Преобразователь физической величины

 

Изобретение относится к информационным преобразователям, в которых физическая величина, например, давление, ускорение или угловая скорость, вызывающая действие на чувствительный элемент преобразователя сил или моментов, преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный физической величине. Техническим результатом является упрощение схемы электронного усилителя и повышение точности измерения физической величины. Преобразователь содержит корпус, чувствительный элемент, датчик положения с емкостными преобразователями, источник питания переменного тока, электронный усилитель, обратный преобразователь, первый и второй резисторы. Электронный усилитель выполнен в составе суммирующего усилителя и усилителя постоянного тока. Введены инвертор, формирователь прямоугольных импульсов, первый и второй электронные ключи. Вход первого электронного ключа подключен к точке соединения первого резистора с одним из электродов первого емкостного преобразователя и к одному из входов суммирующего усилителя. Вход второго электронного ключа подключен к точке соединения второго резистора с одним из электродов второго емкостного преобразователя и с другим входом суммирующего усилителя. 11 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к информационным преобразователям, в которых физическая величина, например, давление, ускорение или угловая скорость, вызывающая действие на чувствительный элемент преобразователя сил или моментов, преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный физической величине.

Известен преобразователь физической величины /1/, содержащий корпус, чувствительный элемент, датчик положения.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь физической величины /2/, содержащий корпус, чувствительный элемент, датчик положения с первым и вторым емкостными преобразователями, электроды которых расположены на чувствительном элементе и в корпусе, источник питания переменного тока, электронный усилитель с входным усилительным устройством и с выходным усилительным устройством с выходным сигналом постоянного тока, обратный преобразователь, элементы которого расположены в корпусе и на чувствительном элементе, причем у первого емкостного преобразователя один из электродов подключен к первому выводу первого резистора, у второго емкостного преобразователя один из электродов подключен к первому выводу второго резистора, второй электрод первого емкостного преобразователя и второй электрод второго емкостного преобразователя соединены вместе или выполнены общим элементом.

Недостатком такого преобразователя физической величины является усложнение схемы электронного усилителя вследствие необходимости ее выполнения в составе дифференциального усилителя, усилителя переменного тока, демодулятора и усилителя мощности постоянного тока, а также погрешность измерения вследствие сторонних сил, вызываемых действием пондеромоторной силы от статических зарядов на электродах емкостных преобразователей.

Техническим результатом изобретения являются упрощение схемы электронного усилителя и повышение точности измерения физической величины.

Указанный технический результат достигается в преобразователе физической величины, содержащем корпус, чувствительный элемент, датчик положения с первым и вторым емкостными преобразователями, электроды которых расположены на чувствительном элементе и в корпусе, источник питания переменного тока, электронный усилитель с входным усилительным устройством и с выходным усилительным устройством с выходным сигналом постоянного тока, обратный преобразователь, элементы которого расположены в корпусе и на чувствительном элементе, причем у первого емкостного преобразователя один из электродов подключен к первому выводу первого резистора, у второго емкостного преобразователя один из электродов подключен к первому выводу второго резистора, второй электрод первого емкостного преобразователя и второй электрод второго емкостного преобразователя соединены вместе или выполнены общим элементом, тем, что входное усилительное устройство электронного усилителя выполнено как суммирующий усилитель, выходное усилительное устройство электронного усилителя с выходным сигналом постоянного тока выполнено как усилитель постоянного тока, выход суммирующего усилителя подключен к входу усилителя постоянного тока, введены инвертор, формирователь прямоугольных импульсов, первый и второй электронные ключи, выход источника питания переменного тока подключен к второму выводу первого резистора и к входу инвертора, выход инвертора подключен к второму выводу второго резистора, вход формирователя прямоугольных импульсов подключен к выходу источника питания переменного тока или к выходу инвертора, выход формирователя прямоугольных импульсов подключен к входам управления первого и второго электронных ключей, вход первого электронного ключа подключен к точке соединения первого резистора с электродом первого емкостного преобразователя, которая соединена с первым входом суммирующего усилителя, вход второго электронного ключа подключен к точке соединения второго резистора с электродом второго емкостного преобразователя, которая соединена с вторым входом суммирующего усилителя, выходы первого и второго электронных ключей подключены к точке, в которой соединены вместе электроды первого и второго емкостных преобразователей.

Путем выполнения входного усилительного устройства в виде суммирующего усилителя, выходного усилительного устройства в виде усилителя постоянного тока, подключения выхода суммирующего усилителя к входу усилителя постоянного тока, введения инвертора, формирователя прямоугольных импульсов и электронных ключей, подключения выхода источника питания переменного тока к первому резистору, выхода инвертора к второму резистору, подключения формирователя прямоугольных импульсов входом к выходу источника питания переменного тока и выходом к входам управления электронных ключей, подключения точки соединения первого резистора с электродом первого емкостного преобразователя с первым входом суммирующего усилителя и с входом первого электронного ключа, подключения точки соединения второго резистора с вторым входом суммирующего усилителя и с входом второго электронного ключа обеспечивается упрощение схемы электронного усилителя за счет устранения усилителя переменного тока и демодулятора.

Посредством подключения входов первого и второго электронных ключей к точкам соединения электродов первого и второго емкостных преобразователей с первым и вторым резисторами, соединения вместе выходов первого и второго электронных ключей и подключения к точке соединения электродов первого и второго емкостных преобразователей обеспечивается снятие зарядов статического электричества с электродов емкостных преобразователей, в результате чего устраняется действие на чувствительный элемент преобразователя физической величины пондеромоторных сил и повышается точность измерения физической величины.

На фиг. 1 приведен общий вид преобразователя физической величины - акселерометра, на фиг. 2 - вид чувствительного элемента, на фиг. 3 - вид пластины с электродами емкостных преобразователей, на фиг. 4 - электрическая схема преобразователя физической величины - акселерометра, на фиг. 5 - диаграмма напряжений в схеме преобразователя физической величины, на фиг. 6 - общий вид преобразователя физической величины - датчика давления, на фиг. 7 - вид одной пластины, на фиг. 8 - вид другой пластины, на фиг. 9,10 - виды мембраны, на фиг. 11 - электрическая схема преобразователи физической величины - датчика давления.

Преобразователь физической величины, например, акселерометр (фиг. 1) содержит корпус 1 со стойкой 2, на которой расположен чувствительный элемент 3, выполненный как подвижная часть в пластине 4 и опирающийся посредством прокладки 5 на плату 6 с электродом 7' первого емкостного преобразователя и электродом 7'' второго емкостного преобразователя. Постоянный магнит 8 обратного преобразователя магнитоэлектрического типа установлен на стойке 2 корпуса 1, а компенсационная катушка 9 закреплена на чувствительном элементе 3, на котором также установлен груз 10. Пластина 4, прокладка 5, плата 6 и постоянный магнит 8 закреплены на стойке 2 корпуса 1 гайкой 11. Корпус 1 закрыт крышкой 12.

Чувствительный элемент 3 (фиг. 2) соединен с пластиной 4 расположенными симметрично относительно оси 13-13 упругими перемычками 14', 14'', оси изгиба которых расположены по оси подвеса 15-15. Поверхность 16 чувствительного элемента 3 выполнена электропроводной, например, путем напыления слоя меди, и является общим электродом первого и второго емкостных преобразователей.

Электроды 7', 7'' (фиг. 3) на плате 6 расположены симметрично относительно оси подвеса 15-15 и выполнены путем напыления слоев меди.

В преобразователе физической величины - акселерометре (фиг. 4) первый вывод первого резистора R1 соединен с одним электродом 7' первого емкостного преобразователя, первый вывод второго резистора R2 соединен с одним электродом 7'' второго емкостного преобразователя. Вторые электроды первого и второго емкостных преобразователей выполнены общими путем образования электропроводной поверхности 16 на чувствительном элементе 3.

Второй вывод первого резистора R1 подсоединен к выходу источника питания переменного тока 17, который также подключен к входу инвертора 18. К выходу инвертора 18, соединенного с входом формирователя прямоугольных импульсов 19, подключен второй вывод второго резистора R2.

Резисторы R1, R2 вместе с электродами 7', 7'' и 16, подключенные к источнику питания переменного тока 17 и инвертору 18, образуют датчик положения преобразователя физической величины.

Выход формирователя прямоугольных импульсов 19 подсоединен к управляющим входам первого 20' и второго 20'' электронных ключей, выходы которых соединены вместе и подключены к точке схемы, к которой подключен общий электрод 16 первого и второго емкостных преобразователей.

Вход первого электронного ключа 20' подключен к первому входу суммирующего усилителя 21 и к точке соединения первого резистора R1 с электродом 7' первого емкостного преобразователя. Вход второго электронного ключа 20'' подключен к второму входу суммирующего усилителя 21 и к точке соединения второго резистора R2 с электродом 7'' второго емкостного преобразователя.

Выход суммирующего усилителя 21 соединен с входом усилителя постоянного тока 22, к выходу которого подключены последовательно включенные компенсационная катушка 9 обратного преобразователя и третий резистор R3.

Преобразователь физической величины - акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения под действием на груз 10 инерционной силы происходит угловое перемещение чувствительного элемента 3 относительно оси подвеса 15-15. При этом емкости конденсаторов, образованных электродами 7', 7'', 16 первого и второго емкостных преобразователей, изменяются, например, так, что амплитуда напряжения U'₁ на электродах 7' и 16 становится больше амплитуды напряжения U'₂ на электродах 7'' и 16 (фиг. 5). Так как напряжения U'₁ и U'₂ находятся в противофазе, то на выходе суммирующего усилителя при разомкнутых первом 20' и втором 20'' электронных ключах в период времени от 0 до t₁ возникает разностное напряжение U_p 0. При замыкании первого 20' и второго 20'' электронных ключей в период времени от t₁ до t₂ напряжения U''₁ = U''₂ = 0, и на выходе суммирующего усилителя 21 разностное напряжение U''_p= 0. Среднее напряжение U_cp = U'_p/ с выхода суммирующего усилителя 21 подается на вход усилителя постоянного тока 22, откуда после усиления по амплитуде и мощности подается в компенсационную катушку 9 обратного преобразователя магнитоэлектрического типа. В результате в обратном преобразователе создается компенсационная сила, уравновешивающая действующую на груз 10 инерционную силу, и на третьем резисторе R3 создается падение напряжения, пропорциональное измеряемому ускорению.

При замыкании первого 20' и второго 20'' электронных ключей заряды статического электричества на электродах 7', 7'' первого и второго емкостных преобразователей удаляются в общую точку схемы. В результате на электродах 7', 7'' не происходит накопление зарядов статического электричества, приводящее к возникновению пондеромоторных сил, вызывающих погрешность в измерении физической величины.

Преобразователь физической величины - датчик давления (фиг. 6) содержит корпус 23 с герметичной полостью 24 и штуцером 25. В корпусе 23 установлена мембрана 26 с поверхностями 27, 28, выполняющая роль чувствительного элемента датчика давления. В корпусе 23 установлены первая пластина 29, вторая пластина 30, и он закрыт крышкой 31.

На обращенной к мембране 26 стороне первой пластины 23 (фиг. 7) выполнены первый электрод 32 первого емкостного преобразователя и первый электрод 33 обратного преобразователя электростатического типа.

На обращенной к мембране 26 стороне второй пластины 30 образован первый электрод 34 второго емкостного преобразователя (фиг. 8).

На поверхности 27 мембраны 26 (фиг. 9) выполнены второй электрод 35 первого емкостного преобразователя и второй электрод 36 обратного преобразователи электростатического типа.

На поверхности 28 мембраны 26 (фиг. 10) образован второй электрод 37 второго емкостного преобразователя.

В преобразователе физической величины - датчике давления (фиг. 11) в датчике положения первый вывод первого резистора R1 подключен к первому электроду 32 первого емкостного преобразователя, первый вывод второго резистора R2 подключен к первому электроду 34 первого емкостного преобразователя. Вторые электроды 35, 37 первого и второго емкостных преобразователей соединены вместе. Второй вывод первого резистора R1 подсоединен к выходу источника питания переменного тока 17, который также подключен к входу инвертора 18 и к входу формирователя прямоугольных импульсов 19. К выходу инвертора 18 подключен второй вывод второго резистора R2.

Выход формирователя прямоугольных импульсов 19 подключен к управляющим входам первого 20' и второго 20'' электронных ключей, выходы которых соединены вместе и подключены к точке схемы, к которой подключены соединенные вместе вторые электроды 35, 37 первого и второго емкостных преобразователей. Вход первого электронного ключа 20' подключен к первому входу суммирующего усилителя 21 и к точке соединения первого резистора R1 с первым электродом 32 первого емкостного преобразователя. Вход второго электронного ключа 20'' подключен к второму входу суммирующего усилителя 21 и к точке соединения второго резистора R2 с первым электродом 34 второго емкостного преобразователя.

Выход суммирующего усилителя 21 соединен с входом усилителя постоянного тока 22, к выходу которого подключен первый электрод 33 обратного преобразователя, второй электрод 36 которого подключен к общей линии схемы преобразователя физической величины.

Преобразователь физической величины - датчик давления работает следующим образом.

При наличии давления в среде, соединенной с датчиком давления через штуцер 25 в корпусе 23, мембрана 26 изгибается в сторону второй пластины 30 (фиг. 6). При этом изменяются емкости конденсаторов, образованных электродами 32, 34, 35, 37 первого и второго емкостных преобразователей. В результате процесса преобразования сигналов, описанного для преобразователя физической величины, с выхода усилителя постоянного тока 22 поступает сигнал постоянного тока на электроды 33, 36 обратного преобразователя. Под действием пондеромоторной силы мембрана 26 возвращается в первоначальное положение. Путем компенсации силы давления пондеромоторной силой обратного преобразователи производится измерение давления, которое пропорционально напряжению на электродах 33, 36 обратного преобразователя.

По аналогичной схеме построен и аналогичным образом работает преобразователь физической величины - гироскопический измеритель угловой скорости, имеющий датчик положения с емкостными преобразователями и обратный преобразователь магнитоэлектрического или электростатического типов.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 1744539, кл. G 01 L 9/12. Емкостный датчик давления, 1992 г.

2. Патент США N 3498138, кл. G 01 P 15/08, НКИ 73-517. Акселерометр, 1970 г.

Формула изобретения

Преобразователь физической величины, содержащий корпус, чувствительный элемент, датчик положения с первым и вторым емкостными преобразователями, электроды которых расположены на чувствительном элементе и в корпусе, источник питания переменного тока, электронный усилитель с входным усилительным устройством и с выходным усилительным устройством с выходным сигналом постоянного тока, обратный преобразователь, элементы которого расположены в корпусе и на чувствительном элементе, причем у первого емкостного преобразователя один из электродов подключен к первому выводу первого резистора, у второго емкостного преобразователя один из электродов подключен к первому выводу второго резистора, второй электрод первого емкостного преобразователя и второй электрод второго емкостного преобразователя соединены вместе или выполнены общим элементом, отличающийся тем, что входное усилительное устройство электронного усилителя выполнено как суммирующий усилитель, выходное усилительное устройство электронного усилителя с выходным сигналом постоянного тока выполнено как усилитель постоянного тока, выход суммирующего усилителя подключен к входу усилителя постоянного тока, введены инвертор, формирователь прямоугольных импульсов, первый и второй электронные ключи, выход источника питания переменного тока подключен к второму выводу первого резистора и к входу инвертора, выход инвертора подключен к второму выводу второго резистора, вход формирователя прямоугольных импульсов подключен к выходу источника питания переменного тока или к выходу инвертора, выход формирователя прямоугольных импульсов подключен к входам управления первого и второго электронных ключей, вход первого электронного ключа подключен к точке соединения первого резистора с электродом первого емкостного преобразователя, которая соединена с первым входом суммирующего усилителя, вход второго электронного ключа подключен к точке соединения второго резистора с электродом второго емкостного преобразователя, которая соединена с вторым входом суммирующего усилителя, выходы первого и второго электронных ключей подключены к точке, в которой соединены вместе электроды первого и второго емкостных преобразователей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11