RU2272298C1 - Емкостный преобразователь перемещений - Google Patents
Емкостный преобразователь перемещений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2272298C1 RU2272298C1 RU2004128663/28A RU2004128663A RU2272298C1 RU 2272298 C1 RU2272298 C1 RU 2272298C1 RU 2004128663/28 A RU2004128663/28 A RU 2004128663/28A RU 2004128663 A RU2004128663 A RU 2004128663A RU 2272298 C1 RU2272298 C1 RU 2272298C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- key
- output
- resistor
- input
- operational amplifier
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит положительный и отрицательный источники опорных напряжений, ключевую схему для переключения полярности источников опорных напряжений, генератор синхронизирующих импульсов, сумматор обратной связи, дифференциальные измерительные емкости, первый и второй операционные усилители, синхронный детектор и фильтр нижних частот. Полный цикл работы устройства осуществляется за один период синхронизирующих импульсов: в течение первого полупериода измерительные емкости заряжаются алгебраическими суммами опорных напряжений с напряжением обратной связи, сигнал демодулируется и фильтруется от несущей частоты. На втором полупериоде измерительные емкости разряжаются, а фильтр нижних частот переключается в режим запоминающей ячейки. Техническим результатом является повышение точности измерений за счет линейности выходного сигнала, независимого от частоты питающего напряжения, от диэлектрических свойств среды между электродами измерительных емкостей и от температурных изменений элементов, входящих в устройство. 1 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных датчиках давления, акселерометрах, датчиках угловой скорости и микрогироскопах.
Известно аналогичное устройство, в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, синхронный детектор и запоминающая ячейка (см. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры ПИИ физических измерений - элементы микросистемотехники // Микросистемная техника. 2002. № 1. С.3-9).
Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с тем, что во время такта измерения отрицательная обратная связь отключена и погрешность устройства равна сумме погрешностей последовательно включенных элементов.
В качестве прототипа выбран емкостный преобразователь перемещений (см. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, С.37, рис.2.1), содержащий первый и второй источники опорных напряжений, выходы которых соединены через ключевую схему переключения полярности опорных напряжений и сумматор обратной связи с первой и второй измерительными емкостями, генератор синхронизирующих импульсов, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы, первый операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, первый и второй ключи синхронного детектора, фильтр нижних частот, содержащий первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первую и вторую емкости, и второй операционный усилитель, вход первого ключа соединен с выходом первого усилителя, выход второго ключа соединен с землей.
Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с несколькими причинами: 1 - обратная связь выполнена только с выхода первого усилителя на вход сумматора, питающего измерительные емкости, а ключи синхронного детектора обратной связью не охвачены; 2 - большая составляющая переменного напряжения, вызванная тем, что во время такта разряда измерительных емкостей вход фильтра нижних частот подключен к земле, поэтому при переключении устройства с режима измерения на режим разряда емкостей имеет место большой перепад напряжения.
Решаемая задача - совершенствование емкостного преобразователя перемещений.
Технический результат - повышение точности емкостного преобразователя перемещений.
Этот технический результат достигается тем, что в емкостный преобразователь перемещений, содержащий первый и второй источники опорных напряжений, выходы которых соединены через ключевую схему переключения полярности опорных напряжений и сумматор обратной связи с первой и второй измерительными емкостями, генератор синхронизирующих импульсов, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы, первый операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, первый и второй ключи синхронного детектора, фильтр нижних частот, содержащий первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первую и вторую емкости, и второй операционный усилитель, вход первого ключа соединен с выходом первого усилителя, выход второго ключа соединен с землей, введены третий и четвертый ключи, причем вход третьего ключа соединен с выходом первого ключа, а выход третьего ключа соединен с первым резистором, второй конец которого соединен с первой емкостью фильтра, которая вторым концом соединена с землей, одновременно второй конец первого резистора соединен со входом четвертого ключа и с одним из концов второго резистора, второй конец второго резистора соединен со входом второго операционного усилителя и одновременно с одним из концов второй емкости фильтра, второй конец которой соединен с выходом второго операционного усилителя, выход третьего ключа соединен с одним из концов третьего резистора, второй конец которого соединен с четвертым и пятым резисторами, второй конец четвертого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, а второй конец пятого резистора соединен с землей, управляющие входы первого, третьего и четвертого ключей соединены с прямым выходом генератора синхронизирующих импульсов, с его инверсным выходом соединен управляющий вход второго ключа, сумма третьего и четвертого резисторов выполнена равной величине первого резистора.
Предлагаемое устройство иллюстрируется электрической схемой, приведенной на чертеже, содержащей первый источник опорного напряжения 1(+Uоп), второй источник опорного напряжения 2 (-Uоп), ключевую схему 3, со входами которой соединены выходы источников опорных напряжений. Выходы ключевой схемы 3 соединены со входами сумматора обратной связи 4, выходы которого соединены с первой измерительной емкостью 5 и второй измерительной емкостью 6. Средняя точка измерительных емкостей 5 и 6 соединена со входом первого операционного усилителя 7. К управляющим входам ключевой схемы 3 подсоединены прямой и инверсный выходы генератора 8 синхронизирующих импульсов. Синхронный детектор состоит из четырех двунаправленных ключей: первого 9, второго 10, третьего 11 и четвертого 12. Вход первого ключа 9 соединен с выходом первого операционного усилителя 7, а выход первого ключа 9 соединен со входами второго ключа 10 и третьего ключа 11 и одновременно со входом сумматора 4 обратной связи. Фильтр нижних частот, выполненный на втором операционном усилителе 13, резисторах первом 14, втором 15, третьем 16, четвертом 17 и пятом 18, емкостях 19 и 20, осуществляет усиление сигнала и фильтрацию от несущей частоты генератора синхронизирующих импульсов. Входы управления первого ключа 9, третьего ключа 11 и четвертого ключа 12 соединены с прямым выходом генератора 8 синхронизирующих импульсов, а с его инверсным выходом соединен управляющий вход второго ключа 10. Вход третьего ключа 11 соединен с резистором 16, второй конец которого соединен одновременно с резисторами 17 и 18. Второй конец резистора 17 соединен с выходом второго операционного усилителя 13, а второй конец резистора 18 соединен с землей. Выход четвертого ключа 12 соединен с резистором 14, второй конец которого соединен одновременно с резистором 15 и емкостью 20, а также с выходом третьего ключа 11, второй конец резистора 15 соединен со входом второго операционного усилителя 13, а второй конец емкости 20 соединен с землей. Емкость 19 соединена со входом и выходом второго операционного усилителя 13.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Пусть в первом полупериоде на прямом выходе генератора 8 синхронизирующих импульсов присутствует единичный сигнал, а на инверсном - нулевой. С выходов ключевого устройства 3 переключения опорных напряжений переменное напряжение с амплитудой, равной величине опорных напряжений, подводится к первому и второму входам сумматора обратной связи 4. К третьему входу сумматора обратной связи 4 подводится напряжение U1 с выхода первого операционного усилителя 7 через открытый первый ключ. Это напряжение алгебраически складывается с первым положительным опорным напряжением (+Uоп±U1) и со вторым отрицательным опорным напряжением (-Uоп±U1). С выходов сумматора обратной связи 4 алгебраические суммы напряжений подводятся к последовательной цепи из измерительных емкостей 5 и 6.
Преобразование амплитудно-модулированного сигнала после первого операционного усилителя 7 с помощью синхронного детектора преобразуется в изменение постоянного напряжения. При этом открыты ключи: первый 9, третий 11 и четвертый 12, а второй ключ 10 закрыт.
Фильтр нижних частот выдает на выходе сигнал, пропорциональный величине перемещения подвижного электрода измерительных емкостей:
где - коэффициент передачи фильтра нижних частот; R13, R15, R16, R19 - резисторы, индексы которых соответствуют номеру позиции на чертеже; у - измеряемое перемещение; h - начальный зазор между подвижным и неподвижными электродами измерительных емкостей. Внутреннее сопротивление открытого ключа на три порядка меньше по сравнению с сопротивлением первого резистора 14 фильтра.
На втором полупериоде прямой синхронизирующий сигнал равен нулю, а инверсный - единице. Ключевое устройство 3 переключает на противоположные полярности опорных источников. Первый ключ 9, третий 11 и четвертый 12 закрыты, а второй ключ 10 открыт. При этом третий вход сумматора 4 обратной связи через открытый ключ 10 соединяется с землей. Измерительные емкости в течение второго полупериода разряжаются от источников опорных напряжений, сменивших полярность. Четвертый ключ 12 отключает входные цепи фильтра нижних частот от выхода первого операционного усилителя 7, а третий ключ 11 переключает схему фильтра нижних частот в режим запоминающей ячейки, предотвращая разряд емкости 19 на цепочку резисторов 15, 16 и 17.
Таким образом, полный цикл работы предлагаемого устройства осуществляется за один период синхронизирующих импульсов: в течение первого полупериода измерительные емкости заряжаются алгебраическими суммами, опорных напряжений с напряжением обратной связи, сигнал демодулируется и фильтруется от несущей частоты. На втором полупериоде измерительные емкости разряжаются, а фильтр нижних частот переключается в режим запоминающей ячейки.
Как видно из формулы 1, такое решение в сравнении с прототипом дает следующие преимущества: выходной сигнал является линейным, независимым от частоты питающего напряжения, независимым от диэлектрических свойств среды между электродами измерительных емкостей и независимым от температурных изменений элементов, входящих в устройство.
Claims (1)
- Емкостный преобразователь перемещений, содержащий первый и второй источники опорных напряжений, выходы которых соединены через ключевую схему переключения полярности опорных напряжений и сумматор обратной связи с первой и второй измерительными емкостями, генератор синхронизирующих импульсов, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы, первый операционный усилитель, вход которого соединен со средней точкой последовательно соединенных измерительных емкостей, первый и второй ключи синхронного детектора, фильтр нижних частот, содержащий первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первую и вторую емкости и второй операционный усилитель, вход первого ключа соединен с выходом первого усилителя, выход второго ключа соединен с землей, отличающийся тем, что в устройство введены третий и четвертый ключи, причем вход третьего ключа соединен с выходом первого ключа, а выход третьего ключа соединен с первым резистором, второй конец которого соединен с первой емкостью фильтра, которая вторым концом соединена с землей, одновременно второй конец первого резистора соединен со входом четвертого ключа и с одним из концов второго резистора, второй конец второго резистора соединен со входом второго операционного усилителя и одновременно с одним из концов второй емкости фильтра, второй конец которой соединен с выходом второго операционного усилителя, выход третьего ключа соединен с одним из концов третьего резистора, второй конец которого соединен с четвертым и пятым резисторами, второй конец четвертого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, а второй конец пятого резистора соединен с землей, управляющие входы первого, третьего и четвертого ключей соединены с прямым выходом генератора синхронизирующих импульсов, с его инверсным выходом соединен управляющий вход второго ключа, сумма третьего и четвертого резисторов выполнена равной величине первого резистора.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004128663/28A RU2272298C1 (ru) | 2004-09-27 | 2004-09-27 | Емкостный преобразователь перемещений |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004128663/28A RU2272298C1 (ru) | 2004-09-27 | 2004-09-27 | Емкостный преобразователь перемещений |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2272298C1 true RU2272298C1 (ru) | 2006-03-20 |
Family
ID=36117352
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004128663/28A RU2272298C1 (ru) | 2004-09-27 | 2004-09-27 | Емкостный преобразователь перемещений |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2272298C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2562695C2 (ru) * | 2011-06-20 | 2015-09-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Емкостный преобразователь перемещений |
RU2573618C1 (ru) * | 2014-11-12 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ | Устройство измерения микроперемещений |
-
2004
- 2004-09-27 RU RU2004128663/28A patent/RU2272298C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ВАВИЛОВ В.Д. Интегральные датчики, Изд-во НГТУ, 2003, с.37. МОКРОВ Е.А. и др. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники. Микросистемная техника. 2002, № 1, с.3-9. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2562695C2 (ru) * | 2011-06-20 | 2015-09-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Емкостный преобразователь перемещений |
RU2573618C1 (ru) * | 2014-11-12 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ | Устройство измерения микроперемещений |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Vooka et al. | A direct digital readout circuit for impedance sensors | |
CN104267244B (zh) | 一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法 | |
Mochizuki et al. | A relaxation-oscillator-based interface for high-accuracy ratiometric signal processing of differential-capacitance transducers | |
Malik et al. | AN-C2V: an auto-nulling bridge-based signal conditioning circuit for leaky capacitive sensors | |
George et al. | Switched capacitor signal conditioning for differential capacitive sensors | |
Malik et al. | AN-Z2V: Autonulling-based multimode signal conditioning circuit for RC sensors | |
CN111693784A (zh) | 一种微弱电容变化测量电路 | |
RU2593818C1 (ru) | Способ и устройство измерения электрической емкости | |
RU2272298C1 (ru) | Емкостный преобразователь перемещений | |
Mohan et al. | Self-balancing signal conditioning circuit for a floating-wiper resistive displacement sensor | |
CN102538650A (zh) | 一种纳米级微小位移测量装置 | |
RU2589771C1 (ru) | Измерительный преобразователь емкость-напряжение | |
RU2562695C2 (ru) | Емкостный преобразователь перемещений | |
Sreenath et al. | A direct-digital interface circuit for sensors representable using parallel RC model | |
Sreenath et al. | A novel switched-capacitor capacitance-to-digital converter for single element capacitive sensors | |
RU2810694C1 (ru) | Двухосевой микромеханический акселерометр с емкостным преобразователем перемещений | |
CN212646814U (zh) | 一种微弱电容变化测量电路 | |
Mohan et al. | Novel signal conditioning circuit for push-pull type capacitive transducers | |
SU1532885A1 (ru) | Преобразователь емкости в частоту | |
Li et al. | Research on the Detecting Technology of Tiny Capacitance | |
RU2168729C1 (ru) | Емкостной преобразователь | |
RU2173859C1 (ru) | Устройство для измерения емкости конденсатора | |
SU1767451A1 (ru) | Измерительный преобразователь с емкостным датчиком | |
Areekath et al. | An interference-insensitive switched-capacitor CDC | |
Philip | Switched capacitor single-slope capacitance to direct digital converter for differential capacitive sensors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060928 |