CA2224536A1 - Circuit de mesure pour un capteur capacitif - Google Patents
Circuit de mesure pour un capteur capacitifInfo
- Publication number
- CA2224536A1 CA2224536A1 CA002224536A CA2224536A CA2224536A1 CA 2224536 A1 CA2224536 A1 CA 2224536A1 CA 002224536 A CA002224536 A CA 002224536A CA 2224536 A CA2224536 A CA 2224536A CA 2224536 A1 CA2224536 A1 CA 2224536A1
- Authority
- CA
- Canada
- Prior art keywords
- ref
- plate
- capacitive sensor
- voltage
- ref2
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Abandoned
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
- G01D5/2405—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by varying dielectric
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
- G01D5/2403—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by moving plates, not forming part of the capacitor itself, e.g. shields
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
- G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
- G01D5/2417—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2605—Measuring capacitance
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
CA 02224~36 1997-12-30 CIRCUIT DE MESURE POUR UN CAPTEUR CAPACITIF
CHAMP DE L'INVENTION
La présente invention porte sur un circuit de mesure pour un capteur 5 capacitif, et plus particulièrement sur un circuit de mesure produisant un signal ayant une période qui varie en fonction des temps de charge et décharge du capteur capacitif. Le circuit peut être avantageusement utilisé en combinaison avec un capteur capacitif installé sur un arbre tournant, afin de mesurer sa vibration .
HISTORIQUE
Habituellement, dans le cas de la vibration d'un arbre tournant, le capteur capacitif utilise une technique inductive impliquant des courants de Foucault.
L'emploi de cette technique a pour conséquence que l'utilisateur doit calibrer ou 15 interpréter les mesures du capteur selon le type de matériau dont est construit l'arbre. De plus, une variation de densité du matériau sur la circonférence de l'arbre provoque une variation de la mesure difficile à différencier des vibrations réelles faisant l'objet de l'observation.
La présente invention permet d'éliminer ces deux problèmes puisque le circuit et la méthode de mesure sont insensibles au type ou à la variation de densité du matériau conducteur impliqué dans le processus.
Le circuit de mesure selon l'invention comporte un circuit oscillateur 25 générant un signal ayant une période qui varie en fonction des temps de charge et décharge du capteur capacitif entre deux seuils de tension prédéterminés. La charge et la décharge du capteur capacitif se fait par le biais d'un jeu de résistances reliées à un circuit oscillateur ayant une première sortie contrôlant la charge et la décharge du capteur capacitif, et une deuxième sortie générant le 30 signal de mesure. Les plaques du capteur capacitif sont connectées à un circuit suiveur, dont la sortie est connectée au circuit oscillateur. La deuxième sortie du CA 02224~36 1997-12-30 circuit oscillateur peut être reliée à un circuit de traitement pour rendre la mesure linéaire.
DESCRIPTION BREVE DES DESSINS
Une description détaillée des réalisations préférées de l'invention sera donnée ci-après en référence avec les dessins suivants, dans lesquels les mêmes numéros font référence à des éléments identiques ou similaires:
Figure 1 est un diagramme schématique d'un capteur capacitif apte à
fonctionner avec un circuit de mesure selon l'invention;
Figure 2 est un diagramme schématique d'un capteur capacitif muni d'un - anneau de garde, selon l'invention;
Figure 3 est un diagramme schématique d'une première réalisation du circuit de mesure selon l'invention, connecté à un capteur capacitif;
Figure 4 est un diagramme schématique d'une deuxième réalisation du 15 circuit de mesure selon l'invention, connecté à un capteur capacitif;
Figure 5 est un graphe montrant une courbe typique de la période du signal produit par le circuit de mesure selon l'invention par rapport à la distance faisant l'objet d'une mesure par le capteur capacitif;
Figure 6 est un diagramme schématique d'une première réalisation d'un 20 circuit pour rendre la mesure linéaire, selon l'invention; et Figure 7 est un diagramme schématique d'une seconde réalisation d'un circuit pour rendre la mesure linéaire, selon l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉES
En référence à la Figure 1, il est montré un diagramme schématique d'un capteur capacitif apte à fonctionner avec le circuit de mesure selon l'invention.
Ce capteur capacitif est semblable à celui montré dans le brevet US No.
4,675,670. Le capteur capacitif 9 (condensateur de mesure) est formé de deux plaques conductrices parallèles 1 et 4, isolées électriquement l'une de l'autre par un diélectrique 5. La plaque 1 et la matière conductrice ou semi-conductrice 2 forment un condensateur Cm 3 dont la valeur de la capacité suit la relation:
CA 02224~36 1997-12-30 Cm = K-A/D ( 1 ) où:
K = ~0 ~" ~0 étant la permittivité du vide (8,854 pF/m) et ~r étant la permittivité relative du diélectrique 11 entre les plaques 1 et la matière 2;
A est la surface de la plaque 1;
D est la distance séparant la plaque 1 de la matière 2.
L'équation (1 ) démontre bien que la mesure est indépendante du type, de la densité et de la variation de densité du matériau dont est construit la matière conductrice ou semi-conductrice 2.
De plus, I'équation (1) révèle certaines autres applications. Par exemple, la capacité Cm 3 peut varier également si la distance D est fixe et que la surface A demeure constante, tandis que la valeur du diélectrique ~, entre la plaque 1 et la matière 2 varie. On obtient ainsi un capteur qui peut être utilisé pour mesurer l'humidité dans une pièce de bois insérée entre la plaque 1 et la matière 2, ou encore, un capteur mesurant la variation des propriétés d'un fluide présent entre la plaque 1 et la matière 2. Si la caractéristique diélectrique du milieu entre la plaque 1 et la matière 2 et la distance D demeurent constantes, on obtient un capteur dont la valeur de la capacité Cm 3 varie en fonction de la surface A, oùA n'est plus seulement la surface de la plaque1, mais plutôt la surface de la plaque 1 qui est placé directement devant la matière 2. On obtient alors un capteur par recouvrement qui est utile pour mesurer les déplacements latéraux de la matière 2.
En référence à la Figure 2, la plaque 4 sert de blindage car elle est maintenue à une tension semblable à celle de la plaque 1 durant l'opération du capteur 9, tel qu'expliqué plus loin. Ceci permet d'obtenir une capacité Cd 10, entre les plaques 1 et 4, la plus faible possible et de blinder le condensateur de mesure contre toute perturbations pouvant exister derrière la plaque 4. Les plaques latérales 6 sont au même potentiel que la cible 2. Celles-ci permettent de rendre insensible le capteur 9 à des objets extérieurs latéraux mais aussi de fixer mécaniquement le capteur 9 à une armature lors de l'utilisation. Les plaques 6 ont cependant le désavantage de former une capacité parasite Cp 7. Les méthodes CA 02224~36 1997-12-30 de blindage discutées ici ont pour objectif que seul Cm 3 varie avec la distanceséparant la plaque 1 de la surface conductrice ou semi-conductrice 2.
Une fason de diminuer la valeur de la capacité parasite Cp 7 est d'augmenter la distance entre la plaque 1 et les plaques 6 en les éloignant de 5 fason radial ou en les déplaçant vers la plaque 4. Cependant, en agissant ainsi, les perturbations extérieures sont plus plausibles. Une autre fason de diminuer Cp7 est d'ajouter un anneau de garde 23 au condensateur de mesure 9 tel qu'illustré à la figure 2. L'anneau de garde 23 est, en opération, soumis au même potentiel que la plaque 4, tel qu'expliqué plus loin, ce qui diminue Cp 7 puisque 10 les surfaces formant cette capacité parasite sont moins grandes et plus éloignées.
En référence à la Figure 3, il est montré un circuit de mesure selon l'invention, basé sur un oscillateur 22 connecté au condensateur de mesure 9. Laplaque 1 du condensateur de mesure 9 est reliée à l'entrée positive d'un amplificateur opérationnel 13 qui sert de tampon avec le reste du circuit. La 15 plaque de blindage 4 est reliée avec l'entrée négative du tampon 13 ce qui, par la propriété inhérente d'un amplificateur opérationnel, assure une tension semblable entre les plaques 1 et 4 (et 23 si on utilise un anneau de garde). Le principe de l'oscillateur 22 est que la capacité totale vue par la plaque 1 est chargée à travers les résistances Ra 21 et Rb 12 par une tension fixe Ref3 8 20 jusqu'à l'atteinte d'une tension de référence Ref2 16. A ce moment, le comparateur 15 actionne une bascule 18 qui elle, actionne un commutateur 19.
Dès lors, la capacité totale vue par la plaque 1 se décharge à travers la résistance Rb 1 2 jusqu'à l'atteinte d'une tension fixe Ref 1 17. Le comparateur 14 actionne la bascule 18 qui actionne à son tour le commutateur 19. Le cycle recommence 25 alors avec la recharge de la capacité.
Pendant la charge (en mode permanent), la tension présente sur la plaque 1 suit la relation:
Vcharge(t) = ( Ref 3-Ref 1 ) - ( 1 e-t/((Ra + Rb) c)) + Ref l ( 2 ) Pendant la décharge (en mode permanent), la tension présente sur la 30 plaque 1 suit la relation:
Vdécharge(t) = Ref2-e "
CA 02224~36 1997-12-30 Pendant la charge (en mode permanent), le temps de montée est de:
TCharge = -(Ra + Rb)-C-ln{[(Ref2-Ref 1 )/(Ref3-Ref 1 )] + 1 } (4) Pendant la décharge (en mode permanent), le temps de descente est de:
TdéCha~ge = -Rb-C-ln(Ref 1 /Ref2) (5) Par conséquent, le signal de sortie T 20 aura une période représentée par:
T = TChar9e + Tdecharge (6) Il est à noter que pour ces équations:
C=Cm+Cp+Cr (7) soit Cm 3 et Cp 7 des figures 1 et 2, mais aussi Cr qui comprend tout effet parasite qui est propre au condensateur de mesure 9 et plus globalement à
l'oscillateur 22.
Pour simplifier, on peut poser que:
Cpt = Cp + Cr (8) En reprenant l'équation (1), on peut conclure que:
1 5 C = Cpt + K-A/D (g) d'où l'équation de la période de sortie en fonction de D, soit la distance entre les plaques 1 et 2:
T = {Cpt + K-A/D}-{-(Ra + Rb)-ln{[(Ref2-Ref 1 )/(Ref3-Ref 1 )] + 1 }-Rb-ln(Ref 1 /Ref2)}
(10) ll faut que la tension Ref 1 1 7 soit plus petite que la tension Ref2 16 et que la tension Ref2 16 soit plus petite que la tension Ref3 8.
En référence à la Figure 4, il est montré une autre façon de réaliser un oscillateur selon l'invention. L'oscillateur 48 fonctionne sensiblement de la même façon que l'oscillateur 22 illustré à la Figure 3, à l'exception de quelques éléments. En effet, la charge et la décharge du condensateur de mesure 9 ne s'effectuent que par une seule et même résistance Rc 46. De plus, la référence Ref 3 est enlevée et la tension de charge du condensateur est maintenant la tension Vo 47.
Pendant la charge (en mode permanent), la tension présente sur la plaque 1 suit la relation:
Vcharge(t) = (Vo-Ref 1 ) ( 1 e-t/(Rc c~) + Ref 1 CA 02224~36 1997-12-30 Pendant la décharge (en mode permanent), la tension présente sur la plaque 1 suit la relation:
VdéCharge(t) = Ref2-e ~ ~ (12) Pendant la charge (en mode permanent), le temps de montée est de:
Tcharge = -Rc C ln{l(Ref 2-Ref 1)/(V0-Ref 1)] + 1 } (13) Pendant la décharge (en mode permanent), le temps de descente est de:
Tdécharge = -Rc-C-ln(Ref 1 /Ref2) (14) Par conséquent, en reprenant le même raisonnement que pour l'oscillateur 22 de la Figure 3, le signal de sortie T 20 aura une période représentée par:
T = {Cpt + K A/D} {-Rc ln{l(Ref2-Ref 1)/(V0-Ref 1)] + 1 }-Rc-ln(Ref 1 /Ref2)}
(15) Il faut que la tension Ref1 17 soit plus petite que la tension Ref2 16.
- D'après les équations (10) et (15), la relation entre la période et la distance a l'allure de la courbe illustrée à la Figure 5.
Selon la relation de l'équation (9) et son illustration à la figure 5, la période produite par le capteur 9 ne varie pas de façon linéaire en regard de la distance D présente entre les surfaces 1 et 2. La détermination de la valeur du déplacement de la matière conductrice ou semi-conductrice 2 aurait avantage à
devenir linéaire par l'intermédiaire de dispositifs électroniques conçus et/ou 20 programmés en fonction des divers paramètres physique de l'oscillateur 22 ou 48, pour déterminer la valeur du déplacement réel tout en tenant compte des effets parasites.
En référence à la Figure 6, il est montré un exemple de dispositif électronique conçu pour rendre linéaire la valeur du déplacement. A l'entrée du 25 dispositif, on retrouve le signal T 20 qui est dirigé vers un intégrateur 26 et un monostable 24. Le monostable 24 contrôle le commutateur 25 qui, grâce à un délai d 35, permet à l'intégrateur 26 de faire une remise à zéro entre chaque période tel qu'illustré par la forme d'onde 44. Par la suite, un détecteur de crête 37 et un échantillonneur-bloqueur 38 amènent un niveau continu à partir du 30 plateau 45 obtenu à la sortie de l'intégrateur 26. A la sortie de l'échantillonneur-bloqueur 38, il y a une tension V qui suit la relation:
CA 02224j36 1997-12-30 .
V=KA-T (16) L'allure de la tension V en fonction de la distance D plaque 1-matière conductrice 2 est la même que celle représentée à la Figure 5. En reprenant les équations (10) et (15), et en posant:
KB = -(Ra + Rb)-ln{[(Ref2-Ref 1)/(Ref3-Ref 1)] + 1 }-Rb-ln(Ref 1 /Ref2) (17) ou KB = -Rc-ln{[(Ref2-Ref 1)/(V0-Ref 1)] + 1 }-Rc-ln(Ref 1 /Ref2) (18) selon l'oscillateur utilisé, on obtient:
V = KA-KB-(Cpt + K-A/D) (19) soit:
V = KA-KB-Cpt + KA-KB-K-A/D (20) En posant:
Ref4 = KA-KB-Cpt (21) alors, à la sortie du sommateur 39, on aura:
V= KA-KB-K-A/D (22) En posant, au diviseur 41,1'équation suivante:
K = KA-KB-K-A (23) on aura, à l'entrée du tampon 42:
V = D (24) Le signal est alors linéaire par rapport à la distance D plaque 1-matière conductrice 2. Le tampon de sortie 42 peut alors amplifier et/ou filtrer le signal pour fournir un signal analogique de sortie 43.
En référence à la Figure 7, il est montré une seconde façon de rendre le signal linéaire par rapport au déplacement. Dans ce cas-ci, à la sortie de I'intégrateur 25, on place un convertisseur analogique à numérique 27. Le signalnumérique peut ainsi être traité par un microcontrolleur 29 programmé qui peut rendre linéaire ou modifier le signal. ll est à noter que cette méthode permet de corriger tout effet parasite provenant de l'oscillateur 22 ou 48. A la sortie dumicrocontrolleur 29, un tampon 31 permet de sortir directement une valeur numérique 33, tandis que l'utilisation d'un convertisseur numérique à analogique30 permet de produire une sortie analogique 32.
CA 02224~36 1997-12-30 Bien que des réalisations de l'invention ont été illustrées dans les dessins ci-joints et décrites ci-dessus, il apparaîtra évident pour les personnes versées dans l'art que des changements et des modifications peuvent être apportées à
ces réalisations sans s'écarter de l'essence de l'invention.
CHAMP DE L'INVENTION
La présente invention porte sur un circuit de mesure pour un capteur 5 capacitif, et plus particulièrement sur un circuit de mesure produisant un signal ayant une période qui varie en fonction des temps de charge et décharge du capteur capacitif. Le circuit peut être avantageusement utilisé en combinaison avec un capteur capacitif installé sur un arbre tournant, afin de mesurer sa vibration .
HISTORIQUE
Habituellement, dans le cas de la vibration d'un arbre tournant, le capteur capacitif utilise une technique inductive impliquant des courants de Foucault.
L'emploi de cette technique a pour conséquence que l'utilisateur doit calibrer ou 15 interpréter les mesures du capteur selon le type de matériau dont est construit l'arbre. De plus, une variation de densité du matériau sur la circonférence de l'arbre provoque une variation de la mesure difficile à différencier des vibrations réelles faisant l'objet de l'observation.
La présente invention permet d'éliminer ces deux problèmes puisque le circuit et la méthode de mesure sont insensibles au type ou à la variation de densité du matériau conducteur impliqué dans le processus.
Le circuit de mesure selon l'invention comporte un circuit oscillateur 25 générant un signal ayant une période qui varie en fonction des temps de charge et décharge du capteur capacitif entre deux seuils de tension prédéterminés. La charge et la décharge du capteur capacitif se fait par le biais d'un jeu de résistances reliées à un circuit oscillateur ayant une première sortie contrôlant la charge et la décharge du capteur capacitif, et une deuxième sortie générant le 30 signal de mesure. Les plaques du capteur capacitif sont connectées à un circuit suiveur, dont la sortie est connectée au circuit oscillateur. La deuxième sortie du CA 02224~36 1997-12-30 circuit oscillateur peut être reliée à un circuit de traitement pour rendre la mesure linéaire.
DESCRIPTION BREVE DES DESSINS
Une description détaillée des réalisations préférées de l'invention sera donnée ci-après en référence avec les dessins suivants, dans lesquels les mêmes numéros font référence à des éléments identiques ou similaires:
Figure 1 est un diagramme schématique d'un capteur capacitif apte à
fonctionner avec un circuit de mesure selon l'invention;
Figure 2 est un diagramme schématique d'un capteur capacitif muni d'un - anneau de garde, selon l'invention;
Figure 3 est un diagramme schématique d'une première réalisation du circuit de mesure selon l'invention, connecté à un capteur capacitif;
Figure 4 est un diagramme schématique d'une deuxième réalisation du 15 circuit de mesure selon l'invention, connecté à un capteur capacitif;
Figure 5 est un graphe montrant une courbe typique de la période du signal produit par le circuit de mesure selon l'invention par rapport à la distance faisant l'objet d'une mesure par le capteur capacitif;
Figure 6 est un diagramme schématique d'une première réalisation d'un 20 circuit pour rendre la mesure linéaire, selon l'invention; et Figure 7 est un diagramme schématique d'une seconde réalisation d'un circuit pour rendre la mesure linéaire, selon l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉES
En référence à la Figure 1, il est montré un diagramme schématique d'un capteur capacitif apte à fonctionner avec le circuit de mesure selon l'invention.
Ce capteur capacitif est semblable à celui montré dans le brevet US No.
4,675,670. Le capteur capacitif 9 (condensateur de mesure) est formé de deux plaques conductrices parallèles 1 et 4, isolées électriquement l'une de l'autre par un diélectrique 5. La plaque 1 et la matière conductrice ou semi-conductrice 2 forment un condensateur Cm 3 dont la valeur de la capacité suit la relation:
CA 02224~36 1997-12-30 Cm = K-A/D ( 1 ) où:
K = ~0 ~" ~0 étant la permittivité du vide (8,854 pF/m) et ~r étant la permittivité relative du diélectrique 11 entre les plaques 1 et la matière 2;
A est la surface de la plaque 1;
D est la distance séparant la plaque 1 de la matière 2.
L'équation (1 ) démontre bien que la mesure est indépendante du type, de la densité et de la variation de densité du matériau dont est construit la matière conductrice ou semi-conductrice 2.
De plus, I'équation (1) révèle certaines autres applications. Par exemple, la capacité Cm 3 peut varier également si la distance D est fixe et que la surface A demeure constante, tandis que la valeur du diélectrique ~, entre la plaque 1 et la matière 2 varie. On obtient ainsi un capteur qui peut être utilisé pour mesurer l'humidité dans une pièce de bois insérée entre la plaque 1 et la matière 2, ou encore, un capteur mesurant la variation des propriétés d'un fluide présent entre la plaque 1 et la matière 2. Si la caractéristique diélectrique du milieu entre la plaque 1 et la matière 2 et la distance D demeurent constantes, on obtient un capteur dont la valeur de la capacité Cm 3 varie en fonction de la surface A, oùA n'est plus seulement la surface de la plaque1, mais plutôt la surface de la plaque 1 qui est placé directement devant la matière 2. On obtient alors un capteur par recouvrement qui est utile pour mesurer les déplacements latéraux de la matière 2.
En référence à la Figure 2, la plaque 4 sert de blindage car elle est maintenue à une tension semblable à celle de la plaque 1 durant l'opération du capteur 9, tel qu'expliqué plus loin. Ceci permet d'obtenir une capacité Cd 10, entre les plaques 1 et 4, la plus faible possible et de blinder le condensateur de mesure contre toute perturbations pouvant exister derrière la plaque 4. Les plaques latérales 6 sont au même potentiel que la cible 2. Celles-ci permettent de rendre insensible le capteur 9 à des objets extérieurs latéraux mais aussi de fixer mécaniquement le capteur 9 à une armature lors de l'utilisation. Les plaques 6 ont cependant le désavantage de former une capacité parasite Cp 7. Les méthodes CA 02224~36 1997-12-30 de blindage discutées ici ont pour objectif que seul Cm 3 varie avec la distanceséparant la plaque 1 de la surface conductrice ou semi-conductrice 2.
Une fason de diminuer la valeur de la capacité parasite Cp 7 est d'augmenter la distance entre la plaque 1 et les plaques 6 en les éloignant de 5 fason radial ou en les déplaçant vers la plaque 4. Cependant, en agissant ainsi, les perturbations extérieures sont plus plausibles. Une autre fason de diminuer Cp7 est d'ajouter un anneau de garde 23 au condensateur de mesure 9 tel qu'illustré à la figure 2. L'anneau de garde 23 est, en opération, soumis au même potentiel que la plaque 4, tel qu'expliqué plus loin, ce qui diminue Cp 7 puisque 10 les surfaces formant cette capacité parasite sont moins grandes et plus éloignées.
En référence à la Figure 3, il est montré un circuit de mesure selon l'invention, basé sur un oscillateur 22 connecté au condensateur de mesure 9. Laplaque 1 du condensateur de mesure 9 est reliée à l'entrée positive d'un amplificateur opérationnel 13 qui sert de tampon avec le reste du circuit. La 15 plaque de blindage 4 est reliée avec l'entrée négative du tampon 13 ce qui, par la propriété inhérente d'un amplificateur opérationnel, assure une tension semblable entre les plaques 1 et 4 (et 23 si on utilise un anneau de garde). Le principe de l'oscillateur 22 est que la capacité totale vue par la plaque 1 est chargée à travers les résistances Ra 21 et Rb 12 par une tension fixe Ref3 8 20 jusqu'à l'atteinte d'une tension de référence Ref2 16. A ce moment, le comparateur 15 actionne une bascule 18 qui elle, actionne un commutateur 19.
Dès lors, la capacité totale vue par la plaque 1 se décharge à travers la résistance Rb 1 2 jusqu'à l'atteinte d'une tension fixe Ref 1 17. Le comparateur 14 actionne la bascule 18 qui actionne à son tour le commutateur 19. Le cycle recommence 25 alors avec la recharge de la capacité.
Pendant la charge (en mode permanent), la tension présente sur la plaque 1 suit la relation:
Vcharge(t) = ( Ref 3-Ref 1 ) - ( 1 e-t/((Ra + Rb) c)) + Ref l ( 2 ) Pendant la décharge (en mode permanent), la tension présente sur la 30 plaque 1 suit la relation:
Vdécharge(t) = Ref2-e "
CA 02224~36 1997-12-30 Pendant la charge (en mode permanent), le temps de montée est de:
TCharge = -(Ra + Rb)-C-ln{[(Ref2-Ref 1 )/(Ref3-Ref 1 )] + 1 } (4) Pendant la décharge (en mode permanent), le temps de descente est de:
TdéCha~ge = -Rb-C-ln(Ref 1 /Ref2) (5) Par conséquent, le signal de sortie T 20 aura une période représentée par:
T = TChar9e + Tdecharge (6) Il est à noter que pour ces équations:
C=Cm+Cp+Cr (7) soit Cm 3 et Cp 7 des figures 1 et 2, mais aussi Cr qui comprend tout effet parasite qui est propre au condensateur de mesure 9 et plus globalement à
l'oscillateur 22.
Pour simplifier, on peut poser que:
Cpt = Cp + Cr (8) En reprenant l'équation (1), on peut conclure que:
1 5 C = Cpt + K-A/D (g) d'où l'équation de la période de sortie en fonction de D, soit la distance entre les plaques 1 et 2:
T = {Cpt + K-A/D}-{-(Ra + Rb)-ln{[(Ref2-Ref 1 )/(Ref3-Ref 1 )] + 1 }-Rb-ln(Ref 1 /Ref2)}
(10) ll faut que la tension Ref 1 1 7 soit plus petite que la tension Ref2 16 et que la tension Ref2 16 soit plus petite que la tension Ref3 8.
En référence à la Figure 4, il est montré une autre façon de réaliser un oscillateur selon l'invention. L'oscillateur 48 fonctionne sensiblement de la même façon que l'oscillateur 22 illustré à la Figure 3, à l'exception de quelques éléments. En effet, la charge et la décharge du condensateur de mesure 9 ne s'effectuent que par une seule et même résistance Rc 46. De plus, la référence Ref 3 est enlevée et la tension de charge du condensateur est maintenant la tension Vo 47.
Pendant la charge (en mode permanent), la tension présente sur la plaque 1 suit la relation:
Vcharge(t) = (Vo-Ref 1 ) ( 1 e-t/(Rc c~) + Ref 1 CA 02224~36 1997-12-30 Pendant la décharge (en mode permanent), la tension présente sur la plaque 1 suit la relation:
VdéCharge(t) = Ref2-e ~ ~ (12) Pendant la charge (en mode permanent), le temps de montée est de:
Tcharge = -Rc C ln{l(Ref 2-Ref 1)/(V0-Ref 1)] + 1 } (13) Pendant la décharge (en mode permanent), le temps de descente est de:
Tdécharge = -Rc-C-ln(Ref 1 /Ref2) (14) Par conséquent, en reprenant le même raisonnement que pour l'oscillateur 22 de la Figure 3, le signal de sortie T 20 aura une période représentée par:
T = {Cpt + K A/D} {-Rc ln{l(Ref2-Ref 1)/(V0-Ref 1)] + 1 }-Rc-ln(Ref 1 /Ref2)}
(15) Il faut que la tension Ref1 17 soit plus petite que la tension Ref2 16.
- D'après les équations (10) et (15), la relation entre la période et la distance a l'allure de la courbe illustrée à la Figure 5.
Selon la relation de l'équation (9) et son illustration à la figure 5, la période produite par le capteur 9 ne varie pas de façon linéaire en regard de la distance D présente entre les surfaces 1 et 2. La détermination de la valeur du déplacement de la matière conductrice ou semi-conductrice 2 aurait avantage à
devenir linéaire par l'intermédiaire de dispositifs électroniques conçus et/ou 20 programmés en fonction des divers paramètres physique de l'oscillateur 22 ou 48, pour déterminer la valeur du déplacement réel tout en tenant compte des effets parasites.
En référence à la Figure 6, il est montré un exemple de dispositif électronique conçu pour rendre linéaire la valeur du déplacement. A l'entrée du 25 dispositif, on retrouve le signal T 20 qui est dirigé vers un intégrateur 26 et un monostable 24. Le monostable 24 contrôle le commutateur 25 qui, grâce à un délai d 35, permet à l'intégrateur 26 de faire une remise à zéro entre chaque période tel qu'illustré par la forme d'onde 44. Par la suite, un détecteur de crête 37 et un échantillonneur-bloqueur 38 amènent un niveau continu à partir du 30 plateau 45 obtenu à la sortie de l'intégrateur 26. A la sortie de l'échantillonneur-bloqueur 38, il y a une tension V qui suit la relation:
CA 02224j36 1997-12-30 .
V=KA-T (16) L'allure de la tension V en fonction de la distance D plaque 1-matière conductrice 2 est la même que celle représentée à la Figure 5. En reprenant les équations (10) et (15), et en posant:
KB = -(Ra + Rb)-ln{[(Ref2-Ref 1)/(Ref3-Ref 1)] + 1 }-Rb-ln(Ref 1 /Ref2) (17) ou KB = -Rc-ln{[(Ref2-Ref 1)/(V0-Ref 1)] + 1 }-Rc-ln(Ref 1 /Ref2) (18) selon l'oscillateur utilisé, on obtient:
V = KA-KB-(Cpt + K-A/D) (19) soit:
V = KA-KB-Cpt + KA-KB-K-A/D (20) En posant:
Ref4 = KA-KB-Cpt (21) alors, à la sortie du sommateur 39, on aura:
V= KA-KB-K-A/D (22) En posant, au diviseur 41,1'équation suivante:
K = KA-KB-K-A (23) on aura, à l'entrée du tampon 42:
V = D (24) Le signal est alors linéaire par rapport à la distance D plaque 1-matière conductrice 2. Le tampon de sortie 42 peut alors amplifier et/ou filtrer le signal pour fournir un signal analogique de sortie 43.
En référence à la Figure 7, il est montré une seconde façon de rendre le signal linéaire par rapport au déplacement. Dans ce cas-ci, à la sortie de I'intégrateur 25, on place un convertisseur analogique à numérique 27. Le signalnumérique peut ainsi être traité par un microcontrolleur 29 programmé qui peut rendre linéaire ou modifier le signal. ll est à noter que cette méthode permet de corriger tout effet parasite provenant de l'oscillateur 22 ou 48. A la sortie dumicrocontrolleur 29, un tampon 31 permet de sortir directement une valeur numérique 33, tandis que l'utilisation d'un convertisseur numérique à analogique30 permet de produire une sortie analogique 32.
CA 02224~36 1997-12-30 Bien que des réalisations de l'invention ont été illustrées dans les dessins ci-joints et décrites ci-dessus, il apparaîtra évident pour les personnes versées dans l'art que des changements et des modifications peuvent être apportées à
ces réalisations sans s'écarter de l'essence de l'invention.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CA002224536A CA2224536A1 (fr) | 1997-12-30 | 1997-12-30 | Circuit de mesure pour un capteur capacitif |
| CA002255225A CA2255225A1 (fr) | 1997-12-30 | 1998-12-15 | Circuit de mesure de capacite des capteurs capacitifs |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CA002224536A CA2224536A1 (fr) | 1997-12-30 | 1997-12-30 | Circuit de mesure pour un capteur capacitif |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CA2224536A1 true CA2224536A1 (fr) | 1999-06-30 |
Family
ID=29275383
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CA002224536A Abandoned CA2224536A1 (fr) | 1997-12-30 | 1997-12-30 | Circuit de mesure pour un capteur capacitif |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CA (1) | CA2224536A1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103644966A (zh) * | 2013-12-29 | 2014-03-19 | 中国科学技术大学 | 一种周期信号增强检测装置及方法 |
-
1997
- 1997-12-30 CA CA002224536A patent/CA2224536A1/fr not_active Abandoned
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103644966A (zh) * | 2013-12-29 | 2014-03-19 | 中国科学技术大学 | 一种周期信号增强检测装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0065458B1 (fr) | Capteur capacitif de déplacement d'objets | |
| FR2785046A1 (fr) | Dispositif de mesure reposant sur la mesure indirecte de la permittivite | |
| CA2041231C (fr) | Mesure dynamique et sans contact de deplacement ou de permittivite a l'aide d'un capteur capacitif | |
| EP1856484B1 (fr) | Capteur inductif de position angulaire | |
| WO1998048287A1 (fr) | Dispositif de mesure, a large bande passante, de l'intensite du courant electrique dans un conducteur | |
| FR2545218A1 (fr) | Detecteur electromagnetique pour materiaux metalliques | |
| EP1417457A2 (fr) | Dispositif de detection | |
| GB2063485A (en) | Contactless Detection of the Distance of a Metal Surface from a Counter-surface | |
| FR2787880A1 (fr) | Dispositif et procede de mesure ultrasonore de debit de fluide comportant un convertisseur analogique numerique sigma-delta passe bande | |
| FR2663751A1 (fr) | Magnetometre directionnel a resonance. | |
| FR3006793A1 (fr) | Dispositif, capteur et procede de detection de la presence d'un utilisateur pour l'ouverture d'un acces a un vehicule automobile | |
| CA2224536A1 (fr) | Circuit de mesure pour un capteur capacitif | |
| EP0441074B1 (fr) | Capteur inductif et dispositifs de mesure du déplacement d'un organ mobile | |
| EP0523794A1 (fr) | Fer à repasser muni d'un détecteur de mouvement | |
| EP3430443B1 (fr) | Dispositif détecteur inductif de facteur 1 | |
| EP0194911B1 (fr) | Dipositif de mesure de déplacement à roue codée | |
| FR2774167A1 (fr) | Capteur magnetique inductif avec optimisation des materiaux de la cible | |
| FR2557303A1 (fr) | Detecteur d'acceleration fonctionnant par un capteur, suivant le principe des courants de foucault | |
| EP2307897B1 (fr) | Dispositif et procédé de mesure de champ magnétique. | |
| FR2519765A1 (fr) | Systeme capteur de la vitesse de rotation d'un moteur a effet hall | |
| EP1293806A2 (fr) | Procédé de détection d'un objet en un matériau conducteur et capteur correspondant | |
| FR2751074A1 (fr) | Dispositif de mesure capacitive du niveau d'un liquide dans un reservoir | |
| EP3222975A1 (fr) | Circuit de détection pour capteur inductif de déplacement | |
| BE877618A (fr) | Compteur d'energie electrique comportant un transducteur d'intensite a inductance mutuelle | |
| FR2779519A1 (fr) | Capteur magnetique inductif avec index de reference |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FZDE | Discontinued |