PL226850B1 - Pojemnosciowy czujnik przemieszczenia - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest pojemnościowy czujnik przemieszczenia ciała związanego sztywno z ruchomą okładką elektrycznego kondensatora różnicowego przyłączonego do układu pomiaru prądu różnicowego, płynącego w dwóch równoległych gałęziach zasilanych prądem zmiennym o przeciwnych polaryzacjach i włączonych między masę elektryczną układu pomiarowego i masę pozorną układu pomiaru prądu różnicowego.

W literaturze technicznej dotyczącej pomiarów przemieszczeń ciał metodami elektrycznymi znane są liczne rozwiązania czujników, w których jako czujnik przetwarzający mechaniczne przemieszczenie na sygnał elektryczny stosuje się kondensatory różnicowe o różnej konstrukcji, podobne, co do zasady pomiarowej, ale różniące się sposobem przetwarzania na sygnał elektryczny różnicy pojemności elektrycznej kondensatora pomiarowego, wywołanej przemieszczeniem mierzonym. Są to zwykle zmiennoprądowe układy mostkowe lub różnicowe, a także generatorowe służące do pomiaru przemieszczeń zarówno statycznych jak i dynamicznych lub układy z polaryzującym ładunkiem elektrycznym, w których dokonuje się pomiaru zmiany napięcia wywołanego zmianą geometrii kondensatora pomiarowego i które służą jedynie do pomiaru przemieszczeń dynamicznych. Cechą większości tych czujników jest praca w zakresie małych prądów i na ogół zwiększona wrażliwość na zakłócenia elektryczne pochodzące z otaczającego je środowiska.

Z opisów zgłoszeniowych US3221256A i JPS56145314A znane są pojemnościowe czujniki przemieszczeń, w których ruchoma okładka kondensatora elektrycznego jest elektrycznie połączona z masą elektryczną układu przetwarzania i jest usytuowana pomiędzy lewą nieruchomą okładką i prawą nieruchomą okładką kondensatora.

Według opisu US3221256A lewa nieruchoma i prawa nieruchoma okładka kondensatora różnicowego są połączone odpowiednio z lewą i prawą końcówką wtórnego, dwusekcyjnego uzwojenia transformatora zasilającego, którego centralna, wspólna końcówka jest połączona z wejściem wzmacniacza sygnału elektrycznego. Amplituda sygnału otrzymywanego na końcówce centralnej wtórnego uzwojenia transformatora jest proporcjonalna w szerokim zakresie do przemieszczeń ruchomej okładki czujnika. Z uwagi na dużą impedancję wyjściową układu, mierzoną na centralnej końcówce transformatora zasilającego, wzmacniacz sygnału pomiarowego powinien mieć bardzo dużą impedancję wejściową, co oznacza jego potencjalnie małą odporność na zakłócenia elektryczne. Jest to układ typu mostkowego, z pośrednim pomiarem różnicowego prądu niezrównoważenia obu gałęzi mostka.

Według opisu JPS56145314A, podobnie jak w opisie US3221256A czujnikiem pojemnościowym przemieszczeń jest kondensator o dwu nieruchomych okładkach zewnętrznych i ruchomej, pomiarowej okładce wewnętrznej, przyłączonej do masy elektrycznej układu pomiarowego. Zasada pracy tego układu polega na wzbudzaniu drgań relaksacyjnych związanych z naprzemiennym ładowaniem i rozładowaniem obu kondensatorów wytworzonych przez okładkę wewnętrzną i lewą i prawą okładkę zewnętrzną. Ładowanie naprzemienne obu kondensatorów odbywa się za pomocą tego samego rezystora, dzięki czemu jest minimalizowany dryft temperaturowy układu. Stopień wypełnienia prostokątnego, wyjściowego sygnału generatora jest liniowo zależny od przemieszczenia ruchomej okładki kondensatora podobnie jak wartość średnia tego sygnału. Opisany układ przetwarzania nie wymaga stosowania detekcji fazoczułej.

W opisie JPS5558406A pokazano inny sposób przetwarzania, w którym każda z połówek kondensatora różnicowego stanowi element składowy niezależnego kwarcowego generatora sygnału elektrycznego. Sygnały tych generatorów podlegają zmieszaniu, aby otrzymać częstotliwość różnicową, proporcjonalną do przesunięcia ruchomej okładki kondensatora. Warto zauważyć, że największą trudność stwarza w tym przypadku uzyskanie sygnału użytkowego w pobliżu zerowego przemieszczenia, przy którym różnica częstotliwości obu generatorów zbliża się do zera.

W opisie WO92/19939 jest przedstawione rozwiązanie, w którym jest stosowany generator częstotliwości roboczej o stałej amplitudzie napięcia, zasilający bezpośrednio kondensator pomiarowy oraz układ detekcji prądów płynących przez ten kondensator. Składowa zmienna sygnału wyjściowego z detektora jest poprzez transformator przesyłana do układu demodulatora, na wyjściu którego otrzymuje się sygnał użytkowy proporcjonalny do przesunięcia. Jest to w sumie bardzo złożony układ o cechach użytkowych bardzo zbliżonych do typowych układów mostków prądu zmiennego.

Opis US4963829 reprezentuje rozwiązanie pojemnościowego pomiaru przemieszczeń stosowanego w pomiarach prędkości obrotowych wałów. Przedstawiony w nim sposób pomiaru jest także w różnych odmianach stosowany w pomiarach akustycznych. Stosuje się tutaj stałe napięcie

PL 226 850 B1 polaryzacyjne, gromadzące na okładce kondensatora, za pośrednictwem rezystora, pewien ładunek początkowy. Zmiana odległości między okładkami kondensatora zmienia jego pojemność, czemu towarzyszy zmiana prądu rozładowania mierzonego przez wzmacniacz o zmiennej transkonduktancji, w którego ujemnej pętli sprzężenia zwrotnego umieszcza się zarówno rezystor polaryzujący, jak i kondensator pomiarowy o ruchomej okładce. Ten typ układu pomiarowego nadaje się jedynie do pomiarów przemieszczeń dynamicznych.

Pojemnościowy czujnik przemieszczenia według wynalazku ma elektromechaniczną część przetwarzającą przemieszczenie na sygnał elektryczny wykonaną w postaci różnicowego kondensatora elektrycznego, którego korzystnie ruchoma okładka jest związana sztywno z ciałem o mierzonym przemieszczeniu i jest elektrycznie połączona z masą elektryczną układu pomiarowego czujnika.

Lewa, nieruchoma okładka kondensatora różnicowego jest połączona, za pośrednictwem szeregowo z nią połączonego pierwszego rezystora, z lewą końcówką wtórnego uzwojenia transformatora zasilającego, natomiast prawa, nieruchoma okładka kondensatora różnicowego jest połączona, za pośrednictwem szeregowo z nią połączonego drugiego rezystora, z prawą końcówką uzwojenia wtórnego transformatora zasilającego. Środkowy odczep transformatora, dzielący jego wtórne uzwojenie na dwie sekcje o takiej samej liczbie zwojów, jest połączony z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego, którego wejście nieodwracające jest połączone z masą elektryczną układu pomiarowego czujnika, przy czym wejście odwracające wzmacniacza jest połączone za pomocą rezystora pomiarowego z wyjściem tego wzmacniacza operacyjnego. Wyjście to jest również połączone z wejściem sygnałowym prostownika fazoczułego. Wejście sterujące prostownika fazoczułego jest połączone z wyjściem nieuziemionym generatora drgań elektrycznych, korzystnie sinusoidalnych lub prostokątnych. Pomiędzy wyjścia uziemione i nieuziemione generatora jest włączona cewka uzwojenia pierwotnego transformatora. Wyjście sygnałowe prostownika fazoczułego jest połączone z wejściem filtru dolnoprzepustowego, na którego wyjściu jest odbierany sygnał wyjściowy czujnika przemieszczenia.

Korzystną cechą czujnika według wynalazku jest to, że przez pomiarowy rezystor sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego płynie względnie mały zwierny prąd będący różnicą znacznie większych prądów płynących w przeciwfazie przez rezystancje włączone w szereg z sekcjami wtórnego uzwojenia transformatora zasilającego. Różnicowy prąd mierzony jest przesyłany do wejścia odwracającego wzmacniacza będącego punktem o potencjale elektrycznej masy czujnika, czyli do wejścia o praktycznie zerowej rezystancji wejściowej, a więc mało podatnym na zakłócenia elektryczne pochodzące z zewnętrznego środowiska.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku przedstawiającym schematycznie pojemnościowy czujnik przemieszczenia pracujący w układzie pomiaru prądu różnicowego. Generator sygnału elektrycznego 14, np. sinusoidalnego lub prostokątnego, zasila uzwojenie pierwotne 13 transformatora, którego uzwojenie wtórne jest podzielone na dwie identyczne sekcje o wspólnym 9 odczepie przyłączonym do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego 15. Wejście nieodwracające wzmacniacza jest połączone z masą elektryczną układu czujnika. Napięcia powstające w obu sekcjach w końcówkach 8 oraz 10 uzwojenia wtórnego mają identyczne amplitudy, ale przeciwne fazy i są doprowadzone do rezystorów 6 oraz 7 połączonych z nieruchomymi okładkami 1 oraz 2 kondensatora różnicowego, którego środkowa, ruchoma okładka 3 jest połączona w węźle 5 z masą elektryczną układu czujnika. Wzmacniacz operacyjny 15 jest za pomocą rezystora pomiarowego 16 objęty pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego, dzięki czemu na jego wejściu odwracającym panuje napięcie praktycznie równe napięciu masy ele ktrycznej układu. W wyniku tego z odczepu 9 i przez rezystor pomiarowy 16 płynie jedynie prąd będący różnicą przeciwfazowych prądów płynących przez rezystory 6 oraz 7 do okładek kondensatora różnicowego i obu sekcji uzwojeń wtórnych transformatora zasilającego. Inaczej mówiąc, prąd różnicowy przepływa z masy układu czujnika do odczepu 9 transformatora zasilającego, a z odczepu do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego i poprzez rezystor pomiarowy 16 do wyjścia tego wzmacniacza wytwarzając napięcie wyjściowe wzmacniacza równe iloczynowi rezystancji rezystora pomiarowego i prądu różnicowego zależnego od przemieszczenia x obiektu mierzonego 4 połączonego sztywno z ruchomą okładką 3 kondensatora różnicowego. Napięcie wyjściowe wzmacniacza 15 ma charakter zmienny, o amplitudzie będącej funkcją przemieszczenia x. Dla pewnego zerowego położenia centralnego okładki ruchomej wartość tego napięcia przyjmuje wartość zerową. Aby wyróżnić położenia obiektu względem tego punktu zerowego trzeba dokonać detekcji fazoczułej, co przedstawiono schematycznie wprowadzając typowy blok detektora 23 o wejściu sygnałowym 17 i wyjściu 18 oraz

PL 226 850 B1 wejściu sterującym 19 połączonym z nieuziemionym wyjściem 12 generatora 14. Sygnał z generatora pozwala na detekcję fazy sygnału otrzymanego na wyjściu wzmacniacza operacyjnego. Filtr dolnoprzepustowy 24 o wejściu 20 służy do usunięcia z sygnału wyjściowego detektora 23 składowych o częstotliwościach równych i wyższych od częstotliwości sygnału z generatora. Na wyjściu 22 filtru 23 otrzymuje się więc sygnał elektryczny, będący jedynie funkcją mierzonego przemieszczenia x.

Opisany pojemnościowy czujnik przemieszczenia może znaleźć liczne zastosowania, zwłaszcza w sytuacjach, gdy pomiarowi towarzyszą silne zakłócenia elektryczne.

Claims (2)

1. Pojemnościowy czujnik przemieszczenia zawierający różnicowy kondensator z ruchomą, wewnętrzną okładką, generator sygnału elektrycznego zasilający transformator elektryczny z pojedynczym uzwojeniem pierwotnym i podwójnym uzwojeniem wtórnym, a także zawierający prostownik fazoczuły sygnału wyjściowego, znamienny tym, że ruchoma okładka (3) elektrycznego kondensatora różnicowego, związana sztywno z ciałem (4) o mierzonym przemieszczeniu x, jest połączona z masą elektryczną (5) układu pomiarowego czujnika przemieszczenia, a lewa nieruchoma okładka (1) kondensatora różnicowego jest połączona za pośrednictwem szeregowo z nią połączonego pierwszego rezystora (6) z lewą końcówką (8) wtórnego uzwojenia transformatora zasilającego, natomiast prawa okładka za pośrednictwem szeregowo z nią połączonego drugiego rezystora (7) jest połączona z prawą końcówką (10) wtórnego uzwojenia transformatora zasilającego, którego środkowy odczep (9) dzielący wtórne uzwojenie zasilające na dwie sekcje o takiej samej liczbie zwojów, jest połączony z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego (15), którego wejście nieodwracające jest połączone z masą elektryczną układu pomiarowego czujnika, przy czym wejście odwracające wzmacniacza jest połączone za pomocą rezystora pomiarowego (16) z wyjściem tego wzmacniacza operacyjnego, które jest także połączone z wejściem sygnał owym (17) prostownika fazoczułego (23), a wejście sterujące (19) prostownika (23) jest połączone z wyjściem nieuziemionym (12) generatora (14) drgań elektrycznych, np. sinusoidalnych lub prostokątnych, a między wyjście uziemione (11) oraz wyjście nieuziemione (12) generatora (14) jest włączona cewka uzwojenia pierwotnego (13) transformatora, przy czym wyjście sygnałowe (18) prostownika fazoczułego (23) jest połączone z wejściem (20) filtru dolnoprzepustowego (24), na którego wyjściu (21) połączonym z końcówką wyjściową (22) układu czujnika jest odbierany sygnał wyjściowy czujnika przemieszczenia.

2. Pojemnościowy czujnik przemieszczenia według zastrz. 1, znamienny tym, że środkowy odczep (9) transformatora zasilającego jest połączony z masą elektryczną (5) układu pomiarowego, natomiast nieruchoma okładka (3) kondensatora jest połączona z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego.