ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЕРЕМЕЩАЕМОГО ТОНКОГО ОБЪЕКТА
ELECTROSTATIC SENSOR FOR CONTROLLING A MOVABLE THIN OBJECT

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для контроля толщины и/или состава тонкого объекта, перемещаемого через машину, а также самого момента прохождения тонкого объекта через место расположения датчика. Таким объектом может быть листовое изделие на бумажной или полимерной основе, например, защищенное полиграфическое изделие. Изобретение было первоначально разработано для контроля банкнот, однако, оно может применяться и для контроля протяженных тонких объектов, таких как рулонное бумажное или тканое полотно, полимерная лента либо нить.
Заявленный датчик контролирует электрическую поляризацию объекта в ответ на воздействие на него поляризующего электростатического поля, что может быть использовано для контроля толщины и/или состава объекта. Такой контроль важен в производственном процессе и позволяет выявить нарушения в характеристиках выпускаемой продукции. Современные защищенные полиграфические изделия, такие, как банкноты, являются многослойными ламинатами переменной толщины, состоящими из нескольких материалов с различными электрическими параметрами. Применение датчика позволяет, по индуцированной поляризации определенных участков изделия, определить его подлинность и степень изношенности, а также наличие признаков ремонта либо, подделки, выполненных при помощи дополнительных слоев клея или клейкой ленты.
В уровне техники известны так называемые емкостные датчики, в которых контролируемый объект пропускается через зазор между двумя неподвижными пластинами измерительного конденсатора, к которым приложена разность потенциалов. Индуцированная поляризация объекта в зазоре емкостного датчика приводит к тому, что электрическое поле, создаваемое разностью потенциалов между пластинами, суммируется с вектором электрической поляризации объекта. Этот эффект выражается в изменении электрической емкости измерительного конденсатора в зависимости от толщины и диэлектрической проницаемости объекта.
Для контроля емкости измерительного конденсатора применяются различные технические приемы. В некоторых известных решениях, подвергают конденсатор периодическому заряду фиксированным током и последующему разряду, и контролируют время заряда до заданного напряжения между пластинами. Время заряда оказывается прямо пропорциональным емкости измерительного конденсатора. В других решениях, к одной из обкладок измерительного конденсатора, называемой передающей пластиной, прикладывают возбуждающее переменное напряжение определенной амплитуды. При этом, контролируют амплитуду тока, протекающего через вторую пластину, называемую приемной. В еще одном классе решений, измерительный конденсатор включают в состав колебательного контура генератора высокочастотного сигнала. Изменение емкости изменяет резонансную частоту колебательного контура. По степени изменения частоты сигнала судят об изменении емкости.
Во всех упомянутых вариантах использования емкостного датчика, индуцированная поляризация материала периодически изменяется во времени с определенной частотой вслед за изменением внешнего зондирующего электрического поля, создаваемого пластинами измерительного конденсатора. Это отражает фундаментальную необходимость применения переменного поля при обнаружении материала при помощи электрического поля. Постоянное поле» сложно измерить, поскольку его энергия не меняется во времени. Поскольку измерительная схема так или иначе потребляет энергию поля, то практически невозможно получить устойчивый отклик измерительной схемы на постоянное электрическое поле. Напротив, переменное поле несет в себе поток энергии, который дает устойчивый отклик измерительной схемы.
Известен патент США US 10269200 (опубл. 23.03.2019, МПК G01B 7/06), в котором описывается многоэлементный емкостной датчик для контроля такого тонкого объекта, как банкнота. В нем используется множество измерительных конденсаторов, расположенных вдоль отрезка прямой линии, перпендикулярного направлению движения банкноты. Путь перемещения банкноты проходит через зазоры измерительных конденсаторов. Изменение емкости конденсатора определяется толщиной участка банкноты, проходящего в зазоре. На передающие пластины конденсаторов, расположенные по одну сторону пути перемещения банкноты, подают возбуждающее напряжение от общего генератора, содержащее колебания множества заданных частот. При этом, регистрируют ток приемных пластин, расположенных по другую сторону пути перемещения, и преобразуют его в значение, пропорциональное электрической емкости. Каждая приемная пластина подключена к отдельному пьезокерамическому фильтру, настроенному на пропускание одной из заданных частот. Выходы фильтров соединены вместе, а сигнал с них через усилитель подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и далее на процессор цифровой обработки сигналов. В процессоре цифровой обработки сигналов происходит вычисление амплитуды каждой из множества заданных частот. Каждая из полученных амплитуд пропорциональна емкости соответствующего ей измерительного конденсатора. Регистрацию амплитуд проводят через определенные интервалы смещения банкноты и получают двумерный массив откликов, каждый из которых пропорционален толщине в определенном месте банкноты.
Когда емкостной датчик применяется для контроля быстро движущегося объекта в высокопроизводительной машине, такой, как сортировщик банкнот, то возникает противоречие между чувствительностью датчика и механическим воздействием на объект. Для повышения чувствительности контроля важно, чтобы объект занимал как можно большую долю ширины зазора между пластинами измерительного конденсатора. Чем больше эта доля, тем выше относительное изменение емкости измерительного конденсатора при попадании объекта в зазор между пластинами, и тем выше чувствительность к его толщине и диэлектрической проницаемости. Однако, при близком расположении обкладок начинают проявляться силы трения объекта о пластины. Когда объект занимает лишь часть зазора, при высокой скорости движения он из-за вибраций, изгибов и неплоскостности, периодически касается пластин и создает тормозящее усилие. Это усилие тем больше, чем большую долю объект занимает в зазоре. Тормозное усилие может привести к разрыву или замятию объекта, что недопустимо. Наибольшая вероятность замятия возникает при обработке листовых объектов, поскольку ведущая кромка листа легко загибается и заклинивает в узком зазоре.
Указанное противоречие решается за счет установки безопасного увеличенного расстояния между пластинами, которое гарантирует от разрывов и замятий. Как правило, требуется превышение расстояния между пластинами над толщиной объекта в 10 или более раз. При таком расстоянии между пластинами изменение емкости при входе объекта в зазор не превышает нескольких процентов, что заставляет применять сложные измерительные схемы и способы обработки сигналов, как, например, в упомянутом патенте US 10269200, чтобы обеспечить высокую чувствительность.
Известен патент Китая CN 208936972 (опубл. 04.06.2019, МПК G01B 11/06), в котором, в емкостном датчике для контроля банкнот, используется приемный электрод плоской формы и передающий электрод в виде вращающегося металлического ролика. Между приемным электродом и роликом установлен узкий зазор для прохождения банкноты. Ролик изолирован от механизма машины, и на него подаются возбуждающие импульсы. Переменное зондирующее электрическое поле, возникающее при поступлении импульсов возбуждения, через зазор достигает приемного электрода. Величина импульсов на приемном электроде определяется, в числе прочего, толщиной банкноты и ее диэлектрической проницаемостью. Эта зависимость используется для проведения измерений толщины банкноты.
Передающий электрод в известном устройстве находится под действием переменного потенциала и является крупногабаритным источником высокочастотных помех. Из-за малой протяженности зазора в направлении движения банкноты емкость измерительного конденсатора оказывается мала. Поэтому, приходится использовать возбуждающие импульсы большой амплитуды, составляющей несколько десятков вольт, что порождает высокую напряженность поля помех вне зазора. Высокочастотные помехи проникают в усилительную схему, связанную с приемным электродом, в обход зазора, и искажают результат измерения толщины банкноты. Кроме того, помехи создают сложности для работы электронного оборудования, расположенного вблизи датчика.
Кроме того, необходимость изоляции ролика и передача на него высокочастотного напряжения возбуждения через узел вращения усложняет устройство.
Известные виды емкостных датчиков требуют возбуждения переменным электрическим сигналом в виде тока или напряжения. Отклик датчика также измеряется в виде напряжения либо тока. Паразитное проникновение возбуждающего сигнала на выход датчика в обход измерительного конденсатора приводит к помехам, которые снижают чувствительность датчика. Для борьбы с упомянутыми паразитными сигналами приходится применять специальные схемотехнические решения и сложные алгоритмы обработки выходного сигнала датчика. Попытка увеличить чувствительность емкостного датчика за счет увеличения амплитуды возбуждающего сигнала приводит к одновременному увеличению помех. Поэтому она, как правило, не дает ожидаемого результата. Кроме того, увеличение амплитуды возбуждающего сигнала создает помехи для находящегося рядом оборудования за счет высокой напряженности электрического поля рассеяния, проникающего из датчика наружу.
Для контроля толщины тонких перемещаемых объектов также применяют механические и ультразвуковые датчики, в которых тормозные усилия практически отсутствуют, а риск повреждения минимален. В механических датчиках объект проходит в зазоре между приводным опорным валом и прижимным роликом. За счет силы прижатия ролика, объект находится в плотном контакте с вращающимся опорным валом, который формирует не тормозное, а продвигающее усилие. Продвигающее усилие дополнительно снижает риск повреждения объекта. Толщину объекта контролируют по полученному межцентровому расстоянию между опорным валом и прижимным роликом. Недостатком механического датчика является ограничение по максимальной скорости движения объекта из-за сложности обеспечения быстрого смещения оси прижимного ролика на кромке объекта и его неоднородностях. Для пористых материалов, высокое усилие прижатия искажает результат измерения вследствие деформации объекта. Кроме того, элементы механического датчика требуют высокой точности изготовления, что ограничивает его применение.
В ультразвуковых датчиках объект пропускают в зазоре между излучателем и приемником ультразвуковых волн. Измеряют величину ослабления ультразвука, которая связана с толщиной объекта и наличием в нем границ между слоями. Размер зазора не имеет существенного значения для качества работы датчика и выбирается достаточно большим, чтобы не создавать риска повреждения объекта. Ультразвуковые датчики обладают более высоким быстродействием, чем механические. Чувствительность ультразвукового датчика ограничивается наличием паразитного ультразвука, попадающего на приемник в результате множественных переотражений от поверхностей внутри датчика. Кроме того, при входе из воздуха в плотный материал объекта ультразвук не столько поглощается в этом материале, сколько отражается от его границ, что вызывает затруднения при определении толщины материала.
Емкостные датчики имеют существенные преимущества перед механическими и ультразвуковыми. Емкость измерительного конденсатора изменяется моментально, что предопределяет возможность использования емкостного датчика при очень высокой скорости перемещения объекта. В силу физического принципа, емкостной датчик реагирует на количество поляризуемых молекул, оказавшихся в зазоре измерительного конденсатора. Поэтому, в отличие от механического или ультразвукового датчика, он позволяет измерить истинное количество вещества объекта, находящегося в датчике.
Задачей заявленного изобретения является контроль параметров тонкого перемещаемого объекта при помощи электростатического зондирующего поля, реализованный с высокой чувствительностью и минимальной вероятностью повреждения объекта.
Замысел заявленного изобретения состоит в том, чтобы сохранить преимущества емкостного датчика, и устранить его основной недостаток, заключающийся в сложности получения высокой чувствительности при низкой вероятности повреждения перемещаемого тонкого объекта. Для этого, следует исключить необходимость использования широкого зазора для прохождения тонкого объекта, и не использовать переменный сигнал возбуждения датчика. Тем не менее, для устойчивого отклика измерительной схемы желательно, чтобы выходной сигнал датчика был бы переменным.
Были найдены аналоги, применяемые для решения совершенно иных технических задач, отдельные признаки которых могли бы быть применены для решения названной задачи. Так, в уровне техники известны многочисленные устройства для измерения постоянного электростатического поля путем механической модуляции этого поля на определенной частоте и регистрации отклика на приемном электроде при помощи электрометрического усилителя. В некоторых из них используется вращающийся модулятор, как, например, описанный в опубликованной заявке CN 107402329 (опубл. 28.11.2017, МПК G01R 29/08). Модулятор представляет собой заземленную электропроводную цилиндрическую оболочку с прорезями на цилиндрической поверхности, которая при вращении попеременно экранирует приемный электрод от внешнего поля или же открывает этому полю прямой путь к приемному электроду. Изменение электрического поля, приходящего к приемному электроду, изменяет его потенциал и/или наведенный заряд. Подобные устройства позволяют устойчиво измерять неизменное электростатическое поле за счет его превращения в переменное при помощи механических средств. Переменное поле несет поток энергии и может быть устойчиво измерено. Указанное здесь устройство представляет собой пример использования вращения электропроводного тела для получения переменного электрического поля путем периодического экранирования постоянного электрического поля. Движущаяся поверхность цилиндрической оболочки с прорезями принципиально могла бы быть использована вместо приемной пластины измерительного конденсатора для измерения постоянного зондирующего электрического поля, прошедшего через тонкий объект. Эта поверхность могла бы также оказывать продвигающее воздействие на тонкий объект.
Известен особый вид измерителей, применяемых для измерения плотности поверхностных зарядов плоского диэлектрического материала. В этом виде измерителей используется, так называемый, вибрационный конденсатор (в англоязычной терминологии он называется vibration reed capacitor, vibrating capacitor). Вибрационный конденсатор представляет собой конденсатор с двумя пластинами, расстояние между которыми изменяется за счет вибрации одной либо обеих пластин. Соответственно, вибрация изменяет емкость конденсатора. В соответствии с известным уравнением электрического конденсатора, напряжение на конденсаторе прямо пропорционально его заряду и обратно пропорционально его емкости. Если напряжение на вибрационном конденсаторе поддерживается неизменным, то, при вибрации, через конденсатор протекает переменный ток, частота которого равна частоте вибрации. Если же неизменным поддерживается заряд конденсатора, то при вибрации в напряжении на конденсаторе возникает переменная составляющая, частота которой равна частоте вибрации.
Когда в зазор между пластинами вибрационного конденсатора вводят диэлектрический материал, то емкость конденсатора изменяется в соответствии с диэлектрической проницаемостью и толщиной этого материала, что оказывает влияние на указанные ранее переменный ток или переменное напряжение. Аналогичное влияние оказывает, также наличие поверхностного заряда, характерное для статически поляризованных диэлектриков, таких, как электреты. Названное влияние используется для измерения поверхностной плотности заряда диэлектрика в изобретении SU 1307395 (опубл. 30.04.1987, МПК G01R 29/12), где измеряемый плоский образец диэлектрика размещают в зазоре вибрационного конденсатора и обеспечивают вибрацию одной из пластин. К вибрационному конденсатору прикладывают постоянное напряжение и при помощи измерительного прибора регистрируют переменный ток, протекающий через конденсатор. На основе измеренной силы тока рассчитывают поверхностную плотность заряда. Описанное здесь изобретение является достаточно близким аналогом заявленного изобретения в смысле используемых технических средств, но решает иную техническую задачу. Упомянутый ранее патент CN 208936972 был выбран в качестве прототипа. Технический результат изобретения состоит в упрощении конструкции датчика. Дополнительными техническими результатами являются повышение чувствительности датчика и снижение вероятности повреждения тонкого объекта при его прохождении через датчик, а также уменьшение уровня электрических помех, создаваемых датчиком.
Эти результаты достигаются за счет того, что электростатический датчик для контроля параметров перемещаемого тонкого объекта содержит электропроводный зубчатый вал и основной приемный электрод, между которыми сформирован зазор для перемещения в нем тонкого объекта, при этом зубчатый вал установлен с возможностью вращения, при котором его поверхность, обращенная в зазор, движется в том же направлении, что и тонкий объект, с линейной скоростью равной скорости движения тонкого объекта либо превышающей ее; усилитель, выполненный с возможностью формирования выходного сигнала датчика, причем основной приемный электрод связан с основным входом усилителя, при этом электрическая схема датчика выполнена с возможностью приложения поляризующего потенциала между зубчатым валом и основным приемным электродом, так что среднее значение поляризующего потенциала поддерживается на заранее заданном уровне.
Заявленный электростатический датчик можно рассматривать как отдельный вид емкостного датчика. В этом датчике, в качестве пластин измерительного конденсатора использованы поверхность зубчатого вала, с одной стороны, и поверхность основного приемного электрода, с другой. При вращении зубчатого вала расстояние между данными пластинами периодически изменяется, что приводит к изменению емкости измерительного конденсатора. Как известно, напряжение на конденсаторе равно его заряду, деленному на емкость. Поэтому, в ходе вращения периодически изменяется соотношение между напряжением на измерительном конденсаторе и его зарядом.
При приложении поляризующего потенциала определенной величины между зубчатым валом и основным приемным электродом, в измерительном конденсаторе создается заряд. К основному приемному электроду подключен усилитель, который формирует выходной сигнал датчика. Если используется усилитель напряжения, имеющий высокое входное сопротивление, то, по мере вращения зубчатого вала и периодического измерения емкости, заряд измерительного конденсатора мало изменяется, а напряжение на нем периодически увеличивается и уменьшается. Усилитель формирует из этого напряжения выходной сигнал датчика. Если же используется усилитель с токовым входом, то заряд измерительного конденсатора втекает в усилитель и вытекает из усилителя синхронно с изменением емкости конденсатора. Этот ток усиливается и формирует выходной сигнал датчика. В обоих случаях, амплитуда выходного сигнала тем больше, чем больше амплитуда изменения емкости при вращении.
В ходе вращения зубчатого вала напряженность поля в зазоре изменяется синхронно с изменением емкости. Если в зазор между зубчатым валом и основным приемным электродом введен тонкий объект, то материал объекта поляризуется под действием этой напряженности. Вектор поляризации объекта также синхронно меняется с изменением емкости и суммируется с поляризующей напряженностью. Полученная суммарная напряженность воздействует на поверхности зубчатого вала и основного приемного электрода в области зазора и определяет наведенный заряд на этих поверхностях и/или потенциал этих поверхностей. Таким образом, введение объекта в зазор оказывается эквивалентным увеличению емкости измерительного конденсатора и амплитуды изменения этой емкости. Это, в свою очередь, приводит к увеличению амплитуды выходного сигнала датчика. Увеличение этой амплитуды может быть измерено и использовано для контроля того, каким образом объект реагирует на поляризующую напряженность. Так, при постоянной диэлектрической проницаемости объекта изменение амплитуды зависит от толщины объекта. При постоянной толщине объекта изменение амплитуды зависит от его диэлектрической проницаемости.
В заявленном изобретении вместо генератора импульсов возбуждения большой амплитуды используется источник постоянного напряжения, который является существенно более простым электронным блоком. Кроме того, в заявленном изобретении, в отличие от прототипа, не требуется обеспечивать электрическую изоляцию зубчатого вала. За счет названных здесь особенностей заявленного изобретения, обеспечивается упрощение устройства. Этим достигается заявленный технический результат.
Как в прототипе, так и в заявленном изобретении, одна из двух поверхностей, формирующих зазор датчика, движется в ту же сторону, что и перемещаемый объект. За счет этого, в обоих рассматриваемых решениях возникает продвигающее усилие трения, приложенное к объекту. Против него действует тормозящее усилие трения со стороны неподвижного приемного электрода. В прототипе продвигающее усилие возникает исключительно за счет силы трения между объектом и гладкой вращающейся поверхностью ролика. В заявленном изобретении зубчатая структура вала дополнительно взаимодействует с неровностями поверхности перемещаемого объекта, что позволяет создать устойчивое продвигающее усилие, большее по величине, чем продвигающее усилие в прототипе. Кроме того, зубчатая структура гарантирует продвижение объекта даже в том случае, когда началось замятие объекта, и он стал заполнять собой весь зазор. Зубцы вала действуют как захваты, продвигающие объект благодаря не только трению, но и деформации складок и утолщений объекта, формирующихся при замятии. Все факторы, перечисленные здесь, существенно снижают вероятность замятия тонкого объекта при прохождении через датчик.
Возможность предельного уменьшения зазора в заявленном изобретении определяется соображениями износа элементов датчика вследствие сухого трения об объект. Неразумно уменьшать зазор до той степени, когда резко возрастает износ элементов датчика.
Амплитуда выходного сигнала датчика пропорциональна среднему заряду измерительного конденсатора и поэтому пропорциональна поляризующему потенциалу. Таким образом, увеличение поляризующего потенциала позволяет увеличить амплитуду на выходе датчика и достичь того уровня чувствительности, который требуется для решаемой технической задачи. Возможность увеличения чувствительности ограничена только электрической прочностью пробоя измерительного конденсатора, что на практике, с соблюдением необходимых мер изоляции, превышает величину потенциала 1 кВ. Поляризующий потенциал следует задавать в соответствии с требованиями к чувствительности датчика. При этом, в связи с возможностью выбора большого значения поляризующего потенциала, может быть достигнут очень высокий уровень чувствительности.
В прототипе для обеспечения высокой чувствительности приходится использовать высокую амплитуду импульсов возбуждения. Высокая амплитуда облегчает паразитное проникновение сигнала возбуждения на вход усилителя, минуя измерительный конденсатор. Паразитное проникновение сигнала формирует ложный отклик датчика. В датчике согласно заявленному изобретению отсутствует переменный сигнал возбуждения, поэтому отсутствует указанное паразитное проникновение сигнала возбуждения на выход датчика. Переменное электрическое поле генерируется непосредственно в зазоре датчика за счет вращения зубчатого вала, и здесь же прикладывается к объекту контроля. Увеличение поляризующего постоянного напряжения увеличивает чувствительность датчика, но не создает помех. Отсутствие сигнала возбуждения повышает чувствительность датчика и снижает уровень помех для оборудования, расположенного вблизи датчика.
Повышение чувствительности в заявленном изобретении достигается двумя независимыми путями: за счет возможности увеличения постоянного поляризующего напряжения, а также из-за отсутствия помех, связанных с паразитным проникновением возбуждающего сигнала в обход зазора. Проведем сопоставление заявленного изобретения с ранее упомянутыми аналогами, известными из уровня техники. В заявленном изобретении, как и в изобретении согласно SU 1307395, модуляция электрического поля осуществляется за счет периодического изменения зазора между электродами. Однако, в заявленном изобретении изменение зазора между электродами осуществляется не за счет вибрации электродов конденсатора, как в SU 1307395, а за счет вращательного движения, по меньшей мере, одного из них. Главное преимущество вращательного движения состоит в том, что оно создает продвигающее усилие, приложенное к тонкому объекту. В сравнении с вибрационным конденсатором, использование вращающегося зубчатого вала имеет ряд преимуществ, кроме уже названного создания продвигающего усилия, приложенного к тонкому объекту. Вибрационные конденсаторы являются низкочастотными приборами, рабочая частота вибрации которых не превышает нескольких сотен герц. Они распространяют механическую вибрацию с низкой частотой на окружающие элементы конструкции машины. Столь низкая рабочая частота ограничивает быстродействие датчика, а распространение механической вибрации может вредно влиять на элементы машины, например, на другие датчики. Вращающийся зубчатый вал позволяет получить частоту, равную нескольким килогерцам, что значительно увеличивает быстродействие датчика. Кроме этого, вращающийся зубчатый вал почти не создает вибраций.
В заявке CN 107402329 и других подобных патентных документах постоянное электрическое поле, подлежащее измерению, модулируется за счет экранирования приемного электрода тонкой вращающейся проводящей оболочкой, оснащенной прорезями. Вращательное движение в устройствах с цилиндрической конструкцией для управления электрическим полем, подобных раскрытому в CN 107402329, принципиально могло бы использоваться для создания продвигающего усилия. Однако, это сопряжено с существенными техническими сложностями, так как к цилиндру через узел вращения необходимо подвести, как минимум, две электрические цепи, изолированные друг от друга. Такими двумя электрическими цепями являются цепь приемного электрода и цепь заземления экранирующей оболочки. Внутренняя структура цилиндра является сложной, так как должна обеспечивать присоединение различных проводящих частей цилиндрической конструкции к одной из двух цепей, а также изоляцию между цепями. Все это делает возможные устройства на основе изобретения, известного из CN 107402329, очень сложными, без достижения существенного выигрыша в других характеристиках по сравнению с заявленным изобретением. В заявленном изобретении, зубчатый вал может быть выполнен как единая деталь из однородного металла с использованием широкодоступных машиностроительных технологий, и без необходимости какой-либо изоляции. Таким образом, вращательное движение и управление электрическим полем в заявленном изобретении достигается более простыми техническими средствами.
Рассмотрим различные возможности улучшений при реализации заявленного изобретения. Основной приемный электрод может быть закрыт изолирующим слоем со всех сторон, что дает два дополнительных улучшения. Во-первых, уменьшаются утечки заряда измерительного конденсатора при контакте с объектом и натекание в конденсатор тех зарядов с объекта, которые сформировались на объекте из-за трения при движении через машину. Это важно для повышения чувствительности датчика, поскольку рабочие значения заряда в измерительном конденсаторе достаточно малы и могут быть легко искажены при касании с объектом. Во-вторых, для уменьшения трения и износа изолирующий слой может быть выполнен из широкой гаммы доступных износостойких диэлектрических материалов, таких как керамическое напыление, износостойкие марки стекол или полимеров.
В емкостных датчиках широко применяется так называемый защитный электрод, который частично окружает пластину измерительного конденсатора. В заявленном изобретении, в возможных реализациях дополнительно вводится защитный электрод, частично охватывающий основной приемный электрод, который может выполнять несколько функций. При его соединении с постоянным потенциалом, часть силовых линий полей внешних электростатических помех заканчиваются на эквипотенциальной поверхности защитного электрода и не достигают поверхности основного приемного электрода. Это позволяет уменьшить уровень помех на выходе датчика и повысить чувствительность. Если потенциал защитного электрода совпадает со средним потенциалом основного приемного электрода, то силовые линии электрического поля будут, в целом, направлены перпендикулярно к поверхности как основного приемного, так и защитного электродов. Это позволяет сформировать равномерный ход силовых линий в зазоре и его окрестностях, что снижает паразитное влияние положения объекта внутри зазора на выходной сигнал датчика, и тем самым увеличивает чувствительность датчика. В одной из возможных реализаций защитный электрод связан с выходом усилителя таким образом, что коэффициент связи по напряжению имеет положительный знак и его значение составляет меньше единицы. Такая связь нейтрализует, то есть уменьшает электрическую емкость, образуемую основным приемным и защитным электродами. Нейтрализация этой емкости уменьшает потери полезного сигнала из-за шунтирования входа усилителя, увеличивает выходной сигнал датчика и тем самым повышает его чувствительность. Перечисленные здесь улучшения, достигаемые применением защитного электрода, хорошо известны специалистам.
Зубчатый вал может быть соединен с эквипотенциальным контуром, объединяющим проводящие конструктивные элементы установки, в которой используется датчик. Такой эквипотенциальный контур, как правило, получается за счет механических соединений между проводящими элементами конструкции, и обычно используется для заземления установки. Соединение с эквипотенциальным контуром обеспечивает уменьшение или полное отсутствие напряженности электрического поля в окрестности зубчатого вала. Это, в свою очередь, уменьшает уровень помех, наводимых на датчик, и сводит до малозаметного уровня возмущения электрического поля в окрестности датчика, обусловленные вращением зубчатого вала.
Вход усилителя в электрической схеме датчика может быть чувствительным к напряжению либо к току. В предпочтительной реализации, следует использовать электрометрический усилитель напряжения с очень высоким входным сопротивлением и малым током утечки. В этой реализации, при периодическом изменении емкости измерительного конденсатора, суммарный заряд в измерительном конденсаторе и паразитных емкостях приемного электрода остается практически неизменным, а напряжение на конденсаторе периодически меняется.
Как правило, входные цепи современных операционных усилителей, предназначенных для применения в качестве электрометрических, выполнены на полевых транзисторах и имеют входное сопротивление на уровне сотен мегаом или единиц гигаом. Применение электрометрического усилителя позволяет уменьшить потери заряда измерительного конденсатора и, за счет этого, обеспечить высокую чувствительность датчика. Поскольку электрометрический усилитель является усилителем напряжения, то при его использовании можно эффективно реализовать нейтрализацию паразитной емкости основного приемного электрода и, таким образом, дополнительно повысить чувствительность. Для этого нужно связать защитный электрод с выходом усилителя, чтобы коэффициент связи по напряжению имел бы положительный знак и его значение было бы несколько менее единицы. Описанная здесь связь также компенсирует токи утечки между основным приемным и защитным электродами.
В другой возможной реализации, используется усилитель с токовым входом. Усилитель с токовым входом обеспечивает усиление тока, втекающего в измерительный конденсатор или вытекающего из него. Выходной сигнал датчика оказывается пропорциональным скорости изменения заряда измерительного конденсатора при периодическом изменении емкости. В усилителе с токовым входом напряжение приемного электрода меняется в малой степени, поэтому потери заряда в паразитных емкостях и сопротивлениях утечки приемного электрода также оказываются достаточно малыми. Усилитель с токовым входом требует специальных мер по обеспечению стабильности, поскольку источник сигнала имеет чисто емкостной характер, что может привести к самовозбуждению. Такие меры направлены на сохранение достаточного запаса фазы в цепи обратной связи усилителя и хорошо известны специалистам.
Дополнительные преимущества могут быть получены при использовании дополнительных приемных электродов. В одной из возможных реализаций зубья зубчатого вала размещены с постоянным угловым шагом, измеряемым в системе, связанной с геометрической осью вала, и имеется по меньшей мере один дополнительный приемный электрод, электрически связанный с основным приемным электродом, отделенный от зубчатого вала зазором для прохождения тонкого объекта, охваченный изолирующим слоем и частично охваченный защитным электродом, и расположенный с угловым смещением относительно основного приемного электрода, измеряемым в системе, связанной с геометрической осью вала, и равным целому числу угловых шагов зубьев.
Описанное размещение дополнительных приемных электродов обеспечивает получение на них электрического отклика на вращение зубчатого вала, находящегося в фазе с откликом основного приемного электрода. Поэтому, соединение всех упомянутых приемных электродов кратно увеличивает отклик и соответствующим образом повышает чувствительность датчика.
Дополнительно, для повышения чувствительности и снижения влияния внешних электростатических помех, могут использоваться дополнительные инвертирующие приемные электроды, отклик которых находится в противофазе с откликом основного приемного электрода. Для этого, усилитель напряжения оснащен дополнительным инвертирующим входом, и выполнен с возможностью усиления сигнала на дополнительном инвертирующем входе с инверсным коэффициентом усиления и добавления результата названного усиления к выходному сигналу усилителя, причем инверсный коэффициент усиления равен по абсолютному значению и противоположен по знаку коэффициенту усиления по основному входу, и при этом содержит по меньшей мере один дополнительный инвертирующий приемный электрод, соединенный с инвертирующим входом усилителя, отделенный от зубчатого вала зазором для прохождения тонкого объекта, охваченный изолирующим слоем и частично охваченный защитным электродом, и расположенный с угловым смещением относительно основного приемного электрода, измеряемым в системе, связанной с геометрической осью вала, и равным целому числу угловых шагов зубьев плюс половина углового шага зубьев.
Инвертирующий вход усилителя позволяет увеличить отклик датчика за счет отклика инвертирующего приемного электрода, поскольку отклик этого электрода находится в противофазе с откликом основного приемного электрода, и эти отклики суммируются усилителем. В то же время, при воздействии одинаковой электростатической помехи на основной приемный электрод и на инвертирующий приемный электрод, отклик электродов на эту помеху взаимно вычитается в усилителе и не влияет на выходной сигнал датчика. В наилучшем решении, для обеспечения наибольшей компенсации электростатических помех, количество приемных электродов, включая основной и дополнительные, должно быть равно количеству инвертирующих электродов, причем все эти электроды должны иметь одинаковую конструкцию. Применение ко всем этим электродам охвата изолирующим слоем и частичного охвата защитным электродом, связанным с постоянным потенциалом, обеспечивает те же преимущества, которые были описаны ранее для защиты основного приемного электрода.
При большом количестве приемных электродов, как дополнительных, так и инвертирующих, они размещаются по дуге, отстоящей от поверхности зубчатого вала на величину зазора. Для прохождения тонкого объекта по указанной дуге, зубчатый вал может быть размещен на изгибе пути транспортировки объекта в машине, где используется датчик. Для еще большего сокращения вероятности повреждения тонкого объекта при прохождении через датчик, соосно с этим валом могут быть установлены транспортировочные ролики, оснащенные прижимными роликами для прижима тонкого объекта.
Применение единого зубчатого вала, длина которого несколько превышает ширину тонкого объекта, позволяет расположить рядом множество датчиков согласно заявленному изобретению, чтобы получить составной многоэлементный датчик тонкого объекта. Такое использование изобретения позволяет применять его для контроля, всех зон поверхности тонкого объекта и получения двумерного массива откликов, пропорциональных толщине объекта.
На Фиг. 1А схематически изображена реализация датчика согласно заявленному изобретению, в которой имеются основной приемный электрод и защитный электрод. Область вокруг зазора с увеличением показана на Фиг. 1В.
На Фиг. 2 схематически изображена реализация датчика согласно заявленному изобретению, в котором имеются основной, дополнительные и инвертирующие приемные электроды, а также защитный электрод. Область вокруг зазора для этой реализации датчика, с увеличением показана на Фиг. 2В.
В качестве примера реализации рассматривается применение электростатического датчика в машине для обработки банкнот. Механизм машины подает банкноты по одной в банкнотопроводный тракт и перемещает их через датчик. Датчик используется для контроля банкнот с целью обнаружения наклеенной на поверхность банкноты клейкой ленты, что необходимо для выявления и отбраковки изношенных и поврежденных банкнот. Зубчатый вал 1 расположен в банкнотопроводном тракте машины и приводится во вращения от мотора механизма машины (не показан), Окружная скорость на вершинах зубьев вала 1 выбрана несколько большей, чем линейная скорость перемещения банкноты, которую обеспечивает банкнотопроводный тракт.
Чувствительным элементом датчика является основной приемный электрод 2, охваченный изолирующим полимерным слоем 9 и частично охваченный защитным электродом 3. Изолирующий слой 9 заполняет пространство между основным приемным электродом 2 и защитным электродом 3. Полимер, из которого выполнен изолирующий слой 9, является износостойким, и обеспечивает малый коэффициент трения по бумаге.
Между зубчатым валом 1 и основным приемным электродом 2 сформирован зазор, ограничиваемый, с одной стороны, поверхностью вала 1, а, с другой стороны, поверхностью изолирующего полимерного изолирующего слоя 9. Банкнота 4 проходит по тракту в указанном зазоре, при этом, ширина зазора примерно в пять раз превышает толщину банкноты. Банкнота 4 частично касается поверхности изолирующего слоя 9 из-за неплоскостности банкноты и ее вибрации. Это касание создает тормозящее усилие, приложенное к банкноте. Банкнота 4 также частично касается зубчатой поверхности вала 1. Вал 1 передает на банкноту продвигающее усилие. Таким образом, тормозящее усилие компенсируется, вплоть до того, что среднее результирующее усилие, приложенное к банкноте, является продвигающим. За счет этого, банкнота имеет значительно меньший риск замятия при прохождении через датчик.
Еще один фактор снижает вероятность замятия банкноты. Когда передняя (по ходу движения) кромка банкноты 4 подходит к зазору датчика, вращающаяся зубчатая поверхность вала 1 направляет кромку в сторону зазора, распрямляет ее и при дальнейшем движении не дает отогнуться в сторону. Таким образом, при наличии деформации кромки банкноты исключается замятие, которое является частой причиной повреждения банкнот во время машинной обработки.
Зубчатый вал 1 через шариковые подшипники, заполненные электропроводной смазкой, соединен с общим эквипотенциальным контуром машины, который соединяет вместе ее электропроводные конструктивные элементы. В данном описании, мы будем называть этот контур цепью заземления GND. Электропроводные конструктивные элементы, связанные с цепью GND, обеспечивают дополнительное экранирование датчика от внешних электрических помех. Кроме того, при вращении, вокруг зубчатого вала 1 не возникают возмущения электрического поля, кроме как в зазоре и в непосредственной близости от него. Отсутствие возмущений еще более увеличивает соотношение сигнал/помеха для датчика, и устраняет возможность наводки каких-либо помех от датчика на соседние с ним элементы машины.
ss
Защитный электрод 3 соединен с электрической цепью, обозначенной Vss. На этой цепи с помощью источника постоянного напряжения 8, относительно цепи заземления GND, создается положительное поляризующее напряжение V, приблизительно равное 55 В. Такой выбор поляризующего напряжения продиктован ограничением для безопасного постоянного напряжения, отраженном в общепринятых стандартах безопасности и равном 60 В. Для увеличения чувствительности, поляризующее напряжение выбрано по возможности большим, но без риска превышения указанного ограничения в схеме датчика, что позволяет не использовать специальные меры по изоляции высокого напряжения для защиты персонала.
Защитный электрод 3 охватывает основной приемный электрод 2 со всех сторон, кроме стороны, обращенной к поверхности зубчатого вала 1. За счет этого, внешние электрические поля, создающие помехи для работы датчика, замыкаются на поверхность защитного электрода 3. Поэтому, влияние помех на основной приемный электрод 2, в очень значительной степени, ослабляется.
ss
p
ss
p
ss
Основной приемный электрод 2 подключен к входу полупроводникового электрометрического усилителя 5, который построен на основе операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе. Операционный усилитель используется в неинвертирующей схеме включения. Вход усилителя 5 представляет собой неинвертирующий вход операционного усилителя. Входное сопротивление такого усилителя составляет единицы гигаом. Усилитель 5 изображен упрощенно, без указания цепей питания и обратной связи. Он питается от двух источников, обеспечивающих постоянное положительное напряжение питания V+U и отрицательное напряжение питания V-U. Цепь обратной связи присоединена к цепи Vss таким образом, что входное и выходное напряжение усилителя 5 отсчитываются от потенциала V.
7
ss
Между основным приемным электродом 2 и цепью Vss включен резистор смещения 6, который обеспечивает подачу напряжения поляризации на основной приемный электрод 2. Резистор 6 имеет высокое сопротивление, измеряемое десятками или сотнями мегаом. Параллельно резистору 6 оказывается подключенным паразитный конденсатор 7, который объединяет в себе паразитные емкости между основным приемным 2 и защитным 3 электродами, входную емкость усилителя 5, а также емкость монтажа. Емкость паразитного конденсатора 7 равна С. Интегрирующая цепь, образуемая резистором 6 и конденсатором 7, поддерживает на основном приемном электроде 2 поляризующий потенциал по отношению к цепи GND и, соответственно, к зубчатому валу 1, по средней величине равный поляризующему напряжению V. Изолирующий слой 9, охватывающий основной приемный электрод 2, блокирует токи утечки в обход резистора 6 и конденсатора 7, которые могли бы протекать за счет касания банкнотой 4 основного приемного электрода 2 или за счет образования проводящих мостиков от основного приемного электрода 2 по слою загрязнений на другие цепи.
in
7
in
in
Между основным приемным электродом 2 и зубчатым валом 1 имеется емкость зазора C, которая обычно значительно меньше емкости С паразитного конденсатора 7. При вращении зубчатого вала 1 среднее расстояние между его поверхностью и основным приемным электродом 2 изменяется, что приводит к периодическому изменению емкости C на некоторое значение ΔC, определяемое шириной зазора, геометрическими параметрами зуба вала 1 и основного приемного электрода 2, а также банкнотой 4, находящейся в зазоре. Как правило, относительное изменение  составляет несколько десятых.
in
6
in
in
in
Интегрирующая цепь, состоящая из резистора 6 и конденсатора 7, совместно с емкостью C, образует фильтр нижних частот на входе усилителя 5. Величина R резистора 6 смещения выбрана достаточно большой, чтобы рабочая частота F датчика, которая равна произведению частоты вращения зубчатого вала 1 на количество его зубьев, была бы много больше частоты среза этого фильтра, то есть:  За счет этого, при вращении зубчатого вала 1 и связанном с ним периодическом изменении емкости C, суммарный заряд, находящийся в объединенной емкости C зазора и емкости конденсатора 7, не успевает стекать через резистор 6 и поэтому может считаться постоянным. При вращении зубчатого вала 1 происходит периодическое перераспределение заряда между емкостью C зазора и емкостью конденсатора 7.
in
in
in
ss
7
in
in
in
in
in
7
in
in
in
in
in
7
Стационарный заряд емкости C зазора можно вычислить как Q=CV. Стационарный заряд Q конденсатора 7 равен нулю. После изменения емкости C зазора на ΔC на входе усилителя 5 возникает перепад напряжения ΔU, в связи с чем из емкости C зазора в конденсатор 7 перетекает заряд ΔQ=CΔU. Вместе с тем, перепад напряжения ΔU связан с изменением емкости зазора ΔC и заряда ΔQ следующим образом:  Из приведенных зависимостей путем очевидных подстановок и упрощений можно получить следующее выражение:  С учетом того, что C<<С, можно полагать, что  Таким образом, перепад напряжения пропорционален поляризующему напряжению. Увеличивая поляризующее напряжение, можно увеличить перепад напряжения до желательной величины. Таким образом, чувствительность датчика пропорциональна поляризующему напряжению.
in
in
out
При вращении зубчатого вала 1, периодически происходящие изменения емкости зазора ΔC создают на входе усилителя 5 переменное напряжение с размахом ΔU в соответствии с описанным здесь процессом перетекания заряда. После усиления, это напряжение с выхода усилителя 5 проходит через разделительный конденсатор 11 и падает на нагрузочном резисторе 12. За счет использования разделительного конденсатора 11, напряжение на резисторе 12 не имеет постоянной составляющей по отношению к цепи заземления GND. Оно оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 13. Цифровое значение моментального напряжения на входе преобразователя 13 передается в контроллер машины (на рисунке не показан). Оцифровка происходит множество раз за время одного периода частоты F, что позволяет программному обеспечению контроллера точно рассчитать среднеквадратичную величину переменного напряжения U на выходе усилителя 5.
in
Значение изменения емкости зазора ΔC зависит от того, чем заполнен зазор. Когда в зазоре находится банкнота, то емкость зазора возрастает, как это всегда происходит при введении диэлектрика в зазор конденсатора. Причем, увеличение происходит на меньшую относительную величину, когда напротив основного приемного электрода 2 находится промежуток между зубьями вала 1, чем в случае, когда напротив основного приемного электрода 2 находится вершина зуба. Этот эффект связан с тем, что, когда напротив основного приемного электрода 2 находится промежуток между зубьями, банкнота занимает меньшую относительную. долю объема между указанными поверхностями и в меньшей степени влияет на емкость зазора.
in
in
out
out
out
Поэтому, при входе банкноты в зазор, возрастает значение изменения емкости ΔC. Соответственно, возрастает перепад напряжения ΔU и увеличивается среднеквадратичная величина переменного напряжения U на выходе усилителя 5, рассчитываемая программным обеспечением контроллера. По тому, насколько увеличилось напряжение U, можно судить о наличии в зазоре банкноты 4 и о ее толщине. Если увеличение напряжения превышает заранее заданный браковочный предел, соответствующий наибольшей толщине годной банкноты, то программное обеспечение принимает решение о наличии на банкноте постороннего материала, такого как клейкая лента, и выдает механизму машины команду на вывод этой банкноты в карман для отбракованных банкнот. В случае, когда увеличение напряжения не превышает браковочного предела, программное обеспечение контроллера выдает механизму машины команду направить эту банкноту в карман для годных банкнот. Возможен также случай, когда банкнота в расчетный момент времени, соответствующий заданной скорости перемещения банкноты и известной длине пути перемещения банкноты от входа в банкнотопроводный тракт до датчика, не появляется в зазоре. Программное обеспечение судит об этом по отсутствию увеличения напряжения U, Отсутствие в расчетный момент увеличения указанного напряжения сверх заранее заданной пороговой величины рассматривается как признак замятия банкноты. В этом случае, контроллером выдается команда на аварийную остановку механизма машины.
Во втором примере реализации изобретения, показанном на Фиг. 2, электростатический датчик предназначен для установки на изгибе банкнотопроводного тракта. Банкнота 4, входящая в датчик, по мере своего движения огибает дугу вокруг зубчатого вала 1, и выходит из датчика с изменением первоначального направления движения. В дополнение к основному приемному электроду 2 здесь используются два соединенных с ним дополнительных приемных электрода 15. В системе координат, связанной с осью зубчатого вала 1, они расположены с угловым смещением относительно основного приемного электрода 2 на расстояние, равное одному шагу и двум шагам зубьев вала 1, соответственно. Таким образом, основные приемные электроды 2 и дополнительные приемные 15 одновременно оказываются напротив вершин зубьев вала 1 либо же одновременно оказываются напротив промежутков между зубьями. Емкость каждого из дополнительных приемных электродов 15, при вращении зубчатого вала 1, изменяется синхронно и в фазе с изменением емкости основного приемного электрода 2.
Кроме того, дополнительно используются группа из трех дополнительно введенных инвертирующих приемных электродов 16, соединенных вместе и размещенных со смещением на угловое расстояние друг от друга, равное шагу зубьев вала 1. При этом указанная группа смещена относительно основного приемного электрода 2 на угловое расстояние, равное половине шага зубьев вала 1. Таким образом, емкость каждого из инвертирующих приемных электродов 16, при вращении зубчатого вала 1, изменяется синхронно и в фазе друг с другом, и в то же время в противофазе с изменением емкости основного приемного электрода 2.
Приемные электроды 2, 15, 16 имеют одинаковую форму и размер. Расстояния от каждого из дополнительных приемных электродов 15 и от каждого из инвертирующих приемных электродов 16 до поверхности зубчатого вала 1 равны между собой и совпадают с расстоянием от основного приемного электрода 2 до поверхности этого вала. Приемные электроды 2, 15, 16 охвачены изолирующим полимерным слоем 9 и частично охвачены защитным электродом 3. За счет защитного электрода 3, блокируется проникновение электрических полей к приемным электродам 2, 15, 16 со всех сторон, кроме как со стороны поверхности вала 1. Изолирующий слой 9 заполняет пространство между приемными электродами 2, 15, 16 и защитным электродом 3. Как и в первом примере реализации, полимер, из которого выполнен изолирующий слой 9, является износостойким, и обеспечивает малый коэффициент трения по бумаге. Составной усилитель напряжения 10 сдержит два одинаковых электрометрических усилительных элемента 21 и 24, построенных на основе операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе, идентичных ранее описанному усилителю 5. Операционный усилитель применяется в неинвертирующем включении. Вход усилительного элемента 21 подсоединен к основному 17 входу усилителя 10, а вход усилительного элемента 24 подсоединен к инвертирующему 18 входу усилителя 10. Выходы усилительных элементов 21 и 24 подключены к входам дифференциального усилительного элемента 25, обеспечивающего вычитание входных сигналов. Этот усилительный элемент построен на основе операционного усилителя общего назначения. Выход дифференциального усилительного элемента 25 является выходом усилителя 10. Усилитель 10 является электрометрическим, так как оба его входа 17, 18 обеспечивают сверхвысокое входное сопротивление.
Высокоомные резисторы смещения 19 и 22 выполняют те же функции, которые выполняет ранее рассмотренный резистор смещения 6. Паразитные конденсаторы 20 и 23 по своему происхождению и функциям идентичны ранее рассмотренному конденсатору 7.
Основной вход 17 усилителя 10 является точкой соединения основного 2 и двух дополнительных 15 приемных электродов. Инвертирующий вход 18 усилителя 10 является точкой соединения трех инвертирующих приемных электродов 16. Формирование входных сигналов усилительных элементов 21 и 24 происходит при вращении зубчатого вала 1 совершенно аналогично формированию входного сигнала усилителя 5, с учетом сопротивления резисторов смещения 19 и 22 и емкости паразитных конденсаторов 20 и 23.
При вращении зубчатого вала 1, сигналы на входах 17 и 18 находятся в противофазе, как и усиленные сигналы на выходах усилительных элементов 21 и 24. Однако, за счет применения дифференциального усилительного элемента 25, противофазные сигналы суммируются на выходе усилителя 10 со сложением амплитуды. Таким образом, усилитель 10 суммирует в одинаковом фазовом соотношении отклики на вращение зубчатого вала 1, в целом, от шести приемных электродов 2, 15, 16, и усиливает эти отклики. Одновременно с этим, синфазная помеха, проникающая в датчик от внешнего источника и действующая на шесть указанных электродов 2, 15, 16, за счет вычитания в дифференциальном усилителе 25, ослабляется или же полностью уничтожается. Этим достигается повышение чувствительности датчика и повышение соотношения сигнал/помеха.
Передача выходного сигнала усилителя 10 на вход аналого-цифрового преобразователя 13, его оцифровка и последующая обработка в программном обеспечении контроллера машины происходят совершенно аналогично тому, как это было описано для первого примера реализации изобретения.