RU2065588C1 - Емкостный датчик силы - Google Patents
Емкостный датчик силы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2065588C1 RU2065588C1 RU92006200A RU92006200A RU2065588C1 RU 2065588 C1 RU2065588 C1 RU 2065588C1 RU 92006200 A RU92006200 A RU 92006200A RU 92006200 A RU92006200 A RU 92006200A RU 2065588 C1 RU2065588 C1 RU 2065588C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membranes
- operational amplifier
- electrode
- electrodes
- output
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Сущность изобретения: датчик содержит две жестко соединенные по периферии одинаковые мембраны 1 и 2 с двухсторонними жесткими центральными втулками 3 и 4. Втулка 3 жестко установлена в проточке основания 6. Внутри мембранной полости жестко связаны с втулками изолированные от них электроды 8 и 9 разных диаметров емкостного преобразователя перемещения. Электрод 8 меньшего диаметра подключен к входу, а электрод 9 большего диаметра - к выходу операционного усилителя 13, выход которого соединен с входом компаратора 14, который через термозависимый делитель напряжения связан с инверсным входом операционного усилителя 13. Термозависимый резистор 12 размещен во внутренней полости мембран 1 и 2. С внутренней стороны втулок 3 и 4 соосно в центре установлены опорные ограничители хода 11. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может найти широкое применение в области измерения механических величин: усилий, масс, давлений и т.д.
В последнее время большой интерес приобретают емкостные датчики механических величин, обладающие потенциально более высокой точностью, чем наиболее распространенные в настоящее время тензорезисторные преобразователи усилий [1]
Достоинства емкостных датчиков обусловлены трехэлектродной конструкцией в схемах емкостных делителей напряжения, позволяющей за счет линеаризации характеристики работать при больших модуляциях зазора и обладающей высокой помехоустойчивостью, и работой с малыми зазорами, увеличивающими чувствительность при малых габаритах.
Достоинства емкостных датчиков обусловлены трехэлектродной конструкцией в схемах емкостных делителей напряжения, позволяющей за счет линеаризации характеристики работать при больших модуляциях зазора и обладающей высокой помехоустойчивостью, и работой с малыми зазорами, увеличивающими чувствительность при малых габаритах.
Известны емкостные датчики силы, в которых на самом чувствительном упругом элементе размещен дифференциальный емкостный преобразователь [2]
Недостатками их является конструктивная и схемотехническая сложность, вызванная дифференциальным принципом построения, требующая симметрии конструкции и идентичности обеих половин преобразователя.
Недостатками их является конструктивная и схемотехническая сложность, вызванная дифференциальным принципом построения, требующая симметрии конструкции и идентичности обеих половин преобразователя.
Известен емкостный силоизмерительный преобразовательпрототип [3] который содержит подвижный и неподвижный электроды, формируемые методом напыления на изоляционную подложку из Al2O3 серебра. Подвижный металлический электрод соединен с неподвижным путем приваривания к стеклянному кольцу.
Недостатками этого преобразователя являются:
недоступная для широкого производителя сложность изготовления, вызванная спецтехнологиями,
наличие хрупкого неметаллического упругого элемента стекла в силовой измерительной цепи,
требования одинаковых температурных коэффициентов расширения стекла, алюминия и т.д.
недоступная для широкого производителя сложность изготовления, вызванная спецтехнологиями,
наличие хрупкого неметаллического упругого элемента стекла в силовой измерительной цепи,
требования одинаковых температурных коэффициентов расширения стекла, алюминия и т.д.
отсутствие развязки между силовводом и заделкой упругого элемента в основании в силу недифференциальности конструкции.
Настоящий датчик силы конструктивно просто изготавливается обычными средствами механообработки. Он характеризуется мембранами, установленными соосно и взаимообращенно и выполненными по обе стороны мембраны с жесткими центральными втулками, к которым снаружи приложены измеряемые усилия, а внутри на них установлены изолированные электроды недифференциального преобразователя перемещения, причем электрод меньшего диаметра окружен охранным кольцом и соединен с инверсным входом операционного усилителя, а электрод большего диаметра соединен с выходом усилителя, который подключен к входу компаратора напряжения, выход которого через термозависимый делитель напряжения соединен с входом усилителя, причем термозависимый резистор усилителя введен в межмембранную полость.
На фиг. 1 схематически приведена конструкция и блок-схема электронного блока датчика силы.
Датчик содержит две идентичные мембраны 1 и 2 с двусторонними жесткими центральными втулками 3 и 4. Во втулке 4 снаружи выполнено углубление под шарик 5, на который давит шток. Втулка 3 установлена в проточке основания 6. С втулками 3 и 4 через слой изоляционного клея 7 соединены электроды 8 и 9. Электрод 8 окружен охранным кольцом 10. В центрах втулок 3 и 4 соосно выполнены опорные ограничители хода упоры 11. Во внутренней полости мембран установлен терморезистор 12. Электрод 8 соединен с входом операционного усилителя 13, электрод 9 с его выходом, который соединен с входом операционного усилителя 14. Выход операционного усилителя 14 через делитель напряжения (R4, R5, R6) соединен с входом усилителя 13. Для термокомпенсации в плечо делителя включен терморезистор 12, расположенный в межмембранной полости. Мембраны 1 и 2 жестко соединены по периферии сваркой технологических "усов".
Измеряемое усилие Fx штока (поршня) через шарик 5 воздействует на мембрану 1, а реакция опоры основания в 6 Fоп Fx воздействует на мембрану 2. Под действием усилий Fx мембраны прогибаются на Δδ = Fx/W, где W жесткость мембраны, при этом зазор между мембранами уменьшается δx= δo-2Δδ,. Емкость между электродами увеличивается, т.е.
Емкость Cx включена в частотозависимую цепь обратной связи операционного усилителя 13 (ОУ), в силу чего паразитные шунтирующие емкости C
где Ko постоянная, определяемая резисторами электронной схемы (рис.1) и равная , а
значение емкости между электродами 8 и 9 при отсутствии измеряемой силы.
Включение изолированных от мембран электродов 8 и 9 соответственно к инверсному входу и выходу ОУ обеспечивает линейный закон преобразования измеряемого усилия Fx в выходную частоту fx. Линейная зависимость fx от Fx обеспечивается независимо от начального δo и текущего δx значения зазора, что позволяет выбрать предел измерения силы Fxном таким, чтобы 2Δδ ≈ δo, когда прогиб мембран достигает практически значения начального зазора.
Для предотвращения замыкания электродов и их механического повреждения при значениях измеряемой силы, превышающей Fxном, в конструкции датчика предусмотрены упоры 11, делающие невозможным прогиб мембран больше величины 2Δδmax.
Уравнение преобразования (1) справедливо лишь для плоского конденсатора, когда r/δo_→ ∞, где r радиус электрода.
При δo 0,1 0,6 мм и r ≅ 30 мм сказывается шунтирующее действие кривой емкости Ск, которая изменяется в существенно меньшей степени, чем Cx при воздействии силы Fx и вносит нелинейность в уравнение преобразования (31).
Поскольку
уравнение преобразования
становится нелинейным, причем погрешность линейности составляет
Для снижения погрешности линейности до 0,5% при Δδ/δo ≈ 0,8 краевая емкость должна быть снижена до уровня, необходимого из соотношения
Cк/Cxo ≅ 0,01 (5)
Линеаризация реального уравнения преобразования [3] достигается выполнением электрода 9 большим электрода 8 на величину
Δr = rэ9-rэ8= (4÷5)δo (6)
где rэ8 и rэ9 соответственно радиусы электродов 8 и 9.
уравнение преобразования
становится нелинейным, причем погрешность линейности составляет
Для снижения погрешности линейности до 0,5% при Δδ/δo ≈ 0,8 краевая емкость должна быть снижена до уровня, необходимого из соотношения
Cк/Cxo ≅ 0,01 (5)
Линеаризация реального уравнения преобразования [3] достигается выполнением электрода 9 большим электрода 8 на величину
Δr = rэ9-rэ8= (4÷5)δo (6)
где rэ8 и rэ9 соответственно радиусы электродов 8 и 9.
Кроме того, меньший из электродов снабжен защитным (охранным) кольцом 10, которое электрически соединено с корпусом датчика и, таким образом, является эквипотенциальным по отношению к охраняемому электроду 8.
Отношение характеризует кратность изменения проходной емкости между электродами в диапазоне измеряемых усилий от 0 до Fxном. В макетах емкостных датчиков силы на пределы до 1 10 кН удалось реализовать пятикратное изменение емкости от 20 до 100 пФ при изменении зазора от 0,6 до 0,12 мм.
Дальнейшему увеличению кратности изменения емкости препятствуют технологические допуски на толщины мембран и величину начального зазора, преодолеть которые традиционными способами обработки и соединения деталей 1, 2, 8, 9 не удалось. Однако достигаемое значение глубины модуляции на порядок выше ее в классических дифференциальных конструкциях емкостных датчиков (М ≈ 5 8%).
Claims (4)
1. Емкостный датчик силы, содержащий размещенные на основании силовводящий элемент шаровой формы, упругий элемент, выполненный из двух одинаковых мембран, жестко соединенных до периферии, преобразователь перемещения с двумя электродами и защитным кольцом, подключенный к электронному блоку с операционным усилителем и компаратором напряжения, отличающийся тем, что в датчик введен термозависимый делитель напряжения, мембраны выполнены с жесткими центральными втулками, установленными соосно, каждая из втулок выступает по обе стороны соответствующей мембраны, во втулке одной из мембран выполнено углубление для силовводящего элемента, втулка другой мембраны жестко закреплена в выполненной в основании датчика проточке, электроды емкостного преобразователя расположены в полости, образованной мембранами, каждый электрод жестко связан с соответствующей изолированной от него втулкой, при этом электроды соединены соответственно с инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора напряжения, выход которого через термозависимый делитель напряжения подключен к инвертирующему входу операционного усилителя.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что емкостный преобразователь перемещения выполнен недифференциальным, причем диаметр одного из электродов меньше диаметра другого электрода на величину не менее пяти значений величины зазора между мембранами, а с неинвертирующим входом операционного усилителя соединен электрод меньшего диаметра.
3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что на втулках с внутренней стороны по оси действия силы выполнены соосно опорные ограничители хода мембран.
4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что электронный блок снабжен терморезистором, который установлен в полости, образованной мембранами, и включен в плечо термозависимого делителя напряжения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU92006200A RU2065588C1 (ru) | 1992-10-20 | 1992-10-20 | Емкостный датчик силы |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU92006200A RU2065588C1 (ru) | 1992-10-20 | 1992-10-20 | Емкостный датчик силы |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU92006200A RU92006200A (ru) | 1995-02-27 |
RU2065588C1 true RU2065588C1 (ru) | 1996-08-20 |
Family
ID=20132040
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU92006200A RU2065588C1 (ru) | 1992-10-20 | 1992-10-20 | Емкостный датчик силы |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2065588C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2461805C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | Устройство для измерения усилий сжатия на прессе |
RU2483283C2 (ru) * | 2011-07-29 | 2013-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") | Емкостный силоизмерительный датчик |
-
1992
- 1992-10-20 RU RU92006200A patent/RU2065588C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Артемов В.М., Кудряшов Э.А., Левшина Е.С., Моисейченко В.С. Пути совершенствования емкостных датчиков давления и ускорения. - ПСУ, 1989, N 9, с. 7 и 8. Авторское свидетельство СССР N 1627868, кл. G 01 L 1\14, 1991. Заявка Японии N 1213531, кл. G 01 L 1/14, 1988. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2461805C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | Устройство для измерения усилий сжатия на прессе |
RU2483283C2 (ru) * | 2011-07-29 | 2013-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГБОУ ВПО "СПбГПУ") | Емкостный силоизмерительный датчик |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4322775A (en) | Capacitive pressure sensor | |
JP2743187B2 (ja) | 機械的な運動増幅手段を備えたコンパクトな力トランスジューサ | |
CA1134164A (en) | Force responsive transducer | |
US5424650A (en) | Capacitive pressure sensor having circuitry for eliminating stray capacitance | |
EP0830577B1 (en) | Magnetic relative position transducer with slotted shield | |
US6532824B1 (en) | Capacitive strain sensor and method for using the same | |
US6122972A (en) | Capacitive pressure sensor with moving or shape-changing dielectric | |
US2999386A (en) | High precision diaphragm type instruments | |
US4433580A (en) | Pressure transducer | |
JPS6148701A (ja) | シリンダ内のピストンの行程を測定する装置 | |
US4703663A (en) | Force sensor for electrical measuring of forces, torques, acceleration pressures and mechanical stresses | |
US3479879A (en) | Manometer | |
JPS6085342A (ja) | 力測定装置 | |
US4098000A (en) | Crack opening displacement gage | |
US4104595A (en) | Signal translating circuit for variable area capacitive pressure transducer | |
EP2896945A1 (en) | Pressure transducer with capacitively coupled source electrode | |
CA1107982A (en) | Pressure responsive apparatus | |
RU2065588C1 (ru) | Емкостный датчик силы | |
GB2226416A (en) | Capacitance-type deformation sensor | |
US4157032A (en) | Electrically isolated strain gage assembly | |
US4458292A (en) | Multiple capacitor transducer | |
US5022264A (en) | Instrument for measuring accelerations, particularly gravitation components for goniometry | |
JP4114272B2 (ja) | 変位センサ | |
Dargie et al. | A thick-film capacitive differential pressure transducer | |
JPH04204339A (ja) | 静電容量式圧力検知装置 |