HU213135B - Capacitive transducer and circuit arrangement for measuring microdisplacements - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya kapacitív mérőérzékelő és kapcsolási elrendezés mikroelmozdulások mérésére. A kapacitív mérőérzékelőnek, amely rögzített elektróddal (450), ettől térközökkel elválasztott további elektródokkal, továbbá a térközökben elrendezett dielektrikummal (410) van kiképezve, ahol a további elektródok a rögzített elektróddal (450) és a dielektrikummal (410) első és második kondenzátort képeznek, az a lényege, hogy az egyik további elektród a rögzített elektróddal (450) és a dielektrikummal (410) az első kondenzátort képező deformálható elektródként (430) van kialakítva, míg a másik további elektród a rögzített elektróddal (450) és a dielektrikummal (410) a második kondenzátort képező rögzített helyzetű referenciaelektródként (440) van kialakítva. A kapcsolási elrendezés első és második kondenzátort tartal- mazó mérőelemmel ellátott kapacitív mérőérzékelő bemenetére csatlakoztatott nagyfrekvenciás generátort és a mérőérzékelő kimenetére csatlakoztatott jelfeldolgozó egységet tartalmaz. Lényege, hogy a mérőelemben az első és második kondenzátor sorosan van kapcsolva, közös kivezetésük (455) a nagyfrekvenciás generátor kimenetére van kapcsolva, az első kondenzátor kivezetése (470) mérőágon keresztül nagyfrekvenciás diódákkal létrehozott első Graetz-kapcsolásra, a második kondenzátor kivezetése (460) referenciaágon keresztül nagyfrekvenciás diódákkal létrehozott második Graetz-kapcsolásra van vezetve, továbbá az első és második Graetz-kapcsolás kimenetei különbségi jelet szolgáltató műveleti erősítő bemenetelre vannak csatlakoztatva. HU 213135 B A leírás terjedelme: 6 oldal (ezen belül 1 lap ábra)

Description

A találmány tárgya kapacitív mérőérzékelő és kapcsolási elrendezés mikroelmozdulások mérésére.

Az ipari mérés- ész szabályozástechnika területén használatos mérőeszközök többsége a fizikai mennyiségek, például erő, nyomás, gyorsulás, stb. mérését közvetlenül vagy közvetett úton elmozdulás mérésére vezeti vissza. Ezért az elmozdulás megbízható és pontos mérésre különösen az ipar területén igen fontos. Az elmozdulás mérésére dolgozták ki egyebek között a kapacitív elven működő mérőérzékelőket. Ezeknél a mérendő mennyiség értékére az azt meghatározó fizikai jelenség által okozott elmozdulás mérése alapján következtetnek, mégpedig oly módon, hogy az elmozdulás egy kondenzátor egyik fegyverzetének elmozdítása révén a kondenzátor kapacitásának megváltozását eredményezi. A változó kapacitásnak megfelelő jeleket elektronikus egység dolgozza fel, amelynek kimenetén az elmozdulás nagyságával arányos mérőjelet állítanak elő.

Az említett kapacitív mérőérzékelők egyik példáját a HU 182 731 lsz. szabadalmi leírásban bemutatott eszköz jelenti, amelynél két elektródot árnyékoló házon belül rendeznek el. Az első elektród a testpotenciálra kötött árnyékolásnak mérendő távolságon megvezetett vezetőképes anyaggal szembeni nyílásában helyezkedik el. Fölötte második elektródot rendeznek el, és az első elektród nyílásába, adott esetben a második elektród által meghatározott térbe benyúlóan csatoló csapot építenek be. Az árnyékolás, az elektródok és a csatoló csap közötti térközöket kis dielektromos állandójú dielektrikummal töltik ki, és az elektródok elrendezésével biztosítják a csatoló csapnak az árnyékolástól való elválasztását. Az elektródok között célszerűen csatolásmentesítő nyúlvány van elrendezve, ezért a két elektród közötti kapacitás, valamint az árnyékolás és a csatoló csap közötti kapacitás értéke kicsi marad. Ezt a kis kapacitást az első elektród előtt mozgatott vezetőképes anyag helyzete nagymértékben változtatni képes, és így a kapacitás értéke alapján távolság, illetve a vezetőképes anyag széleinek helyzete kijelölhető. Ezzel a megoldással olyan szerkezet hozható létre, amelyben viszonylag nagy dielektromos állandójú dielektrikum használható. Ezért elfogadható nagyságú jelszint eléréséhez nincs szükség nagy felületű elektródok beépítésére, vagyis a mérőérzékelő működését mechanikai rezgések kevéssé befolyásolják, így használhatósága bővül.

Az ismertté vált és a hozzá hasonló felépítésű kapacitív mérőérzékelők alapvető hátrányát az jelenti, hogy az elmozdulás mérése közben a fegyverzetek, illetve a vezetőképes anyag egymáshoz képest párhuzamosan távolodnak vagy közelednek, ami a kapacitás változása és az elmozdulás hiperbolikus vagy ennél bonyolultabb összefüggését eredményezi. Ezért a mérőérzékelő kimenőjele nem az elmozdulás lineáris függvénye, vagyis a méréstechnikailag szükséges lineáris összefüggést az elektronikai eszköz segítségével kell helyreállítani, vagyis a mérőérzékelő kimenőjelének feldolgozásához viszonylag bonyolult kapcsolási elrendezésre van szükség. Ennek egyszerűsítésére állandó igény mutatkozik. Ugyancsak igény van a méréstechnikai feladatok ellátásában megbízhatóan használható, egyszerű felépítésű kapacitív mérőérzékelő létrehozására.

Találmányunk célja a felmerült igények eddigieknél hatásosabb kielégítése. Feladatunknak azt tekintjük, hogy olyan kapacitív elven működő mérőérzékelőt alakítsunk ki, amelynél az elmozdulás és a kimenő jel között az elmozdulások széles tartományában lineáris összefüggés áll fenn. Célszerűen ez az összefüggés azonban szükség szerint változtatható legyen, lehetőség nyíljon nagy dielektromos állandójú szilárd anyag felhasználásával a kondenzátor fegyverzeteinél a méretek csökkentésére. Feladatunk továbbá az újszerű mérőérzékelőt hasznosító egyszerű kapcsolási elrendezés létrehozása, amellyel mikroelmozdulások nagy pontosságú mérése biztosítható.

A találmány alapja az a felismerés, hogy az elmozdulás érzékeléséhez egymással sorba kapcsolt két kondenzátor alkalmazásával lehetővé válik a lineáris kimenő jel előállítása, ha a közös kivezetés két oldalán egymással párhuzamosan a fegyverzettel monolittechnológia révén kapcsolt, célszerűen nagy dielektromos állandójú dielektrikumot alkalmazunk, és a dielektrikum felületéhez az egyik oldalon rögzített helyzetű referenciaelektródot, a másik oldalon célszerűen szalagszerűen kiképzett deformálható elektródot illesztünk.

A kitűzött feladat megoldásaként egyrészt kapacitív mérőérzékelőt, másrészt kis elmozdulások mérésére is alkalmas kapcsolási elrendezést hoztunk létre.

A javasolt kapacitív mérőérzékelőnél, amely rögzített elektróddal, ezzel térközökkel elválasztott további elektródokkal, továbbá a térközökben elrendezett dielektrikummal van kiképezve, ahol a további elektródok a rögzített elektróddal és a dielektrikummal első és második kondenzátort képeznek, a találmány értelmében az egyik további elektród a rögzített elektróddal és a dielektrikummal az első kondenzátort képező deformálható elektródként van kialakítva, míg a másik további elektród a rögzített elektróddal és a dielektrikummal a második kondenzátort képező referenciaelektródként van kialakítva.

A méretek csökkentését teszi lehetővé, ha a találmány szerinti mérőérzékelőt célszerűen úgy hozzuk létre, hogy a rögzített elektród és a dielektrikum monolit elemként van kialakítva, ahol a dielektrikum legalább 3000 értékű dielektromos állandóval jellemzett anyagból van kiképezve.

A kimenő jel linearitását javíthatjuk vagy szükség szerinti más alakját állíthatjuk be, ha a találmány szerinti mérőérzékelőben célszerűen a deformálható elektród ívelt felületű síklapként legalább részben vezetőképes anyagból van kialakítva. Adott esetben a síklap lehet rácsos vagy más módon lyukacsos szerkezetű, ha anyaga összességében elektromosan vezetőképes.

Nagyobb elmozdulások pontos mérését teszi lehetővé a találmány szerinti mérőérzékelőnek az az igen előnyös megvalósítási módja, amelynél a deformálható elektród mérendő elmozdulással elfordított csavarhoz van csatlakoztatva.

HU 213 135 Β

A különböző méréstechnikai feladatokhoz való hatásos illesztést szolgálja a találmány szerinti mérőérzékelőnek az a célszerű kiviteli alakja, amelynél a referenciaelektród a rögzített elektród vele párhuzamos felületénél kisebb felületű elemként van kialakítva.

Az ugyancsak a találmány elé kitűzött feladat megoldásaként kialakított kapcsolási elrendezésnél, amely első és második kondenzátort tartalmazó mérőelemmel ellátott kapacitív mérőérzékelő bemenetére csatlakoztatott nagyfrekvenciás generátort és a mérőérzékelő kimenetére csatlakoztatott jelfeldolgozó egységet tartalmaz, a találmány értelmében a mérőelemben az első és második kondenzátor sorosan van kapcsolva, közös kivezetésük a nagyfrekvenciás generátor kimenetére van kapcsolva, az első, illetve második kondenzátor kimenete mérő-, illetve referenciaágon keresztül nagyfrekvenciás diódákkal létrehozott első, illetve második Graetz-kapcsolásra van vezetve, ahol az első és második Graetz-kapcsolás kimenetei különbségi jelet szolgáltató műveleti erősítő bemenetelre vannak csatlakoztatva.

A találmány szerinti kapcsolási elrendezésnél az első és második kondenzátor tehát referencia- és mérőágra kapcsolódik, közös kivezetésük nagyfrekvenciás generátorra van vezetve, bennük a közös kivezetéshez szorosan kapcsolódó, vele monolit technológiával készült szerkezetet alkotó dielektrikum van elrendezve, míg a dielektrikum másik oldalán az egyik fegyverzetet célszerűen megválasztott anyagú vagy rugalmassági jellemzőkkel rendelkező célszerűen ívelt deformálható lap, továbbá a másik fegyverzetet rögzített helyzetű lap alkotja. Az első és második kondenzátor kimenetén kapott változó feszültségű jeleket a Graetz-kapcsolásokkal egyenirányítjuk, majd különbségképző műveleti erősítőbe vezetjük.

A kapcsolási elrendezésben célszerű, ha a nagyfrekvenciás diódákból álló Graetz-kapcsolású egyenirányítók kimeneti pontjait egy-egy ellenállással áthidaljuk, és az áthidaló ellenállást további ellenállásokkal fóldpontra kötjük, míg a Graetz-kapcsolású egyenirányítók másik bemeneti pontját egy-egy kondenzátoron át kapcsoljuk a földpontra. így az egyenirányítók kimenetére kapcsolt műveleti erősítő kimenetén megjelenő U^ egyenfeszültség a referencia- és a mérőágon átfolyt nagyfrekvenciás áramok egyenirányítás és leosztás utáni mindenkori különbségével arányos. Célszerűen a mérőelemben a rögzített elektród és a hozzá kapcsolódó dielektrikum monolit egységet képez, amelyhez a konkrét feladatnak megfelelő méretű, alakú és anyagú, illetve kialakítású referenciaelektród és a deformálható elektród van illesztve. Mindkettő anyaga fémes vagy fémezett, adott esetben szerkezete lehet rácsos vagy lyukacsos. A deformálható elektród kialakítása célszerűen olyan, hogy a mérendő elmozdulás növekedésével fokozatosan a dielektrikum felületéhez simul, illetve attól az elmozdulás csökkenésével folyamatosan válik el.

A találmány szerinti kapacitív mérőérzékelőt, illetve kapcsolási elrendezést a továbbiakban a csatolt rajzon mutatjuk be részletesen, ahol az

1. ábra a találmány szerinti kapacitív mérőérzékelő oldalnézete, a

2. ábra az 1. ábra szerinti kapacitív mérőérzékelő elölnézete, míg a

3. ábra az 1. és 2. ábrán bemutatott kapacitív mérőérzékelővel megvalósított kapcsolási elrendezés vázlata.

A találmány értelmében 400 mérőelemet alkotó kapacitív mérőérzékelőt (1. és 2. ábra) és a kapacitív mérőérzékelőt hasznosító kapcsolási elrendezést (3. ábra) hoztunk létre.

A javasolt kapacitív mérőérzékelő 455 közös kivezetéssel ellátott 450 rögzített elektróddal, ennek két párhuzamos felületét bontó, vele célszerűen monolit technológia révén egyesített 410 dielektrikummal és a 410 dielektrikum másik felületéhez illeszkedő, a 450 rögzített elektród felületével lényegében párhuzamosan elrendezett 440 referenciaelektróddal és 430 deformálható elektróddal van kialakítva. A 440 referenciaelektródhoz 460 kivezetés, a 430 deformálható elektródhoz 470 kivezetés kapcsolódik. A 430 deformálható elektród célszerűen a 450 rögzített elektród felületén túlnyúlóan van elrendezve, szabad vége Δχ mérendő elmozdulást okozó erő hatására a 410 dielektrikum felületéhez közeledik vagy attól távolodik. A 440 referenciaelektród ΔΥ úton eltolható.

A 440 referenciaelektród adott esetben a 410 dielektrikum felületét csak részben borítja, célszerűen a 450 rögzített elektróddal szimmetrikusan van elrendezve. A 430 deformálható elektród alakja a mérési feladattól függ, anyagában elektromos áram vezetésére képes, de nem feltétlenül folytonos szerkezetű, benne lehetnek nyílások, lyukak.

Az 1. és 2. ábrán bemutatott kapacitív mérőérzékelőt a 3. ábra szerinti kapcsolási elrendezésben a 400 mérőelemként hasznosítjuk, amely a 450 rögzített elektróddal és egyrészt a 430 deformálható elektróddal meghatározott Cl első kondenzátort és másrészt a 440 referenciaelektróddal meghatározott C2 második kondenzátort tartalmaz. A Cl első és a C2 második kondenzátor belső terét a 410 dielektrikum tölti ki. A 410 dielektrikum anyaga a Cl első és a C2 második kondenzátornál nem feltétlenül azonos. Dielektromos állandója adott esetben akár 3000-nél nagyobb is lehet.

A 450 rögzített elektród a 455 közös kivezetésen keresztül Unf feszültséget szolgáltató 60 nagyfrekvenciás generátorra van csatlakoztatva. A Cl első kondenzátor a 470 kivezetésen keresztül mérőágra, a C2 második kondenzátor a 460 kivezetésen keresztül referenciaágra van csatlakoztatva. A mérőág 170 180, 190 és 200 nagyfrekvenciás diódákból álló első Graetz-kapcsolás egyik bemenetére, a referenciaág pedig 70, 80,90,100 nagyfrekvenciás diódákból álló második Graetz-kapcsolás egyik bemenetére van vezetve, és az A, B, Al, Β1 kimenetekbe az első és második Graetz-kapcsolás átlójában RÍ, illetve R2 áthidaló ellenállás van beiktatva. Az első és a második Graetz-kapcsolás másik bemenete 105 és 205 kondenzátoron át földpontra van csatlakoztatva. Az első, illetve a második Graetz-kapcsolás áthidalt átlója egyrészt Bl, illetve B kimeneten át ugyancsak a földpontra csatlakoztatott 220, illetve 120 ellenállásra, másrészt pedig Al, illetve A kimeneten át 300 műveleti erősítő invertáló, illetve

HU 213 135 Β neminvertáló bemenetére van vezetve. A 300 műveleti erősítő kimenetén U_H különbségi jelet szolgáltat.

A találmány szerinti mérőérzékelő és kapcsolási elrendezés működése a következő:

A 60 nagyfrekvenciás generátor jele a sorosan kapcsolt Cl első és C2 második kondenzátort tartalmazó 400 mérőelemben a 450 rögzített elektród 455 közös kivezetésére (a kondenzátorok közös elektródjára) kerül. AC1 első kondenzátorból a jel a 470 kivezetésen át a mérőágon, a C2 második kondenzátorból a 460 kivezetésen át a referenciaágon halad tovább. A 460 kivezetés, mint említettük, a második Graetz-kapcsolás bemenetére van kapcsolva, amely a nagyfrekvenciás jelet egyenirányítja és az R2 és 120 ellenállások arányának megfelelően leosztja. A referenciaágban levő második Graetz-kapcsolás A kimenetén így a referenciaként szolgáló C2 második kondenzátoron átfolyó nagyfrekvenciás árammal arányos egyenfeszültség jelenik meg. Ennek értékét a 440 referenciaelektród ΔΥ úton történő elmozdításával kismértékben módosítani lehet.

A referenciaághoz hasonlóan a mérőágban az első Graetz-kapcsolás biztosítja a Cl első kondenzátorból kapott nagyfrekvenciás jel egyenirányítását és az Rl és 220 ellenállások értékeinek megfelelő leosztását. Ezzel az első Graetz-kapcsolás Al kimenetén a mérendő Δχ elmozdulással arányos egyenfeszültséget kapunk. A referencia- és a mérőág működési módja között lényegi különbség nincs.

A mérőágban levő első Graetz-kapcsolás Al kimenetén tehát a 400 mérőelemnek a mérendő Δχ elmozdulással változó kapacitású C2 második kondenzátorán átfolyó nagyfrekvenciás áram értékére jellemző egyenfeszültség jelenik meg. A referencia- és a mérőág kimeneti egyenfeszültsége alapján a 300 műveleti erősítő U_KI különbségi jelet szolgáltat, amely egyenáramú különbségi jelként a Δχ mérendő elmozdulás értékével lineáris összefüggésben van, azzal széles értékhatárok között arányos.

A kapcsolásban a 60 nagyfrekvenciás generátor felépítését, valamint a tápfeszültségek előállításához szükséges áramköröket nem részletezzük, mivel ezek létrehozása és alkalmazása szakember köteles tudását követeli meg.

A kapcsolási elrendezés érzékenysége a 60 nagyfrekvenciás generátor által előállított U_NF feszültség frekvenciájával, amplitúdójával, illetve a 430 deformálható elektród görbültségének mértékével szabályozható.

Az Ukj különbségi jel a 430 deformálható elektród induló pozíciójának finom állításával adott tartományban kinullázható, azaz egy adott helyzethez zérus értékre beállítható.

A kapcsolás előnye és egyik főbb jellemzője, hogy a 430 deformálható elektród alakjának, pontosabban felületi folytonosságának módosításával elérhető, hogy az Ujq különbségi jel az elmozdulás mértékének lineáris függvénye legyen.

A kapcsolás további előnye a nagy kimeneti jelszint. A 430 deformálható elektród megfelelő kialakításával például 4 MHz frekvenciájú, 7 V feszültségű táplálással a kimeneten a szokásos nagyságú Δχ mérendő elmozdulások mellett mintegy 300 mV egyenfeszültséget kapunk.

Példaként létrehoztunk egy olyan kapacitív mérőérzékelőt, amelynél a 430 deformálható elektród felületében folytonossági hiányokat képeztünk ki, pontosabban meghatározott alakú és elrendezésű nyílásokat hoztuk benne létre. Azt tapasztaltuk, hogy a 300 műveleti erősítő kimeneti feszültségét befolyásolja az a tény, hogy ezek a felületi folytonossági hiányok milyen sorrendben simulnak a 410 dielektrikum felületére. Ugyancsak előnyösnek bizonyult a 430 deformálható elektród kialakítása többrétegű szerkezetként, szénvagy koromtöltésű gumiból.

Mivel a 430 deformálható elektród végének mozgása révén a mérendő elmozdulások igen pontos mérése hajtható végre, ezért megvizsgáltuk annak lehetőségét, hogy az elmozdulást csavartengely körüli forgása útján adjuk át a 430 deformálható elektródnak. Azt tapasztaltuk, hogy ezzel a módszenei egyrészt nagyobb elmozdulások váltak transzformálhatóvá, másrészt igen kis, mikronos elmozdulások mérésére nyílt lehetőség. A csavar beépítésével egyébként nagy pontosságú kondenzátor kialakítására a találmány szintén lehetőséget ad.

Claims (6)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Kapacitív mérőérzékelő, amely rögzített elektróddal (450), ettől térközökkel elválasztott további elektródokkal, továbbá a térközökben elrendezett dielektrikummal (410) van kiképezve, ahol a további elektródok a rögzített elektróddal (450) és a dielektrikummal (410) első és második kondenzátort (Cl, C2) képeznek, azzal jellemezve, hogy az egyik további elektród a rögzített elektróddal (450) és a dielektrikummal (410) az első kondenzátort (Cl) képező deformálható elektródként (430) van kialakítva, míg a másik további elektród a rögzített elektróddal (450) és a dielektrikummal (410) a második kondenzátort (C2) képező rögzített helyzetű referenciaelektródként (440) van kialakítva.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti mérőérzékelő, azzal jellemezve, hogy a rögzített elektród (450) és a dielektrikum (410) monolit elemként van kialakítva, ahol a dielektrikum (410) legalább 3000 értékű dielektromos állandóval jellemzett anyagból van kiképezve.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti mérőérzékelő, azzal jellemezve, hogy a deformálható elektród (430) ívelt felületű síklapként legalább részben vezetőképes anyagból van kialakítva.
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti mérőérzékelő, azzal jellemezve, hogy a deformálható elektród (430) mérendő elmozdulással elfordított csavarhoz van csatlakoztatva.
5. 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti mérőérzékelő, azzal jellemezve, hogy a referenciaelektród (440) a rögzített elektród (450) vele párhuzamos felületénél kisebb felületű elemként van kialakítva.

   HU 213 135 Β
6. 6. Kapcsolási elrendezés mikroelmozdulások mérésére, amely első és második kondenzátort (C1, C2) tartalmazó mérőelemmel (400) ellátott kapacitív mérőérzékelő bemenetére csatlakoztatott nagyfrekvenciás generátort (60) és a mérőérzékelő kimenetére csatlakoztatott jelfeldolgozó egységet tartalmaz, azzal jellemezve, hogy a mérőelemben (400) az első és második kondenzátor (Cl, C2) sorosan van kapcsolva, közös kivezetésük (455) a nagyfrekvenciás generátor (60) kimenetére van kapcsolva, az első kondenzátor (Cl) kivezetése (470) mérőágon keresztül nagyfrekvenciás diódákkal (170,180,190,200) létrehozott első Graetz-kapcsolásra, a második kondenzátor (C2) kivezetése (460) referenciaágon keresztül

   5 nagyfrekvenciás diódákkal (70, 80, 90, 100) létrehozott második Graetz-kapcsolásra van vezetve, továbbá az első és második Graetz-kapcsolás kimenetei (A, Al) különbségi jelet (υ_Μ) szolgáltató műveleti erősítő (300) bemenetelre vannak csatlakoztatva.