ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
CAPACITANCE-TYPE DISPLACEMENT TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных датчиках давления, акселерометрах, датчиках угловой скорости и микроскопов.
Известно аналогичное устройство, в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, синхронный детектор и запоминающая ячейка [1].
Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с тем, что во время измерения отрицательная обратная связь и погрешность устройства равна сумме погрешностей последовательно включенных элементов.
Известен также емкостный преобразователь перемещений [2], содержащий первый и второй источники опорных напряжений, выходы которых соединены через ключевую схему переключения полярности опорных напряжений и сумматор обратной связи с первой и второй измерительными емкостями, генератор синхронизирующих импульсов, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы, первый операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, первый и второй ключи синхронного детектора, фильтр нижних частот, содержащий первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первую и вторую емкости и второй операционный усилитель, вход первого ключа соединен с выходом первого усилителя, выход второго ключа соединен с землей.
Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с несколькими причинами: 1 - обратная связь выполнена только с выхода первого усилителя на вход сумматора, питающего измерительные емкости, а ключи синхронного детектора обратной связью не охвачены; 2 - большая составляющая переменного напряжения, вызванная тем, что во время такта разряда измерительных емкостей вход фильтра нижних частот подключен к земле, поэтому при переключении устройства с режима измерения на режим разряда емкостей имеет место большой перепад напряжений.
В качестве прототипа выбран емкостный преобразователь перемещений [3], содержащий первый и второй источники опорных напряжений, выходы которых соединены через ключевую схему переключения полярности опорных напряжений и сумматор обратной связи с первой и второй измерительными емкостями, генератор синхронизирующих импульсов, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы, операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, а выход соединен со входом сумматора обратной связи и одновременно с информационным входом первого синхронного детектора, к положительному входу синхронизации которого подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов, а его инверсный выход подключен к отрицательному входу первого синхронного детектора.
Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная со следующей недоработкой. При действии по измерительному каналу амплитудно-модулированного сигнала и одновременно помехи в виде постоянной составляющей, на выход проходит информация об обеих составляющих в виде суммы, т.е. информация о помехе не отфильтровывается.
Решаемая задача - совершенствование емкостного преобразователя перемещений.
Технический результат - улучшение точностных характеристик емкостного преобразователя перемещений.
Этот технический результат достигается тем, что в емкостный преобразователь перемещений, содержащий первый и второй источники опорных напряжений, выходы которых соединены через ключевую схему переключения полярности опорных напряжений и сумматор обратной связи с первой и второй измерительными емкостями, генератор синхронизирующих импульсов, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы, операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, а выход соединен со входом сумматора обратной связи и одновременно с информационным входом первого синхронного детектора, к положительному входу синхронизации которого подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов, а его инверсный выход подключен к отрицательному входу первого синхронного детектора, введен второй синхронный детектор, информационный вход которого соединен с выходом операционного усилителя, к положительному входу синхронизации второго синхронного детектора подключен инвертирующий выход генератора синхронизирующих импульсов, к отрицательному входу синхронизации второго синхронного детектора подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов, выход первого синхронного детектора соединен с неинвертирующим входом фильтра нижних частот, а с его инвертирующим входом соединен выход второго синхронного детектора, выход фильтра нижних частот является выходом емкостного преобразователя перемещений.
Например, в вибрационном гироскопе обеспечивается независимое измерение амплитуд переменного перемещения и постоянной составляющей линейного ускорения, действующих по одной оси. Фильтр нижних частей выдает на выходе сигнал, пропорциональный амплитуде перемещения подвижного электрода измерительных емкостей. Полный цикл работы осуществляется за один период синхронизирующих импульсов: измерительные емкости заряжаются алгебраическими суммами опорных напряжений с напряжением обратной связи, сигнал демодулируется и фильтруется от несущей частоты с помощью первого и второго синхронных детекторов и фильтра нижних частот. Выходной сигнал не зависит от помехи в виде немодулированного сигнала.
оп
оп
Предлагаемое устройство иллюстрируется электрической схемой, приведенной на чертеже. Оно содержит первый источник опорного напряжения 1 (+U), второй источник опорного напряжения 2 (-U), ключевую схему 3, с входами которой соединены выходы источников опорных напряжений. Выходы ключевой схемы 3 соединены со входами сумматора обратной связи 4, выходы которого соединены с первой измерительной емкостью 5 и второй измерительной емкостью 6. Средняя точка измерительных емкостей 5 и 6 соединена со входом операционного усилителя 7. Выход операционного усилителя 7 соединен со входом сумматора обратной связи 4 и одновременно с информационным входом первого синхронного детектора 8 и одновременно с информационным входом второго синхронного детектора 9. К управляющим входам ключевой схемы 3 подсоединены прямой и инверсный выходы генератора синхронизирующих импульсов 10. К положительному входу первого синхронного детектора 8 подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов 10. Инверсный выход генератора синхронизирующих импульсов 10 подключен к отрицательному входу первого синхронного детектора 8, выход которого соединен с неинвертирующим входом фильтра нижних частот 11. К положительному входу второго синхронного детектора 9 подключен инверсный выход генератора синхронизирующих импульсов 10, а инверсный выход генератора синхронизирующих импульсов 10 подключен к отрицательному входу первого синхронного детектора 8, выход которого соединен с неинвертирующим входом фильтра нижних частот 11. К положительному входу второго синхронного детектора 9 подключен инверсный выход генератора синхронизирующих импульсов 10, а к отрицательному входу второго синхронного детектора 9 подключен прямой выход генератора синхронизирующих импульсов 10. Выход второго синхронного детектора 9 подключен к инвертирующему входу фильтра нижних частот 11. Выходом заявляемого емкостного преобразователя перемещений является выход фильтра нижних частот 11. Причем на выходе фильтра нижних частот 11 имеет место сигнал преобразования знакопеременного напряжения, вызванного колебаниями подвижного электрода емкостей 5 и 6 под действием, например, кориолисовых сил.
1
оп
1
оп
1
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Полный цикл работы устройства осуществляется за один период синхронизирующих импульсов. Импульсная последовательность на выходе генератора синхронизирующих импульсов 10 подает сигналы на ключевую схему 3 устройства для переключения полярности опорных напряжений. Переменное напряжение с амплитудой, равной величине опорных напряжений, подводится к первому и второму входам сумматора обратной связи 4. К третьему входу сумматора обратной связи 4 подводится напряжение U с выхода операционного усилителя 7. Это напряжение алгебраически складывается с первым положительным опорным напряжением (+U±U) и со вторым отрицательным опорным напряжением (-U±U). С выходов сумматора обратной связи 4 алгебраические суммы напряжений подводятся к последовательной цепи из измерительных емкостей 5 и 6.
Преобразование амплитудно-модулированного сигнала поле операционного усилителя 7 осуществляется с помощью логометрической схемы, состоящей из первого 8 и второго 9 синхронных детекторов и фильтра нижних частот 11, где амплитудно-модулированное напряжение преобразуется в изменение постоянного напряжения. Демодуляция и фильтрация от несущей частоты в заявляемом устройстве, в отличие от прототипа, является двухполупериодной, что способствует сглаживанию.
Фильтр нижних частот 11 выдает на выходе сигнал, пропорциональный амплитуде перемещения подвижного электрода измерительных емкостей:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><msup><mi>K</mi><mrow><munder><mi>у</mi><mo>−</mo></munder><mo>/</mo><mi>h</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                                    </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где К - коэффициент передачи первого фильтра нижних частот; у - измеряемое перемещение; h - начальный зазор между подвижным и неподвижными электродами измерительных емкостей.
Отмеченное выше доказывает, что технический результат изобретения достигнут.
Источники информации
1. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники // Нано-. Микросистемная техника. 2002. №1. С.3-9.
2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, 504 с.
3. Патент РФ №2272298, G01P 15/08, G01B 7/00, опубл. 20.03.2006.