RU1781637C - Measuring converter of differential capacitive pickup - Google Patents

Measuring converter of differential capacitive pickup

Info

Publication number
RU1781637C
RU1781637C SU904861236A SU4861236A RU1781637C RU 1781637 C RU1781637 C RU 1781637C SU 904861236 A SU904861236 A SU 904861236A SU 4861236 A SU4861236 A SU 4861236A RU 1781637 C RU1781637 C RU 1781637C
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
control unit
switch
key
Prior art date
Application number
SU904861236A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Леонидович Соловьев
Валентин Сергеевич Гутников
Константин Владимирович Рудаков
Владислав Григорьевич Тимошенко
Александр Анатольевич Андреев
Original Assignee
Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина
Энгельсское опытно-конструкторское бюро "Сигнал"
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина, Энгельсское опытно-конструкторское бюро "Сигнал" filed Critical Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина
Priority to SU904861236A priority Critical patent/RU1781637C/en
Application granted granted Critical
Publication of RU1781637C publication Critical patent/RU1781637C/en

Links

Abstract

Использование: в измерительной технике , в частности дл  измерени  параметров электрических цепей. Сущность изобретени : повышение точности измерени  за счет увеличени  чувствительности устройства, а также расширение функциональных возможностей , обусловленных получением линейной функции преобразовани  при работе с любыми типами дифференциальных емкостных датчиков. Измерительный преобразователь содержит блок управлени  1, источник опорного напр жени  14,Usage: in measuring technique, in particular for measuring the parameters of electrical circuits. SUMMARY OF THE INVENTION: improving the accuracy of measurements by increasing the sensitivity of the device, as well as expanding the functionality due to obtaining a linear conversion function when working with any type of differential capacitive sensors. The measuring transducer comprises a control unit 1, a reference voltage source 14,

Description

Изобретение относитс  к конт ольно- измерительной технике, в частности к устройствам измерени  параметров электрических цепей.The invention relates to a control and measurement technique, in particular to devices for measuring the parameters of electrical circuits.

Известны устройства преобразовани  электрической емкости в посто нное напр жение ,Known devices for converting electrical capacitance to a constant voltage,

К недостатку вышеописанных устройств следует отнести нелинейность функции преобразовани  и недостаточно высокую чувствительность при работе с дифференциальными емкостными датчиками .The disadvantage of the above devices is the non-linearity of the conversion function and the insufficiently high sensitivity when working with differential capacitive sensors.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс  устройство, содержащее источник опорного напр жени , выход которого соединен с первым не- подвижным контактом первого переключател , второй неподвижный контакт первого переключател  соединен с первым неподвижным контактом второго переключател  и подключен к общей шине устройства, подвижные контакты первого и второго переключателей соответственно через измер емый и образцовый конденсата- ры подключены ко входу усилител , выход которого через синхронный детектор соединен со вторым неподвижным контактом второго переключател , причем выход синхронного детектора  вл етс  выходом устройства, генератор пр моугольного напр жени , выход которого соединен с управл ющими входами переключателей и синхронного детектораClosest to the proposed technical essence is a device containing a reference voltage source, the output of which is connected to the first fixed contact of the first switch, the second fixed contact of the first switch is connected to the first fixed contact of the second switch and connected to the device common bus, mobile contacts the first and second switches, respectively, through the measured and reference capacitors are connected to the input of the amplifier, the output of which is through a synchronous detector dinene with the second fixed contact of the second switch, and the output of the synchronous detector is the output of the device, a rectangular voltage generator, the output of which is connected to the control inputs of the switches and synchronous detector

С целью увеличени  чувствительности и получени  линейной функции преобразовани  в устройство содержащее источник опорного напр жени , выход которого соединен с первым входом переключател , первый и второй конденсаторы емкостного датчика, вторые выводы которых через усилитель зар да соединены со входом синхронного детектора, первый вывод первого конденсатора емкостного датчика соединен с выходом переключател , введены: блок управлени , устройство выборки-хранени  и три ключа, выход источника опорного напр жени  соединен с первым выводом первого ключа, второй вход переключател  соединен с первым выводом второго ключа In order to increase the sensitivity and obtain a linear function of conversion into a device containing a reference voltage source, the output of which is connected to the first input of the switch, the first and second capacitors of the capacitive sensor, the second terminals of which are connected through the charge amplifier to the input of the synchronous detector, the first output of the first capacitive capacitor the sensor is connected to the output of the switch, the following are introduced: a control unit, a fetch-storage device and three keys, the output of the reference voltage source is connected to the first the output of the first key, the second input of the switch is connected to the first output of the second key

и подключен к выходу устройства выборки- хранени , который  вл етс  выходом устройства , первый вывод третьего ключа соединен с общей шиной устройства, вторые выводы ключей соединены через второй конденсатор емкостного датчика со входом усилител  зар да, первый выход блока управлени  соединен со входом управлени  второго ключа, второй выход блока управлени  соединен со входом управлени  переключател , третий выход блока управлени  соединен со входом управлени  первого ключа, четвертый и шестой выходы блока управлени  подключены соответственно ко второму и первому входам управлени  синхронного детектора, п тый выход блока управлени  соединен со входом управлени  третьего ключа, седьмой выход блока управлени  соединен со входом управлени  устройства выборки-хранени , вход которого соединен с выходом синхронного детектора .and connected to the output of the retrieval-storage device, which is the output of the device, the first output of the third key is connected to the common bus of the device, the second conclusions of the keys are connected through the second capacitor of the capacitive sensor to the input of the charge amplifier, the first output of the control unit is connected to the control input of the second key , the second output of the control unit is connected to the control input of the switch, the third output of the control unit is connected to the control input of the first key, the fourth and sixth outputs of the control unit are connected respectively etstvenno first and second control inputs of the synchronous detector, a fifth output of the control unit is connected to the third switch control input, a seventh output control unit is connected to the control input of the sample-storage device having an input connected to the output of the synchronous detector.

Существенными отличи ми за вл емого изобретени   вл ютс  введение в устройство блока управлени , трех ключей и устройства выборки-хранени , а также новых св зей: выход источника опорного напр жени  соединен с первым выводом первого ключа, первый вывод второго ключа соединен с выходом устройства выборки- хранени  и вторым входом переключател , выход синхронного детектора соединен с информационным входом устройства выборки-хранени , первый выход блока управление соединен со входом управлени  второго ключа, третий выход блока управлени  соединен со входом управлени  первого ключа, первый и второй входы управлени  синхронного детектора соединены соответственно с шестым и четвертым выходами блока управлени , зход управлени  устройства выборки-хранени  подключен к седьмому выходу блока управлени .Significant differences of the claimed invention are the introduction of three control keys and a retrieval-storage device into the device, as well as new communications: the output of the reference voltage source is connected to the first output of the first key, the first output of the second key is connected to the output of the selector - storage and the second input of the switch, the output of the synchronous detector is connected to the information input of the sample-storage device, the first output of the control unit is connected to the control input of the second key, the third output of the control unit audio connected to the input of the first switch controlling the first and second control inputs of the synchronous detector are connected respectively to the fourth and sixth outputs of the control unit, the control zhod sampling-storage device is connected to the seventh output of the control unit.

На фиг. 1 изображена функциональна  схема измерительного преобразовател  дифференциального емкостного датчика.In FIG. 1 shows a functional diagram of a measuring transducer of a differential capacitive sensor.

Устройство содержит блок управлени  (БУ) 1, в состав которого входит генератор напр жени  пр моугольной формы 2, выход которого подключен ко входу первой интегрирующей цепи 3. Выход второй интегрирующей цепи 4 соединен со входом R счетчика с дешифрированными выходами 5. Выход первой интегрирующей цепи 3 соединен со входом С счетчика с дешифрированными выходами 5. Выход 4 счетчика 5 соединен со входом интегрирующей цепи 4 и подключен к входу R Т-триггера 6. Т вход триггера б соединен с выходом первой интегрирующей цепи 3. Выход О счетчика 5 соединен со входом инвертора 7, первым входом логического элемента 2 ИЛИ 8 и  вл етс  первым выходом БУ 1. Выход инвертора 7  вл етс  вторым выходом БУ 1. Выходы 1 и 3 счетчика 5 соединены соответственно с первым и вторым входами логического элементап2 ИЛИ 9. Вход инвертора 10 соединен с выходом генератора 2. Выход логического элемента 2 подключен к первому входу логического элемента 2 И 11, выход которого  вл етс  четвертым выходом БУ 1. Выход триггера 6  вл етс  п тым выходом БУ 1. Выход логического элемента 2 соединен с первым входом логического элемента 2 , выход которого  вл - етс  шестым выходом БУ 1. Выход 21 счетчика 5 соединен со вторым входом логического элемента 2 ИЛИ18, подключен к первому входу логического элементап2 и  вл етс  третьим выходом БУ 1. Выход инвертора 10 соединен со вторыми входами логических элементов 2 ,12 и 13, Выход- элемента 2  вл етс  седьмым выходом БУ 1.The device comprises a control unit (CU) 1, which includes a rectangular voltage generator 2, the output of which is connected to the input of the first integrating circuit 3. The output of the second integrating circuit 4 is connected to the input R of the counter with decoded outputs 5. The output of the first integrating circuit 3 is connected to the input C of the counter with decrypted outputs 5. The output 4 of the counter 5 is connected to the input of the integrating circuit 4 and connected to the input R of the T-trigger 6. The T input of the trigger b is connected to the output of the first integrating circuit 3. The output of the counter 5 is connected n with the input of the inverter 7, the first input of the logic element 2 OR 8 and is the first output of the control unit 1. The output of the inverter 7 is the second output of the control unit 1. The outputs 1 and 3 of the counter 5 are connected respectively to the first and second inputs of logic element 2 OR 9. Input inverter 10 is connected to the output of generator 2. The output of logic element 2 is connected to the first input of logic element 2 AND 11, the output of which is the fourth output of control unit 1. The output of trigger 6 is the fifth output of control unit 1. The output of logic element 2 is connected to the first input logical element 2, the output of which is the sixth output of the control unit 1. Output 21 of the counter 5 is connected to the second input of logic element 2 OR18, connected to the first input of logic element 2 and is the third output of control unit 1. The output of inverter 10 is connected to the second inputs of logic elements 2, 12 and 13, the Output of the element 2 is the seventh output of the control unit 1.

Кроме того, устройство, приведенное на фиг. 1, содержит источник опорного напр жени  14, выход которого соединен с первым входом переключател  15 и подключен к первому контакту ключа 16. Второй вход переключател  15 соединен с первым кон- тактом ключа 17. Первый контакт ключа 18 соединен с общей шиной устройства. Выход переключател  15 соединен с первым выводом конденсатора емкостного датчика 19, а вторые выводы ключей 16, 17 и 18 соедине- ны с первым выводом конденсатора емкост- ного датчика 20. Вторые выводы конденсаторов 19 и 20 соединены между собой и через последовательно включенные усилитель зар да 21, синхронный детектор (СД) 25 и устройство выборки-хранени  (УВХ) 31 подключены ко второму входу переключател  15. Первый, третий и п тый выходы БУ 1 соединены соответственно со входами управлени  ключей 17, 16 и 18. Второй выход БУ 1 соединен со входом управлени  переключател  15. Четвертый м шестой выходы БУ 1 соединены соответственно со входами управлени  СД 25. Седьмой выход БУ 1 соединен со входомIn addition, the device shown in FIG. 1, contains a reference voltage source 14, the output of which is connected to the first input of the switch 15 and connected to the first contact of the key 16. The second input of the switch 15 is connected to the first contact of the key 17. The first contact of the key 18 is connected to the device common bus. The output of the switch 15 is connected to the first terminal of the capacitor of the capacitive sensor 19, and the second terminals of the keys 16, 17 and 18 are connected to the first terminal of the capacitor of the capacitive sensor 20. The second terminals of the capacitors 19 and 20 are connected to each other and through a series-connected charge amplifier 21, a synchronous detector (SD) 25 and a sampling-storage device (SEC) 31 are connected to the second input of the switch 15. The first, third and fifth outputs of the control unit 1 are connected respectively to the control inputs of the keys 17, 16 and 18. The second output of the control unit 1 is connected with control input n reklyuchatel 15. Fourth m sixth ECU 1 outputs connected respectively to the control inputs DM 25. Seventh yield BU 1 is connected to the input

управлени  УВХ 31. Выход УВХ 31  вл етс  выходом устройства.control of the I / O 31. The output of the I / O 31 is the output of the device.

Усилитель зар да 21 содержит конденсатор 22 и резистор 23, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом операционного усилител  (ОУ) 24, который  вл етс  входом усилител  зар да 21. Неинвертирующий вход ОУ 24 соединен с общей шиной устройства. Вторые выводы конденсатора 22 и резистора 23 соединены с выходом ОУ 24, который  вл етс  выходом усилител  зар да 21.The charge amplifier 21 comprises a capacitor 22 and a resistor 23, the first terminals of which are connected to the inverting input of the operational amplifier (op amp) 24, which is the input of the charge amplifier 21. The non-inverting input of the op amp 24 is connected to the device common bus. The second terminals of capacitor 22 and resistor 23 are connected to the output of op-amp 24, which is the output of charge amplifier 21.

Синхронный детектор (СД) 25 содержит: кондеЯсатор 26, первый вывод которого  вл етс  информационным входом СД 25. Второй вывод конденсатора 26 соединен через ключ 27 с инвертирующим входом ОУ 30, который подключен к первому выводу конденсатора 29. Неинвертирующий вход ОУ 30 подключен к общей шине устройства и через ключ 28 соединен со вторым выводом конденсатора 26. Второй вывод конденсатора 26 соединен с выходом ОУ 30 и  вл етс  выходом СД 25. Входы управлени  ключей 28 и 27  вл ютс  соответственно первым и вторым входами управлени  СД 25.The synchronous detector (LED) 25 contains: a capacitor 26, the first output of which is the information input of the LED 25. The second output of the capacitor 26 is connected via a key 27 to the inverting input of the op-amp 30, which is connected to the first output of the capacitor 29. The non-inverting input of the op-amp 30 is connected to a common to the device bus and through a key 28 is connected to the second output of the capacitor 26. The second output of the capacitor 26 is connected to the output of the op-amp 30 and is the output of the LED 25. The control inputs of the keys 28 and 27 are the first and second control inputs of the LED 25, respectively.

Устройство выборки-хранени  (УВХ) 31 содержит ключ 32, первый вывод которого  вл етс  информационным входом УВХ 31, Второй вывод ключа 32 соединен с неинвертирующим входом ОУ 33 и через конденсатор 34 подключен к общей шине устройства. Выход ОУ 33,  вл ющийс  выходом УВХ 31 соединен с неинвертирующим входом этого усилител . Вход управлени  ключа 32  вл етс  входом управлени  УВХ 31.The sampling-storage device (SEC) 31 contains a key 32, the first output of which is the information input of the SEC 31, The second output of the key 32 is connected to the non-inverting input of the op-amp 33 and connected to the device common bus through a capacitor 34. The output of the op-amp 33, which is the output of the I / O 31, is connected to the non-inverting input of this amplifier. The control input of key 32 is the control input of I / O 31.

Недостаточна  чувствительность прототипа обусловлена его функцией преобразовани :The lack of sensitivity of the prototype due to its conversion function:

UBUX Uo r т оUBUX Uo r t o

где ивых- значение выходного напр жени  преобразовател , where ioh is the value of the output voltage of the converter,

Сх - значение емкости измер емого конденсатора,Cx is the value of the capacitance of the measured capacitor,

Со - значение емкости образцового конденсатора ,Co is the value of the capacitance of the reference capacitor,

Uo - значение выходного напр жени  опорного источника.Uo is the value of the output voltage of the reference source.

В этом случае относительное значение приращени  выходного напр жени  Дивых преобразовател , при изменении измер емой емкости на величину АСх, определ етс  из выражени :In this case, the relative value of the output voltage increment of the Divine transducers, when the measured capacitance changes by the value of ACx, is determined from the expression:

ли -и гСх Сх АСх Lee GCX CX ACX

Аиаых Uo ip- -гJ vr) Aiayh uo ip- -rJ vr)

LoOoLoLoOoLo

.. А Схгл.. And Shhgl

Uo-Ј- ..11) Uo-Ј- ..11)

Функци  преобразовани  предлагаемого устройства описываетс  выражением: i r 11 Сх - СоThe conversion function of the proposed device is described by the expression: i r 11 Cx - Co

UBBIX Uo 7 -лГТ5 UBBIX Uo 7-GT5

-Х VO-X VO

Использование предлагаемого устройства позвол ет обеспечить относительное значение приращени  выходного напр жени  Л1)вых, при изменении значени  измер емой емкости на величину ДСх: UebixUsing the proposed device allows you to provide a relative value of the increment of the output voltage L1) output, when changing the value of the measured capacitance by the value of DSx: Uebix

Со - Сх Со - Сх Н- А Сх-| /гСо - Сх1 Co - Cx Co - Cx H- A Cx- | / gCO - Cx1

Со + CXJCo + CXJ

U° Со + СхU ° Co + Cx

UC UC

Со + Сх -SC:Co + Cx -SC:

2 ДСХ2 DSH

УС1 US1

СхCx

(а-дсх)--(Сх-дсх)(a-dxx) - (cx-dxx)

оabout

(2)(2)

Из анализа выражений (1) и (2) следует, что при величине Сх одного пор дка с величиной емкости Со. предложенна  структура обеспечивает более высокую чувствитель- ностцчем прототип.From the analysis of expressions (1) and (2) it follows that for a value of Cx of the same order with the value of the capacity Co. the proposed structure provides a higher sensitivity, prototype.

Использование предлагаемой структуры позвол ет обеспечить линейную характеристику преобразовани  при работе с дифференциальными емкостными датчиками с измен ющейс  величиной зазора, так и датчиками с переменной площадью обкладок . Емкости измер емого Сх и опорного Со конденсаторов описываютс  выражением:Using the proposed structure makes it possible to provide a linear conversion characteristic when working with differential capacitive sensors with a varying gap value, as well as with sensors with a variable area of plates. The capacitances of the measured Cx and reference Co capacitors are described by the expression:

г Ј Sx г Ј§оg Ј Sx g Ј§o

-х ;;, -h ;;

dxdodxdo

где Ј- диэлектрическа  проницаемость диэлектрика емкостного датчика.where Ј is the dielectric constant of the dielectric of the capacitive sensor.

Sx, So - соответственно площади взаимного перекрыти  обкладок измер емого и образцового конденсаторов датчика,Sx, So - respectively, the area of mutual overlap of the plates of the measured and reference capacitors of the sensor,

dx, do - соответственно величины зазоров между обкладками измер емрй и опорной емкост ми датчика.dx, do, respectively, the gaps between the plates of the measurements and the reference capacitance of the sensor.

Ј So Ј SЈ So Ј S

Co - Сх do dx Co - Cx do dx

C0+CxC0 + Cx

ЈSo eSx do dxЈSo eSx do dx

So dx Sx do So dx + Sx d0 So dx Sx do So dx + Sx d0

(3)(3)

Выражение (З) говорит о том, что функци  преобразовани  нового устройства будет линейна как при работе с дифференциальными датчиками с переменной площадью обкладок, так и дифференциальными датчиками с измен ющейс  величиной зазора. Следовательно, можно сделать вывод, что предлагаемое устройство может быть использовано как универсальный инструмент с любыми типами дифференциальных емкостных датчиков.Expression (3) indicates that the conversion function of the new device will be linear both when working with differential sensors with a variable area of plates, and differential sensors with a varying amount of clearance. Therefore, we can conclude that the proposed device can be used as a universal tool with any type of differential capacitive sensors.

За вл емое устройство представл ет собой компенсационный преобразователь сThe claimed device is a compensation converter with

уравновешиванием зар дов. Структурна  схема измерительного преобразовател  приведена на фиг.1. Алгоритм работы устройства задаетс  блоком управлени  (БУ) 1.balancing charges. The structural diagram of the measuring transducer is shown in figure 1. The operation algorithm of the device is set by the control unit (CU) 1.

5 Выходной сигнал генератора напр жени  пр моугольной формы 2 через интегрирующую цепь 3 подаетс  на тактовые входы счетчика - дешифратора 5 и Т-триггера б. (Выходное напр жение генератора 2 изо10 бражено на фиг. 2,1). Цикл работы устройства разбит на два такта преобразовани  и задаетс  последовательностью выходных импульсов счетчика - дешифратора 5 и Т- триггера б. Дл  синхронизации их работы в5 The output signal of the voltage generator of rectangular shape 2 through the integrating circuit 3 is supplied to the clock inputs of the counter - decoder 5 and T-trigger b. (The output voltage of the generator 2 is shown in Fig. 2.1). The device operation cycle is divided into two conversion clock cycles and is set by the sequence of output pulses of the counter - decoder 5 and T-trigger b. To synchronize their work in

15 устройство введена интегрирующа  цепь 4. Посто нна  времени этой цепи имеет величину:15, the device is integrated circuit 4. The time constant of this circuit has a value:

R4 С4#(1-2)г, где т- врем  срабатывани  триггера б,R4 C4 # (1-2) g, where t is the trigger time b,

20 R 4d - посто нна  времени интегрирующей цепи 4.20 R 4d is the time constant of the integrating circuit 4.

Интегрирующа  цепь 3 предназначена дл  формировани  фазового сдвига между сигналами управлени  переключател  15,The integration circuit 3 is designed to generate a phase shift between the control signals of the switch 15,

25 ключей 16, 17, 18 и сигналами управлени  СД 25 и УВХ 31. Стробирование сигналов управлени  СД 25 и УВХ 31 осуществл етс  с помощью инвертора 10 и логических элементов 11,-12 и 13. Сигналы управлени 25 keys 16, 17, 18 and control signals LED 25 and I / O 31. Gating control signals LED 25 and I / O 31 is carried out using the inverter 10 and logic elements 11, -12 and 13. Control signals

30 работой переключател  15 и ключей 16, 17, 18 изображены соответственно на фигурах 2.3, 2.5 и 2.2. Напр жени тподаваемые на первый и второй входы управлени  СД 25 и УВХ 31,изображены соответственно на фиг.30, the operation of the switch 15 and the keys 16, 17, 18 are shown in figures 2.3, 2.5 and 2.2, respectively. The voltages supplied to the first and second control inputs of LEDs 25 and I / O 31 are shown respectively in FIG.

35 2.7, 2.6 и 2.8. В результате такого алгоритма работы переключател  15 и ключей 16, 17 и 18 на конденсаторах емкостного датчика формируютс  напр жени , изображенные на фиг. 2.9 (Напр жени  на конденсаторах35 2.7, 2.6 and 2.8. As a result of this algorithm of operation of the switch 15 and the switches 16, 17 and 18, the voltages shown in Figs. 2.9 (Voltage across capacitors

40 19 и 20 изображены соответственно сплошной и штрихпунктирной лини ми). Как было отмечено выше.процесс уравновешивани  зар дов на конденсаторах емкостного датчика 19 и 20 разбит на два такта. В первом40 19 and 20 are shown by solid and dash-dotted lines, respectively). As noted above, the process of balancing the charges on the capacitors of the capacitive sensor 19 and 20 is divided into two clock cycles. In the first

45 такте преобразовани  в работе участвуют переключатель 15, ключи 17 и 18, Напр жение , снимаемое с выхода усилител  зар да 21 (изображено на фиг.2.10),описываетс  выражением:On the 45th conversion step, switch 15, switches 17 and 18 are involved, the voltage taken from the output of the charge amplifier 21 (shown in Fig. 2.10) is described by the expression:

50fifty

A I I, i I Cl9C19 . , С20A I I, i I Cl9C19. , C20

AU, -Uo- -ивых- -ивых.AU, -Uo- -ive- -ive.

Это напр жение поступает на вход син- кронного детектора (СД) 25. В момент замыкани  ключа 27 (см.фиг. 2.6) происходит масштабирование напр жени  Ди-i с коэффициентом -С2б/С29. Вследствие этого на выходе ОУ 30 формируетс  напр жение:This voltage is fed to the input of the synchronic detector (LED) 25. At the moment of switching the switch 27 (see Fig. 2.6), the voltage Di-i is scaled with the coefficient -C2b / C29. As a result of this, the voltage is generated at the output of the op-amp 30:

CaeCae

(и0С19-иВыхС19-иВыхС20).(and 0C19-IOutS19-IOutS20).

(4)(4)

При размыкании ключа 27 СД 25 переходит в режим хранени  информации, а конденсатор 26 перезар жаетс  с помощью ключа 28 (см.фиг.27).When the key 27 is opened, the LED 25 enters the information storage mode, and the capacitor 26 is recharged using the key 28 (see Fig. 27).

Во втором такте преобразовани  в работе принимают участие ключи 16 и 18. В результате этого на конденсаторе 20 формируетс  импульс пр моугольной формы с амплитудой Uo.In the second conversion cycle, the keys 16 and 18 take part in the work. As a result, a rectangular pulse with an amplitude Uo is formed on the capacitor 20.

В этом случае отрицательное приращение напр жени  на выходе усилител  зар да 21 имеет величину:In this case, the negative voltage increment at the output of the charge amplifier 21 has the value:

..

а следовательно,приращение напр жени  AU4 на выходе СД 25, после срабатывани  ключа 27, может быть описановыражением:and consequently, the voltage increment AU4 at the output of the LED 25, after the operation of the key 27, can be described by the expression:

,, ,, Сао С26 Щ Uo ,,, Sao С26 Щ Uo

С22 С29C22 C29

Результат алгебраического суммировани  приращений напр жений ALJ2 и AU4, в течение одного такта преобразовани , записываетс  в УВХ 31. Процесс записи результата этой математической операции достигаетс  при замыкании ключа 32. Сигнал управлени  работой ключа 32 изображен на фиг. 2.8. Исход  из алгоритма работы данного устройства следует, что процесс уравновешивани  в за вл емом устройстве заканчиваетс  при достижении равенства приращений AU2 и AU4 Поэтому справедливо равенство: A Ub A LM ,The result of the algebraic summation of the voltage increments ALJ2 and AU4, during one conversion cycle, is recorded in the I / O 31. The process of recording the result of this mathematical operation is achieved when the key 32 is closed. The control signal of the operation of the key 32 is shown in FIG. 2.8. Based on the operation algorithm of this device, it follows that the balancing process in the claimed device ends when the equality of the increments AU2 and AU4 is reached. Therefore, the following equality holds: A Ub A LM,

(UoCl9-UBb,xCl9-UBb,xC2o) С20 С26 (UoCl9-UBb, xCl9-UBb, xC2o) С20 С26

UoUo

иand

оых ooh

UoUo

С19 + С20 C19 + C20

Физически процесс уравновешивани  заключаетс  в установлении выходного напр жени  UBUX, которое отвечает требовани м равенства (6). На фиг. 2.11 сплошной линией изображено выходное напр жение СД 25, а пунктиром выходное напр жение УВХ 31. Следует отметить, что временные диаграммы, приведенные на фиг. 2 отражают состо ние равновеси  в измерительной цепи устройства.Physically, the balancing process consists in setting the output voltage of the UBUX, which meets the requirements of equality (6). In FIG. 2.11, the solid line shows the output voltage of the LED 25, and the dotted line shows the output voltage of the UVX 31. It should be noted that the timing diagrams shown in FIG. 2 reflect the equilibrium state in the measuring circuit of the device.

(11) (eleven)

С22 С29 C22 C29

которое в результате сокращени  членов С26, С22 и С29 имеет вид:which as a result of the reduction of members C26, C22 and C29 has the form:

UoCl9-UBbixCl9-UBbixC20 UoC20.(6) UoCl9-UBbixCl9-UBbixC20 UoC20. (6)

Из выражени  (6) несложно определить функцию преобразовани  данного устройства:From the expression (6) it is easy to determine the conversion function of this device:

С19 - С20г-лC19 - C20g-l

Дл  оценки переходных процессов целесообразно обратитьс  к разностному уравнению, описывающему процесс уравновешивани  в устройстве:To evaluate the transients, it is advisable to refer to the difference equation describing the balancing process in the device:

i i Cl9C26 , , г,, С19 С26i i Cl9C26,, g ,, C19 C26

Uo -оггогг - ивых п  Uo -oggogg - new

00

55

00

55

С22 С29C22 C29

С20 С26C20 C26

С22 С29C22 C29

- ивых п- live

С22 С29C22 C29

11 CZQ С26 , ,, г , Uoo- . + ивых inj,11 CZQ C26, ,, r, Uoo-. + live inj,

(8)(8)

С22 С29 C22 C29

где - значение в предыдущем такте преобразовани  выходного напр жени  устройства ,where is the value in the previous step of converting the output voltage of the device,

ивых значение выходного напр жени  устройства в последующем такте преобразовани .the output voltage value of the device in the subsequent conversion cycle.

В результате Z-преобразовани  практическое выражение (8) принимает вид:As a result of the Z-transformation, practical expression (8) takes the form:

H«,H-u.C CfiZH ", H-u.C CfiZ

-U-U

С22С2) Сго Cj6C22C2) Cgo Cj6

ИННTIN

СлчСге СгоСSlchSge SgoS

гС2, СггСgS2, CggS

гг -гчyy-gh

°С СгЧг-ф-И ° С СГЧг-ф-И

CvfCze ,ЈгоЈ|б Щ СггСгч СггСстЩCvfCze, ЈгоЈ | б Щ СггСгч СггСстЩ

IWM Iwm

-Г, (С чСгб П -G, (With hSGB P

- (СггСгч СггСг,|- (СггСгч СггСг, |

где начальное значение выходногоwhere is the initial value of the output

напр жени  до начала процесса уравновешивани  (Данна  величина может лежать в диапазоне (-Е)-(+Е), где Е - величина двух- пол рного напр жени  питани  устройства ),voltage before the start of the balancing process (This value can lie in the range (-E) - (+ E), where E is the value of the bipolar supply voltage of the device);

Решение вышеприведенного разностного уравнени  имеет вид:The solution of the above difference equation has the form:

gg gg

4040

55

50fifty

+«4-с(+ "4-s (

//

где а р-Щт- (Gig + С2о) - коэффициентwhere а р-Щт- (Gig + С2о) - coefficient

U22 U22

передачи контура отрицательной обратной св зи устройства.transmitting a negative feedback loop of the device.

Анализ (9) позволили привести к выводу, что:Analysis (9) led to the conclusion that:

при а- 1 устройство уравновешиваетс  за один цикл преобразовани . В этом случае врем  уравновешивани  преобразовател  составл ет восемь периодов сигнала опорного генератора 2, а переходной процесс носит критический характер;with a-1, the device is balanced in one conversion cycle. In this case, the balancing time of the converter is eight periods of the signal of the reference oscillator 2, and the transient is critical;

при а 1 переходна  характеристика преобразовател  аппроксимируетс  переходной характеристикой инерционного звена первого пор дка, а переходный процессat a 1, the transient response of the converter is approximated by the transition characteristic of the inertial link of the first order, and the transition process

в этом случае носит апериодический характер;in this case is aperiodic in nature;

при 2 а 1 переходный процесс носит колебательно-затухающий характер, а переходна  характеристика устройства аппроксимируетс  переходной характеристикой звена второго пор дка;at 2 a 1, the transient is oscillatory-damped in nature, and the transient response of the device is approximated by the transient response of the second order link;

при а 2 измерительный преобразователь самовозбуждаетс . В этом случае процесс возбуждени  вызван повышенным значением коэффициента передачи цепи отрицательной обратной св зи.at a 2, the transmitter is self-excited. In this case, the drive process is caused by an increased value of the gain of the negative feedback circuit.

при 0 а к, где к - любое отрицательное число. В этом случае обратна  св зь становитс  положительной и устройство самовозбуждаетс . Состо ние устройства при а 0 со ответствует цепи обратной св зи и потере работоспособности.at 0 a k, where k is any negative number. In this case, the feedback becomes positive and the device self-energizes. The state of the device at a 0 corresponds to the feedback circuit and loss of operability.

Вышепроведенный анализ позвол ет создавать измерительные преобразователи с заданными динамическими свойствами.The above analysis allows the creation of measuring transducers with desired dynamic properties.

Данный преобразователь макетировалс  на кафедре информационно-измерительной техники Ленинградского политехнического института им.М.И.Калинина. В насто щее врем  в ОКБ ЭПО Сигнал г. Энгельс Саратовской области изготовлены опытные образцы и проведены стендовые испытани  этого устройства. Результаты практических исследований при работе преобразовател  с дифференциальными емкостными датчика с диапазоном измерени  емкостей 1,2-5,6 пФ показали, что точность преобразовани  этого устройства не хуже 0,05% при времени уравновешивани  измерительной цепи 0,8 мС, эго в три раза выше,чем у известных устройств.This converter was prototyped at the department of information-measuring equipment of the Leningrad Polytechnic Institute named after M.I. Kalinin. Currently, experimental design bureaus EPO Signal of the city of Engels, Saratov Region, have made prototypes and conducted bench tests of this device. The results of practical studies when operating the converter with differential capacitive sensors with a measuring range of capacities of 1.2-5.6 pF showed that the conversion accuracy of this device is not worse than 0.05% with a balancing time of the measuring circuit of 0.8 ms, the ego is three times higher than with known devices.

В качестве элементной базы преобразовател  были использованы микросхемы серий К 544, К 590, К 140 и К 561. Счетчик - дешифратор 5 выполнен на микросхеме К 561 ИЕ8.As the element base of the converter, K 544, K 590, K 140, and K 561 series microcircuits were used. Counter - decoder 5 is made on the K 561 IE8 microcircuit.

Экономический эффект не подсчитывалс , так как целью предполагаемого изобретени   вл етс  повышение точности, достигаемой за счет увеличени  разрешающей способности, обусловленной высокимThe economic effect was not calculated, since the aim of the proposed invention is to increase the accuracy achieved by increasing the resolution due to high

значением чувствительности за вл емого устройства.sensitivity value of the claimed device.

Claims (1)

Формула изобретени  Измерительный преобразователь дифференциального емкостного датчика, содержащий источник опорного напр жени , выход которого соединен с первым входом коммутатора, первый и второй конденсаторы емкостного датчика, первые выводы которых через усилитель зар да соединены с информационным входом синхронного детектора , второй вывод первого конденсатора емкостного датчика соединен с выходом коммутатора,отличающийс  тем,что,SUMMARY OF THE INVENTION A measuring transducer of a differential capacitive sensor comprising a reference voltage source whose output is connected to the first input of the switch, first and second capacitors of the capacitive sensor, the first terminals of which are connected through the charge amplifier to the information input of the synchronous detector, and the second terminal of the first capacitor of the capacitive sensor with a switch output, characterized in that, с целью увеличени  чувствительности и расширени  функциональных возможностей , обусловленных получением линейной характеристики преобразовани  как при работе с дифференциальными емкостнымиwith the aim of increasing the sensitivity and expanding the functionality due to obtaining a linear conversion characteristic as when working with differential capacitive датчиками с измен ющейс  величиной зазора между обкладками, так и при работе с дифференциальными емкостными датчиками с измен ющейс  площадью обкладок, в него введены блок управлени , устройствоsensors with a varying gap between the plates, and when working with differential capacitive sensors with a changing area of the plates, a control unit and a device are introduced into it выборки-хранени  и три ключа, первый вывод первого ключа соединен с выходом источника опорного напр жени , первый вывод второго ключа соединен с вторым входом коммутатора и выходом устройстваsample-storage and three keys, the first output of the first key is connected to the output of the reference voltage source, the first output of the second key is connected to the second input of the switch and the output of the device выборки-хранени , который  вл етс  выходом устройства, первый вывод третьего ключа соединен с общей шиной устройства, вторые выводы ключей через второй конденсатор емкостного датчика соединены сsample-storage, which is the output of the device, the first output of the third key is connected to the common bus of the device, the second conclusions of the keys through the second capacitor of the capacitive sensor are connected to входом усилител  зар да, а выход синхронного детектора подключен к информационному входу устройства выборки-хранени , вход управлени  коммутатора соединен с вторым выходом блока управлени , входыthe input of the charge amplifier, and the output of the synchronous detector is connected to the information input of the sample-storage device, the control input of the switch is connected to the second output of the control unit, inputs управлени  первого, второго и третьего ключей соединены соответственно с третьим первым и п тым выходами блока управлени , первый и второй входы управлени  синхронного детектора соединены соответственно с шестым и четвертым входами блока управлени , а седьмой выход блока управлени  соединен с входами управлени  устройства выборки-хранени .the controls of the first, second and third keys are connected respectively to the third first and fifth outputs of the control unit, the first and second control inputs of the synchronous detector are connected to the sixth and fourth inputs of the control unit, respectively, and the seventh output of the control unit is connected to the control inputs of the fetch-storage device. пдшшшпшшппш:pdshshshpshshppsh: 2.12.1 п.пли: p.pl: II UU 44 2.22.2 2.32.3 .2.4.2.4
SU904861236A 1990-08-20 1990-08-20 Measuring converter of differential capacitive pickup RU1781637C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904861236A RU1781637C (en) 1990-08-20 1990-08-20 Measuring converter of differential capacitive pickup

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904861236A RU1781637C (en) 1990-08-20 1990-08-20 Measuring converter of differential capacitive pickup

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU1781637C true RU1781637C (en) 1992-12-15

Family

ID=21533221

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU904861236A RU1781637C (en) 1990-08-20 1990-08-20 Measuring converter of differential capacitive pickup

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU1781637C (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Гриневич Ф.Б. и др. Измерительные компенсационно-мостовые устройства с емкостными датчиками. Киев, Думка, 1987, с.112. Авторское свидетельство СССР № 1057882, кл. G 01 R 27/26, 1984. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6639414B2 (en) Circuit for measuring changes in capacitor gap using a switched capacitor technique
RU1781637C (en) Measuring converter of differential capacitive pickup
JPH073340B2 (en) Device for processing sensor signals
JP2005140657A (en) Capacity change detecting circuit for electrostatic capacity type sensor
CN211787048U (en) Integrator, touch capacitance detection circuit and intelligent device
JPS5840125B2 (en) Seidenyouriyou - Chiyokuryuden Atsuhen Kansouchi
GB2036982A (en) Electrical impedance ratios
JPH07260510A (en) Capacity type sensor
RU2272298C1 (en) Capacity transformer of movements
SU1205065A1 (en) Capacitance-to-frequency converter
SU1628013A1 (en) Capacitance-to-frequency converter
SU1520330A1 (en) Precision capacity-to-voltage converter
SU1728663A1 (en) Displacement-to-voltage converter unit
JPS6025579Y2 (en) capacitive electrical signal converter
JPS5769237A (en) Temperature and humidity sensing device
JPS6461669A (en) Capacitance meter
SU1677667A1 (en) Capacitive pickup transducer
SU800643A1 (en) Apparatus for measuring non-electric signal phase converter
SU1203705A1 (en) Resistance-to-pulse frequency converter
SU1525619A1 (en) Transducer of parameters of capacitive pick-ups to time interval and voltage
SU550592A1 (en) Measuring capacitors capacitors, shunted resistors
SU1415035A1 (en) Time interval-to-displacement converting device
SU1711199A1 (en) Exponential converter
SU1532885A1 (en) Capacitance to frequency converter
SU962994A1 (en) Quadratic voltage-to-frequency converter