варианте диэлектрическая подложка и изолирующий слой, например, могут быть изготовлены из стекла, а электроды из оксида индия - олова.
Прозрачность электродов может быть обеспечена не только за счет использования практически прозрачного проводника. В варианте, группы измерительных электродов могут быть выполнены относительно небольшой ширины из непрозрачного электропроводящего материала и расположены с относительно большими промежутками друг относительно друга. Общий электрод может быть выполнен из круглых проводников малого сечения, которые расположены с относительно большими промежутками друга относительно друга и перпендикулярно группам измерительных электродов. Такое выполнение электродов обеспечивает их практическую прозрачность.
1.22 Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области
В электроемкостном преобразователе для определения координат геометрического центра двумерной области в формуле изобретения по п. 1 можно исключить конструктивные признаки, относящиеся к системе измерительных электродов, диэлектрической подложке и общему электроду, и заменить эти признаки функциональным признаком. Также возможно обобщить признаки вариантов, в которых система измерительных электродов измерительной области выполнена с использованием разного количества измерительных частей.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использование обобщения вариантов и функционального признака соответствует п. 23 формулы изобретения.
Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки формулы изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую подложку, общий электрод и измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области и образуют систему измерительных электродов, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из которых электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных электродов совместно с диэлектрической подложкой и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат, 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 измерительных частей измерительной области электроемкостного преобразователя.
Признак формулы изобретения «измерительные электроды расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области и образуют систему измерительных электродов, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из которых электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу» объединяет варианты электроемкостного преобразователя 1.4, 1.5, 1.6 и 2.3 в которых имеются три измерительные части, в вариантах 1.3, 2.2 - четыре измерительные части, в варианте 2.4 - шесть и восемь измерительных частей. Измерительные части характеризуются тем, что измерительные электроды каждой из измерительных частей соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом нет принципиальных ограничений в увеличении количества измерительных частей свыше восьми, в одной измерительной области. Следует отметить, что увеличение количества измерительных частей свыше восьми нерационально, т.к. увеличивается количество выводов.
Функциональный признак «система измерительных электродов совместно с диэлектрической подложкой и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат измерительной области» заменяет конструктивные признаки системы измерительных электродов, диэлектрической подложки и общего электрода, приведенные в п. 1 формулы изобретения электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области. Такая замена допустима в связи с тем, что реализация функции, приведенной в признаке формулы изобретения, доказана.
1.23 Особенности реализации назначения электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области
Анализ конструкции системы электродов электроемкосного преобразователя показывает, что система измерительных электродов в общем случае реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области с учетом весов участков двумерной области. Определение координат геометрического центра двумерной области с помощью прикосновения является частным случаем общего способа определения координат геометрического центра двумерной области при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области.
Как показано на фиг. 30 и фиг. 31, в случае приближения электропроводящего тела 337 (электропроводящего шара) к поверхности измерительной области 110 на поверхности измерительной области образуется двумерная область 338 приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области. Двумерная область 338 приближения образуется в области сгущения силовых линий 336 электрического поля, которые распространяются между поверхностью общей измерительной области с измерительными электродами и шаром. Максимальное сгущение силовых линий формируется в местах двумерной области, которые, приближены на минимальное расстояние к поверхности тела. На фиг. 30 и фиг. 31 дополнительно показаны изолинии 339 одинаковой напряженности электрического поля 336 и геометрический центр 341 двумерной области. Нормаль от геометрического центра двумерной области при соприкосновении с поверхностью электропроводящего тела 337 образует точку, которая приблизительно соответствует геометрическому центру части двумерной поверхности тела, обращенной в сторону поверхности измерительной области.
Для математических выкладок поверхность измерительной области условно разобьем на множество квадратных участков 340 одинаковой площади. Величину площади каждого участка выберем такой величины малости, чтобы с заданной точностью можно принять веса точек в границах участка одинаковыми по всей поверхности участка. При этом веса участков пропорциональны электрической емкости соответствующих участков измерительных электродов измерительной области. В области сгущений силовых линий, где поверхность шара приближена на минимальное расстояние, избыточная электрическая емкость участков и их веса являются максимальными. Поэтому эта часть двумерной области приближения является доминирующей для нахождения координат геометрического центра. С другой стороны, в частях двумерной области, которые удалены от поверхности шара, избыточная емкость участков снижается, соответственно снижаются веса этих участков. Поэтому эти части не оказывают большого влияния на координаты геометрического центра и ими можно пренебречь. В связи с этим можно условно ограничить двумерную область приближения.
В данном варианте изобретения, используется величина, которая является обратной величиной расстояния и условно обозначена как приближение. Эта величина увеличивается в случае приближения. Для того чтобы учесть величину приближения электропроводящего тела к участкам поверхности измерительной области с электродами введем для участков поверхности весовые коэффициенты.
Где:
- весовой коэффициент, учитывающий относительную величину приближения электропроводящего тела к участку поверхности двумерной области;
- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью участка
и площадью электродов участка двумерной области с номером i;
- коэффициент пропорциональности между средней электрической емкостью участков и средней площадью участков двумерной области.
Где:
- величина избыточной электрической емкости электродов участка двумерной области с номером i;
- площадь электродов участка двумерной области с номером i;
- среднеарифметическая величина избыточной электрической емкости электродов участков двумерной области;
- среднеарифметическая величина площади электродов участков двумерной области;
- обратная величина расстояния между участком двумерной области и поверхностью электропроводящего тела;
- средняя величина обратной величины расстояния между участками поверхности двумерной области и поверхностью электропроводящего тела;
0
ε - диэлектрическая постоянная;
B
ε - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.
Для определения координат геометрического центра двумерной области по осям Y1 и Y2 с введение весовых коэффициентов справедливы следующие выражения
Где:
Y1
G - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества измерительных электродов в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y1 участка двумерной области под номером i;
- сумма избыточных емкостей электродов первой и второй измерительных частей первого множества электродов для участка с номером i;
Y2
G - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;
- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y2 участка двумерной области под номером i;
- сумма избыточных емкостей электродов первой и второй измерительных частей второго множества электродов для участка с номером i.
В правых частях выражений (38) и (39) площади электродов участков  сокращаются, сумма средних величин  по всей двумерной области заменена на равную этой сумме величину избыточной емкости суммы электродов первой и второй измерительной части соответствующего множества электродов, величина емкости участка  заменена на сумму избыточных емкостей электродов первой и второй измерительных частей соответствующего множества, в границах соответствующего участка с номером i.
После подстановки правых частей выражений (25) и (26) для координат геометрического центра для участка двумерной области под номером i взамен  и  в соответствующие выражения (38) и (39) получим выражения для вычисления координат геометрического центра всей двумерной области, идентичные выражениям (25) и (26). Поэтому введение весовых коэффициентов не меняет вид формул (25) и (26) для вычислений координат геометрического центра. Выражения (25) и (26) используется для вычисления координат геометрических центров двумерной области для всех систем электродов в рамках данного изобретения. Поэтому, в случае введения весовых коэффициентов  для вычисления координат геометрического центра двумерной области, вид формул для вычисления координат геометрических центров для всех вариантов электроемкостного преобразователя не меняется. В связи этим, электроемкостный преобразователь в общем случае выполняет функцию определения координат геометрического центра двумерной области с учетом весовых коэффициентов участков двумерной области, которые приблизительно пропорциональны относительной величине приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области. При этом весовые коэффициенты имеют величину больше единицы в границе двумерной области, которая в наибольшей степени приближена к поверхности электропроводящего тела и меньше единицы в части двумерной области с наименьшим приближением. В случае если для всех участков двумерной области соблюдается равенство  весовой коэффициент равен 1.
2. 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. 24 формулы изобретения. Варианты конструкции электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 32-41.
Назначение электроемкостного преобразователя заключается в определении координат геометрического центра двумерной области и в обеспечении возможности определения геометрических центров нескольких двумерных областей.
Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, содержащий диэлектрическую подложку, общий электрод и расположенное на диэлектрической подложке множество измерительных областей. Форма, размеры и расположение измерительных областей заданы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической подложки. Каждая из измерительных областей содержит измерительные электроды, которые расположены на диэлектрической подложке в границе соответствующей измерительной области и образуют систему измерительных электродов измерительной области. Система измерительных электродов измерительной области содержит два множества измерительных электродов. 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 измерительных электродов расположены на диэлектрической подложке с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей, в каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении. Для каждой измерительной части измерительной области измерительные электроды соединены между собой и подключены к соответствующему электрическому выводу в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Выводы измерительных частей 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 подложки. Такое расположение напоминает расположение измерительных областей в виде элементов мозаики. Заданные промежутки между измерительными областями необходимы для размещения соединительных проводников. С промежутками связана погрешность в определении координат геометрического центра двумерной области, которая относится к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы измерительной области, поэтому ширину промежутков необходимо выбирать минимально возможной. Промежутки между измерительными областями могут иметь постоянную ширину, например, с целью повышения симметрии расположения измерительных областей.
Возможен вариант, в котором соединительные проводники и выводы размещены внутри измерительных областей групп измерительных электродов. В этом случае границы измерительных областей расположены с промежутками практически нулевой величины. Вариант соответствует п. 30 формулы изобретения.
Расположенные в промежутках между измерительными областями групп измерительных электродов или в пространстве измерительных областей групп соединительные проводники также могут быть источником погрешности. Эту погрешность можно уменьшить различными методами. Например, путем размещения в промежутках дополнительных компенсационных проводников.
Электроемкостный преобразователь с использование множества измерительных областей имеет следующие преимущества в сравнении с электроемкостным преобразователем с одной измерительной областью.
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 большой величиной пассивной электрической емкости измерительных электродов измерительной области, которая шунтирует избыточную емкость от тела. Дополнительно, применение распределенных по всей измерительной области диэлектрической подложки электродов снижает чувствительность преобразования, т.к. для определения геометрического центра необходимо использовать общую для всей диэлектрической подложки 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 подложке множества измерительных областей. При этом для каждой двумерной области имеется возможность определить геометрический центр с использованием группы измерительных областей. В этом случае используется электроды с минимальной площадью, что уменьшает величину их пассивной емкости. В связи с тем, что для каждой измерительной области используется своя локальная система координат, в этих областях имеется возможность выполнить систему электродов с увеличенной чувствительностью преобразования. При этом высокая точность сохранятся при определении координат двумерной области с применением группы измерительных областей. Применение множества измерительных областей существенно повышает точность определения геометрического центра двумерной области при расположении измерительных электродов на криволинейной поверхности диэлектрической подложки, т.к. множество измерительных областей, каждая из которых имеет относительно небольшой размер, более точно учитывает детали рельефа двумерной области.
В варианте 2.1 описан электроемкостный преобразователь, измерительная область которого содержит три измерительные части и, соответственно, три электрических вывода. В вариантах 2.2 и 2.3, приведены примеры реализации электроемкостного преобразователя с измерительными областями в виде прямоугольников и шестиугольников. В варианте 2.4 использованы измерительные области, распложенные на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки в виде строк и столбцов.
С целью обеспечения использования в разных условиях применения, электроемкостный преобразователь данной разновидности может быть выполнен в нескольких вариантах, отличающихся конструкцией диэлектрической подложки и общего электрода по вариантам 1.8-1.21. Ниже описана сущность нескольких таких вариантов.
2.1 Вариант электроемкостного преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, с тремя выводами от системы измерительных электродов измерительной области, содержащей три измерительные части
Вариант соответствует п. 26 формулы изобретения и характеризуется следующими признаками.
Электроемкостный преобразователь, отличающийся тем, что в системе электродов измерительной области состоящей из четырех измерительных частей, измерительные электроды любых двух измерительных частей разных множеств электрически соединены между собой или любая одна измерительная часть исключена, образуя новую систему, состоящую из трех измерительных частей, в каждой из измерительных частей которой измерительные электроды соединены между собой и имеют соответствующий электрический вывод от измерительных электродов измерительной части.
Данная система измерительных электродов получается с использованием вариантов схем соединений измерительных электродов и подключением выводов, описанных в вариантах 1.4, 1.5, 1.6 и соответствующих пунктах п. 5, п. 6 и п. 7 формулы изобретения.
2.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 27 формулы изобретения. На фиг. 32 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 33 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 подложке 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 подложку 402 на которой расположены множество измерительных областей 410 в форме геометрических фигур прямоугольников. Измерительные области расположены на диэлектрической подложке с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области диэлектрической подложки 404.
В данном варианте электроемкостного преобразователя использована система измерительных электродов с четырьмя выводами от измерительной области, описанная в варианте 1.3 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 может быть осуществлено путем соответствующего расположения множеств измерительных электродов относительно измерительной области и относительно друг друга. На фиг. 33 локальные системы координат первого и второго множеств измерительных электродов обозначены цифрами 416 и 417, соответственно. Локальная система координат измерительной области обозначена цифрой 408.
Измерительные электроды и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки 402. Схема соединений электродов может быть применена для любого количества электродов без пересечения электродов и выводов, с максимальным количеством проводников 409, проходящих вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем. Выводы системы электродов каждой измерительной области на фиг. 32 и фиг. 33 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границы диэлектрической подложки в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов 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 поверхность общей измерительной области диэлектрической подложки помещают тело, которое образует с поверхностью двумерную область соприкосновения. 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 общей измерительной области и вычисляют координаты геометрического центра двумерной области в этой системе координат, на основе следующих формул.
Где:
Y
G - величина координаты по оси Y геометрического центра двумерной области тела в системе координат общей измерительной области;
- величина координаты по оси Y геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером i в системе координат общей измерительной области;
- площадь электродов измерительной области с номером i, в той части, где измерительная область пересекается с двумерной областью тела;
-суммарная величина избыточной электрической емкости электродов измерительных частей измерительной области с номером i;
X
G - величина координаты по оси X геометрического центра двумерной области тела в системе координат общей измерительной области;
- величина координаты по оси X геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером i.
Значение  емкости суммарной величины избыточной электрической емкости электродов измерительных частей измерительной области с номером i связано с величиной площади  пересечения электродов каждой измерительной области с двумерной областью тела выражением, аналогичным выражению (1) или (3)
Где:
1
К - коэффициент пропорциональности между электрической емкостью и площадью электродов.
Для системы электродов измерительной области состоящей из четырех измерительных частей величина  равна
Где:
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной частей первого множества соответственно, для измерительной области с номером i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной частей второго множества соответственно, для измерительной области с номером i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером i.
1
1
Коэффициент пропорциональности К между электрической емкостью и площадью электродов может быть найден по формуле (2) для плоской диэлектрической подложки, или по формуле (34) для диэлектрической подложки изогнутой в форме части цилиндра. При вычислении геометрического центра по формулам (40) и (41) этот коэффициент К сокращается, поэтому использование вариантов диэлектрической подложки не оказывает влияния на реализацию назначения электроемкостного преобразователя. В связи с тем, что группы измерительных электродов, из которых состоит измерительная часть измерительной области, имеют постоянную ширину и содержат заданное количество однообразных измерительных групп электродов, расположенных в границах измерительных областей групп электродов, площадь измерительной области пропорциональна площади измерительных электродов измерительной области. В выражениях (40) и (41) коэффициент пропорциональности также сокращается. Поэтому, в формулах (40) и (41) использована площадь электродов измерительной области в области их пересечения с измерительной областью, взамен площади поверхности измерительной области в области пересечения измерительной области с двумерной областью.
Для определения геометрического центра одной двумерной области вычисление геометрического центра может осуществляться путем нахождения сумм в числителе и знаменателе в выражениях (40) и (41) по всем измерительным областям общей измерительной области диэлектрической подложки. 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 величинах  суммарной избыточной емкости измерительных частей электродов измерительной области находят измерительные области с величиной избыточной емкости больше заданной пороговой величины. Эти измерительные области считают полностью или частично покрытыми двумерной областью тела. Из числа этих областей выделяют группу измерительных областей, связанных между собой границами. Затем, вычисляют координаты общего геометрического центра двумерной области для связанных измерительных областей по формулам (40), (41) с включением в суммы только измерительных областей входящих в группу измерительных областей.
Для определения геометрических центров двумерных областей нескольких тел, тела размещают на измерительной поверхности диэлектрической подложки с промежутками. Ширину промежутков выбирают больше, чем максимальные размеры измерительных областей. В этом случае имеется возможность выделить несколько групп измерительных областей, которые покрывают двумерные области разных тел. Для этих групп, с использованием выражений (40), (41), определяют геометрические центры двумерных областей по отдельности. На основе координат геометрических центров отдельных измерительных областей каждой группы определяют координаты геометрического центра двумерной области.
Разделение измерительных областей на группы может быть выполнено путем нахождения границ групп измерительных областей по замкнутым цепочкам измерительных областей, окружающих группы измерительных областей, избыточная емкость которых ниже заданного порога.
Возможен алгоритм вычисления геометрических центров двумерных областей нескольких тел, имеющих двумерные области в форме кругов приблизительно одинаковых размеров, которые могут быть расположены на измерительной поверхности диэлектрической подложки 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 диэлектрической подложки, 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.
2.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 28 формулы изобретения. На фиг. 34 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 35 приведена система измерительных электродов и схема соединений и подключений электродов 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 2.3 отличается от варианта 2.2 тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в виде регулярной структуры из строк и столбцов. В дополнение к этому, в варианте использована система электродов с тремя выводами от измерительных частей по варианту 1.4. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя аналогичен варианту 2.2.
В сравнении с вариантом 2.2, в этом варианте использована система измерительных электродов с тремя выводами от измерительных частей, в результате чего уменьшается количество выводов от измерительных областей, что позволяет уменьшить промежутки между измерительными областями, уменьшить количество проводников в шлейфах и количество каналов преобразования «емкость - цифровой код» в микроконтроллере.
2.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки в виде матрицы
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 29 формулы изобретения. На фиг. 36 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической подложке. На фиг. 37 и фиг. 38 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов, со схемами соединений и подключений электродов.
Вариант электроемкостного преобразователя характеризуется следующими признаками изобретения.
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 подложки, причем расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической подложки измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, образующих строки, а на другой поверхности диэлектрической подложки 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 подложки не пересекают друг друга, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области.
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 подложки не затеняют друг друга. Поэтому, измерительные области, расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической подложки можно рассматривать как вариант системы измерительных областей электроемкостного преобразователя, описанного в варианте 2.2.
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, 2.2, 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. 41, где измерительная область диэлектрической подложки, 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.
На фиг. 39 и фиг. 40 показан вариант электроемкостного преобразователя с тремя выводами от каждой измерительной области. На фиг. 39 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк, на фиг. 40 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей столбцов, со схемами соединений и подключений электродов.
В варианте электроемкостного преобразователя использована система измерительных электродов измерительной области с тремя выводами, по варианту 1.4. Преимуществом варианта является уменьшение общего количества выводов от измерительных областей и уменьшение ширины промежутков между измерительными областями.
2.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, в котором промежутки между измерительными областями заданы нулевой величины
Вариант электроемкстного преобразователя соответствует п. 30. Вариант характеризуется тем, что промежутки между измерительными областями заданы нулевой величины, при этом соединительные проводники для соединения измерительных электродов измерительных частей и выводы измерительных частей расположены в границах измерительных областей групп измерительных электродов.
2.6 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. 31 формулы изобретения. Вариант показан на фиг. 41.
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 с 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.
2.7 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 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. 46 формулы изобретения. Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки формулы изобретения.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, содержащий диэлектрическую подложку, общий электрод и 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 подложки. Каждая из измерительных областей содержит измерительные электроды, которые расположены на диэлектрической подложке в границе соответствующей измерительной области и образуют систему электродов измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части. Измерительные электроды в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом система измерительных электродов каждой измерительной области совместно с диэлектрической подложкой и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области. Выводы измерительных частей 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 измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей электроемкостного преобразователя.
2.8 Особенности реализации назначения электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области, для электроемкостного преобразователя с множеством измерительных областей
Для вычисления координат геометрического центра двумерной области приближения можно воспользоваться выражениями с введением весовых коэффициентов для каждой измерительной области, по аналогии с выражениями (35), (36), (37). Для того чтобы учесть величину приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области с электродами введем для группы измерительных областей, которые составляют двумерную область приближения, следующие весовые коэффициенты.
Где:
- весовой коэффициент, учитывающий относительную величину приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области, для измерительной области с номером i;
- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью электродов измерительной области и площадью измерительной области под номером i;
- коэффициент пропорциональности между средней избыточной электрической емкостью электродов группы измерительных областей и средней площадью электродов группы измерительных областей.
Где:
- величина избыточной электрической емкости электродов двумерной области с номером i;
- площадь электродов измерительной области с номером i;
- среднеарифметическая величина избыточных электрических емкостей электродов группы измерительных областей;
- среднеарифметическая величина площадей электродов группы измерительных областей;
- средняя величина обратной величины расстояния между поверхностью двумерной измерительной области с номером i, входящей в группу измерительных областей, и поверхностью электропроводящего тела;
- средняя величина обратной величины расстояния между поверхностью группы измерительных областей и поверхностью электропроводящего тела;
0
ε - диэлектрическая постоянная;
B
ε - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.
Для определения координат геометрического центра двумерной области по осям Y и X воспользуемся следующими выражениями
Где:
Y
G - координата по оси X геометрического центра двумерной области приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя.
X
G - координата по оси X геометрического центра двумерной области приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя.
В результате подстановки весовых коэффициентов  определенных в соответствии с выражениями (44), (45) и (46), в правых частях выражений (47) и (48) площади  сокращаются. При этом правые части выражений (47) и (48) и выражений (40) и (41), в которых координаты геометрического цента выражены через емкости измерительных электродов, получаются соответственно одинаковыми.
В отличие от выражений (40) и (41) предназначенных для случая вычисления координат геометрического центра двумерной области при прикосновении электропроводящего тела к поверхности измерительной области в выражениях (47) и (48) используется полные площади измерительных областей входящих в группу измерительных областей, которая образует двумерную область. При этом для каждой измерительной области введены весовые коэффициенты, которые учитывают соотношение между электрической емкостью и площадью измерительной области, как в случае приближения, так и в случае прикосновения электропроводящего тела с поверхностью измерительной области электроемкостного преобразователя.
В связи с этим, система электродов электроемкостного преобразователя с использованием множества измерительных областей реализует функцию определения координат геометрического центра одной или нескольких двумерных областей с учетом весовых коэффициентов, которые учитывают величину приближения участков поверхности электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя. В результате, с помощью электроемкостного преобразователя обеспечивается реализация определения координат одного или нескольких геометрических центров двумерных областей сформированных с помощью соприкосновений и приближений электропроводящих тел.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 и фиг. 2 - электромкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области. На фиг. 1 приведен вид на диэлектрическую подложку сбоку. На фигуре показана конструкция диэлектрической подложки в форме плоской пластины, изолирующий слой, измерительные электроды и общий электрод. На фиг. 2 приведен вид спереди на диэлектрическую подложку со стороны измерительных электродов. Показаны форма и расположение измерительных электродов, расположение измерительной области, а также локальные системы координат множеств измерительных электродов и система координат измерительной области электроемкостного преобразователя.
Фиг. 3 и фиг. 4 - чертежи для пояснения принципа действия варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала. На фиг. 3 показан электроемкостный преобразователь с расположенным на поверхности измерительной области электропроводящим телом. Чертеж на фиг. 4 предназначен для пояснения математических выкладок, для доказательства реализации назначения электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области.
Фиг. 5 и фиг. 6 - чертежи конструкции измерительных электродов в виде наклоненных трапеций, с обрезкой и удлинением трапеций в границе заданной измерительной области на диэлектрической подложке, для пояснения конструкции измерительных электродов.
Фиг. 7 и фиг. 8 - 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. 7 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 8 приведены эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке.
Фиг. 9 - электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от измерительных частей со схемой соединения электродов и подключения выводов.
Фиг. 10 и фиг. 11 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов 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 измерительных электродов. На фиг. 10 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 11 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.
Фиг. 12, фиг. 13 и фиг. 14 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением измерительных электродов одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества измерительных электродов. На фиг. 12 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 13 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 14 приведены измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.
Фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17 - вариант 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. 15 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 16 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 17 приведены измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.
Фиг. 18 - на фигуре показан вариант электроемкостного преобразователя с микроконтроллером для формирования выходных сигналов координат геометрического центра двумерной области в виде цифрового кода.
Фиг. 19 и фиг. 20 - вариант для определения координат геометрического центра двумерной области для плоского тела из однородного диэлектрического материала. На фиг. 19 приведена конструкция диэлектрической подложки и общего электрода. На фиг. 20 дополнительно показано плоское тело из однородного диэлектрического материала, для пояснения принципа действия.
Фиг. 21 и фиг. 22 - вариант для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих или диэлектрических тел, с деформируемым диэлектрическим слоем подложки. На фиг. 21 показана конструкция диэлектрической подложки, деформируемого диэлектрического слоя и растягивающегося электрода. На фиг. 22 дополнительно показано твердое тело для пояснения принципа действия.
Фиг. 23 - вариант выполнения диэлектрической подложке с изолирующим диэлектрическим слоем.
Фиг. 24 - вариант выполнения диэлектрической подложке с расположением электродов на двух слоях диэлектрической подложки.
Фиг. 25 - вариант электроемкостного преобразователя с экранирующим электродом.
Фиг. 26, фиг. 27, фиг. 28 и фиг. 29 - на фигурах показаны особенности измерительной области с криволинейной поверхностью, для пояснения принципа действия варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с диэлектрической подложкой, выполненной в форме оболочки, имеющей поверхность части поверхности сферы.
Фиг. 30 и фиг. 31 - фигуры предназначены для пояснения реализации назначения электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области, полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя. На фиг. 30 показан электроемкоснный преобразователь и электропроводяще тело, которое приближено к измерительной области электромкостного преобразователя, но не прикасается к этой поверхности. На фиг. 31 показана двумерная область, образованная приближением к измерительной области электропроводящего тела.
Фиг. 32 и фиг. 33 - 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. 32 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 33 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Фиг. 34 и фиг. 35 - 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. 34 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 35 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.
Фиг. 36, фиг. 37 и фиг. 38 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки в виде матрицы. На фиг. 36 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической подложке и их выводов. На фиг. 37 и фиг. 38 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов со схемами соединений и подключений.
На фиг. 39 и фиг. 40 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 подложки в виде строк и столбцов и тремя выводами от измерительной области.
На фиг. 41 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 разновидностей и вариантов электроемкостного преобразователя, 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 координат геометрического центра двумерной области
Осуществление изобретения раскрыто на примере варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, для тел из электропроводящего материала. Формула изобретения по этому варианту включает в себя признаки, приведенные в независимом пункте п. 1 и зависимых пунктах пп. 3, 4, 9, 11 и 15 формулы. Пункт п. 3 характеризует конструкцию измерительных электродов в виде трапеций, пункт п. 4 - схему соединения электродов и подключения выводов, пункт п. 9 - конструкцию и расположение общего изолирующего слоя диэлектрической подложки, пункт п. 11 - конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 15 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме плоской диэлектрической пластины. Описание принципа действия электромкостного преобразователя приведено в варианте 1.1. Особенности конструкции системы электродов и схемы соединения электродов и подключения выводов приведены в вариантах 1.3 и 1.4 в разделе «сущность изобретения».
Конструкция диэлектрической подложки и общего электрода электроемкостного преобразователя показана на фиг. 1, на виде сбоку. На фиг. 7 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 8 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 9 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области и схема соединений электродов и подключений выводов.
На фиг. 1 показаны основные элементы конструкции варианта электроемкостного преобразователя 101 для определения геометрического центра двумерной области для электропроводящего тела. Для размещения измерительных электродов 103 использована диэлектрическая подложка 102, которая выполнена в виде диэлектрической пластины с плоской поверхностью. Для изоляции электродов предусмотрен изолирующий слой 111, расположенный поверх электродов 103. Общий 106 электрод расположен на стороне диэлектрической подложки, которая противоположна стороне с электродами.
Система измерительных электродов электроемкостного преобразователя показана на фиг. 9. Относительные размеры измерительных электродов искажены. Измерительные электроды расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области 110, форма, размеры и расположение которой заданы. Измерительная область 110 содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 202, второй измерительной части первого множества цифрой 203, первой измерительной части второго множества цифрой 204, второй измерительной части второго множества цифрой 205. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат. Система координат первого множества обозначена цифрой 216, система координат второго множества цифрой 217. Причем ось ординат Y1 системы координат 216 измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат Y2 системы координат 217 измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов, при этом группы измерительных электродов расположены на диэлектрической подложке в границах измерительных областей групп 214 и 215. Первая группа первого множества обозначена номером 212. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат.
Для любого отдельно взятого множества измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией 133 (см. фиг. 7) вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении.
В варианте изобретения конкретная конструкция системы измерительных электродов определена методом графических построений. Эта система полностью соответствует признакам, которые заданы в п. 1 формулы изобретения.
Измерительные электроды первой и второй измерительных частей первого и второго множеств выполнены в форме трапеций. Измерительные электроды совместно с соединительными проводниками и выводами расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки.
На фиг. 5 приведена исходная группа 212 измерительных электродов. Трапеции группы измерительных электродов 212 могут быть выполнены с наклоном на заданный угол относительно оси ординат Y системы координат 216 первого множества, путем сдвига верхних оснований трапеций вдоль оси абсцисс, как показано в правой части фиг. 5. При этом, как показано в разделе сущность изобретения, наклоненные измерительные электроды группы для цели определения координаты двумерной области по одной оси эквивалентны не наклоненным измерительным электродам. На фиг. 6 приведен пример обрезки и удлинения группы измерительных электродов, при котором целевая функция электроемкостного преобразователя также не меняется.
1
2
1
Как показано на фиг. 7, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 216 первого множества измерительных электродов, выполнены с наклоном на первый заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат 216 первого множества. Для групп электродов 219 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 217 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол ϕ по отношению к оси ординат системы координат второго множества, не равный первому углу ϕ.
На фиг. 8 группы измерительных электродов первого и второго множеств, показанные на фиг. 7, наложены на диэлектрическую подложку в области границы измерительной области 110, с чередованием. При этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Точка 221 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 216 и 217 первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области 110.
На фиг. 9 показано, что эти измерительные электроды расположены в границе измерительной области 110, при этом части геометрических фигур электродов, которые выступают за пределы измерительной области, обрезаны по границе измерительной области 110. Геометрические фигуры электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области.
На фиг. 9 дополнительно показана локальная система координат 220 измерительной области 110, начало которой совпадает с геометрическим центром измерительной области 110 и с точкой 221 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 216 и 217 множеств измерительных электродов.
Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений электродов и подключений выводов. Схема соединений и подключений выводов имеет несколько вариантов. Особенности вариантов схемы соединений и подключений приведены в описании вариантов 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6 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».
1.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 4 формулы изобретения. Для этого варианта на фиг. 9 показана конструкция и расположение измерительных электродов первого и второго множеств и схема соединений электродов и подключений выводов. Описание конструкции системы измерительных электродов варианта приведено в описании варианта 1.2, дальнейшим развитием которого является вариант 1.3.
Вариант 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 206, измерительные электроды второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 207, измерительные электроды первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 208, измерительные электроды второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 209, дополнительный вывод 211 подключен к общему электроду.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании под номерами 1, 1.1, 1.2 и 1.3.
1.4 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 измерительных электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 5 формулы изобретения. Для этого варианта форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности, аналогично варианту 1.3, показанному на фиг. 7. На фиг. 10 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке, с обозначением границы измерительной области. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 232, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 233, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 234, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 235. На фиг. 11 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, и схема соединений электродов и подключений выводов.
Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 231 по варианту 1.4 отличается тем, что измерительные электроды 233 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и с электродами 234 первой измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу 237. Измерительные электроды 232 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 236, измерительные электроды 235 второй измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 238, дополнительный вывод 211 подключен к общему электроду. В варианте электроемкостного преобразователя, как показано на фиг. 10, находящиеся на краях групп измерительные электроды 233 и 234, которые относятся к разным множествам, принадлежат к разноименным измерительным частям, соединены между собой путем соединения боковых сторон трапеций групп. Выполнение такого соединения не обязательно. Например, в варианте электроемкостного преобразователя под номером 2.4 (фиг. 39 и фиг. 40) эти измерительные электроды отделены друг от друга промежутками и соединены только с помощью соединительных проводников.
1.5 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. 6 формулы изобретения. Для этого варианта форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности показаны на фиг. 12. На фиг. 13 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 242, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 243, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 244, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 245. На фиг. 14 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.
Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 241 по варианту 1.5 отличается тем, что измерительные электроды 243 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и с электродами 245 второй измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу 247, измерительные электроды 242 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 246, измерительные электроды 244 первой измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 248, дополнительный вывод 211 подключен к общему электроду.
В варианте электроемкостного преобразователя, как показано на фиг. 13, находящиеся на краях групп измерительные электроды 243 и 245, которые относятся к разным множествам, принадлежат к одноименным измерительным частям. При этом измерительные электроды одноименных измерительных частей групп дополнительно соединены путем примыкания боковых сторон трапеций групп. Выполнение такого непосредственного соединения полезно с точки зрения уменьшения ширины групп, но не обязательно.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения», в описании под номером 1.1 и 1.5.
1.6 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 измерительных электродов
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 7 формулы изобретения. На фиг. 15 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 16 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 252, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 253, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 254, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 255. На фиг. 17 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов. Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 251 по варианту 1.6 отличается тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды 252 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 256, измерительные электроды 253 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 257, измерительные электроды 254 первой измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 258, дополнительный вывод 211 электроемкостного преобразователя подключен к общему электроду. Как показано на фиг. 15, измерительные электроды 255 второй измерительной части второго множества, обозначенные штриховой линией, не подключены к выводам электроемкостного преобразователя.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области, с целью адаптации к разным условиям применения, может использоваться совместно с любым из вариантов 1.8-1.21 выполнения диэлектрической подложки и общего электрода. Описание конструкции электроемкостного преобразователя по вариантам приведено в разделе «сущность изобретения».
1.7 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с выходным сигналом в виде цифрового кода
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 8 формулы изобретения. На фиг. 18 показана схема соединений и подключений выводов электроемкостного преобразователя для варианта системы электродов с четырьмя выводами от измерительных частей и схема микроконтроллера. В этом варианте электроемкостный преобразователь 413 для определения координат геометрического центра двумерной области дополнительно снабжен микроконтроллером 260, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 266 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 269 и процессор 267, причем выводы измерительных частей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод 211 общего электрода подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом процессора. Сигналы 268 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 266 поступают на вход процессора 267 микроконтроллера, процессор формирует выходные сигналы 270 координат геометрического центра двумерной области, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.
Схема микроконтроллера, показанная на фиг. 18, применима к вариантам 1.4, 1.5 и 1.6. Отличия связаны с тем, что схемы подключения выводов электроемкостного преобразователя для вариантов 1.4, 1.5 и 1.6 отличаются наличием трех выводов от измерительных частей. Поэтому к аналого-цифровому преобразователю подключены три вывода.
2. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей
Осуществление изобретения раскрыто на примерах вариантов 2.2 и 2.3 электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей.
2.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 27 формулы изобретения. В описании осуществления изобретения включены признаки независимого пункта формулы п. 24. На фиг. 32 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 33 приведена система измерительных электродов и схема соединений электродов и подключений выводов для отдельно взятой измерительной области.
Электроемкостный преобразователь 401 для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей содержит диэлектрическую подложку 402, на которой расположено множество измерительных областей 410 с электродами в форме геометрических фигур прямоугольников, в виде регулярной структуры. Измерительные области 410 расположены на диэлектрической подложке с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области диэлектрической подложки 404.
В данном варианте электроемкостного преобразователя для каждой измерительной области использована система электродов с четырьмя выводами от измерительной области, описанная в варианте 1.3. Измерительные электроды и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки 402. Схема соединений электродов может быть продолжена для любого количества электродов, без взаимного пересечения электродов и выводов, с максимальным количеством проводников 409, проходящих вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем.
Выводы системы электродов каждой измерительной области на фиг. 32 и фиг. 33 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границ диэлектрической подложки в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов электроемкостного преобразователя, посредством проводников шлейфов 407, к микроконтроллеру или к другому конечному устройству.
Как показано на фиг. 33 пересечение оси абсцисс локальной системы координат 416 первого множества электродов и оси абсцисс системы координат 417 второго множества измерительных электродов измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области. Также показана локальная система координат 408 измерительной области, начало которой совпадает с пересечением осей абсцисс систем координат 416 и 417. При этом координаты геометрического центра, определенные в системах координат 416 и 417 двух множеств измерительных электродов, могут быть пересчитаны в рамках локальной системы координат измерительной области 408. В дальнейшем описании для измерительных областей будут использоваться только системы координат измерительных областей. На фиг. 32 и фиг. 34-40 показаны локальные системы координат измерительных областей.
В варианте 2.2 электроемкостного преобразователя измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 2.2.
2.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников
Вариант соответствует п. 28 формулы изобретения. Расположение измерительных областей и их выводов показано на фиг. 34. На фиг. 35 приведена система измерительных электродов и схема соединений и подключений выводов для отдельно взятой измерительной области.
Вариант 2.3 электроемкостного преобразователя 411 отличается от варианта 2.2 тем, что измерительные области 420 выполнены в форме правильных шестиугольников. При этом в измерительных областях использована система электродов с тремя выводами, аналогично по варианту 1.4 (фиг. 11). Отличие измерительной области в форме шестиугольника, от показанной на фиг. 11 в том, что в данном случае измерительные электроды вписаны в границу шестиугольной измерительной области. В этом варианте групповые линии 414 от каждой измерительной области содержат три проводника. Групповые линии 414 объединены в групповые линии шлейфов 415. Показанная на фиг. 35 схема соединений электродов применима для любого количества измерительных электродов, без увеличения количества выводов и с максимальным количеством соединительных проводников 419, проходящих вдоль одной стороны шестиугольника, равным двум. Начало локальной системы координат 418 измерительной области расположено в геометрическом центре соответствующей измерительной области.
В варианте 2.3 электроемкостного преобразователя измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 2.3.
2.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки в виде матрицы
Вариант электроемкостного преобразователя 412 соответствует п. 29 формулы изобретения. На фиг. 36 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической подложке. На фиг. 37 и фиг. 38 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов, со схемами соединений и подключений измерительных электродов.
Электроемкостный преобразователь содержит многослойную диэлектрическую подложку 405, общий электрод и множество расположенных на подложке измерительных областей 429 с измерительными электродами. Измерительные электроды расположены на двух изолированных друга от друга поверхностях слоев диэлектрической подложки 405. Причем расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической подложки измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, образующих строки 430, а на другой поверхности диэлектрической подложки выполнены в форме прямоугольников, образующих столбцы 431.
В данном варианте электроемкостного преобразователя для каждой измерительной области использована система электродов, с четырьмя выводами от измерительных частей, аналогичная описанной в разделе «сущность изобретения» в вариантах 1.1, 1.2 и 1.3, показанной на фиг. 9. 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 на перпендикулярном виде на поверхность диэлектрической подложки измерительные электроды не пересекают друг друга. 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. 41, где измерительная область диэлектрической подложки содержит матрицу из восьми измерительных областей строк и восьми столбцов.
На фиг. 39 и фиг. 40 показаны измерительные электроды для варианта электроемкосного преобразователя с тремя выводами от измерительных частей. На фиг. 39 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей строк, на фиг. 40 показано расположение измерительных областей столбцов, со схемами соединений измерительных электродов и подключений выводов.
Электроемкостный преобразователь отличается тем, что в нем использована система электродов измерительной области с тремя выводами, соответствующая варианту 1.4.
В варианте 2.4 электроемкостного преобразователя измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 1.3, 1.4, 1.5 и 3.6. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 2.4.
2.6 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. 31 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 41.
В этом варианте электроемкостный преобразователь 413 дополнительно снабжен микроконтроллером 450, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 421 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 423 и процессор 427. Причем выводы измерительных областей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод общего электрода 426 подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом процессора. На фиг. 41 выводы измерительных областей показаны в виде групповых линий и отдельных шлейфов от измерительных областей строк 452 и столбцов 451. 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 440 микроконтроллера.
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании соответствующего варианта 2.6.
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 1.12-1.21 выполнения диэлектрической подложки и общего электрода.
Осуществление изобретений по пунктам формулы изобретения п. 23 и п. 46, в формулах которых использованы функциональные признаки, раскрыто в описании осуществления соответствующих разновидностей и вариантов электроемкостного преобразователя под номерами 1.1-1.6 для п. 23 и 2.2-2.4 для п. 46 формулы изобретения.