ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
CAPACITIVE DISPLACEMENT SENSOR

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в МЭМС акселерометрах и гироскопах.
Известен датчик [1] перемещений, содержащий дифференциальные емкости, соединенные с чувствительным элементом, и синхронный детектор.
Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с тем, что при наличии двух движений подвижного узла вместе с подвижным электродом, например линейного и углового, эти движения взаимно влияют друг на друга, внося тем самым погрешность в измерения.
Наиболее близким к заявленному изобретению является преобразователь [2] перемещений, содержащий широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод, выполненный на пластине проводящего монокремния, соединенный с объектом измерения перемещений, два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, размещенных симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, каждый неподвижный электрод разделен пополам, а одинаковые части, размещенные с разных сторон подвижного электрода на одинаковом расстоянии от оси качания, соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые при равных зазорах имеют одинаковую емкость.
Недостатком известного устройства является то, что при произвольном выборе оси качания, разбиение неподвижных электродов пополам не приводит к повышению точности, так как принцип измерения не выполняется. На фиг. 1 показана конструкция емкостного датчика перемещений с осью 5 качания, лежащей вне площади подвижного электрода. При перекрестном соединении измерительных конденсаторов 1, 2 и 3, 4 резко падает точность измерения углового перемещения подвижного электрода, т.к. измерение емкости дифференциальных конденсаторов минимально. Точность повышается только в случае, когда неподвижные электроды разделены осью 5 качания пополам (фиг. 2), т.е. ось качания является осью симметрии неподвижных электродов. При угловом движении подвижного электрода дифференциальное изменение емкостей 1, 2 и 3, 4 будет максимальным.
Еще одним недостатком является то, что площадь неподвижных обкладок не полностью перекрывает площадь подвижного электрода, что снижает емкость измерительных конденсаторов и тем самым уменьшает точность и чувствительность датчика перемещений.
Технический результат заключается в повышении чувствительности и точности преобразователя перемещений.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является увеличение емкости измерительных конденсаторов за счет увеличения площадей неподвижных электродов до границ подвижной массы.
Поставленная задача решается за счет того, что в емкостном датчике перемещений, содержащем широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод и выполненные на изоляционных обкладках неподвижные электроды, размещенные симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, каждый неподвижный электрод разделен пополам, а одинаковые части, размещенные с разных сторон подвижного электрода на одинаковом расстоянии от оси качания, соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые при равных зазорах имеют одинаковую емкость, в соответствии с изобретением неподвижные электроды, находящиеся на одной изоляционной обкладке, разделены асимметрично относительно оси качания и перекрывают всю площадь подвижного электрода, а ответные неподвижные электроды выполнены симметрично относительно плоскости подвижного электрода.
Одним отличительным признаком изобретения является то, что неподвижные электроды, находящиеся на одной изоляционной обкладке, разделены асимметрично относительно оси качания.
Еще одним отличительным признаком изобретения является то, что неподвижные электроды, размещенные симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, перекрывают всю площадь подвижного электрода.
На фиг. 3 представлена конструкция емкостного датчика перемещений, состоящего из двух изоляционных обкладок 6, подвижной массы 7. Подвижная масса закреплена на неподвижном основании посредством упругого подвеса, который может быть выполнен для работы как на изгиб, так и на кручение. На изоляционных обкладках выполнены пары неподвижных электродов 1, 2 и 3, 4 различной площади, перекрывающие всю площадь подвижного электрода.
Устройство работает следующим образом. Под действием ускорения по измерительной оси 8 подвижная масса 7 совершает сложное движение - угловое вокруг оси 5 за счет массы небаланса 9 и плоскопараллельное относительно плоскости неподвижных электродов. Так как информацию о проекции ускорения на измерительную ось 5 в линейном виде несет только угловое перемещение подвижной массы, то в нее должна быть внесена масса небаланса 9 относительно оси 5 качания и, как следствие, не симметрия подвижной массы относительно оси 5.
Данная конструкция емкостного датчика перемещений является не чувствительной к линейному движению подвижной массы, т.к. перекрестное соединение неподвижных электродов 1, 2 и 3, 4 приводит к тому, что суммарные емкости дифференциальных конденсаторов моста остаются неизменными. Угловое движение подвижной массы вызывает небаланс дифференциального моста, соединенного с входом широтно-импульсного модулятора.
Источники информации
1. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники // Микросистемная техника. 2002. №1. С. 3-9.
2. Патент РФ №2521141. Емкостный датчик перемещений.