Емкостный датчик перемещений
CAPACITIVE MOTION SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения линейных или угловых перемещений, в частности при построении акселерометров прямого или компенсационного способа измерения.
Известен емкостный дифференциальный маятниковый датчик угла системы горизонтальной коррекции гироагрегата ГА-3 курсовой системы ТКС-П (Михайлв О.И., Козлов И.М., Гергель Ф.С. Авиационные приборы. М.: Машиностроение. 1977, на стр. 234, рис. 9.35). Датчик состоит из двух статорных пластин, подвешенных в виде маятников на внешней раме карданова подвеса и соединены с вторичными обмотками трансформатора, играющего роль источника напряжения. Роторная обмотка датчика жестко соединена с осью внутренней рамы  карданного подвеса и электрически – с входом усилителя горизонтальной  коррекции, на второй вход которого подключена средняя точка вторичной обмотки трансформатора. Таким образом,  емкостный датчик  представляет мостовую схему, в два плеча которого включены конденсаторы, емкости которых изменяются в зависимости от угла рассогласования между статорными пластинами и роторной пластиной, а двумя  другими плечами моста являются вторичные полуобмотки трансформатора. Следует отметить, что при наличии угла рассогласования меняются площади обкладок конденсаторов, а расстояние между ними остается постоянным.
Однако в аналоге не указаны соотношения между конструктивными параметрами конденсаторов и основным параметром  питающего напряжения – частотой  питания, которые определяют чувствительность емкостного датчика.
Известен компенсационный акселерометр (патент РФ № 2233451, МПК G01P 15/13/  Баженов В.И. Вдовенко И.В.и др. Опубл.27.03.2004, бюл №9), в котором для определения угла отклонения инерционной массы используется дифференциальный ёмкостный датчик положения, который содержит корпус, установленную в нем пластину из монокристаллического кремния, имеющую внутреннюю неподвижную часть, внешнюю подвижную часть с первой и второй основными поверхностями, соединенную с внутренней неподвижной частью двумя упругими перемычками, которые образуют упругий подвес с осью, проходящей через оси изгиба упругих перемычек. На внешней подвижной части находятся подвижные электроды,  и выполненные в виде металлизированных участков на установленной на стойке в корпусе плате неподвижными электродами. Подвижные и неподвижные электроды образуют два конденсатора, которые включены в два плеча моста, во вторые два плеча которого включены балластные резисторы. В одну диагональ включен источник питания – генератор переменного синусоидального напряжения заданной частоты, а в другую – включен усилитель, выход которого является выходом мостового ёмкостного датчика перемещений.
Однако в прототипе не указано, какими выбрать параметры  конструкции собственно ёмкостного датчика и параметры генератора синусоидального напряжения, чтобы получить максимальную чувствительность.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении чувствительности емкостного датчика перемещений.
новым является то,
Технический результат  достигается тем, что в емкостном датчике перемещений, содержащим мостовую схему, в два плеча  которой включены конденсаторы с возможностью изменения емкости в зависимости от перемещения подвижных пластин, при этом емкость одного  из конденсаторов  увеличивается, емкость  другого конденсатора уменьшается в зависимости от направления перемещения, неподвижные пластины имеют общую точку, а подвижные пластины связаны с перемещаемым элементом, и в два других плеча включены балансные резисторы, имеющие общую точку, генератор синусоидальных напряжений подключен в  одну диагональ мостовой схемы между общими точками конденсаторов и балансных резисторов  и усилитель напряжения включен во вторую диагональ мостовой схемы, выход которого является выходом устройства, что конструктивные параметры конденсаторов и круговая частотагенератора синусоидального напряжения связаны функциональной зависимостью, определяющей настройку на максимальную чувствительность к перемещению
,
где  – площадь обкладок (пластин) конденсаторов и расстояние между ними при отсутствии перемещения; – сопротивление балансных резисторов; – относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой работает устройство, и диэлектрическая постоянная.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2, на которых соответственно приведены: вариант кинематической  схемы построения емкостного датчика перемещений и его электрическая схема.
На фиг.1 и фиг.2 приняты следующие обозначения:
1 – конденсатор ;
2 – конденсатор ;
1.1 и 2.1 – подвижные пластины конденсаторов и соответственно;
1.2 и 2.2 – неподвижные пластины конденсаторов и соответственно;
3 – подвижная кристаллическая пластина;
4 – неподвижная кристаллическая пластина;
5 – инерционная масса;
6 – катушка датчика моментов;
7 – магнит датчика моментов;
8 – корпус;
9 – генератор синусоидального напряжения;
10 – усилитель;
– вектор линейного ускорения;
– сила инерции;
– инерционный момент;
– расстояние между обкладками конденсатора при отсутствии перемещения подвижных пластин;
– линейное перемещение подвижных пластин;
– расстояние от оси подвеса до геометрического центра пластины конденсатора;
– расстояние от  центра инерционной массы до оси подвеса;
– угол поворота подвижных пластин;
– балансные резисторы;
– токи в ветвях мостовой схемы;
– напряжения в точках А и В;
– напряжение на выходе усилителя;
– напряжение на выходе генератора 9;
– амплитуда напряжения и круговая частота.
Работу емкостного датчика перемещений поясним на примере  компенсационного акселерометра в соответствии с фиг.1, а получение условия максимальной чувствительности проведем на основании электрической схемы, представленной на фиг.2.
В соответствии с кинематической схемой фиг.1 конденсаторы 1 и 2 созданы подвижными и неподвижными пластинами 1.1 и 1.2 для конденсатора 1, емкость которого определяется выражением
(1)
и пластинами 2.1 и 2.2 для конденсатора 2, емкость которого определяется выражением
,                                                                             (2)
где в выражениях (1) и (2)  – площадь обкладок (пластин) конденсаторов и расстояние между ними при отсутствии перемещения;  – линейное перемещение подвижных пластин;  – относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой работает устройство, и диэлектрическая постоянная;  – емкость конденсатора при .
Обкладки 1.1 и 1.2; а так же  обкладки 2.1 и 2.2 наносятся на кремниевые пластины 3 и 4 путем металлизации. Расстояние между обкладками изменяется, когда кремниевая пластина 3 поворачивается вокруг оси подвеса, которая формируется упругими перемычками. При действии ускорения  возникает сила инерции  , приложенная к инерционной массе 5, которая на плече создает инерционный момент , направленный по оси подвеса кремниевой пластины 3. Инерционный момент будет уравновешиваться моментом датчика момента (катушка 6 и магнит 7), который формируется по сигналу емкостного датчика перемещений , где  – крутизна датчика моментов. Из установившегося режима следует, что угол отклонения подвижной пластины и соответственно линейное перемещение будут определяться выражениями
и .
Для оценки чувствительности емкостного датчика перемещений рассмотрим его работу в соответствии с электрической схемой, представленной на фиг.2.
Генератор напряжения 10 включен в диагональ DE мостовой схемы, а усилитель 10 – в диагональ АВ мостовой схемы.
Выходное напряжение усилителя, которое является выходным напряжением емкостного датчика перемещений, будем формировать в  комплексном виде в соответствии с формулой
,                                                                                 (3)
где  – коэффициент усиления усилителя,  – комплексы напряжения в точках А и В.
Так как выход мостовой схемы подключен к усилителю с большим входным сопротивлением, то комплексы токов в плечах ЕА и АD, а также  в плечах ВЕ и ВD будут одинаковыми и соответственно равны
;                                                                                               (4)
,                                                                                               (5)
где емкости определяются выражениями (1) и (2) соответственно,  – комплекс напряжения генератора.
A
В
Тогда  с учетом (4) и (5) комплексы напряжения в точках  и  будут равны
;
.                                                                                      (6)
В соответствии с формулами (3) и (6)  выходное напряжение емкостного датчика перемещений будет равно
(7)
С учетом (1) и (2) выражение (7) приобретает  вид
(8)
Перейдем в (8) от комплексного вида  к виду  и найдем амплитуду
Так как для реальных параметров , то выражение для амплитуды приобретает вид
,
где    - крутизна емкостного датчика перемещений.
Крутизна характеризует чувствительность и зависит как от параметров конденсатора, так и частоты питания генератора, при этом, чем больше крутизна, тем выше чувствительность. Поэтому исследуем  на максимум в зависимости от круговой частоты
или
.                                                                                                       (9)
Откуда с учетом выражения  получаем условие
,                                                                                                             (10)
которое определяет максимальную чувствительность емкостного датчика перемещений.
При выполнении условия (9) крутизна датчика перемещений будет равна
.
В частности условие (10) можно использовать для выбора оптимальной частоты напряжения генератора, которым питается  емкостный мост.
Рассмотрим в качестве примера емкостный датчик перемещений, применяемый в компенсационном акселерометре А-15, который выпускается Раменским приборостроительным заводом (РПЗ).
Параметры емкостного датчика перемещений:
– площадь обкладок конденсатора;
– величина рабочего зазора (расстояние между обкладками конденсатора) в нейтральном положении маятника;
– диэлектрическая постоянная;
– относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой работает устройство;
– амплитуда напряжения генератора.
В соответствии с условием максимума чувствительности (10) определим круговую частоту напряжения генератора, задав балансное сопротивление
.
И соответственно .
Исследования реальной характеристики показали, что по частоте имеется явный максимум чувствительности, и хорошая линейность выходной  характеристики в пределах отклонения .