RU2717143C1 - Electric capacitance converter for determining coordinates of a geometric center of a two-dimensional region (versions) - Google Patents
Electric capacitance converter for determining coordinates of a geometric center of a two-dimensional region (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2717143C1 RU2717143C1 RU2019109487A RU2019109487A RU2717143C1 RU 2717143 C1 RU2717143 C1 RU 2717143C1 RU 2019109487 A RU2019109487 A RU 2019109487A RU 2019109487 A RU2019109487 A RU 2019109487A RU 2717143 C1 RU2717143 C1 RU 2717143C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- electrodes
- region
- dielectric substrate
- measuring electrodes
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/28—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring contours or curvatures
- G01B7/287—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring contours or curvatures using a plurality of fixed, simultaneously operating transducers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к измерительным устройствам с использованием емкостных средств. Электроемкостный преобразователь предназначен для определения координат геометрического центра двумерной области. Например, для определения координат геометрического центра двумерной области плоской пластины произвольной формы, выполненной из однородного материала. Для электропроводящих тел электроемкостный преобразователь способен определить геометрический центр двумерной области соприкосновения или приближения тела. Преобразователь может найти применение в измерительной технике, а также в других областях техники в составе различных устройств, где есть необходимость в определении координат геометрического центра двумерной области, в соответствии с назначениями вариантов электроемкостного преобразователя.The invention relates to measuring devices using capacitive means. The electric capacitive converter is designed to determine the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region. For example, to determine the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region of a flat plate of arbitrary shape made of a homogeneous material. For electrically conductive bodies, an electro-capacitive transducer is capable of determining the geometric center of a two-dimensional region of contact or approximation of the body. The transducer can find application in measuring technology, as well as in other areas of technology as a part of various devices, where there is a need to determine the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, in accordance with the purpose of the options for the electric capacitive transducer.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Известно телевизионное устройство для определения центра тяжести однородного тела изображений плоских фигур на основе телевизионного изображения. [Авторское свидетельство СССР 426144].A television device is known for determining the center of gravity of a uniform body of images of flat figures based on a television image. [USSR Copyright Certificate 426144].
Известно устройство для измерения геометрического центра объекта. [Авторское свидетельство СССР SU - 1380590. 20.12.1985 г.]. Это устройство относится к телевизионным следящим системам.A device for measuring the geometric center of the object. [USSR author's certificate SU - 1380590. 12/20/1985]. This device is a television tracking system.
Известно устройство для измерения геометрического центра изображения. [Патент РФ SU 1495829 23.07.1989 г.] Изобретение относится к системам обработки изображений.A device for measuring the geometric center of the image. [RF patent SU 1495829 07/23/1989] The invention relates to image processing systems.
Известен способ измерения координат центра тяжести изображения и устройство для его осуществления. [Патент РФ SU - 2271145. 10.05.1994 г.]. Устройство, которое используется для реализации способа, относится к телевизионным системам. Способ относится к обработке изображения.A known method of measuring the coordinates of the center of gravity of the image and a device for its implementation. [RF Patent SU - 2271145. 05/10/1994]. The device that is used to implement the method relates to television systems. The method relates to image processing.
Недостатком телевизионных устройств является наличие погрешности в определении координат геометрического центра, связанной с оптическими искажениями формы объекта, а также повышенная стоимость в связи с наличием оптических и телевизионных компонентов в схеме устройств.The disadvantage of television devices is the error in determining the coordinates of the geometric center associated with optical distortions of the shape of the object, as well as the increased cost due to the presence of optical and television components in the device circuit.
Известно устройство [Авторское свидетельство СССР N427635] для определения координат центра тяжести однородного тела. Принцип действия устройства заключается в механическом уравновешивании тела.A device is known [USSR Author's Certificate N427635] for determining the coordinates of the center of gravity of a homogeneous body. The principle of operation of the device is to mechanically balance the body.
Известен способ определения центра тяжести лопатки турбины [Патент РФ SU - 2224228 20.02.2004 г.]. Изобретение относится к статической балансировке конструкций. Способ основан на том, что лопатку укладывают на площадку с балансировочной опорой, определяют численное значение статического момента лопатки, затем положение центра тяжести.A known method of determining the center of gravity of a turbine blade [RF Patent SU - 2224228 02/20/2004]. The invention relates to static balancing of structures. The method is based on the fact that the blade is placed on a platform with a balancing support, the numerical value of the static moment of the blade is determined, then the position of the center of gravity.
Недостатком устройств для определения центра тяжести однородного тела путем механического уравновешивания является наличие в их конструкции механических компонентов, что определяет повышенную стоимость для цели измерения геометрического центра плоских тел.A disadvantage of devices for determining the center of gravity of a homogeneous body by mechanical balancing is the presence of mechanical components in their design, which determines the increased cost for the purpose of measuring the geometric center of flat bodies.
Известен электроемкостный преобразователь для измерения уровня, содержащий диэлектрическую пластину с размещенными на одной из ее поверхностей печатными электродами, образующими первую измерительную часть и выполненными в виде геометрических фигур, имеющих изменяющуюся суммарную ширину в функции расстояния вдоль направления высоты, общий электрод и дополнительные печатные электроды, размещенные на одной поверхности диэлектрической пластины с электродами первой измерительной части и образующими вторую измерительную часть. Суммарная ширина в функции расстояния вдоль направления высоты электродов первой измерительной части изменяется линейно. Электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины в функции расстояния вдоль направления высоты. При этом геометрические фигуры электродов первой измерительной части имеют суммарную площадь, равную суммарной площади геометрических фигур второй измерительной части, причем диэлектрическая пластина расположена с постоянными зазорами между обращенными друг к другу поверхностями общего электрода. В описании электроемкостного преобразователя для измерения уровня по патенту РФ RU 2087873 С1 приведен вариант, в котором электроемкостный преобразователь используется для определения уровня электропроводящих жидкостей. Этот вариант преобразователя дополнительно содержит изолирующую диэлектрическую пластину. [Патент РФ RU 2087873 С1 20.08.1997]Known electrical capacitive transducer for level measurement, containing a dielectric plate with printed electrodes placed on one of its surfaces, forming the first measuring part and made in the form of geometric shapes having a variable total width as a function of distance along the height direction, a common electrode and additional printed electrodes placed on the same surface of the dielectric plate with electrodes of the first measuring part and forming the second measuring part. The total width as a function of the distance along the height direction of the electrodes of the first measuring part varies linearly. The electrodes of the second measuring part are made in the form of geometric figures, supplementing the geometric figures of the electrodes of the first measuring part to form a constant total width as a function of distance along the height direction. In this case, the geometric figures of the electrodes of the first measuring part have a total area equal to the total area of the geometric figures of the second measuring part, and the dielectric plate is located with constant gaps between the surfaces of the common electrode facing each other. In the description of the electro-capacitive transducer for level measurement according to the patent of the Russian Federation RU 2087873 C1, an embodiment is given in which the electro-capacitive transducer is used to determine the level of electrically conductive liquids. This embodiment of the converter further comprises an insulating dielectric plate. [RF patent RU 2087873 C1 08/20/1997]
Анализ конструкции электроемкостного преобразователя для измерения уровня показал, что его можно использовать по другому назначению - в преобразователе для определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси для плоских тел из однородного диэлектрического материала.Analysis of the design of the electric capacitive transducer for measuring the level showed that it can be used for another purpose - in the transducer to determine the coordinates of the geometric center of a part of the two-dimensional region along one axis for plane bodies made of a homogeneous dielectric material.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION
В 1994 г. был разработан электроемкостный преобразователь для измерения уровня с использованием печатных электродов с изменяющейся шириной вдоль направления высоты. В последствии на преобразователь был получен патент РФ RU 2087873 С1.In 1994, an electro-capacitive transducer was developed for level measurement using printed electrodes with varying widths along the height direction. Subsequently, the RF patent RU 2087873 C1 was obtained for the converter.
Электроемкостный преобразователь предназначался для измерения уровня диэлектрических и электропроводящих жидкостей. Основной целью разработки преобразователя уровня являлось нахождение системы электродов, для которой выходной сигнал уровня пропорционален разности величин емкостей электродов первой и второй измерительных частей, деленной на величину, полученную путем сложения величин емкостей первой и второй измерительных частей, и вычитания суммы емкостей электродов первой и второй измерительных частей в не погруженном состоянии. Описанная зависимость выходного сигнала измеряемого параметра от величин емкостей электродов широко известна в измерительной технике и используется для нахождения величины перемещения проводящей пластины или мембраны расположенной между двумя электродами в дифференциальных датчиках перемещения или датчиках для измерения другой физической величины, например, в емкостных датчиках разности давлений. Техническим результатом изобретения электроемкостного преобразователя для измерения уровня являлось обеспечение возможности применения совместно с преобразователем уровня электронных модулей, разработанных для дифференциальных датчиков. Датчики, в которых для определения измеряемого параметра выполняют вычисление измеряемой величины на основе описанной зависимости, имеют ряд положительных свойств. Прежде всего, это высокая чувствительность и помехоустойчивость присущие дифференциальным схемам, высокая температурная стабильность и независимость показаний от величины диэлектрической проницаемости измеряемой среды. Эти положительные свойства перешли к преобразователю для измерения уровня.The electric capacitive converter was designed to measure the level of dielectric and electrically conductive liquids. The main goal of developing a level converter was to find an electrode system for which the output signal of the level is proportional to the difference in the capacitances of the electrodes of the first and second measuring parts divided by the value obtained by adding the capacitances of the first and second measuring parts and subtracting the sum of the capacitances of the electrodes of the first and second measuring parts not immersed. The described dependence of the output signal of the measured parameter on the capacitances of the electrodes is widely known in the measurement technique and is used to find the displacement of a conductive plate or membrane located between two electrodes in differential displacement sensors or sensors to measure another physical quantity, for example, in capacitive pressure difference sensors. The technical result of the invention of an electric capacitive transducer for level measurement was the possibility of using, together with a level transducer, electronic modules designed for differential sensors. Sensors in which, to determine the measured parameter, calculate the measured value based on the described dependence, have a number of positive properties. First of all, it is the high sensitivity and noise immunity inherent in differential circuits, high temperature stability and independence of readings on the value of the dielectric constant of the medium being measured. These positive properties passed to the transducer for level measurement.
Проведенный анализ показал, что выходной сигнал электроемкостного преобразователя для измерения уровня пропорционален координате геометрического центра по одной оси для двумерной области части плоской фигуры из однородного диэлектрического материала, расположенной на поверхности измерительной области преобразователя. Для варианта электроемкостного преобразователя уровня с изоляцией электродов выходной сигнал пропорционален координате по одной оси геометрического центра части области соприкосновения, образованной, например, в результате деформации электропроводящего тела при его соприкосновении с измерительной поверхностью преобразователя. В этих случаях область соприкосновения является двумерной областью.The analysis showed that the output signal of the electro-capacitive transducer for measuring the level is proportional to the coordinate of the geometric center along one axis for the two-dimensional region of a part of a plane figure of a uniform dielectric material located on the surface of the measuring region of the transducer. For a variant of an electro-capacitive level transducer with insulation of electrodes, the output signal is proportional to the coordinate along one axis of the geometric center of a part of the contact area formed, for example, as a result of deformation of the electrically conductive body when it is in contact with the measuring surface of the transducer. In these cases, the contact area is a two-dimensional area.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
В состав изобретения входит группа электроемкостных преобразователей для определения геометрического центра двумерной области, основанных на единых физических принципах. Преобразователи группы объединены общей частью назначения - определение координат геометрического центра двумерной области. В вариантах электроемкостного преобразователя, предназначенных для разных условий применения, общая часть назначения дополнена и конкретизирована.The composition of the invention includes a group of electrical capacitive converters for determining the geometric center of a two-dimensional region, based on common physical principles. Transformers of the group are united by a common part of the purpose - the determination of the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region. In variants of the electric capacitive converter designed for different application conditions, the general part of the purpose is supplemented and specified.
Технический результат заключается в реализации назначения, а также в повышении точности, быстродействия и снижении стоимости преобразователей. Дополнительный технический результат рассмотрен для каждого изобретения группы в отдельности.The technical result consists in the implementation of the purpose, as well as in improving the accuracy, speed and reducing the cost of converters. An additional technical result is considered for each invention of the group separately.
Формула изобретения и описание включает в себя, по существу, две основные разновидности электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, которые приведены в формуле изобретения в виде независимых пунктов. В первой разновидности для определения координат геометрического центра двумерной области используется одна измерительная область. Эта разновидность имеет название «Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области». Электроемкостный преобразователь второй разновидности отличается тем, что для определения координат геометрического центра двумерной области используют множество измерительных областей. Эта особенность отражена в названии разновидности «Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей». Разновидности приведены в виде независимых пунктов, варианты разновидностей описаны в зависимых пунктах формулы изобретения. С целью упрощения поиска разновидности и варианты пронумерованы. Номера в описании изобретения не зависимы от номеров пунктов формулы изобретения.The claims and the description include, in essence, two main varieties of the electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region, which are given in the claims in the form of independent claims. In the first variant, one measuring region is used to determine the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region. This variety has the name "Electrical capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region." The electric capacitance transducer of the second variety is characterized in that for the determination of the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region, many measuring regions are used. This feature is reflected in the name of the variety "Electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using many measuring regions." Varieties are shown as independent clauses, varieties of varieties are described in the dependent claims. In order to simplify the search, varieties and variants are numbered. The numbers in the description of the invention are independent of the numbers of the claims.
В формулах разновидностей и вариантов используются признаки, по существу, эквивалентные признакам электроемкостного преобразователя для измерения уровня по патенту РФ RU 2087873 С1, что доказывает преемственность изобретений.In the formulas of varieties and variants, signs are used that are essentially equivalent to the signs of an electric capacitive transducer for measuring the level according to the patent of the Russian Federation RU 2087873 C1, which proves the continuity of the inventions.
Анализ показывает, что функция преобразования, реализуемая системой измерительных электродов электроемкостного преобразователя, обеспечивает определение координат геометрического центра двумерной области с учетом весов участков двумерной области. Это свойство позволяет найти координаты места приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя, с учетом особенностей поверхности тела и без соприкосновения с поверхностью измерительной области.The analysis shows that the conversion function, implemented by the system of measuring electrodes of the electric capacitive transducer, provides the determination of the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region, taking into account the weights of the sections of the two-dimensional region. This property allows you to find the coordinates of the location of the conductive body to the surface of the measuring region of the electric capacitive transducer, taking into account the features of the surface of the body and without contact with the surface of the measuring region.
Применение разновидности электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области с использованием множества измерительных областей позволяет обеспечить определение координат геометрического центра двумерной области расположенной как на плоской, так и на криволинейной поверхности общей измерительной области, которая составлена из множества измерительных областей, расположенных на поверхности диэлектрической подложки в виде элементов мозаики произвольной формы и размеров. При этом общий геометрический центр двумерной области находят исходя из измеренных координат геометрических центров множества измерительных областей.The use of a type of electric capacitive transducer for determining the coordinates of a two-dimensional region using a variety of measuring regions allows for the determination of the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region located both on a flat and curved surface of the common measuring region, which is composed of many measuring regions located on the surface of the dielectric substrate in the form mosaic elements of arbitrary shape and size. Moreover, the common geometric center of the two-dimensional region is found based on the measured coordinates of the geometric centers of the plurality of measuring regions.
Термины и определенияTerms and Definitions
Термин «геометрический центр» двумерной области означает среднее арифметическое положений всех точек фигуры. Другое название - «барицентр». Для тел из однородного материала в условиях постоянной гравитации геометрический центр эквивалентен центру тяжести фигуры. Для однородных тел геометрический центр совпадает центром масс и с центром инерции. Во многих областях техники гравитационное поле на поверхности Земли считается постоянным, материал, из которого изготавливают изделия - однородным, поэтому правомерна замена геометрического центра на центр тяжести, барицентр или центр инерции. На практике, из всех терминов наиболее часто используется «центр тяжести», т.к. он более старый. Этот термин нашел широкое распространение в строительстве и в машиностроении. В связи с этим в число аналогов изобретения, помимо устройств для определения геометрического центра, входят устройства для определения «центра тяжести», «центра масс», «центра инерции» и «барицентра».The term "geometric center" of a two-dimensional region means the arithmetic mean of the positions of all points in the figure. Another name is “baricenter”. For bodies of homogeneous material under constant gravity, the geometric center is equivalent to the center of gravity of the figure. For homogeneous bodies, the geometric center coincides with the center of mass and with the center of inertia. In many areas of technology, the gravitational field on the surface of the Earth is considered constant, the material from which the products are made is homogeneous, therefore it is legitimate to replace the geometric center with a center of gravity, a barycenter, or a center of inertia. In practice, of all terms, the “center of gravity” is most often used, because he is older. This term is widely used in construction and engineering. In this regard, the analogues of the invention, in addition to devices for determining the geometric center, include devices for determining the "center of gravity", "center of mass", "center of inertia" and "barycenter".
В электроемкостном преобразователе для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из однородного диэлектрического материала, поверхность плоского тела примыкает к поверхности измерительной области и образует на поверхности измерительной области двумерную область. В электроемкостных преобразователях для определения координат геометрического центра электропроводящего тела, область соприкосновения, образованная в результате деформации тела в месте соприкосновения с измерительной областью, также представляет собой двумерную область. В случае приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области, на ее поверхности формируется сгущение силовых линий электрического поля, которое образует двумерную область. В общем случае двумерная область это область, которая образована на двумерной поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя в результате локального изменения параметров электрического поля вблизи этой поверхности под воздействием материального тела.In an electro-capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region for bodies of homogeneous dielectric material, the surface of a flat body adjoins the surface of the measuring region and forms a two-dimensional region on the surface of the measuring region. In electro-capacitive converters for determining the coordinates of the geometric center of an electrically conductive body, the contact area formed as a result of deformation of the body at the point of contact with the measuring region is also a two-dimensional region. If an electrically conductive body approaches the surface of the measuring region, a thickening of the electric field lines is formed on its surface, which forms a two-dimensional region. In the general case, a two-dimensional region is a region that is formed on the two-dimensional surface of the measuring region of an electric capacitive transducer as a result of a local change in the parameters of the electric field near this surface under the influence of a material body.
Измерительная область - это область, которая расположена на поверхности диэлектрической подложки и предназначена для определения координат геометрического центра двумерной области. Определение координат геометрического центра реализуется системой измерительных электродов, которые расположены в границе измерительной области. В первой разновидности электроемкостного преобразователя используется одна измерительная область. В электроемкостном преобразователе с использованием множества измерительных областей, на поверхности диэлектрической положки располагается множество измерительных областей, границы которых расположены с минимальными заданными промежутками друг от друга, на подобии расположения элементов мозаики. Форма и размеры измерительных областей могут быть произвольными. Внешние границы множества измерительных областей образуют общую измерительную область электроемкостного преобразователя.The measuring region is the region that is located on the surface of the dielectric substrate and is designed to determine the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region. The determination of the coordinates of the geometric center is realized by a system of measuring electrodes, which are located at the boundary of the measuring region. In the first type of electric capacitive transducer, one measuring region is used. In an electro-capacitive transducer using a plurality of measuring regions, a plurality of measuring regions are located on the surface of the dielectric position, the boundaries of which are located at minimum predetermined intervals from each other, similar to the arrangement of mosaic elements. The shape and size of the measuring areas can be arbitrary. The external boundaries of the plurality of measuring regions form the common measuring region of the electric capacitive transducer.
В электроемкостном преобразователе для размещения измерительных электродов использована диэлектрическая подложка. Подложка может быть выполнена в нескольких вариантах. Общий признак основных вариантов приведен в зависимом пункте п. 14 формулы: «диэлектрическая положка выполнена в форме тела, ограниченного с двух сторон двумя плоскими или двумя криволинейными поверхностями, которое имеет практически постоянную толщину». Такое определение подложки допускает, что подложка, в частности, может быть выполнена в виде пластины с плоской поверхностью, а также в виде оболочки, которая имеет криволинейную поверхность. В описании изобретения показано, что в случаях использования диэлектрической подложки, как с плоской, так и с криволинейной поверхностью, обеспечивается реализация назначения электроемкостного преобразователя. Для упрощения изложения сущности изобретения в большинстве вариантов электроемкостных преобразователей использована диэлектрическая подложка с плоской поверхностью, которая представляет собой пластину. Особенности реализации назначения электроемкостного преобразователя с диэлектрической подложкой в виде оболочки, имеющей криволинейную поверхность, приведены в варианте 1.17. Использование подложки с криволинейной поверхностью существенно расширяет область применения изобретения.In the electro-capacitive transducer, a dielectric substrate is used to accommodate the measuring electrodes. The substrate can be made in several ways. A common feature of the main options is given in the dependent clause of
Измерительные электроды - электроды, которые непосредственно предназначенные реализации функции определения координат геометрического центра двумерной области. В некоторых случаях, в тексте описания и в формуле изобретения словосочетание «измерительные электроды» написано в сокращенном виде - слово «измерительные» отпущено и присутствует только слово «электроды». В этих случаях из контекста ясно, что имеются в виду «измерительные электроды». Во всех других случаях в словосочетаниях со словом «электроды» сокращения не используются.Measuring electrodes - electrodes that are directly intended to implement the function of determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region. In some cases, in the text of the description and in the claims, the phrase “measuring electrodes” is written in abbreviated form - the word “measuring” is released and only the word “electrodes” is present. In these cases, it is clear from the context that what is meant is “measuring electrodes”. In all other cases, phrases with the word "electrodes" are not used abbreviations.
Множество измерительных электродов - множество, которое имеет определенное функциональное назначение. Множество измерительных электродов имеет наименование, например, «первое множество измерительных электродов» которое предназначено для определения координат геометрического центра двумерной области по одной оси. В некоторых случаях, в тексте описания и в формуле изобретения словосочетание «множество измерительные электроды» написано в сокращенном виде - словосочетание «измерительные электроды» отпущено и присутствует только слово «множество». В этих случаях из контекста ясно, что имеется в виду «множество измерительных электродов». Во всех других случаях в словосочетаниях со словом «множество» сокращения не используются.The set of measuring electrodes is a set that has a specific functional purpose. A plurality of measuring electrodes is named, for example, “the first set of measuring electrodes” which is intended to determine the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region along one axis. In some cases, in the text of the description and in the claims, the phrase “many measuring electrodes” is written in abbreviated form - the phrase “measuring electrodes” is released and only the word “many” is present. In these cases, it is clear from the context that “a plurality of measuring electrodes” is meant. In all other cases, phrases with the word “many” are not used abbreviations.
Система измерительных электродов - совокупность измерительных электродов измерительной области, которая совместно с общим электродом и диэлектрической подложкой реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области.The system of measuring electrodes is a set of measuring electrodes of the measuring region, which, together with the common electrode and the dielectric substrate, implements the function of determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region at the intersection of the two-dimensional region and the measuring region.
Измерительная часть - часть измерительных электродов системы, в которой измерительные электроды электрически соединены между собой и имеют соответствующий вывод.The measuring part is the part of the measuring electrodes of the system in which the measuring electrodes are electrically connected to each other and have a corresponding output.
Группа измерительных электродов - группа, состоящая из электродов разных измерительных частей, реализующая функцию определения координат геометрического центра части двумерной области по одной оси. В некоторых случаях, в тексте описания и в формуле изобретения словосочетание «группа измерительных электродов» написано в сокращенном виде - словосочетание «измерительные электроды» отпущено и присутствует только слово «группа». В этих случаях из контекста ясно, что имеется в виду «группа измерительных электродов». Во всех других случаях в словосочетаниях со словом «группа» сокращения не используются.A group of measuring electrodes is a group consisting of electrodes of different measuring parts, which implements the function of determining the coordinates of the geometric center of a part of a two-dimensional region along one axis. In some cases, in the text of the description and in the claims, the phrase "group of measuring electrodes" is written in abbreviated form - the phrase "measuring electrodes" is released and only the word "group" is present. In these cases, it is clear from the context that what is meant is a group of measuring electrodes. In all other cases, phrases with the word “group” are not used abbreviations.
В изобретении для измерительной области используется система координат, связанная с множеством измерительных электродов. Ось абсцисс системы координат обозначена символом X, а ось ординат - символом Y. Ось Y расположена ортогонально оси X. Оси Х и Y системы координат и координатная сетка расположены на поверхности подложки. Для участков поверхности подложки, поверхность которых является вогнутой или выпуклой, используется координатная сетка, которая получена путем деформации координатной сетки плоской поверхности.In the invention, a coordinate system associated with a plurality of measuring electrodes is used for the measuring region. The abscissa axis of the coordinate system is indicated by the X symbol, and the ordinate axis by the Y symbol. The Y axis is orthogonal to the X axis. The X and Y axes of the coordinate system and the coordinate grid are located on the surface of the substrate. For sections of the surface of the substrate, the surface of which is concave or convex, a coordinate grid is used, which is obtained by deformation of the coordinate grid of a flat surface.
В измерительной области для каждого из множеств измерительных электродов определена выделенная система координат. В этой системе координат в сечении измерительных электродов множества осью абсцисс суммарная ширина измерительных электродов первой измерительной части равна суммарной ширине электродов второй измерительной части. Условие равенства суммарной ширины первой и суммарной ширины второй измерительных частей в сечении осью абсцисс должно соблюдаться также для каждой из групп множества измерительных электродов. Эта система координат обозначена как «локальная система координат множества измерительных электродов».In the measuring region, for each of the sets of measuring electrodes, a dedicated coordinate system is defined. In this coordinate system, in the cross section of the measuring electrodes of the set, the abscissa axis, the total width of the measuring electrodes of the first measuring part is equal to the total width of the electrodes of the second measuring part. The condition for the equality of the total width of the first and total width of the second measuring parts in the section by the abscissa axis must also be observed for each of the groups of multiple measuring electrodes. This coordinate system is designated as the "local coordinate system of the plurality of measuring electrodes."
Системы координат множеств измерительных электродов измерительной области являются зависимыми и могут быть заменены одной системой координат. Эта система координат имеет название «система координат измерительной области». Начало этой системы координат может быть совмещено с точкой пересечения осей абсцисс локальных систем координат двух множеств измерительных электродов и с геометрическим центром измерительной области. Такая система координат в рамках изобретения обозначена как локальная система координат измерительной области.The coordinate systems of the sets of measuring electrodes of the measuring region are dependent and can be replaced by a single coordinate system. This coordinate system is called the "coordinate system of the measuring region." The origin of this coordinate system can be combined with the point of intersection of the abscissa axes of the local coordinate systems of two sets of measuring electrodes and with the geometric center of the measuring region. Such a coordinate system in the framework of the invention is designated as a local coordinate system of the measuring region.
1. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области1. Electro-capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region
Назначение электроемкостного преобразователя заключается в определении координат геометрического центра двумерной области. Электроемкостный преобразователь соответствует п. 1 формулы изобретения.The purpose of the electric capacitive transducer is to determine the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region. The electric capacitive converter corresponds to
Дополнительные признаки вариантов этой разновидности описаны в зависимых пунктах пп. 2-22. В состав формулы изобретения также включен вариант, в котором обобщены признаки независимого пункта п. 1 и основных вариантов, в виде независимого пункта формулы п. 23.Additional features of the variants of this variety are described in the dependent clauses of paragraphs. 2-22. The composition of the claims also includes an option that summarizes the characteristics of the independent paragraph of
Приведенная в формуле изобретения система измерительных электродов позволяет использовать множество вариантов конструкции измерительных электродов. Общим для всех является то, что электроды измерительных частей выполнены в соответствии с существенными признаками изобретения, в виде условий. Эти условия могут быть записаны в виде математических зависимостей для формы, размеров и взаимного расположения геометрических фигур электродов. Поэтому, для доказательства реализации основного назначения для всех вариантов электроемкостного преобразователя достаточно рассмотрения математических зависимостей, основанных на приведенных в формуле изобретения условиях для одного варианта с конкретной конструкцией электродов. Для доказательства реализации назначения выбран вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел, который относится к первой разновидности.The system of measuring electrodes shown in the claims allows the use of many design options for measuring electrodes. Common to all is that the electrodes of the measuring parts are made in accordance with the essential features of the invention, in the form of conditions. These conditions can be written in the form of mathematical dependencies for the shape, size and relative position of the geometric shapes of the electrodes. Therefore, to prove the implementation of the main purpose for all variants of the capacitive transducer, it is sufficient to consider mathematical dependencies based on the conditions given in the claims for one embodiment with a specific design of electrodes. To prove the implementation of the purpose, the option of an electric capacitive transducer was chosen to determine the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region for electrically conductive bodies, which belongs to the first variety.
1.1. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала1.1. An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region for bodies of electrically conductive material
Формула изобретения по этому варианту включает в себя признаки, приведенные в независимом пункте п. 1 и зависимых пунктах пп. 3, 4, 9, 11 и 15 формулы изобретения. Пункт п. 3 характеризует конструкцию измерительных электродов в виде трапеций, пункт п. 4 - схему соединения электродов и подключения выводов, пункт п. 9 - конструкцию и расположение изолирующего слоя диэлектрической подложки, пункт п. 11 - конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 15 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме плоской диэлектрической пластины.The claims of this embodiment include the features set forth in the independent clause of
Электроемкостный преобразователь показан на фиг. 1 и фиг. 2. Фигуры фиг. 3 и фиг. 4 предназначены для пояснения принципа действия. Для графической иллюстрации варианта электроемкосного преобразователя использованы измерительные электроды в форме трапеций, в соответствии с п. 3 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя по п. 3 формулы изобретения рассмотрены дополнительно, в варианте под номером 1.2.The electric capacitance converter is shown in FIG. 1 and FIG. 2. The figures of FIG. 3 and FIG. 4 are intended to explain the principle of action. To graphically illustrate a variant of an electro-capacitive transducer, measuring electrodes in the form of trapezoid are used, in accordance with
Назначение варианта электроемкостного преобразователя заключается в определении координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала.The purpose of the variant of the electric capacitive transducer is to determine the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region for bodies of electrically conductive material.
Электроемкостный преобразователь характеризуется следующими признаками изобретения.The electric capacitive converter is characterized by the following features of the invention.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую подложку, общий электрод и измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической подложке в границе соответствующей измерительной области, форма, размеры и расположение которой заданы. Измерительные электроды измерительной области образуют систему измерительных электродов, которая содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных электродов первого и второго множеств определены в отдельных соответствующих множествам системах координат. Причем ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов. Группы расположены на диэлектрической подложке с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, containing a dielectric substrate, a common electrode and measuring electrodes, the measuring electrodes being located on the dielectric substrate at the boundary of the corresponding measuring region, the shape, size and location of which are given. The measuring electrodes of the measuring region form a system of measuring electrodes, which contains two sets of measuring electrodes. The measuring electrodes of each of the sets form the first and second measuring parts corresponding to the set. The shape, size and location of the measuring electrodes of the first and second sets are defined in separate coordinate systems corresponding to the sets. Moreover, the ordinate axis of the coordinate system of the measuring electrodes of the first set is located at a predetermined non-zero angle to the ordinate axis of the coordinate system of the measuring electrodes of the second set. For any given first or second set, the measuring electrodes are divided into uniform groups of measuring electrodes. The groups are located on a dielectric substrate with uniform intervals along the abscissa. Each of the groups contains a part corresponding to the plurality of measuring electrodes of the first and second measuring parts. In each group of sets, the measuring electrodes of the first measuring part are made in the form of geometric figures, the total width of which along the direction of the abscissa axis as a function of distance along the direction of the ordinate axis varies linearly, the measuring electrodes of the second measuring part are made in the form of geometric figures, supplementing the geometric figures of the measuring electrodes of the first measuring part until a constant total width is formed along the abscissa axis as a function of distance along the direction B ordinates. The measuring electrodes of the groups are made and arranged in such a way that in any section of the measuring electrodes of the groups parallel to the abscissa, the difference between the total width of the measuring electrodes of the first measuring part and the total width of the measuring electrodes of the second measuring part, calculated within one full group and one section, is constant in this section for other complete groups, in any section of the measuring electrodes of groups parallel to the abscissa axis, the line calculated within one full group and one section, the total width of the measuring electrodes of the first and second measuring parts is a constant value in this section for other full groups, and the full groups have the full composition of the measuring electrodes in cross section. The measuring electrodes of the measuring parts are connected to the corresponding electrical terminals in accordance with the connection diagram of the measuring electrodes and the terminal connections. The findings of the measuring parts together with the output of the common electrode form the conclusions of the electrical capacitive transducer. The values of the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region are expressed as a system of values of the electric capacitances of the electrodes of the measuring parts at the terminals of the electro-capacitive transducer.
На фиг. 1 и фиг. 2 показаны основные элементы конструкции варианта электроемкостного преобразователя 101 для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящего тела. Электроемкостный преобразователь содержит диэлектрическую подложку 102, которая выполнена в виде пластины с плоской поверхностью, общий электрод 106 и измерительные электроды. Общий электрод 106 расположен на стороне диэлектрической подложки 102, которая противоположна стороне с измерительными электродами. Измерительные электроды 103 расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области 110, форма, размеры и расположение которой заданы и образуют систему измерительных электродов измерительной области. Для изоляции электродов предусмотрен изолирующий слой 111, расположенный поверх измерительных электродов 103. Система измерительных электродов измерительной области содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. На фиг. 2 измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 112, второй измерительной части первого множества цифрой 113, первой измерительной части второго множества цифрой 114, второй измерительной части второго множества цифрой 115. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам, системах координат. На фиг. 2 первому множеству соответствует система координат 116, второму множеству - 117. Причем ось ординат системы координат 116 измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат 117 системы координат измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов. Одна из групп первого множества обозначена цифрой 118. Группы расположены на диэлектрической подложке с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс, в границах соответствующих измерительных областей групп 125 и 126 электродов.In FIG. 1 and FIG. 2 shows the basic structural elements of a variant of an
На фиг. 3 и фиг. 4 показана часть 121 электроемкостного преобразователя, для пояснения принципа действия, в которой выделены две группы электродов 118 и 119, входящих в первое множество. Для удобства пояснения, группы измерительных электродов расположены в границах измерительной области 120, которая повернута таким образом, что ось ординат системы координат 116 расположена вертикально. Эта область не совпадает с измерительной областью 110, показанной на фиг. 2. При этом измерительные электроды 112 и 113 вписаны в границу измерительной области 120. На фиг. 3 показано тело 122 из электропроводящего материала, которое имеет плоскую поверхность соприкосновения с поверхностью измерительной области 120. Тело имеет емкостную связь С1 с общим электродом 106. На фиг 4 на поверхности измерительной области 120 показана двумерная область 123 соприкосновения, которая образована поверхностью соприкосновения тела. Цифрой 124 обозначена граница двумерной области соприкосновения 123. Измерительные электроды групп 118 и 119 расположены в границах соответствующих измерительных областей 137 и 138 групп электродов. Группы электродов состоят из измерительных электродов 112 и 113, входящих в первую и вторую измерительные части первого множества, соответственно. Размеры измерительных электродов, измерительных области групп и электропроводящего тела показаны без соблюдения масштаба по ширине.In FIG. 3 and FIG. 4 shows a
Система измерительных электродов части 121 электроемкостного преобразователя реализует функцию определения геометрического центра двумерной области по одной оси.The system of measuring electrodes of the
Из состава системы электродов электроемкостного преобразователя сначала рассмотрим отдельно взятую группу измерительных электродов, которая обозначена на фиг. 4 номером 118. Отдельно взятая группа измерительных электродов реализует функцию определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси.From the composition of the electrode system of the electro-capacitive converter, we first consider a single group of measuring electrodes, which is indicated in FIG. 4 by
В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно. Измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат.In each group of sets, the measuring electrodes of the first measuring part are made in the form of geometric figures, the total width of which along the direction of the abscissa axis as a function of distance along the direction of the ordinate axis varies linearly. The measuring electrodes of the second measuring part are made in the form of geometric figures, supplementing the geometric figures of the measuring electrodes of the first measuring part to form a constant total width along the abscissa axis as a function of distance along the ordinate axis.
Для определения координат геометрического центра двумерной области на поверхность измерительной области части 121 электроемкостного преобразователя помещают тело 122, которое на поверхности измерительной области 120 образует двумерную область 123 соприкосновения с поверхностью измерительной области 120 электроемкостного преобразователя 121 и пересекает измерительную область 137 группы измерительных электродов 118. Двумерная область 123 приведена без соблюдения пропорций в относительных размерах.To determine the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region, a
В двумерной области соприкосновения между электропроводящей поверхностью тела и электродами измерительных частей, входящих в группу, образуются конденсаторы. При этом электрическая емкость электродов 112 первой измерительной части может быть рассчитана как сумма двух составляющих. Первая составляющая образована емкостью конденсатора, обкладками которого являются измерительные электроды 112 первой измерительной части и поверхность общего электрода 106. Эта составляющая является «пассивной» составляющей электрической емкости электродов. Емкость соответствует электрической емкости электродов первой измерительной части в отсутствии тела. Емкость второй составляющей образована конденсатором, одной из обкладок которого являются проводящая двумерная поверхность соприкосновения электропроводящего тела, образующая двумерную область соприкосновения, вторая обкладка образована электродами первой измерительной части. Эта составляющая емкости обозначена как «избыточная емкость».In the two-dimensional region of contact between the electrically conductive surface of the body and the electrodes of the measuring parts included in the group, capacitors are formed. In this case, the electric capacitance of the
Полная емкость электродов первой измерительной части равнаThe total capacity of the electrodes of the first measuring part is equal to
Где:Where:
С1 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части;With 1 - the sum of the electrical capacitance of the measuring electrodes of the first measuring part;
С01 - величина суммы электрических емкостей электродов первой измерительной части в отсутствии тела;With 01 - the sum of the electric capacitances of the electrodes of the first measuring part in the absence of a body;
S1 - площадь электродов первой измерительной части в области пересечения двумерной области соприкосновения с измерительной областью группы электродов;S 1 - the area of the electrodes of the first measuring part in the region of intersection of the two-dimensional region of contact with the measuring region of the group of electrodes;
К1 - коэффициент пропорциональности между площадью и избыточной электрической емкостью измерительных электродов.To 1 is the coefficient of proportionality between the area and the excess electric capacity of the measuring electrodes.
Для варианта электроемкостного преобразователя для определения координаты геометрического центра двумерной области с изолирующим электроды слоем диэлектрической подложки коэффициент K1 равенFor a variant of an electric capacitive converter for determining the coordinate of the geometric center of a two-dimensional region with an insulating electrode layer of a dielectric substrate, the coefficient K 1 is
Где:Where:
ε0 - диэлектрическая постоянная;ε 0 is the dielectric constant;
d1 - толщина изолирующего измерительные электроды диэлектрического слоя в области соприкосновения;d 1 - the thickness of the insulating measuring electrodes of the dielectric layer in the contact area;
ε1 - относительная диэлектрическая проницаемость материала изолирующего измерительные электроды слоя.ε 1 - the relative dielectric constant of the material of the insulating measuring electrodes layer.
Аналогичную зависимость можно записать для емкости электродов 113 второй измерительной частиA similar dependence can be written for the capacitance of the
Где:Where:
С2 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части;C 2 - the sum of the electrical capacitance of the measuring electrodes of the second measuring part;
С02 - величина суммы электрических емкостей электродов второй измерительной части в отсутствии тела.C 02 - the sum of the electric capacitances of the electrodes of the second measuring part in the absence of a body.
S2 - площадь измерительных электродов второй измерительной части в области пересечения двумерной области тела с измерительной областью.S 2 - the area of the measuring electrodes of the second measuring part in the area of intersection of the two-dimensional region of the body with the measuring region.
Суммарная величина площади электродов первой измерительной части, ограниченная сверху и снизу двумя параллельными направлению оси абсцисс X отрезками линий 128 и 129, равнаThe total value of the area of the electrodes of the first measuring part, bounded above and below by two pieces of
Где:Where:
- площадь ограниченной области электродов первой измерительной части; - the area of the limited area of the electrodes of the first measuring part;
- длина трапеций электродов; - the length of the trapezoidal electrodes;
- суммарная ширина больших оснований трапеций электродов первой измерительной части; - the total width of the large bases of the trapezium electrodes of the first measuring part;
- суммарная ширина малых оснований трапеций электродов первой измерительной части; - the total width of the small bases of the trapezium electrodes of the first measuring part;
Δy=y2-y1.Δy = y 2 -y 1 .
Координата у определена как координата центра ограниченной области по оси Y, относительно начала системы координат по оси Y. Начало системы координат 127 совпадает с положением нижних оснований трапеций электродов по оси Y, как показано на фиг. 4The y coordinate is defined as the coordinate of the center of the bounded region along the Y axis, relative to the origin of the coordinate system along the Y axis. The origin of the coordinate
Величина площади электродов второй измерительной части, ограниченная сверху и снизу теми же отрезками линий, равнаThe magnitude of the area of the electrodes of the second measuring part, bounded above and below by the same line segments, is
Где:Where:
- площадь ограниченной области электродов второй измерительной части; - the area of the limited area of the electrodes of the second measuring part;
- суммарная ширина больших оснований трапеций электродов второй измерительной части; - the total width of the large bases of the trapezium electrodes of the second measuring part;
- суммарная ширина малых оснований трапеций электродов второй измерительной части. - the total width of the small bases of the trapezium electrodes of the second measuring part.
На основе условия формулы изобретения, согласно которому измерительные электроды первой и второй измерительных частей дополняют друг друга до образования постоянной ширины, можно записать равенствоBased on the conditions of the claims, according to which the measuring electrodes of the first and second measuring parts complement each other to form a constant width, we can write the equality
Анализ выражений (4) и (6) с учетом (7) показывает, что координата центра ограниченной области по оси Y может быть выражена через ограниченные площади электродов первой и второй измерительных частейAn analysis of expressions (4) and (6) taking into account (7) shows that the coordinate of the center of the bounded region along the Y axis can be expressed through the limited area of the electrodes of the first and second measuring parts
В связи с тем, что суммарная фигура, составленная из ограниченных площадей электродов первой и второй измерительных частей, имеет постоянную ширину вдоль оси Х в функции расстояния вдоль оси Y и ограничена сверху и снизу по оси Y параллельными оси X отрезками линий 128 и 129, центр этой фигуры по оси Y совпадает с геометрическим центром ограниченной области.Due to the fact that the total figure made up of limited electrode areas of the first and second measuring parts has a constant width along the X axis as a function of distance along the Y axis and is bounded above and below the Y axis by pieces of
Следовательно, для геометрического центра ограниченной области можно записать выражениеTherefore, for the geometric center of a bounded region, we can write the expression
Где:Where:
Отрезки линий 128 и 129 являются отрезками кусочно-постоянной аппроксимации верхнего и нижнего участков границы 124 двумерной области 123 соприкосновения.The
Анализ показывает, что такая аппроксимация, вследствие неточного совпадения с верхним и нижним участками границы двумерной области соприкосновения, является источником погрешности в определении координаты геометрического центра. Погрешность аппроксимации зависит от суммарной ширины системы измерительных электродов группы и стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины по отношению к высоте электродов. При этом верхний и нижний участки границы двумерного тела приближаются к отрезкам кусочно-постоянной аппроксимации. В связи с чем, для системы электродов с относительно небольшой суммарной шириной, погрешностью аппроксимации можно пренебречь и записать следующие равенстваThe analysis shows that such an approximation, due to inaccurate coincidence with the upper and lower parts of the boundary of the two-dimensional contact region, is a source of error in determining the coordinates of the geometric center. The approximation error depends on the total width of the system of measuring electrodes of the group and tends to zero in the case of a relative decrease in width with respect to the height of the electrodes. In this case, the upper and lower sections of the boundary of a two-dimensional body approach the segments of piecewise constant approximation. In this connection, for a system of electrodes with a relatively small total width, the approximation error can be neglected and the following equalities written
С учетом выражений (1), (3) и (12) площади электродов можно выразить в видеTaking into account expressions (1), (3) and (12), the areas of the electrodes can be expressed as
Подставляя и в выражение (9) получаем формулу для вычисления координаты геометрического центра по одной оси двумерной области в области пересечения измерительной области и двумерной области соприкосновения телаSubstituting and in expression (9) we obtain a formula for calculating the coordinates of the geometric center along one axis of the two-dimensional region in the region of intersection of the measuring region and the two-dimensional region of contact of the body
Где:Where:
GY - величина координаты геометрического центра двумерной области тела по оси ординат в области пересечения двумерной области с измерительной областью;G Y - the coordinate value of the geometric center of the two-dimensional region of the body along the ordinate axis in the region of intersection of the two-dimensional region with the measuring region;
a 1 - коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя по оси ординат, зависящий от конструкции измерительных электродов; a 1 - coefficient determining the sensitivity of the electric capacitive transducer along the ordinate axis, depending on the design of the measuring electrodes;
а 2 - коэффициент, определяющий расположение начала системы координат по оси ординат относительно измерительных электродов. and 2 is a coefficient that determines the location of the origin of the coordinate system along the ordinate axis relative to the measuring electrodes.
Для варианта преобразователя, в котором суммарные площади электродов первой и второй измерительной частей равны между собой, коэффициенты имеют следующие значенияFor the version of the Converter, in which the total area of the electrodes of the first and second measuring parts are equal to each other, the coefficients have the following values
В случае равенства площадей электродов первой и второй измерительных частей разность электрических емкостей C02-C01 равна нулю. Поэтому выражение (15) можно записать в видеIn the case of equal electrode areas of the first and second measuring parts, the difference in electric capacitances C 02 -C 01 is equal to zero. Therefore, expression (15) can be written as
илиor
Коэффициент а 2, определяющий начало координаты геометрического центра относительно электродов по оси ординат Y, в выражениях (4) и (6) задан относительно расположения оси абсцисс X системы координат 127 множества измерительных электродов, проходящей через линию нижних оснований трапеций (см. фиг. 4). Выражения, аналогичные (4) и (6), могут быть записаны с началом системы координат по оси Y относительно верхних оснований трапеций или с заданным смещением от оснований трапеций. Такая запись не меняет вид формулы (15). Поэтому формула (15) отражает общий случай, когда выбрана система координат с произвольно заданным значением коэффициента а 2.Coefficient a 2 , which determines the origin of the coordinate of the geometric center relative to the electrodes along the ordinate Y, in expressions (4) and (6) is set relative to the location of the x-axis X of the coordinate
На практике удобно принять коэффициент а 2 равным нулю. В этом случае ось абсцисс X проходит через сечение электродов, в котором суммарная ширина электродов первой измерительной части равна суммарной ширине электродов второй измерительной части. Эта система координат обозначена как «локальная система координат» множества электродов. Локальная система координат на фиг. 4 обозначена номером 116.In practice, it is convenient to take the coefficient a 2 equal to zero. In this case, the X axis passes through the electrode section, in which the total width of the electrodes of the first measuring part is equal to the total width of the electrodes of the second measuring part. This coordinate system is designated as the "local coordinate system" of the plurality of electrodes. The local coordinate system in FIG. 4 is indicated by the
Таким образом, реализация группой измерительных электродов функции определения координаты геометрического центра части двумерной области по одной оси считается доказанной.Thus, the implementation by the group of measuring electrodes of the function of determining the coordinate of the geometric center of a part of the two-dimensional region along one axis is considered proven.
При выводе формулы (15) для вычисления координаты геометрического центра части двумерной области использована кусочно-постоянная аппроксимация верхней и нижней границы двумерной области. Кусочно-постоянная аппроксимация является источником погрешности в определении координат геометрического центра. Величина погрешности стремится к нулю в случае относительного уменьшения ширины участков кусочно-постоянной аппроксимации по оси абсцисс. На фиг. 4 показаны отрезки линий 128 и 129 кусочно-постоянной аппроксимации соответствующие группе 118 измерительных электродов, которые параллельны оси абсцисс и отрезки линий 131 и 132 соответствующие другой группе 119. Линии кусочно-постоянной аппроксимация заданы для измерительных областей 137 и 138 групп, внутри которых расположены электроды соответствующих групп. На фиг. 4 видно, что с помощью двух участков аппроксимации, аппроксимация границы двумерной области может быть выполнена боле точно, чем с использованием одного участка. В практической реализации количество используемых измерительных областей групп ограничено только разрешающей способностью фотолитографического процесса нанесения электродов на диэлектрическую подложку и может достигать в измерительной области нескольких сотен. При этом ширина измерительной области группы может составлять несколько десятков микрометров. За счет использования множества групп электродов обеспечивается размещение всей двумерной области соприкосновения внутри измерительной области электроемкостного преобразователя. Дополнительно снижается погрешность кусочно-постоянной аппроксимации.When deriving formula (15), a piecewise constant approximation of the upper and lower boundaries of the two-dimensional region was used to calculate the coordinate of the geometric center of a part of the two-dimensional region. Piecewise constant approximation is a source of error in determining the coordinates of the geometric center. The error value tends to zero in the case of a relative decrease in the width of the sections of piecewise constant approximation along the abscissa. In FIG. Figure 4 shows the segments of the
В соответствии с формулой изобретения измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией 133 (фиг. 4) вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении.In accordance with the claims, the measuring electrodes of the groups are made and arranged so that in any section of the measuring electrodes of the groups parallel to the abscissa axis by line 133 (Fig. 4), the difference in the total width of the measuring electrodes of the first measuring part and the total the width of the measuring electrodes of the second measuring part is a constant value in this section for other complete groups, in any section of the measuring electrodes of the groups in parallel line abscissa computed within one complete group and the total width of one section of the measuring electrodes of the first and second measuring units is constant in this cross section to complete other groups, wherein the total group have complete composition measuring electrodes in section.
В связи с тем, что измерительные электроды расположены в границе измерительной области, которая не обязательно является прямоугольной, измерительные электроды групп, находящиеся вблизи границы измерительной области могут быть обрезаны по границе, при этом находящаяся с краю группа в сечении параллельной оси абсцисс линией будет иметь неполный состав электродов. В этом случае, для нахождения сумм и разностей суммарной ширины электродов измерительных частей групп, группы с неполным составом электродов в сечении использовать нельзя. В тоже время, неполную группу электродов можно условно дополнить частями, которые были обрезаны, до образования полной группы в сечении. Дополненные таким образом группы считаются полными группами и используют для характеристики электродов групп в данном признаке изобретения.Due to the fact that the measuring electrodes are located at the boundary of the measuring region, which is not necessarily rectangular, the measuring electrodes of the groups located near the boundary of the measuring region can be cut off at the boundary, while the group located at the edge in the section parallel to the abscissa axis will have an incomplete line composition of electrodes. In this case, to find the sums and differences of the total width of the electrodes of the measuring parts of the groups, groups with an incomplete composition of the electrodes in the cross section cannot be used. At the same time, an incomplete group of electrodes can be conditionally supplemented with parts that have been cut to form a complete group in cross section. Groups so supplemented are considered complete groups and are used to characterize group electrodes in this feature of the invention.
Рассмотренные признаки изобретения, по существу, ограничивают конструкцию электродов в группах и их взаимное расположение в рамках одного образа, в соответствии с которым для разных групп соответствующие коэффициенты а 1 и a 2 в формуле (15) равны между собой для всех групп. Это означает, что измерительные электроды всех групп имеют одинаковую чувствительность, и что начало системы координат по оси ординат для всех групп множества совпадает.The considered features of the invention essentially limit the design of the electrodes in groups and their relative position within the same image, according to which for different groups the corresponding coefficients a 1 and a 2 in formula (15) are equal for all groups. This means that the measuring electrodes of all groups have the same sensitivity, and that the origin of the coordinate system along the ordinate axis for all groups of the set coincides.
В формуле изобретения для характеристики расположения групп электродов приведен признак: «группы измерительных электродов расположены на диэлектрической подложке с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс». Термин «равномерные интервалы» означает, что промежутки между группами измерительных электродов могут быть не строго постоянными, но их непостоянство ограничено на некотором заданном интервале. При этом неточностью равномерного распределения на заданном интервале можно пренебречь.In the claims, to characterize the location of the groups of electrodes, a sign is given: “groups of measuring electrodes are located on a dielectric substrate with uniform intervals along the abscissa axis”. The term "uniform intervals" means that the gaps between groups of measuring electrodes may not be strictly constant, but their inconstancy is limited to a certain specified interval. In this case, the inaccuracy of the uniform distribution over a given interval can be neglected.
Уточнение функции равномерного распределения приведено в зависимых пунктах п. 2 и п. 25 формулы изобретения в виде следующего признака изобретения. Каждая группа измерительных электродов расположена на диэлектрической подложке в границе соответствующей измерительной области группы, при этом измерительные области групп имеют практически одинаковую ширину в направлениях вдоль оси абсцисс и расположены практически без промежутков между границами групп в направлениях вдоль оси абсцисс. Слово «практически» означает, что условие может быть неточным. При этом величина неточности связана с возникающими на практике погрешностями при определении координат геометрического центра двумерной области. Например, в случае расположения измерительных групп на криволинейной поверхности диэлектрической подложки, между границами измерительных областей групп в отдельных местах могут существовать промежутки. Для плоской поверхности диэлектрической подложки промежутки между границами измерительных областей групп отсутствуют.Clarification of the uniform distribution function is given in the dependent paragraphs of
В соответствие с признаками формулы изобретения суммарная ширина вдоль оси абсцисс в функции расстояния вдоль оси ординат для каждой группы электродов является постоянной величиной. Измерительные электроды всех групп в сечениях, параллельных оси абсцисс, имеют одинаковую ширину. Измерительной области каждой группы имеют практически одинаковую ширину, которая также не изменяется вдоль оси абсцисс. Поэтому площадь пересечения электродов каждой группы измерительных электродов с двумерной областью можно связать с площадью пересечения двумерной области с измерительной областью группы электродов, с введением коэффициента пропорциональностиIn accordance with the features of the claims, the total width along the abscissa as a function of distance along the ordinate is a constant for each group of electrodes. The measuring electrodes of all groups in sections parallel to the abscissa axis have the same width. The measuring areas of each group have almost the same width, which also does not change along the abscissa. Therefore, the intersection area of the electrodes of each group of measuring electrodes with the two-dimensional region can be associated with the intersection area of the two-dimensional region with the measuring region of the electrode group, with the introduction of the proportionality coefficient
где:Where:
S'' - площадь пересечения двумерной области с измерительной областью группы электродов;S '' is the intersection area of the two-dimensional region with the measuring region of the group of electrodes;
К2 - коэффициент пропорциональности.To 2 is the coefficient of proportionality.
S1+S2 - площадь области пересечения двумерной области 123 с измерительными электродами первой и второй измерительных частей группы.S 1 + S 2 - the area of the intersection of the two-
В связи с тем, что системы электродов каждой из групп имеют одинаковую чувствительность и расположены на диэлектрической подложке в одной системе координат, с учетом выражения (20), для геометрического центра двумерной области по оси ординат Y можно записатьDue to the fact that the electrode systems of each group have the same sensitivity and are located on the dielectric substrate in the same coordinate system, taking into account expression (20), for the geometric center of the two-dimensional region along the ordinate Y, we can write
Где:Where:
GY - координата геометрического центра двумерной области по оси ординат Y;G Y is the coordinate of the geometric center of the two-dimensional region along the y-axis;
- координата геометрического центра области пересечения двумерной области соприкосновения 123 тела и измерительной области группы электродов с номером i, по оси ординат Y; - the coordinate of the geometric center of the region of intersection of the two-dimensional region of
- площадь области пересечения двумерной области 123 с измерительными электродами первой и второй измерительных частей группы, для группы с номером i. - the area of the intersection of the two-
На основе выражения (21), путем замены правой частью выражения (21) с учетом выражений (9) и (12), для координаты геометрического центра двумерной области получаемBased on expression (21), by replacing the right-hand side of expression (21), taking into account expressions (9) and (12), for the coordinate of the geometric center of the two-dimensional region, we obtain
С учетом выражений для емкостей электродов (1) и (3)Given the expressions for the capacitances of the electrodes (1) and (3)
Суммы емкостей электродов измерительных частей групп равны соответствующим суммам емкостей электродов измерительных частей измерительной области электроемкостного преобразователя. Поэтому справедливы следующие равенстваThe sums of the capacitances of the electrodes of the measuring parts of the groups are equal to the corresponding sums of the capacities of the electrodes of the measuring parts of the measuring region of the electric capacitance converter. Therefore, the following equalities are valid
В результате подстановки этих сумм в выражение (23) получаем формулу для вычисления геометрического центра двумерной области, идентичную формуле (15).As a result of substituting these sums into expression (23), we obtain a formula for calculating the geometric center of a two-dimensional region, identical to formula (15).
В связи с этим, реализация функции определения координаты двумерной области по одной оси, с помощью двух измерительных частей множества измерительных электродов, считается доказанной.In this regard, the implementation of the function of determining the coordinates of a two-dimensional region along one axis, using two measuring parts of a plurality of measuring electrodes, is considered proven.
В соответствии с формулой изобретения, измерительная область содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат измерительных электродов второго множества. Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.In accordance with the claims, the measuring region comprises two sets of measuring electrodes. The measuring electrodes of each of the sets form the first and second measuring parts corresponding to the set. The shape, size and location of the measuring electrodes of each of the sets are determined in separate coordinate systems corresponding to the sets, and the ordinate axis of the coordinate system of the measuring electrodes of the first set is located at a predetermined non-zero angle to the ordinate axis of the coordinate system of the measuring electrodes of the second set. The measuring electrodes of the measuring parts are connected to the corresponding electrical terminals in accordance with the connection diagram of the measuring electrodes and the terminal connections. The values of the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region are expressed as a system of values of the electric capacitances of the electrodes of the measuring parts at the terminals of the electro-capacitive transducer.
В этом случае геометрический центр двумерной области находится на пересечении двух линий. Первая линия перпендикулярна оси ординат системы координат первого множества электродов и имеет измеренную с помощью первого множества электродов координату геометрического центра, вторая линия перпендикулярна оси ординат системы координат второго множества и имеет координату, равную измеренной величине координаты геометрического центра по оси ординат посредством второго множества электродов. Первая и вторая линии тождественны двум осям равновесия двумерной области, пересечение которых определяет расположение геометрического центра двумерной области. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя.In this case, the geometric center of the two-dimensional region is at the intersection of two lines. The first line is perpendicular to the ordinate axis of the coordinate system of the first set of electrodes and has the coordinate of the geometric center measured using the first set of electrodes, the second line is perpendicular to the ordinate axis of the coordinate system of the second set and has the coordinate equal to the measured value of the coordinate of the geometric center along the ordinate through the second set of electrodes. The first and second lines are identical to the two equilibrium axes of the two-dimensional region, the intersection of which determines the location of the geometric center of the two-dimensional region. The values of the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region are expressed as a system of values of the electric capacitances of the electrodes of the measuring parts at the terminals of the electro-capacitive transducer.
Таким образом, назначение электроемкостного преобразователя, заключающееся в определении координат геометрического центра двумерной области, образованной соприкосновением электропроводящего тела с поверхностью измерительной области электроемкостного преобразователя, считается доказанным.Thus, the purpose of the electric capacitive transducer, which is to determine the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region formed by the contact of the electrically conductive body with the surface of the measuring region of the electric capacitive transducer, is considered proven.
Как показано в описании изобретения, использование различных вариантов выполнения диэлектрической подложки и общего электрода не меняет вид основных формул (15), (25) и (26) для определения координат геометрического центра двумерной области. Поэтому реализация назначения «определение координат геометрического центра двумерной области» распространяется на описанные в изобретении разновидности и их варианты.As shown in the description of the invention, the use of various embodiments of the dielectric substrate and the common electrode does not change the appearance of the basic formulas (15), (25) and (26) to determine the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region. Therefore, the implementation of the purpose of "determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region" extends to the varieties and their variants described in the invention.
В соответствии с изобретением, измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя. Электроемкостный преобразователь допускает использование множества схем соединений электродов и подключений выводов. Варианты схем приведены в вариантах электроемкостного преобразователя. Координаты геометрического центра двумерной области связаны системой емкостей измерительных частей математическими зависимостями. Математические зависимости приведены в описании вариантов схем соединений электродов и подключений выводов.In accordance with the invention, the measuring electrodes of the measuring parts are connected to the corresponding electrical terminals in accordance with the connection diagram of the measuring electrodes and terminal connections. The values of the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region are expressed as a system of values of the electric capacitances of the electrodes of the measuring parts at the terminals of the electro-capacitive transducer. The electric capacitance converter allows the use of a variety of electrode connection schemes and terminal connections. Variants of the circuits are given in the variants of the electric capacitive converter. The coordinates of the geometric center of the two-dimensional region are connected by a system of capacities of the measuring parts by mathematical dependencies. Mathematical dependencies are given in the description of the options for connecting the electrodes and connecting the terminals.
В электроемкостном преобразователе, который показан на фиг. 1, для определения геометрического центра двумерной области используются две системы координат 116 и 117, соответствующих первому и второму множествам измерительных электродов. Системы координат являются зависимыми друг от друга, т.к. ось ординат системы координат 116 первого множества наклонена на заданный угол относительно оси ординат системы координат 117 второго множества. Эти системы можно преобразовать к одной системе координат, которая обозначена как система координат измерительной области. Перерасчет положений электродов и положения геометрического центра двумерной области из систем координат 116 и 117 отдельных множеств электродов в систему координат измерительной области выполняют по известным формулам. Соответственно, в системе координат измерительной области можно определить форму, размеры и расположение измерительных электродов.In the electric capacitance converter, which is shown in FIG. 1, two coordinate
Наиболее удобной для применения является система координат 135 измерительной области, в которой начало координат совпадает с точкой пересечения осей абсцисс 136 локальных систем координат 116 и 117 первого и второго множеств. Такая система координат электроемкостного преобразователя относится к «локальной системе координат измерительной области». При этом, в варианте, ось ординат системы координат, как показано на фиг. 1, повернута таким образом, что эта ось совпадает с направлением одной из сторон диэлектрической подложки 102 в виде пластины.The most convenient for use is the coordinate
Анализ показывает, что существуют системы измерительных электродов, в которых электроды двух множеств, а также их выводы могут быть расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки. Варианты этих систем электродов приведены в зависимых пунктах формулы изобретения п. 3, п. 4, п. 5, п. 6, п. 7, а также п. 26, п. 27 и п. 28.The analysis shows that there are systems of measuring electrodes in which the electrodes of two sets, as well as their conclusions, can be located on the same surface of the dielectric substrate layer. Variants of these electrode systems are given in the dependent claims of
Варианты основаны на свойствах системы электродов, в которой измерительные электроды выполнены в форме трапеций. Для иллюстрации свойств на фиг. 5 и фиг. 6. показана группа 212 измерительных электродов в форме трапеций. Трапеции группы измерительных электродов 212 могут быть выполнены с наклоном на заданный угол ϕ1 относительно оси ординат Y системы координат 216, как показано на фиг. 5. В случае наклона трапеций путем сдвига верхних оснований вдоль оси абсцисс X их суммарная ширина, определенная вдоль оси абсцисс, и зависимость изменения суммарной ширины вдоль направления оси ординат Y для электродов 202 или 203 измерительных частей не изменяются. С наклоном трапеций не изменяется также площадь трапеций. Для множества наклоненных групп измерительных электродов не изменятся система координат множества измерительных электродов. Поэтому наклоненные электроды для цели определения координаты двумерной области по одной оси эквивалентны не наклоненным электродам. Измерительные электроды измерительных частей входящих в группу, как показано на фиг. 6, могут быть вписаны в заданную измерительную область 214 группы электродов на диэлектрической подложке путем их обрезки на границе измерительной области и удлинения путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области группы. Также могут быть вписаны в заданную измерительную область измерительные электроды множества групп. При этом вписанные и удлиненные измерительные электроды в рамках заданной измерительной области соответствуют признакам изобретения. Обрезка и удлинение электродов не вносят изменения в признаки изобретения, не меняют систему координат множества измерительных электродов и величины коэффициентов в формуле (15), в связи с тем, что определение координаты геометрического центра ведется на основе избыточной электрической емкости электродов с использованием участков измерительных электродов только в области пересечения двумерной области с измерительной областью.The options are based on the properties of the electrode system, in which the measuring electrodes are made in the form of trapezoid. To illustrate the properties of FIG. 5 and FIG. 6. shows a
Эти свойства позволяют создать системы электродов, состоящие из двух или большего количества множеств измерительных электродов, в которых измерительные электроды множеств, при расположении на поверхности, не пересекают друг друга. При этом системы электродов соответствуют признакам п. 1 формулы изобретения.These properties make it possible to create electrode systems consisting of two or more sets of measuring electrodes in which the measuring electrodes of the sets, when located on the surface, do not intersect each other. In this case, the electrode systems correspond to the characteristics of
Одна из таких систем измерительных электродов используется в варианте 1.2 электромкостного преобразователя, описание которого приведено ниже.One of such systems of measuring electrodes is used in version 1.2 of the electric capacitive transducer, the description of which is given below.
1.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической подложки1.2 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with the location of electrodes, connecting conductors and leads on one surface of a layer of a dielectric substrate
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 3 формулы изобретения. Сущность электроемкостного преобразователя рассмотрена на примере варианта электроемкостного преобразователя с четырьмя выводами от измерительных частей, показанного на фиг. 9. Для пояснения сущности использованы чертежи фиг. 7 и фиг. 8.A variant of an electric capacitive converter corresponds to
Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.A variant is characterized by the following features of the invention.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, отличающийся тем, что с целью обеспечения расположения измерительных электродов, соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической подложки, измерительные электроды выполнены в форме трапеций. Для групп электродов 218 (см. фиг. 7) входящих в первое множество находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 216 первого множества, выполнены с наклоном на первый заданный угол ϕ1 по отношению к оси ординат системы координат первого множества. Для групп электродов 219 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 217 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол ϕ2 по отношению к оси ординат системы координат 217 второго множества, не равный первому углу. Группы измерительных электродов (см. фиг. 8) первого и второго множеств расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области 110 с чередованием и не пересекают друг друга, при этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Электроды измерительных частей (см. фиг. 8 и фиг. 9) выполнены и расположены таким образом, что части геометрических фигур электродов, которые выступают за пределы измерительной области 110, обрезаны по границе измерительной области. Геометрические фигуры электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области, измерительные электроды расположены таким образом, что точка 221 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 216 и 217 первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области 110.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, characterized in that in order to ensure the location of the measuring electrodes, connecting conductors and leads on the same surface of the dielectric substrate layer, the measuring electrodes are made in the form of trapezoid. For groups of electrodes 218 (see Fig. 7) included in the first set located on the edges of the groups the sides of the trapezoid, by displacing the upper bases of the trapezium of the groups along the abscissa axis of the coordinate
Дополнительно на фиг. 7 показаны измерительные области 214 и 215 для групп измерительных электродов. Измерительные области групп 214 и 215 составляют измерительную область 110, как показано на фиг. 9.Additionally, in FIG. 7 shows the
Реализация назначения для варианта электроемкостного преобразователя обеспечивается тем, что для каждого множества измерительных электродов, находящиеся с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс, выполнены с наклоном на заданные углы, которые не равны друг другу. При этом, при совмещении множеств электродов, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций расположены практически параллельно между собой. Поэтому ось ординат системы координат измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат второго множества измерительных электродов, что соответствует существенному признаку независимого пункта п. 1 формулы изобретения.The implementation of the assignment for the variant of the electric capacitive transducer is ensured by the fact that for each set of measuring electrodes located on the edge of the groups of the sides of the trapezoid, by displacing the upper bases of the trapezoid of the groups along the abscissa axis, they are inclined at predetermined angles that are not equal to each other. Moreover, when combining multiple electrodes, the sides of the trapezoid located on the edges of the groups are located almost parallel to each other. Therefore, the ordinate axis of the coordinate system of the measuring electrodes of the first set is located at a predetermined non-zero angle to the ordinate axis of the coordinate system of the second set of measuring electrodes, which corresponds to the essential feature of the independent claim of
В связи с тем, что группы измерительных электродов первого множества и группы измерительных электродов второго множества расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области с чередованием и не пересекают друг друга, измерительные электроды групп могут быть расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки. Как показано на фиг. 9, 11, 14, 17, 33 и фиг. 35 в вариантах изобретения, выполнение системы электродов в соответствии с признаками изобретения этих вариантов, позволяет расположить измерительные электроды, соединительные проводники и выводы на одной поверхности слоя диэлектрической подложки.Due to the fact that the groups of measuring electrodes of the first set and the groups of measuring electrodes of the second set are located on the dielectric substrate at the boundary of the measuring region with alternation and do not intersect each other, the measuring electrodes of the groups can be located on the same surface of the layer of the dielectric substrate. As shown in FIG. 9, 11, 14, 17, 33 and FIG. 35 in embodiments of the invention, the implementation of the electrode system in accordance with the features of the invention of these options, allows you to place the measuring electrodes, connecting conductors and leads on the same surface of the dielectric substrate layer.
Расположение измерительных электродов и соединительных проводников и выводов на одной поверхности слоя диэлектрической подложки позволяет увеличить точность электроемкостного преобразователя и уменьшить его стоимость. Повышение точности связано с тем, что в этом случае нет необходимости в совмещении электродов, расположенных на разных поверхностях слоев диэлектрической подложки, в результате может быть уменьшена ширина групп электродов и уменьшена погрешность кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области. Уменьшение стоимости связано с упрощением технологического процесса изготовления, при котором необходимо наносить электроды только на одну поверхность слоя диэлектрической подложки.The location of the measuring electrodes and connecting conductors and terminals on the same surface of the dielectric substrate layer allows to increase the accuracy of the capacitive transducer and reduce its cost. The increase in accuracy is due to the fact that in this case there is no need to combine the electrodes located on different surfaces of the layers of the dielectric substrate, as a result, the width of the groups of electrodes can be reduced and the error of the piecewise constant approximation of the boundary of the two-dimensional region can be reduced. The cost reduction is due to the simplification of the manufacturing process, in which it is necessary to apply electrodes to only one surface of the dielectric substrate layer.
В варианте изобретения измерительные электроды расположены таким образом, что точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области. Расположение точки пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств в геометрическом центре измерительной области, по существу, означает равенство площадей электродов измерительных частей для каждого соответствующего множества. В результате увеличивается стабильность и помехоустойчивость электроемкостного преобразователя.In an embodiment of the invention, the measuring electrodes are arranged so that the intersection point of the abscissa axes of the local coordinate systems of the first and second sets of measuring electrodes coincides with the geometric center of the measuring region. The location of the point of intersection of the abscissa axes of the local coordinate systems of the first and second sets in the geometric center of the measuring region essentially means the equality of the areas of the electrodes of the measuring parts for each corresponding set. As a result, the stability and noise immunity of the electric capacitive converter increases.
В случае использования локальной системы координат измерительной области признак изобретения «точка пересечения осей абсцисс локальных систем координат первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области» может быть заменен признаком «начало локальной системы координат измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области.In the case of using the local coordinate system of the measuring region, the feature of the invention “the point of intersection of the abscissa axes of the local coordinate systems of the first and second sets of measuring electrodes coincides with the geometric center of the measuring region” can be replaced by the sign “the beginning of the local coordinate system of the measuring region coincides with the geometric center of the measuring region.
1.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов1.3 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with four leads from a system of measuring electrodes
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 4 формулы изобретения. В этом варианте в дополнение к признакам электроемкостного преобразователя по п. 1 конкретизирована схема соединений электродов и подключений выводов. Особенности схемы соединений по варианту показаны на фиг. 9.A variant of the electric capacitive converter corresponds to
Вариант имеет следующие признаки изобретения.An embodiment has the following features of the invention.
Электроемкостный преобразователь отличающийся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов, измерительные электроды первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, дополнительный вывод подключен к общему электроду.An electric capacitance converter characterized in that in the circuit of connecting the electrodes and connecting the terminals, the measuring electrodes of the first measuring part of the first set are electrically connected to each other and connected to the corresponding terminal, the measuring electrodes of the second measuring part of the first set are electrically connected to each other and connected to the corresponding terminal, measuring electrodes the first measuring part of the second set are electrically interconnected and connected to the corresponding conclusion, the measuring electrodes of the second measuring part of the second set are electrically connected to each other and connected to the corresponding output, an additional output is connected to a common electrode.
Величины координат геометрического центра двумерной области связаны с системой величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах электроемкостного преобразователя следующими зависимостями.The coordinates of the geometric center of the two-dimensional region are connected with the system of values of the electric capacitances of the electrodes of the measuring parts at the terminals of the electric capacitive transducer by the following dependencies.
Где:Where:
GY1 - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;G Y1 - the coordinate value of the geometric center of the two-dimensional region along the ordinate axis Y1 of the coordinate system of the first set in the region of intersection of the two-dimensional region with the measuring region;
GY2 - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;G Y2 is the coordinate value of the geometric center of the two-dimensional region along the Y2 ordinate axis of the coordinate system of the second set in the region of intersection of the two-dimensional region with the measuring region;
a 1,Y1 - коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя по оси ординат Y1 системы координат первого множества; a 1, Y1 — coefficient determining the sensitivity of the electric capacitive transducer along the Y1 ordinate axis of the coordinate system of the first set;
a 1,Y2 - коэффициент, определяющий чувствительность электроемкостного преобразователя по оси ординат Y2 системы координат второго множества; a 1, Y2 — coefficient determining the sensitivity of the electric capacitive transducer along the Y2 ordinate axis of the coordinate system of the second set;
а 2,Y1 - коэффициент, определяющий расположение начала системы координат первого множества относительно измерительных электродов по оси ординат Y1; and 2, Y1 is a coefficient that determines the location of the origin of the coordinate system of the first set relative to the measuring electrodes along the ordinate Y1;
a 2,Y2 - коэффициент, определяющий расположение начала системы координат второго множества относительно измерительных электродов по оси ординат Y2; a 2, Y2 - coefficient determining the location of the origin of the coordinate system of the second set relative to the measuring electrodes along the ordinate Y2;
С1,M1 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части первого множества;C 1, M1 - the sum of the electric capacitances of the measuring electrodes of the first measuring part of the first set;
С2,M1 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части первого множества;C 2, M1 - the sum of the electric capacitances of the measuring electrodes of the second measuring part of the first set;
С01,M1, С02,M1 - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела;C 01, M1 , C 02, M1 - the sums of the electric capacitances of the measuring electrodes of the first and second measuring parts, respectively, of the first set in the absence of a body;
С1,М2 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первой измерительной части второго множества;With 1, M2 - the sum of the electrical capacitance of the measuring electrodes of the first measuring part of the second set;
C2,М2 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов второй измерительной части второго множества;C 2, M2 - the sum of the electric capacitances of the measuring electrodes of the second measuring part of the second set;
С01,M2, С02,М2 - величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела.C 01, M2 , C 02, M2 are the sums of the electric capacitances of the measuring electrodes of the first and second measuring parts, respectively, of the second set in the absence of a body.
Величины C01,M1, C02,M1, C01,М2 и C02,M2 находят в процессе калибровки электроемкостного преобразователя, сохраняют в блоке памяти микроконтроллера и, при необходимости, считывают. Эти величины соответствуют измеренным значениям электрических емкостей C1,M1, C2,M1, C1,М2 и C2,M2 в условиях отсутствия тела, для которого определяют геометрический центр двумерной области.Values C 01, M1, C 02, M1 , C 01, M2 and C 02, M2 are found in the process of calibrating the capacitive converter, stored in the memory block of the microcontroller and, if necessary, read. These values correspond to the measured values of electric capacitances C 1, M1, C 2, M1 , C 1, M2 and C 2, M2 in the absence of a body, for which the geometric center of the two-dimensional region is determined.
Каждая из зависимостей (25) и (26) аналогична зависимости (15) для одного из двух множеств электродов. Отличия касаются только обозначений емкостей измерительных частей и обозначений систем координат, с привязкой к множествам.Each of the dependences (25) and (26) is similar to the dependence (15) for one of the two sets of electrodes. The differences concern only the designations of capacities of the measuring parts and the designations of coordinate systems, with reference to sets.
Анализ показывает, что при определении координат геометрического центра двумерной области одна из четырех измерительных частей является зависимой от других измерительных частей. Для реализации назначения достаточно использования трех измерительных частей. При этом система измерительных электродов из трех независимых измерительных частей может быть получена с использованием системы электродов состоящей из четырех измерительных частей путем использования схемы соединений измерительных электродов и подключений выводов, без изменения конструкции измерительных электродов этих частей. При этом образуется система измерительных электродов измерительной области, состоящая из трех измерительных частей, в которой в каждой измерительной части измерительные электроды соединены между собой и подключены к соответствующему выводу.The analysis shows that when determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, one of the four measuring parts is dependent on other measuring parts. To realize the purpose, it is enough to use three measuring parts. In this case, the system of measuring electrodes of three independent measuring parts can be obtained using an electrode system consisting of four measuring parts by using the connection diagram of the measuring electrodes and connecting the terminals, without changing the design of the measuring electrodes of these parts. In this case, a system of measuring electrodes of the measuring region is formed, consisting of three measuring parts, in which in each measuring part the measuring electrodes are interconnected and connected to the corresponding terminal.
Особенностью вариантов этой схемы является то, что система измерительных электродов элекроемкостного преобразователя для измерения геометрического центра двумерной области имеет три вывода. Схемы соединений измерительных электродов и подключений выводов приведены в вариантах 1.4, 1.5 и 1.6. В описании вариантов доказана реализация назначения электроемкостных преобразователей для определения координат геометрического центра двумерной области, для системы электродов имеющей три измерительные части. При этом система измерительных электродов измерительной области имеет три вывода.A feature of the variants of this circuit is that the system of measuring electrodes of the electro-capacitive transducer for measuring the geometric center of the two-dimensional region has three conclusions. Connection diagrams of the measuring electrodes and terminal connections are given in versions 1.4, 1.5 and 1.6. In the description of the options, the implementation of the assignment of electric capacitive converters to determine the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, for a system of electrodes having three measuring parts, is proved. In this case, the system of measuring electrodes of the measuring region has three outputs.
1.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества электродов1.4 A variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with three leads from a system of measuring electrodes and connecting the electrodes of one of the measuring parts of the first set and one opposite measuring part of the second set of electrodes
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 5 формулы изобретения. Для этого варианта расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности, аналогично варианту, показанному на фиг. 7. На фиг. 10 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 11 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов. Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 5 of the claims. For this embodiment, the arrangement of the measuring electrodes of the first and second sets separately, similarly to the embodiment shown in FIG. 7. In FIG. 10 shows the measuring electrodes in combined form with the alternation of groups, as they are located on the dielectric substrate. In FIG. 11 shows the measuring electrodes, taking into account trimming and elongation to the boundary of the measuring region, a diagram of the connections of the electrodes and the connection leads. A variant is characterized by the following features of the invention.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с электродами разноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, дополнительный вывод подключен к общему электроду. При этом измерительные электроды образуют систему измерительных электродов, состоящую из трех измерительных частей.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, characterized in that in the circuit for connecting the electrodes and connecting the terminals, the measuring electrodes of one of the measuring parts of the first set are electrically connected to each other and to the electrodes of the opposite measuring part of the second set and connected to the corresponding terminal, the measuring electrodes are not connected measuring parts of the first set are electrically interconnected and connected to the corresponding at the output, the measuring electrodes of the unconnected measuring part of the second set are interconnected and connected to the corresponding output, an additional output is connected to the common electrode. In this case, the measuring electrodes form a system of measuring electrodes, consisting of three measuring parts.
В этом случае, для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (25) и (26). При этом емкости электродов измерительных частей, для которых нет непосредственных измерений, можно выразить через сумму емкостей соединенных электродов и емкостей электродов, которые не соединены. Эта возможность связана с тем, что трапеции первой и второй измерительных частей любой группы электродов дополняют друг друга до образования постоянной ширины, величина которой известна, при этом величину воздействия тела, для которого определяют геометрический центр, на две ближайшие группы электродов принимают условно одинаковой. Погрешность, связанная с этим допущением, относится к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы двумерной области тела.In this case, expressions (25) and (26) can also be used to determine the coordinates of the geometric center. Moreover, the capacitances of the electrodes of the measuring parts, for which there are no direct measurements, can be expressed in terms of the sum of the capacitances of the connected electrodes and the capacities of the electrodes that are not connected. This possibility is due to the fact that the trapezoid of the first and second measuring parts of any group of electrodes complement each other to form a constant width, the magnitude of which is known, and the magnitude of the impact of the body for which the geometric center is determined on the two nearest electrode groups is assumed to be conditionally the same. The error associated with this assumption relates to the error of the piecewise constant approximation of the boundary of a two-dimensional region of the body.
Например, соединены между собой и поэтому неизвестны по отдельности электрические емкости электродов C2,M1, C1,М2. При этом, для вычисления значений этих емкостей можно воспользоваться формуламиFor example, the electrical capacitances of the electrodes C 2, M1 , C 1, M2 are interconnected and therefore individually unknown. At the same time, to calculate the values of these capacities, you can use the formulas
Где:Where:
C3=C2,M1+C1,М2 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов соединенных измерительных частей;C 3 = C 2, M1 + C 1, M2 - the sum of the electrical capacitances of the measuring electrodes of the connected measuring parts;
C∑=С2,М2+С1,M1+С3 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первого и второго множеств электродов.C ∑ = C 2, M2 + C 1, M1 + C 3 - the sum of the electric capacitances of the measuring electrodes of the first and second sets of electrodes.
Необходимые для вычисления по формулам (25) и (26) величины C02,M1 и C01,M2 определяют в процессе калибровки, затем записывают в блок памяти микроконтроллера, а при вычислении геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление величин электрических емкостей по формулам (27) и (28) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования систем координат.The values of C 02, M1 and C 01, M2 required for the calculation by formulas (25) and (26) are determined during the calibration process, then they are recorded in the memory block of the microcontroller, and when calculating the geometric center, they are read from the memory block of the microcontroller. The calculation of electric capacitance values by formulas (27) and (28) is carried out in the processor of the microcontroller, before performing the function of calculating the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region according to formulas (25) and (26). To obtain the coordinate values in the local coordinate system of the measuring region, the functions performed by the processor of the microcontroller can be supplemented by a coordinate system conversion function.
1.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества электродов1.5 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with three leads from a system of measuring electrodes and connecting electrodes of one of the measuring parts of the first set and one measuring part of the same name of the second set of electrodes
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 6 формулы изобретения. На фиг. 12 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 13 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 14 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 6 of the claims. In FIG. 12 shows the shape and arrangement of the measuring electrodes of the first and second sets separately. In FIG. 13 shows the same measuring electrodes in combined form with alternating groups as they are located on a dielectric substrate. In FIG. 14 shows the measuring electrodes, taking into account trimming and elongation to the boundary of the measuring region, a diagram of the connections of the electrodes and the connections of the terminals.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.An embodiment has the following features of the invention.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды одной из измерительных частей первого множества электрически соединены между собой и с электродами одноименной измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, измерительные электроды неподключенной измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, дополнительный вывод подключен к общему электроду. При этом измерительные электроды образуют систему измерительных электродов, состоящую из трех измерительных частей.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, characterized in that in the circuit of connecting the electrodes and connecting the terminals, the measuring electrodes of one of the measuring parts of the first set are electrically connected to each other and with the electrodes of the same measuring part of the second set and connected to the corresponding terminal, the measuring electrodes are not connected measuring parts of the first set are electrically interconnected and connected to the corresponding the output, the measuring electrodes of the unconnected measuring part of the second set are interconnected and connected to the corresponding output, an additional output is connected to the common electrode. In this case, the measuring electrodes form a system of measuring electrodes, consisting of three measuring parts.
В данном варианте для определения координат геометрического центра также можно использовать выражения (25) и (26). При этом величины электрических емкостей электродов, для которых нет непосредственных измерений, можно выразить через сумму емкостей соединенных электродов и емкостей электродов которые не соединены. Например, соединены между собой и поэтому неизвестны по отдельности электрические емкости электродов С2,М1 и C2,М2. При этом, для вычисления значений емкостей можно воспользоваться формуламиIn this embodiment, to determine the coordinates of the geometric center, you can also use expressions (25) and (26). In this case, the values of the electric capacitances of the electrodes, for which there are no direct measurements, can be expressed in terms of the sum of the capacitances of the connected electrodes and the capacities of the electrodes that are not connected. For example, the electrical capacitances of the electrodes C 2, M1 and C 2, M2 are interconnected and therefore individually unknown. At the same time, to calculate the capacitance values, you can use the formulas
Где:Where:
С4=С2,М2+С2,M1 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов соединенных измерительных частей;C 4 = C 2, M2 + C 2, M1 - the sum of the electrical capacitances of the measuring electrodes of the connected measuring parts;
C∑=С1,M2+C1,М1+С4 - величина суммы электрических емкостей измерительных электродов первого и второго множеств электродов.C ∑ = C 1, M2 + C 1, M1 + C 4 - the sum of the electrical capacitances of the measuring electrodes of the first and second sets of electrodes.
Необходимые для вычисления по формулам (25) и (26) величины С02,M1 и C02,M2 определяют в процессе калибровки, затем записывают в блок памяти. При вычислении геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление величин электрических емкостей по формулам (29) и (30) осуществляют в процессоре микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.The values C 02, M1 and C 02, M2 required for calculation by formulas (25) and (26) are determined during the calibration process, and then recorded in the memory unit. When calculating the geometric center, read from the memory block of the microcontroller. The calculation of the electric capacitance values by formulas (29) and (30) is carried out in the processor of the microcontroller, before performing the function of calculating the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region according to formulas (25) and (26). To obtain the coordinate values in the local coordinate system of the measuring region, the functions performed by the microcontroller processor can be supplemented by the coordinate system conversion function.
1.6 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и отключением одной из измерительных частей одного из множеств электродов1.6 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with three leads from a system of measuring electrodes and disconnecting one of the measuring parts of one of the many electrodes
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 7 формулы изобретения. На фиг. 15 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 16 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 17 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов, а также схема микроконтроллера.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 7 of the claims. In FIG. 15 shows the shape and arrangement of the measuring electrodes of the first and second sets separately. In FIG. 16 shows the same measuring electrodes in combined form with alternating groups as they are located on a dielectric substrate. In FIG. 17 shows the measuring electrodes, taking into account trimming and elongation to the boundary of the measuring region, a diagram of the connections of the electrodes and connection of the terminals, as well as the microcontroller circuit.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.An embodiment has the following features of the invention.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем что, в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды любых трех измерительных частей первого и второго множеств для каждой измерительной части по отдельности соединены между собой и подключены к соответствующим выводам измерительных частей, дополнительный вывод подключен к общему электроду. При этом измерительные электроды образуют систему измерительных электродов, состоящую из трех измерительных частей.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, characterized in that, in the circuit of the electrode connections and terminal connections, the measuring electrodes of any three measuring parts of the first and second sets for each measuring part are individually connected to each other and connected to the corresponding terminals of the measuring parts, an additional output is connected to the common electrode. In this case, the measuring electrodes form a system of measuring electrodes, consisting of three measuring parts.
В связи с тем, что в данном варианте не подключены измерительные электроды одной из измерительных частей одного множества, например, второй измерительной части второго множества, значение электрической емкости измерительных электродов С2,М2 неизвестно. Поэтому непосредственно использовать выражение (26) нельзя. В тоже время, значение электрической емкости измерительных электродов C2,M2 может быть вычислено исходя из значений электрических емкостей измерительных электродов других измерительных частейDue to the fact that in this embodiment, the measuring electrodes of one of the measuring parts of one set, for example, the second measuring part of the second set, are not connected, the value of the electric capacitance of the measuring electrodes C 2, M2 is unknown. Therefore, expression (26) cannot be directly used. At the same time, the value of the electric capacitance of the measuring electrodes C 2, M2 can be calculated based on the values of the electric capacitance of the measuring electrodes of other measuring parts
Необходимую для вычисления по формулам (26) величину C02,M2 определяют в процессе калибровки и записывают в блок памяти. При вычислении координат геометрического центра, считывают из блока памяти микроконтроллера. Вычисление электрической емкости исключенной измерительной части по формуле (31) осуществляется процессором микроконтроллера, перед выполнением функции вычисления координат геометрического центра двумерной области по формулам (25) и (26). Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования систем координат.The value of C 02, M2 required for calculation by formulas (26) is determined during the calibration process and recorded in the memory unit. When calculating the coordinates of the geometric center, read from the memory block of the microcontroller. The calculation of the electrical capacitance of the excluded measuring part by the formula (31) is performed by the microcontroller processor, before performing the function of calculating the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region according to formulas (25) and (26). To obtain the coordinate values in the local coordinate system of the measuring region, the functions performed by the processor of the microcontroller can be supplemented by a coordinate system conversion function.
Варианты 1.4, 1.5 и 1.6 электроемкостного преобразователя обладают теми же положительными свойствами, что и вариант 1.3. Дополнительное положительное свойство вариантов - сокращение выводов до трех, что позволяет упростить схему соединений и уменьшить расстояние между измерительными областями в случае использования в электроемкостном преобразователе множества измерительных областей, что снижает погрешность определения геометрического центра.Variants 1.4, 1.5 and 1.6 of the electric capacitive converter have the same positive properties as version 1.3. An additional positive feature of the options is the reduction of conclusions to three, which allows us to simplify the wiring diagram and reduce the distance between the measuring areas in the case of using a plurality of measuring areas in the electric capacitive transducer, which reduces the error in determining the geometric center.
1.7 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с выходным сигналом в виде цифрового кода1.7 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with an output signal in the form of a digital code
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 8 формулы изобретения. На фиг. 18 показана схема микроконтроллера и схема подключений выводов электроемкостного преобразователя к микроконтроллеру.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 8 of the claims. In FIG. 18 shows a microcontroller circuit and a wiring diagram of the terminals of an electric capacitive converter to a microcontroller.
Вариант характеризуется следующими признаками изобретения.A variant is characterized by the following features of the invention.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что с целью формирования выходного сигнала в виде цифрового кода электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области дополнительно снабжен микроконтроллером 260, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 266 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 269 и процессор 267, причем выводы измерительных частей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод 211 общего электрода подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом процессора. Сигналы 268 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 266 поступают на вход процессора 267 микроконтроллера, процессор реализует функцию вычисления координат геометрического центра двумерной области, в вычислительном алгоритме которой используются формулы (25) и (26), а также формирует выходные сигналы 270 координат геометрического центра двумерной области, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region characterized in that in order to generate an output signal in the form of a digital code, an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region is additionally equipped with a
Для получения величин координат в локальной системе координат измерительной области, функции, выполняемые процессором микроконтроллера, могут быть дополнены функцией преобразования системы координат.To obtain the coordinate values in the local coordinate system of the measuring region, the functions performed by the microcontroller processor can be supplemented by the coordinate system conversion function.
Схема микроконтроллера, показанная на фиг. 18, применима к вариантам 1.4, 1.5 и 1.6. Отличия связаны с тем, что схемы подключения выводов электроемкостного преобразователя для вариантов 1.4, 1.5 и 1.6 отличаются наличием трех выводов от измерительных частей. Поэтому к аналого-цифровому преобразователю подключены три вывода.The microcontroller circuit shown in FIG. 18 is applicable to options 1.4, 1.5, and 1.6. The differences are due to the fact that the connection diagrams of the terminals of the electric capacitive converter for options 1.4, 1.5 and 1.6 differ in the presence of three conclusions from the measuring parts. Therefore, three outputs are connected to the analog-to-digital converter.
1.8 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области для плоских тел из однородного диэлектрического материала1.8 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region for plane bodies of homogeneous dielectric material
Формула изобретения по этому варианту включает в себя признаки, приведенные в независимом пункте п. 1 и зависимых пунктах пп. 11, 12 и 15 формулы изобретения. Пункт п. 11 и п. 12 характеризуют конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 15 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме пластины с плоской поверхностью.The claims of this embodiment include the features set forth in the independent clause of
Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 19. На фиг. 20 дополнительно показано твердое плоское тело 305 из однородного диэлектрического материала и схема соединений общего электрода для пояснения принципа действия с обозначением вывода 211 общего электрода.Features of an embodiment of an electric capacitive converter are shown in FIG. 19. In FIG. 20 further shows a solid
В варианте электроемкостный преобразователь 302 для определения координат геометрического центра двумерной области содержит диэлектрическую подложку 102, выполненную в форме пластины, с расположенными на поверхности стороны диэлектрической подложки 102 измерительными электродами 103. Общий электрод 106 содержит две части. Первая часть 303 общего электрода расположена со стороны диэлектрической подложки 102, которая противоположна стороне с измерительными электродами, причем общий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами 103. Вторая часть 304 общего электрода, расположена со стороны диэлектрической подложки с измерительными электродами, причем часть общего электрода имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами.In an embodiment, the
Принцип действия электроемкостного преобразователя заключается в следующем.The principle of operation of an electric capacitive converter is as follows.
Для определения геометрического центра двумерной области размещают на поверхности измерительной области плоское тело из однородного диэлектрического материала между измерительными электродами и частью общего электрода 304. В этом случае в области пересечения двумерной области плоского тела и измерительной области увеличиваются емкости конденсаторов, обкладки которых образованны измерительными электродами 103 измерительных частей и частью общего электрода 304.To determine the geometric center of the two-dimensional region, a flat body of homogeneous dielectric material is placed on the surface of the measuring region between the measuring electrodes and part of the
Для емкостей электродов измерительных частей справедливы выражения (1) и (3). Значение коэффициента К1 при этом равноFor capacitances of the electrodes of the measuring parts, expressions (1) and (3) are valid. The value of the coefficient K 1 is equal to
Где:Where:
ε0 - диэлектрическая постоянная;ε 0 is the dielectric constant;
d2 - ширина воздушного зазора между частью общего электрода и поверхностью плоского тела;d 2 - the width of the air gap between the part of the common electrode and the surface of a flat body;
d3 - толщина плоского тела;d 3 - the thickness of a flat body;
εПТ - относительная диэлектрическая проницаемость материала плоского тела;ε PT - the relative dielectric constant of the material of a flat body;
εB - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.ε B is the relative dielectric constant of air.
Т.к. коэффициент К1 в формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра двумерной области сокращается, характер зависимости (32) не влияет на реализацию назначения электроемкостного преобразователя.Because the coefficient K 1 in formulas (15), (25) and (26) for calculating the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region is reduced, the nature of dependence (32) does not affect the implementation of the purpose of the electric capacitive transducer.
В остальном, описание принципа действия электроемкостного преобразователя аналогично рассмотренному принципу действия варианта электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области тел из электропроводящего материала, обозначенного номером 1.1.Otherwise, the description of the principle of operation of an electric capacitive transducer is similar to the considered principle of operation of a variant of an electric capacitive transducer for determining the geometric center of a two-dimensional region of bodies of electrically conductive material, indicated by the number 1.1.
1.9 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих или диэлектрических тел, с деформируемым диэлектрическим слоем подложки1.9 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region for electrically conductive or dielectric bodies, with a deformable dielectric substrate layer
Формула изобретения по этому варианту включает в себя признаки, приведенные в независимом пункте п. 1 и зависимых пунктах пп. 11, 15 и п. 21 формулы. Пункт п. 11 характеризует конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 15 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме пластины с плоской поверхностью, пункт п. 21 - конструкцию деформируемого диэлектрического слоя и растягивающегося электрода.The claims of this embodiment include the features set forth in the independent clause of
Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 21. На фиг. 22 дополнительно показано твердое тело, которое может состоять из диэлектрического или электропроводящего материала и схема соединений общего электрода для пояснения принципа действия.Features of an embodiment of an electric capacitive converter are shown in FIG. 21. In FIG. 22 further shows a solid, which may be composed of a dielectric or electrically conductive material, and a common electrode connection diagram for explaining the principle of operation.
В этом варианте электроемкостный преобразователь 307 содержит деформируемый слой 308 диэлектрической подложки, который выполнен с возможностью упругой деформации по толщине в отдельных областях слоя. Деформируемый диэлектрический слой расположен поверх измерительных электродов 103. На наружной стороне слоя нанесен тонкий растягивающийся электрод 309, который подключен к общему электроду 106.In this embodiment, the
Принцип действия электроемкостного преобразователя заключатся в следующем.The principle of operation of an electric capacitive converter is as follows.
К измерительной области диэлектрической подложки прикасаются телом 310 из диэлектрического или электропроводящего материала, которое под собственным весом или под действием внешней силы F деформирует слой 308 из диэлектрического материала до заданной глубины. В этом случае, с уменьшением толщины диэлектрического слоя, в области пересечения двумерной области соприкосновения тела и измерительной области увеличиваются емкости конденсаторов, обкладки которых образованы измерительными электродами 103 измерительных частей и тонким растягивающимся электродом 309. При этом для величин емкостей электродов измерительных частей справедливы выражения (1) и (3). Коэффициент К1 в этом случае равенA
Где:Where:
d4 - толщина деформируемого диэлектрического слоя подложки в рамках области соприкосновения под действием внешней силы на тело;d 4 is the thickness of the deformable dielectric layer of the substrate within the contact area under the action of an external force on the body;
εДП - относительная диэлектрическая проницаемость деформируемого слоя подложки;ε DP - the relative dielectric constant of the deformable layer of the substrate;
d5 - толщина деформируемого слоя диэлектрической подложки в отсутствие воздействия тела на подложку с измерительными электродами.d 5 - the thickness of the deformable layer of the dielectric substrate in the absence of the action of the body on the substrate with measuring electrodes.
В остальном, описание принципа действия преобразователя аналогично рассмотренному принципу действия варианта электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала, обозначенного номером 1.1.Otherwise, the description of the principle of operation of the transducer is similar to the considered principle of operation of a variant of an electric capacitive transducer for determining the geometric center of a two-dimensional region for bodies of electrically conductive material, indicated by number 1.1.
Т.к. коэффициент К1 в формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра тела двумерной области сокращается, характер зависимости (33) не влияет на реализацию основного назначения преобразователя.Because the coefficient K 1 in formulas (15), (25) and (26) for calculating the coordinates of the geometric center of the body of the two-dimensional region is reduced, the nature of dependence (33) does not affect the implementation of the main purpose of the converter.
Положительное свойство варианта заключается в возможности определения геометрического центра двумерной области, как для диэлектрических тел, так и для электропроводящих тел. Функция определения геометрического центра системой электродов, как показано в описании изобретения, учитывает веса участков двумерной области в области приближения тела. В связи с чем, тело, которое воздействует на деформируемый диэлектрический слой, может иметь поверхность произвольной формы.A positive property of the variant lies in the possibility of determining the geometric center of the two-dimensional region, both for dielectric bodies and for electrically conductive bodies. The function of determining the geometric center by the electrode system, as shown in the description of the invention, takes into account the weights of the sections of the two-dimensional region in the area of approximation of the body. In this connection, a body that acts on a deformable dielectric layer may have an arbitrary shape surface.
Ниже приведено описание вариантов электроемкостного преобразователя для определения геометрического центра двумерной области, отличающихся конструкцией отдельных элементов преобразователя. Данные варианты могут использоваться в разных комбинациях в вариантах электроемкостных преобразователей, реализующих конкретное назначение. Варианты распространяются на электроемкостные преобразователи с одной измерительной областью, так и на электроемкостные преобразователи с множеством измерительных областей.Below is a description of the options of the electric capacitive transducer for determining the geometric center of the two-dimensional region, differing in the design of the individual elements of the transducer. These options can be used in different combinations in the options for electric capacitive converters that implement a specific purpose. Variants apply to electro-capacitive transducers with one measuring region, as well as to electro-capacitive transducers with many measuring regions.
1.10 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с изоляцией измерительных электродов1.10 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with insulation of the measuring electrodes
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 9 и п. 32 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 23.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 9 and paragraph 32 of the claims. Features of the embodiment are shown in FIG. 23.
Вариант характеризуется тем, что электроемкостный преобразователь 312 содержит изолирующий диэлектрический слой 111 из диэлектрического материала, расположенный на поверхности стороны диэлектрической подложки 102 с измерительными электродами 103. Причем изолирующий диэлектрический слой выполнен из твердого диэлектрического материала или диэлектрического материала допускающего упругую деформацию по толщине в отдельных областях. Изолирующий слой может быть выполнен из прозрачного материала.The embodiment is characterized in that the
Функция изолирующего слоя заключается в изоляции электродов от прямого соприкосновения с телом и защиты электродов от механических повреждений.The function of the insulating layer is to isolate the electrodes from direct contact with the body and protect the electrodes from mechanical damage.
Для электроемкостного преобразователя для электропроводных тел, где используется диэлектрическая подложки в форме плоской пластины, в выражении (1) коэффициент пропорциональности К1 между электрической емкостью и площадью электродов соответствуют выражению (2). При этом, увеличение толщины изолирующего слоя подложки и соответственно коэффициента K1 практически не влияет на реализацию основного назначения электроемкостного преобразователя, т.к. коэффициент К1 в формулах (15), (25) и (26) для определения координат геометрического центра двумерной области сокращается. В любых других вариантах электроемкостного преобразователя наличие изолирующего слоя, независимо от его толщины, практически не препятствует реализации основного назначения электроемкостного преобразователя.For an electro-capacitive transducer for electrically conductive bodies, where a dielectric substrate in the form of a flat plate is used, in the expression (1), the proportionality coefficient K 1 between the electric capacitance and the area of the electrodes corresponds to expression (2). At the same time, an increase in the thickness of the insulating layer of the substrate and, accordingly, the coefficient K 1 practically does not affect the implementation of the main purpose of the electric capacitive converter, because the coefficient K 1 in formulas (15), (25) and (26) for determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region is reduced. In any other variants of the electric capacitive converter, the presence of an insulating layer, regardless of its thickness, practically does not impede the implementation of the main purpose of the electric capacitive converter.
В связи с чем, изолирующий слой может быть относительно большой толщины и прочности. Дополнительное положительное свойство изолирующего слоя - снижение погрешности дискретизации. Если толщину изолирующего слоя выбрать в несколько раз больше ширины электродов, то электрическое поле от границы тела на уровне поверхности диэлектрической подложки с измерительными электродами распределяется на большую площадь. При этом проекция границы тела на измерительные электроды будет менее четкой и охватывает в направлении ширины электродов большее количество электродов. В результате среднее значение границы определяется преобразователем более точно.In this connection, the insulating layer can be relatively large thickness and strength. An additional positive property of the insulating layer is the reduction in sampling error. If the thickness of the insulating layer is chosen several times greater than the width of the electrodes, then the electric field from the boundary of the body at the level of the surface of the dielectric substrate with the measuring electrodes is distributed over a large area. In this case, the projection of the body boundary onto the measuring electrodes will be less clear and covers a larger number of electrodes in the direction of the width of the electrodes. As a result, the average value of the boundary is determined more accurately by the converter.
1.11 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с расположением электродов на одной или нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки1.11 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with the location of the electrodes on one or more surfaces of the layers of the dielectric substrate
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 10 и п. 33 формулы изобретения. Особенности варианта показаны на фиг. 24.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 10 and paragraph 33 of the claims. Features of the embodiment are shown in FIG. 24.
В электроемкостных преобразователях группы изобретений используются измерительные электроды из электропроводящего материала с относительно малой толщиной, например, печатные электроды. Измерительные электроды расположены на наружной поверхности диэлектрической подложки или на поверхности ее слоя. С использованием варианта электроемкостного преобразователя 314 с расположением измерительных электродов на нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки, диэлектрическая подложка с измерительными электродами выполнена многослойной, при этом измерительные электроды 315 измерительных частей расположены на нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки. На фиг. 24 показано размещение электродов на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки. Дополнительный слой с электродами обозначен цифрой 316. Конструктивно измерительные электроды могут быть нанесены с помощью фотолитографии на один слой диэлектрической подложки с разных сторон слоя, например, на слой 316, или с одной из сторон отдельных слоев 316 и 317, которые наложены друг на друга и соединены между собой. При этом измерительные электроды, расположенные на разных поверхностях слоев подложки, изолированы друг от друга.Electro-capacitive converters of the group of inventions use measuring electrodes of electrically conductive material with a relatively small thickness, for example, printed electrodes. The measuring electrodes are located on the outer surface of the dielectric substrate or on the surface of its layer. Using a variant of the
Вариант с расположением электродов на нескольких поверхностях слоев диэлектрической подложки может найти применения в случае необходимости пересечения измерительных электродов или их выводов на диэлектрической подложке. Например, такая конструкция диэлектрической подложки может использоваться в электроемкостном преобразователе с расположением измерительных областей с электродами в виде строк и столбцов.The variant with the location of the electrodes on several surfaces of the layers of the dielectric substrate can find application if it is necessary to intersect the measuring electrodes or their leads on the dielectric substrate. For example, such a design of a dielectric substrate can be used in an electric capacitive transducer with the arrangement of the measuring areas with electrodes in the form of rows and columns.
1.12 Вариант электроемкостного преобразователя, с расположением общего электрода со стороны диэлектрической подложки, которая противоположна стороне с измерительными электродами1.12 A variant of an electric capacitive transducer with a common electrode located on the side of the dielectric substrate, which is opposite to the side with the measuring electrodes
Вариант соответствует п. 11 и п. 34 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что общий электрод расположен со стороны диэлектрической подложки, которая противоположна стороне с измерительными электродами, причем общий электрод имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами.The option corresponds to paragraph 11 and paragraph 34 of the claims. The embodiment is characterized in that the common electrode is located on the side of the dielectric substrate, which is opposite to the side with the measuring electrodes, and the common electrode has a surface facing the measuring electrodes with constant distances from the surface of the layer of the dielectric substrate with the measuring electrodes.
Функция общего электрода заключается в выравнивании электрического поля, которое воздействует на измерительные электроды со стороны диэлектрической подложки, которая противоположна стороне с измерительными электродами. Дополнительно, общий электрод выполняет функции экранирования измерительных электродов от помех, а также функцию подключения к измерительной схеме электропроводящего тела.The function of the common electrode is to equalize the electric field that acts on the measuring electrodes from the side of the dielectric substrate, which is opposite to the side with the measuring electrodes. Additionally, the common electrode performs the function of shielding the measuring electrodes from interference, as well as the function of connecting an electrically conductive body to the measuring circuit.
Общий электрод может быть выполнен, например, в виде плоской пластины или в виде тонкого печатного электрода 106 (фиг. 1) на поверхности слоя диэлектрической оболочки, а также в виде других конструкций.The common electrode can be made, for example, in the form of a flat plate or in the form of a thin printing electrode 106 (Fig. 1) on the surface of the dielectric sheath layer, as well as in the form of other structures.
1.13 Вариант электроемкостного преобразователя, в котором часть общего электрода расположена со стороны диэлектрической подложки с измерительными электродами1.13 Variant of an electric capacitive transducer in which a part of the common electrode is located on the side of the dielectric substrate with measuring electrodes
Вариант соответствует п. 12 и п. 35 формулы изобретения.The option corresponds to
В варианте (фиг. 19) дополнительная часть 304 общего электрода расположена со стороны диэлектрической подложки с измерительными электродами, причем часть общего электрода имеет обращенную в сторону измерительных электродов поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами. В этом случае функция общего электрода дополняется функцией формирования однородного электрического поля между измерительными электродами 103 и частью общего электрода 304. Общий электрод может быть выполнен, например, в виде плоской пластины, а также в виде других конструкций.In the embodiment (Fig. 19), the
Общий электрод такой конструкции используется в варианте 1.8 электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра плоского тела из диэлектрического материала.A common electrode of this design is used in version 1.8 of the electric capacitive transducer to determine the coordinates of the geometric center of a plane body of dielectric material.
1.14 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с экранирующим электродом1.14 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with a shielding electrode
Вариант соответствует п. 13 и п. 36 формулы изобретения.The option corresponds to paragraph 13 and paragraph 36 of the claims.
Вариант электроемкостного преобразователя 320 с экранирующим электродом показан на фиг. 25. Экранирующий электрод 321 выполненный в виде электрода, расположенного со стороны диэлектрической подложки 102, которая противоположна стороне с измерительными электродами 103, причем экранирующий электрод имеет поверхность с постоянными расстояниями с поверхностью слоя диэлектрической подложки с измерительными электродами. При этом общий электрод 322 выполнен в виде электропроводящих боковых конструкций. Под диэлектрической подложкой с экранирующим электродом расположены элементы 323 электронной схемы электроемкостного преобразователя. Экранирующий электрод соединен проводником 324 с электронной схемой.An embodiment of a
Принцип действия экранирующего электрода следующий. В измерительной технике известен способ уменьшения «паразитной» емкости проводника измерительной цепи за счет изоляции экранирующего проводника и его подключения к источнику напряжения, возмущающего измерительную цепь. В этом случае потенциал на экранирующем проводнике синфазно изменяется с потенциалом в проводнике измерительной цепи, в результате уменьшается взаимная емкость. В данном случае, с помощью этого способа можно уменьшить пассивную емкость измерительных электродов. Для этой цели в вариант электремкостного преобразователя введен экранирующей электрод 321. В качестве аналого-цифрового преобразователя может быть использован преобразователь на основе измерения RC-параметров. При этом экранирующий электрод подключают к выводу источника возмущающего RC-цепь напряжения. Экранирующий электрод, дополнительно реализует функцию экранирования электродов от помех со стороны блока электроники и выравнивания электрического поля. Возмущающее напряжение подается на электрод 321 по проводнику 324 от схемы аналого-цифрового преобразователя. С введением экранирующего электрода, в качестве общего электрода могут быть использованы, например, электропроводящие конструкции 328 электроемкостного преобразователя, которые подключают к общей точке аналого-цифрового преобразователя емкость-цифровой код и общие электропроводящие слои электронной платы схемы. Конструкция экранирующего электрода имеет множество вариантов.The principle of operation of the shielding electrode is as follows. In the measurement technique, there is a known method for reducing the “parasitic” capacitance of the measuring circuit conductor by isolating the shielding conductor and connecting it to a voltage source disturbing the measuring circuit. In this case, the potential on the shielding conductor in phase changes with the potential in the conductor of the measuring circuit, as a result, the mutual capacitance decreases. In this case, using this method, the passive capacity of the measuring electrodes can be reduced. For this purpose, a shielding
1.15 Варианты формы диэлектрической подложки1.15 Dielectric substrate shape options
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области имеет множество вариантов формы диэлектрической подложки.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region has many variations in the shape of the dielectric substrate.
Общие признаки выполнения диэлектрической подложки приведены в зависимых пунктах формулы п. 14 и п. 37. В соответствие с этими признаками диэлектрическая подложка выполнена в форме тела, ограниченного с двух сторон двумя плоскими или двумя криволинейными поверхностями и имеющего практически постоянную толщину. Такое определение подложки допускает, что подложка, в частности, может быть выполнена в форме пластины, а также в форме оболочки, которая имеет криволинейную поверхность.General signs of the implementation of the dielectric substrate are given in the dependent claims of
В варианте (п. 15 и п. 38. формулы изобретения) диэлектрическая подложка выполнена в форме пластины с плоской поверхностью. Диэлектрической подложки в форме пластины с плоской поверхностью использована для пояснения сущности изобретения практически для всех вариантов изобретения. Особенности электроемкостного преобразователя с применением других форм диэлектрической подложки приведены в вариантах 1.16 и 1.17.In an embodiment (claim 15 and claim 38. of the claims), the dielectric substrate is made in the form of a plate with a flat surface. A dielectric substrate in the form of a plate with a flat surface is used to explain the essence of the invention for almost all variants of the invention. Features of the electric capacitive converter using other forms of the dielectric substrate are given in versions 1.16 and 1.17.
В варианте (п. 16 и п. 39. формулы изобретения) диэлектрическая подложка выполнена в форме пластины с изогнутой поверхностью в форме части цилиндра. Особенности реализации назначения электроемкостного преобразователя с диэлектрической подложкой в форме изогнутой пластины описаны в варианте 1.16In an embodiment (paragraph 16 and paragraph 39. of the claims), the dielectric substrate is made in the form of a plate with a curved surface in the form of a part of a cylinder. Features of the implementation of the appointment of an electric capacitive converter with a dielectric substrate in the form of a curved plate are described in version 1.16
Диэлектрическая подложка может быть выполнена в форме оболочки (п. 17 или п. 40 формулы изобретения). При этом измерительные электроды могут быть расположены как на вогнутой, так и на выпуклой поверхности оболочки.The dielectric substrate can be made in the form of a shell (paragraph 17 or paragraph 40 of the claims). In this case, the measuring electrodes can be located both on the concave and on the convex surface of the shell.
В варианте изобретения (п. 18 и п. 41 формулы изобретения), поверхность оболочки имеет форму части поверхности сферы. Особенности реализации назначения электроемкостного преобразователя с диэлектрической подложкой в виде оболочки, имеющей сферическую поверхность, приведены в варианте 1.17.In an embodiment of the invention (paragraph 18 and paragraph 41 of the claims), the surface of the shell has the form of a part of the surface of a sphere. Features of the implementation of the appointment of an electric capacitive converter with a dielectric substrate in the form of a shell having a spherical surface are given in version 1.17.
1.16 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с диэлектрической подложкой, выполненной в форме пластины, поверхность которой является изогнутой1.16 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with a dielectric substrate made in the form of a plate, the surface of which is curved
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 16 и п. 39 формулы изобретения. Вариант характеризуется тем, что диэлектрическая подложка выполнена в форме пластины с изогнутой поверхностью. Например, в форме поверхности цилиндра или ее части.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 16 and paragraph 39 of the claims. The embodiment is characterized in that the dielectric substrate is made in the form of a plate with a curved surface. For example, in the form of a surface of a cylinder or part thereof.
Вариант может найти применение для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих тел, в котором двумерная область в области соприкосновения образуется за счет деформации электропроводящего тела. В этом случае двумерная область принимает форму изогнутой поверхности диэлектрической подложки. При этом, для расположения электродов может быть выбрана как вогнутая, так и выпуклая цилиндрическая поверхность. На практике целесообразно использовать диэлектрическую подложку, которая выполнена в виде части полого цилиндра. Также, этот вариант можно использовать, когда необходимо сгибать диэлектрическую подложку по типу открытия или закрытия книжки или сворачивать ее в свиток.A variant may find application for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region for electrically conductive bodies, in which a two-dimensional region in the contact region is formed due to deformation of the electrically conductive body. In this case, the two-dimensional region takes the form of a curved surface of the dielectric substrate. In this case, for the arrangement of the electrodes, both a concave and a convex cylindrical surface can be selected. In practice, it is advisable to use a dielectric substrate, which is made as part of a hollow cylinder. Also, this option can be used when it is necessary to bend the dielectric substrate according to the type of opening or closing the book or fold it into a scroll.
Диэлектрическая подложка с цилиндрической поверхностью может быть получена путем изгибания подложки с плоской поверхностью по поверхности подложки с электродами. Координатная сетка системы координат измерительной области подложки, оси координат которой связаны с поверхностью диэлектрической подложки, при таком изгибании поверхности не деформируется. Поэтому с изгибом поверхности подложки не изменяются геометрическая форма, размеры и расположение фигур измерительных электродов. Следовательно, не меняются признаки формулы изобретения, которые определяют форму, размеры и относительное расположение измерительных электродов.A dielectric substrate with a cylindrical surface can be obtained by bending a substrate with a flat surface over the surface of the substrate with electrodes. The coordinate grid of the coordinate system of the measuring region of the substrate, the coordinate axes of which are connected with the surface of the dielectric substrate, does not deform with this bending of the surface. Therefore, with the bending of the surface of the substrate, the geometric shape, dimensions and arrangement of the shapes of the measuring electrodes do not change. Therefore, the features of the claims that determine the shape, size and relative position of the measuring electrodes do not change.
В зависимостях (1) и (3) между электрической емкостью и площадью измерительных электродов использована формула для плоского конденсатора, с обкладками, имеющими плоскую поверхность. В случае использования подложки с цилиндрической поверхностью необходимо применять формулу для цилиндрического конденсатора. Общий вид зависимостей между емкостью и площадью измерительных электродов (1) и (3) не изменяется, при этом выражение для вычисления коэффициента К1 для варианта электроемкостного преобразователя для электропроводящих тел имеет видIn dependences (1) and (3) between the electric capacitance and the area of the measuring electrodes, the formula for a flat capacitor is used, with plates having a flat surface. In the case of using a substrate with a cylindrical surface, it is necessary to apply the formula for a cylindrical capacitor. The general view of the dependencies between the capacitance and the area of the measuring electrodes (1) and (3) does not change, while the expression for calculating the coefficient K 1 for the variant of the capacitive transducer for electrically conductive bodies has the form
Где:Where:
ε0 - диэлектрическая постоянная;ε 0 is the dielectric constant;
ε1 - относительная диэлектрическая проницаемость материала слоя диэлектрической подложки, изолирующего измерительные электроды;ε 1 is the relative dielectric constant of the material of the layer of the dielectric substrate insulating the measuring electrodes;
d1 - толщина изолирующего измерительные электроды диэлектрического слоя подложки;d 1 - the thickness of the insulating measuring electrodes of the dielectric layer of the substrate;
R1 - радиус цилиндрической поверхности, на которой расположены измерительные электроды диэлектрической подложки.R 1 is the radius of the cylindrical surface on which the measuring electrodes of the dielectric substrate are located.
В конечных формулах (15), (25) и (26) для вычисления координат геометрического центра двумерной области этот коэффициент сокращается, поэтому выполнение диэлектрической подложки с цилиндрической поверхностью не влияет на реализацию основного назначения электроемкостного преобразователя, в соответствующей области применения.In the final formulas (15), (25) and (26) for calculating the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region, this coefficient is reduced, therefore, the execution of a dielectric substrate with a cylindrical surface does not affect the implementation of the main purpose of the electric capacitive converter in the corresponding field of application.
В связи с тем, что координатная сетка при изгибе не меняется в варианте электроемкостного преобразователя можно использовать любую поверхность, полученную путем изгиба диэлектрической подложки.Due to the fact that the coordinate grid during bending does not change in the variant of the electric capacitive transducer, any surface obtained by bending the dielectric substrate can be used.
1.17 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с диэлектрической подложкой, выполненной в форме оболочки, имеющей криволинейную поверхность, например, в форме части поверхности сферы1.17 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with a dielectric substrate made in the form of a shell having a curved surface, for example, in the form of a part of the surface of a sphere
Вариант соответствует п. 17, п. 18, п. 40 и п. 41 формулы изобретения. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя пояснен на чертежах фиг. 26, фиг. 27, фиг. 28 и фиг. 29.The option corresponds to paragraph 17, paragraph 18, paragraph 40 and paragraph 41 of the claims. The principle of operation of a variant of an electric capacitive converter is explained in the drawings of FIG. 26, FIG. 27, FIG. 28 and FIG. 29.
Сущность данного варианта изобретения заключается в том, что группы измерительных электродов и измерительные области групп представляют собой полосы с относительной небольшой шириной, по отношению к их длине. Если эти полосы проходят по геодезическим линиям на криволинейной поверхности и по касательной к поверхности, полосы практически не изгибаются в направлении ширины. Поэтому полосы с высокой степенью точности можно считать плоскими в направлении ширины. При этом изгиб полос в направлении длины не деформирует поверхность полос (см. вариант 1.16). Поэтому признаки изобретения, касающиеся конструкции групп измерительных электродов и измерительных областей групп, являются применимыми для данного варианта диэлектрической подложки.The essence of this embodiment of the invention lies in the fact that the groups of measuring electrodes and the measuring areas of the groups are strips with a relatively small width in relation to their length. If these strips pass along geodesic lines on a curved surface and along a tangent to the surface, the strips practically do not bend in the width direction. Therefore, strips with a high degree of accuracy can be considered flat in the width direction. In this case, the bending of the strips in the length direction does not deform the surface of the strips (see option 1.16). Therefore, features of the invention relating to the design of groups of measuring electrodes and measuring areas of the groups are applicable for this embodiment of the dielectric substrate.
Практический интерес представляют варианты криволинейной поверхности, имеющие простые формы, например форму части поверхности сферы, которая имеет поверхность с постоянным радиусом кривизны.Of practical interest are options for a curved surface having simple shapes, for example, the shape of a part of the surface of a sphere that has a surface with a constant radius of curvature.
На фиг. 26 показана криволинейная поверхность измерительной области 326 диэлектрической подложки в форме сферического квадрата. Цифрой 327 обозначена поверхность сегмента сферы. Поверхность сферы имеет радиус кривизны r. Центр радиуса поверхности сферического квадрата расположен в нулевой точке прямоугольной системы координат X, Y, Z. Часть границы сферического квадрата между точками 1-2 образована сечением сферы с плоскостью, которая проходит через ось Х и отклонена на заданный угол относительно оси Y. Часть границы между точками 3-4 образована той же плоскостью, но повернутой на противоположный угол относительно оси Z.In FIG. 26 shows the curved surface of the measuring
Аналогичным образом, с помощью другой плоскости, проходящей через ось Y, определены границы сферического квадрата между точками 1-3 и 2-4. На фиг. 26 также показана точка n, которая соответствует пересечению сферы и двух плоскостей, которые отклонены на углы ϕ1 и ϕ2 относительно оси Z.Similarly, using another plane passing through the Y axis, the boundaries of the spherical square between points 1-3 and 2-4 are determined. In FIG. 26 also shows the point n, which corresponds to the intersection of the sphere and two planes that are deflected by angles ϕ 1 and ϕ 2 relative to the Z axis.
На фиг. 28 показана картографическая проекция сферического квадрата 326 на плоскость Х-Y. Особенностью этой проекции является то, что расстояния по осям X и Y не искажены. На фиг. 27 также показана координатная сетка 328, полученная поворотами плоскостей на одинаковые фиксированные углы. Если ширина сферического квадрата составляет π/2 радиан, 6 сферических квадратов можно сшить, с образованием полного покрытия всей сферы.In FIG. 28 shows a map projection of a
Каждая линия показанной координатной сетки является геодезической линией на поверхности сферического квадрата. Геодезические линии является аналогами прямых линий на криволинейной поверхности. Проходящие вдоль геодезической линии полосы измерительных областей групп электродов являются касательными к поверхности. Ввиду относительно малой ширины полос, измерительные области групп практически не деформированы искривлением поверхности сферы в направлении ширины, и эти полосы можно считать плоскими, с изогнутой в направлении длины поверхностью, как в варианте 1.16 электроемкостного преобразователя. На фиг. 27 показана одна из множества измерительных областей 329 групп электродов, которая проходит вдоль геодезической линии а-в.Each line of the shown grid is a geodesic line on the surface of a spherical square. Geodesic lines are analogues of straight lines on a curved surface. The stripes of the measuring areas of the groups of electrodes passing along the geodesic line are tangent to the surface. Due to the relatively small width of the strips, the measuring regions of the groups are practically not deformed by curving the surface of the sphere in the width direction, and these strips can be considered flat, with a surface curved in the length direction, as in version 1.16 of the electric capacitive transducer. In FIG. 27 shows one of a plurality of
Следует отметить, расстояния между линиями координатной сетки в углах сферического квадрата немного уменьшаются с приближением к углам, что создает погрешность в определении геометрического центра. Эту погрешность относится к погрешности аппроксимации криволинейной поверхности плоскими фигурами. Погрешность аппроксимации можно существенно уменьшить, уменьшая размер измерительной области. Например, квадрат 326 можно разбить на четыре равных сферических квадрата 330, как показано на фиг. 28. Такая разбивка получается поворотом осей системы координат для каждого сферического квадрата на соответствующий угол и уменьшения размера квадрата. Каждый сферический квадрат в данном изобретении рассматривается как одна измерительная область из числа множества измерительных областей, границы которых расположены практически без промежутков друг к другу. Для каждой измерительной области 330 определена соответствующая локальная система координат 331, которая, в данном случае, совпадает с системой координат сферического квадрата. Электроемкостный преобразователь для определения геометрического центра двумерной области, как показано в описании изобретения, способен определить геометрический центр двумерной области на основе данных измерений координат геометрических центров во множестве измерительных областей, составляющих систему.It should be noted that the distances between the lines of the coordinate grid in the corners of a spherical square slightly decrease with approach to the corners, which creates an error in determining the geometric center. This error refers to the error of approximation of a curved surface by flat figures. The approximation error can be significantly reduced by reducing the size of the measuring region. For example, square 326 can be divided into four equal
На фиг. 29 показана разбивка измерительной области 326 на плоски, которые обладают относительно небольшой величиной деформации поверхности (напоминающие плоски кожи, из которых сшит волейбольный мяч). На фиг. 29 показана измерительная область 332 электроемкостного преобразователя в виде полоски, локальная система координат 333 измерительной области и измерительная область 334 группы электродов. На практике, поверхность любой формы можно аппроксимировать с использованием множеств фигур разных форм и размеров. Для аппроксимации поверхности в дополнение к квадратам используют треугольники, шестиугольники и другие фигуры в разных комбинациях, которые располагают на поверхности в виде мозаики. На отдельных участках поверхности с высокой степенью кривизны, с целью уменьшения погрешности аппроксимации, можно использовать фигуры для измерительных областей с относительно небольшими размерами. При этом погрешность определения геометрического центра двумерной области с криволинейной поверхностью можно уменьшить практически до любой заданной величины.In FIG. 29 shows a breakdown of the measuring
Таким образом, реализация назначения варианта электроемкостного преобразователя с использованием диэлектрической подложки в виде оболочки, имеющей криволинейную поверхность, считается доказанной.Thus, the implementation of the designation of a variant of an electric capacitive converter using a dielectric substrate in the form of a shell having a curved surface is considered proven.
1.18 Вариант электроемкостного преобразователя, в котором диэлектрическая подложка содержит один или несколько слоев1.18 Variant of an electric capacitive converter, in which the dielectric substrate contains one or more layers
Вариант соответствует п. 19 и п. 42 формулы изобретения.The option corresponds to paragraph 19 and paragraph 42 of the claims.
На отдельных слоях диэлектрической оболочки могут быть размещены измерительные электроды в случае необходимости их взаимного пересечения. Дополнительно, могут размещаться части общего электрода, экранирующий электрод, защитные, изолирующие слои и слои другого назначения.On separate layers of the dielectric sheath, measuring electrodes can be placed if necessary, their mutual intersection. Additionally, parts of the common electrode, a shielding electrode, protective, insulating layers and other layers can be placed.
1.19 Вариант электроемкостного преобразователя, в котором диэлектрическая подложка выполнена с возможностью упругой деформации по толщине отдельных слоев1.19 A variant of an electric capacitive converter in which the dielectric substrate is capable of elastic deformation along the thickness of individual layers
Вариант соответствует п. 20 и п. 43 формулы изобретения.The option corresponds to paragraph 20 and paragraph 43 of the claims.
Вариант может использоваться в случае необходимости определения геометрического центра двумерной области для тел, с деформацией слоев пластины или оболочки. Вариант основан на свойстве системы электродов учитывать веса участков двумерной области при деформации слоев.The option can be used if it is necessary to determine the geometric center of the two-dimensional region for bodies, with the deformation of the layers of the plate or shell. The variant is based on the property of the electrode system to take into account the weights of sections of the two-dimensional region during layer deformation.
1.20 Электроемкостный преобразователь, в котором диэлектрическая подложка содержит деформируемый диэлектрический слой, который расположен поверх слоя с измерительными электродам и растягивающийся электрод, который расположен поверх деформируемого слоя1.20 An electric capacitive transducer in which the dielectric substrate contains a deformable dielectric layer that is located over the layer with measuring electrodes and a stretch electrode that is located over the deformable layer
Вариант соответствует п. 21 и п. 44 формулы изобретения. Вариант используется в электроемкостном преобразователе для определения координат геометрического центра диэлектрических и электропроводящих тел (см. вариант 1.9).The option corresponds to paragraph 21 and paragraph 44 of the claims. The option is used in an electric capacitive transducer to determine the coordinates of the geometric center of dielectric and electrically conductive bodies (see option 1.9).
1.21 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области отличающийся тем, что диэлектрическая подложка и расположенные на ней электроды выполнены практически прозрачными1.21 A variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, characterized in that the dielectric substrate and the electrodes located on it are made almost transparent
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 22 и п. 45 формулы изобретения.A variant of the electric capacitive converter corresponds to
Вариант характеризуется тем, что изолирующий слой, диэлектрическая подложка и электроды выполнены практически прозрачными. В этом варианте диэлектрическая подложка и изолирующий слой, например, могут быть изготовлены из стекла, а электроды из оксида индия - олова.The variant is characterized in that the insulating layer, the dielectric substrate and the electrodes are made almost transparent. In this embodiment, the dielectric substrate and the insulating layer, for example, can be made of glass, and the electrodes of indium oxide - tin.
Прозрачность электродов может быть обеспечена не только за счет использования практически прозрачного проводника. В варианте, группы измерительных электродов могут быть выполнены относительно небольшой ширины из непрозрачного электропроводящего материала и расположены с относительно большими промежутками друг относительно друга. Общий электрод может быть выполнен из круглых проводников малого сечения, которые расположены с относительно большими промежутками друга относительно друга и перпендикулярно группам измерительных электродов. Такое выполнение электродов обеспечивает их практическую прозрачность.The transparency of the electrodes can be ensured not only through the use of a practically transparent conductor. In an embodiment, the groups of measuring electrodes can be made of relatively small width from an opaque electrically conductive material and arranged at relatively large intervals relative to each other. The common electrode can be made of round conductors of small cross section, which are located at relatively large intervals of each other relative to each other and perpendicular to the groups of measuring electrodes. This embodiment of the electrodes provides their practical transparency.
1.22 Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области1.22 Electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region
В электроемкостном преобразователе для определения координат геометрического центра двумерной области в формуле изобретения по п. 1 можно исключить конструктивные признаки, относящиеся к системе измерительных электродов, диэлектрической подложке и общему электроду, и заменить эти признаки функциональным признаком. Также возможно обобщить признаки вариантов, в которых система измерительных электродов измерительной области выполнена с использованием разного количества измерительных частей.In an electro-capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region in the claims according to
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использование обобщения вариантов и функционального признака соответствует п. 23 формулы изобретения.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a generalization of options and a functional feature corresponds to paragraph 23 of the claims.
Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки формулы изобретения.The electric capacitance converter has the following features of the claims.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области, содержащий диэлектрическую подложку, общий электрод и измерительные электроды, причем измерительные электроды расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области и образуют систему измерительных электродов, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из которых электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу, при этом система измерительных электродов совместно с диэлектрической подложкой и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат, выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя, величины координат геометрического центра двумерной области выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных частей измерительной области электроемкостного преобразователя.An electric capacitance transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, comprising a dielectric substrate, a common electrode and measuring electrodes, the measuring electrodes being located on the dielectric substrate at the boundary of the measuring region and forming a system of measuring electrodes containing at least three measuring parts, measuring electrodes in each of which is electrically interconnected and connected to the corresponding output, while the system of measuring Together with the dielectric substrate and the common electrode, they realize the function of determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region in the region of intersection of the two-dimensional region and the measuring region in the corresponding coordinate system, the conclusions of the measuring parts together with the output of the common electrode form the conclusions of the capacitive transducer, and the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region expressed as a system of values of the electrical capacitance of the electrodes measuring hours on the terminals of the measuring parts of the measuring region of the electric capacitive transducer.
Признак формулы изобретения «измерительные электроды расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области и образуют систему измерительных электродов, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части, измерительные электроды в каждой из которых электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу» объединяет варианты электроемкостного преобразователя 1.4, 1.5, 1.6 и 2.3 в которых имеются три измерительные части, в вариантах 1.3, 2.2 - четыре измерительные части, в варианте 2.4 - шесть и восемь измерительных частей. Измерительные части характеризуются тем, что измерительные электроды каждой из измерительных частей соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом нет принципиальных ограничений в увеличении количества измерительных частей свыше восьми, в одной измерительной области. Следует отметить, что увеличение количества измерительных частей свыше восьми нерационально, т.к. увеличивается количество выводов.The feature of the claims “measuring electrodes are located on a dielectric substrate at the boundary of the measuring region and form a system of measuring electrodes containing at least three measuring parts, the measuring electrodes in each of which are electrically connected to each other and connected to the corresponding terminal” combines the options of the capacitive transducer 1.4, 1.5, 1.6 and 2.3 in which there are three measuring parts, in variants 1.3, 2.2 - four measuring parts, in version 2.4 - six and eight measure flax parts. The measuring parts are characterized in that the measuring electrodes of each of the measuring parts are interconnected and connected to the corresponding output. However, there are no fundamental restrictions in increasing the number of measuring parts over eight, in one measuring area. It should be noted that an increase in the number of measuring parts over eight is irrational, because the number of conclusions increases.
Функциональный признак «система измерительных электродов совместно с диэлектрической подложкой и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области в соответствующей измерительной области системе координат измерительной области» заменяет конструктивные признаки системы измерительных электродов, диэлектрической подложки и общего электрода, приведенные в п. 1 формулы изобретения электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области. Такая замена допустима в связи с тем, что реализация функции, приведенной в признаке формулы изобретения, доказана.The functional sign “the system of measuring electrodes together with the dielectric substrate and the common electrode realize the function of determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region in the region of intersection of the two-dimensional region and the measuring region in the corresponding measuring region, the coordinate system of the measuring region” replaces the design features of the system of measuring electrodes, the dielectric substrate and the common electrode given in
1.23 Особенности реализации назначения электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области1.23 Features of the implementation of the purpose of the electric capacitive transducer for determining the coordinates of the two-dimensional region obtained when the electrically conductive body approaches the surface of the measuring region
Анализ конструкции системы электродов электроемкосного преобразователя показывает, что система измерительных электродов в общем случае реализует функцию определения координат геометрического центра двумерной области с учетом весов участков двумерной области. Определение координат геометрического центра двумерной области с помощью прикосновения является частным случаем общего способа определения координат геометрического центра двумерной области при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области.Analysis of the design of the electrode system of the electro-capacitive transducer shows that, in the general case, the system of measuring electrodes implements the function of determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region, taking into account the weights of the sections of the two-dimensional region. The determination of the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using touch is a special case of a general method for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region when an electrically conductive body approaches the surface of the measuring region.
Как показано на фиг. 30 и фиг. 31, в случае приближения электропроводящего тела 337 (электропроводящего шара) к поверхности измерительной области 110 на поверхности измерительной области образуется двумерная область 338 приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области. Двумерная область 338 приближения образуется в области сгущения силовых линий 336 электрического поля, которые распространяются между поверхностью общей измерительной области с измерительными электродами и шаром. Максимальное сгущение силовых линий формируется в местах двумерной области, которые, приближены на минимальное расстояние к поверхности тела. На фиг. 30 и фиг. 31 дополнительно показаны изолинии 339 одинаковой напряженности электрического поля 336 и геометрический центр 341 двумерной области. Нормаль от геометрического центра двумерной области при соприкосновении с поверхностью электропроводящего тела 337 образует точку, которая приблизительно соответствует геометрическому центру части двумерной поверхности тела, обращенной в сторону поверхности измерительной области.As shown in FIG. 30 and FIG. 31, in the event that the electrically conductive body 337 (the electrically conductive ball) approaches the surface of the
Для математических выкладок поверхность измерительной области условно разобьем на множество квадратных участков 340 одинаковой площади. Величину площади каждого участка выберем такой величины малости, чтобы с заданной точностью можно принять веса точек в границах участка одинаковыми по всей поверхности участка. При этом веса участков пропорциональны электрической емкости соответствующих участков измерительных электродов измерительной области. В области сгущений силовых линий, где поверхность шара приближена на минимальное расстояние, избыточная электрическая емкость участков и их веса являются максимальными. Поэтому эта часть двумерной области приближения является доминирующей для нахождения координат геометрического центра. С другой стороны, в частях двумерной области, которые удалены от поверхности шара, избыточная емкость участков снижается, соответственно снижаются веса этих участков. Поэтому эти части не оказывают большого влияния на координаты геометрического центра и ими можно пренебречь. В связи с этим можно условно ограничить двумерную область приближения.For mathematical calculations, the surface of the measuring region is conventionally divided into many
В данном варианте изобретения, используется величина, которая является обратной величиной расстояния и условно обозначена как приближение. Эта величина увеличивается в случае приближения. Для того чтобы учесть величину приближения электропроводящего тела к участкам поверхности измерительной области с электродами введем для участков поверхности весовые коэффициенты.In this embodiment of the invention, a value is used that is the reciprocal of the distance and is arbitrarily designated as an approximation. This value increases as you approach. In order to take into account the magnitude of the approach of the electrically conductive body to the surface areas of the measuring region with electrodes, we introduce weight coefficients for the surface areas.
Где:Where:
- весовой коэффициент, учитывающий относительную величину приближения электропроводящего тела к участку поверхности двумерной области; - weight coefficient, taking into account the relative magnitude of the proximity of the electrically conductive body to the surface area of the two-dimensional region;
- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью участка - proportionality coefficient between the electric capacity of the site
и площадью электродов участка двумерной области с номером i;and the area of the electrodes of the plot of the two-dimensional region with the number i;
- коэффициент пропорциональности между средней электрической емкостью участков и средней площадью участков двумерной области. - the proportionality coefficient between the average electric capacity of the sections and the average area of the sections of the two-dimensional region.
Где:Where:
- величина избыточной электрической емкости электродов участка двумерной области с номером i; - the value of the excess electric capacity of the electrodes of the plot of the two-dimensional region with number i;
- площадь электродов участка двумерной области с номером i; - the area of the electrodes of the plot of the two-dimensional region with number i;
- среднеарифметическая величина избыточной электрической емкости электродов участков двумерной области; - the arithmetic mean value of the excess electric capacitance of the electrodes of the sections of the two-dimensional region;
- среднеарифметическая величина площади электродов участков двумерной области; - the arithmetic mean of the area of the electrodes of the sections of the two-dimensional region;
- обратная величина расстояния между участком двумерной области и поверхностью электропроводящего тела; - the reciprocal of the distance between the plot of the two-dimensional region and the surface of the electrically conductive body;
- средняя величина обратной величины расстояния между участками поверхности двумерной области и поверхностью электропроводящего тела; - the average reciprocal of the distance between the surface areas of the two-dimensional region and the surface of the electrically conductive body;
ε0 - диэлектрическая постоянная;ε 0 is the dielectric constant;
εB - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.ε B is the relative dielectric constant of air.
Для определения координат геометрического центра двумерной области по осям Y1 и Y2 с введение весовых коэффициентов справедливы следующие выраженияTo determine the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region along the axes Y1 and Y2 with the introduction of weight coefficients, the following expressions are valid
Где:Where:
GY1 - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y1 системы координат первого множества измерительных электродов в области пересечения двумерной области с измерительной областью;G Y1 - the coordinate value of the geometric center of the two-dimensional region along the Y1 ordinate axis of the coordinate system of the first set of measuring electrodes in the region of intersection of the two-dimensional region with the measuring region;
- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y1 участка двумерной области под номером i; - the value of the coordinate of the geometric center along the ordinate axis Y1 of the plot of the two-dimensional region under the number i;
- сумма избыточных емкостей электродов первой и второй измерительных частей первого множества электродов для участка с номером i; - the sum of the excess capacitances of the electrodes of the first and second measuring parts of the first plurality of electrodes for the plot number i;
GY2 - величина координаты геометрического центра двумерной области по оси ординат Y2 системы координат второго множества в области пересечения двумерной области с измерительной областью;G Y2 is the coordinate value of the geometric center of the two-dimensional region along the Y2 ordinate axis of the coordinate system of the second set in the region of intersection of the two-dimensional region with the measuring region;
- величина координаты геометрического центра по оси ординат Y2 участка двумерной области под номером i; - the coordinate value of the geometric center along the ordinate axis Y2 of the plot of the two-dimensional region under the number i;
- сумма избыточных емкостей электродов первой и второй измерительных частей второго множества электродов для участка с номером i. - the sum of the excess capacitances of the electrodes of the first and second measuring parts of the second set of electrodes for the plot number i.
В правых частях выражений (38) и (39) площади электродов участков сокращаются, сумма средних величин по всей двумерной области заменена на равную этой сумме величину избыточной емкости суммы электродов первой и второй измерительной части соответствующего множества электродов, величина емкости участка заменена на сумму избыточных емкостей электродов первой и второй измерительных частей соответствующего множества, в границах соответствующего участка с номером i.In the right parts of expressions (38) and (39), the area of the electrode areas are reduced, the sum of the average values over the entire two-dimensional region, the amount of excess capacitance of the sum of the electrodes of the first and second measuring parts of the corresponding set of electrodes equal to this sum has been replaced; replaced by the sum of the excess capacitances of the electrodes of the first and second measuring parts of the corresponding set, within the boundaries of the corresponding section with the number i.
После подстановки правых частей выражений (25) и (26) для координат геометрического центра для участка двумерной области под номером i взамен и в соответствующие выражения (38) и (39) получим выражения для вычисления координат геометрического центра всей двумерной области, идентичные выражениям (25) и (26). Поэтому введение весовых коэффициентов не меняет вид формул (25) и (26) для вычислений координат геометрического центра. Выражения (25) и (26) используется для вычисления координат геометрических центров двумерной области для всех систем электродов в рамках данного изобретения. Поэтому, в случае введения весовых коэффициентов для вычисления координат геометрического центра двумерной области, вид формул для вычисления координат геометрических центров для всех вариантов электроемкостного преобразователя не меняется. В связи этим, электроемкостный преобразователь в общем случае выполняет функцию определения координат геометрического центра двумерной области с учетом весовых коэффициентов участков двумерной области, которые приблизительно пропорциональны относительной величине приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области. При этом весовые коэффициенты имеют величину больше единицы в границе двумерной области, которая в наибольшей степени приближена к поверхности электропроводящего тела и меньше единицы в части двумерной области с наименьшим приближением. В случае если для всех участков двумерной области соблюдается равенство весовой коэффициент равен 1.After substituting the right-hand sides of expressions (25) and (26) for the coordinates of the geometric center for the section of the two-dimensional region under number i instead and into the corresponding expressions (38) and (39) we obtain expressions for calculating the coordinates of the geometric center of the entire two-dimensional region, identical to expressions (25) and (26). Therefore, the introduction of weighting coefficients does not change the form of formulas (25) and (26) for calculating the coordinates of the geometric center. Expressions (25) and (26) are used to calculate the coordinates of the geometric centers of the two-dimensional region for all electrode systems in the framework of this invention. Therefore, in the case of the introduction of weights to calculate the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, the form of the formulas for calculating the coordinates of geometric centers for all options of the electric capacitive transducer does not change. In this regard, the electro-capacitive transducer generally performs the function of determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region, taking into account the weight coefficients of the sections of the two-dimensional region, which are approximately proportional to the relative magnitude of the approximation of the conductive body to the surface of the measuring region. In this case, the weighting coefficients are greater than unity at the boundary of the two-dimensional region, which is closest to the surface of the electrically conductive body and less than unity in the part of the two-dimensional region with the smallest approximation. If for all sections of the two-dimensional region the equality weighting factor equal to 1.
2. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей2. An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей соответствует п. 24 формулы изобретения. Варианты конструкции электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 32-41.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions corresponds to paragraph 24 of the claims. Embodiments of the electrical capacitive converter are shown in FIG. 32-41.
Назначение электроемкостного преобразователя заключается в определении координат геометрического центра двумерной области и в обеспечении возможности определения геометрических центров нескольких двумерных областей.The purpose of the electric capacitive transducer is to determine the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region and to provide the possibility of determining the geometric centers of several two-dimensional regions.
Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки изобретения.The electric capacitive converter has the following features of the invention.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, содержащий диэлектрическую подложку, общий электрод и расположенное на диэлектрической подложке множество измерительных областей. Форма, размеры и расположение измерительных областей заданы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической подложки. Каждая из измерительных областей содержит измерительные электроды, которые расположены на диэлектрической подложке в границе соответствующей измерительной области и образуют систему измерительных электродов измерительной области. Система измерительных электродов измерительной области содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. В каждой из измерительных областей форма, размеры и расположение измерительных электродов первого и второго множеств определены в отдельных соответствующих множествам системах координат, причем ось ординат системы координат первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат системы координат второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительной области, измерительные электроды разделены на соответствующие множеству однообразные группы электродов, при этом группы измерительных электродов расположены на диэлектрической подложке с равномерными интервалами вдоль оси абсцисс. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей, в каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат. Измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении. Для каждой измерительной части измерительной области измерительные электроды соединены между собой и подключены к соответствующему электрическому выводу в соответствии со схемой соединений измерительных электродов и подключений выводов. Выводы измерительных частей измерительных областей, совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. Величины координат геометрического центра двумерной области или геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных областей электроемкостного преобразователя.An electric capacitance converter for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions, comprising a dielectric substrate, a common electrode and a plurality of measuring regions located on the dielectric substrate. The shape, size and location of the measuring areas are specified. The measuring regions are arranged at predetermined intervals relative to each other at the boundary of the common measuring region of the dielectric substrate. Each of the measuring regions contains measuring electrodes that are located on the dielectric substrate at the boundary of the corresponding measuring region and form a system of measuring electrodes of the measuring region. The system of measuring electrodes of the measuring region contains two sets of measuring electrodes. The measuring electrodes of each of the sets form the first and second measuring parts corresponding to the set. In each of the measuring areas, the shape, size and location of the measuring electrodes of the first and second sets are determined in separate coordinate systems corresponding to the sets, and the ordinate axis of the coordinate system of the first set is located at a predetermined non-zero angle to the ordinate axis of the coordinate system of the second set. For any single first or second set of measuring regions, the measuring electrodes are divided into uniform groups of electrodes corresponding to the set, while the groups of measuring electrodes are arranged on a dielectric substrate at uniform intervals along the abscissa axis. Each of the groups contains a part of the first and second measuring parts corresponding to the plurality of measuring electrodes, in each of the groups of many, the measuring electrodes of the first measuring part are made in the form of geometric figures, the total width of which along the direction of the abscissa axis as a function of distance along the direction of the ordinate axis varies the electrodes of the second measuring part are made in the form of geometric figures, complementing the geometric figures of the measuring electrodes of the first measuring part before the formation of a constant total width along the abscissa axis as a function of distance along the ordinate axis. The measuring electrodes of the groups are made and arranged in such a way that in any section of the measuring electrodes of the groups parallel to the abscissa, the difference between the total width of the measuring electrodes of the first measuring part and the total width of the measuring electrodes of the second measuring part, calculated within one full group and one section, is constant in this section for other complete groups, in any section of the measuring electrodes of groups parallel to the abscissa axis, the line calculated within one full group and one section, the total width of the measuring electrodes of the first and second measuring parts is a constant value in this section for other full groups, and the full groups have the full composition of the measuring electrodes in cross section. For each measuring part of the measuring region, the measuring electrodes are interconnected and connected to the corresponding electrical terminal in accordance with the connection diagram of the measuring electrodes and the terminal connections. The conclusions of the measuring parts of the measuring areas, together with the output of the common electrode form the conclusions of the capacitive transducer. The values of the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region or the geometric centers of several two-dimensional regions are expressed as a system of values of the electric capacitances of the electrodes of the measuring parts at the terminals of the measuring regions of the electric capacitance converter.
В соответствии с изобретением отдельные измерительные области могут быть произвольной формы. Измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической подложки. Такое расположение напоминает расположение измерительных областей в виде элементов мозаики. Заданные промежутки между измерительными областями необходимы для размещения соединительных проводников. С промежутками связана погрешность в определении координат геометрического центра двумерной области, которая относится к погрешности кусочно-постоянной аппроксимации границы измерительной области, поэтому ширину промежутков необходимо выбирать минимально возможной. Промежутки между измерительными областями могут иметь постоянную ширину, например, с целью повышения симметрии расположения измерительных областей.In accordance with the invention, the individual measuring areas may be of arbitrary shape. The measuring regions are arranged at predetermined intervals relative to each other at the boundary of the common measuring region of the dielectric substrate. This arrangement resembles the location of the measuring areas in the form of mosaic elements. The specified gaps between the measuring areas are necessary for the placement of the connecting conductors. With gaps, there is an error in determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region, which refers to the error of the piecewise constant approximation of the boundary of the measuring region, so the width of the gaps must be chosen as small as possible. The gaps between the measuring regions may have a constant width, for example, in order to increase the symmetry of the arrangement of the measuring regions.
Возможен вариант, в котором соединительные проводники и выводы размещены внутри измерительных областей групп измерительных электродов. В этом случае границы измерительных областей расположены с промежутками практически нулевой величины. Вариант соответствует п. 30 формулы изобретения.A variant is possible in which the connecting conductors and terminals are placed inside the measuring areas of the groups of measuring electrodes. In this case, the boundaries of the measuring regions are spaced at intervals of almost zero magnitude. The option corresponds to paragraph 30 of the claims.
Расположенные в промежутках между измерительными областями групп измерительных электродов или в пространстве измерительных областей групп соединительные проводники также могут быть источником погрешности. Эту погрешность можно уменьшить различными методами. Например, путем размещения в промежутках дополнительных компенсационных проводников.Connecting conductors located in the gaps between the measuring regions of the groups of measuring electrodes or in the space of the measuring regions of the groups can also be a source of error. This error can be reduced by various methods. For example, by placing additional compensation conductors in between.
Электроемкостный преобразователь с использование множества измерительных областей имеет следующие преимущества в сравнении с электроемкостным преобразователем с одной измерительной областью.An electro-capacitive transducer using a plurality of measuring areas has the following advantages in comparison with an electro-capacitive transducer with a single measuring region.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с одной измерительной областью, в случае определения координат геометрического центра для относительно небольшой по размерам двумерной области имеет относительно большую погрешность определения координат. Погрешность связана большой величиной пассивной электрической емкости измерительных электродов измерительной области, которая шунтирует избыточную емкость от тела. Дополнительно, применение распределенных по всей измерительной области диэлектрической подложки электродов снижает чувствительность преобразования, т.к. для определения геометрического центра необходимо использовать общую для всей диэлектрической подложки систему координат. В связи с этим снижается температурная стабильность и точность определения координат геометрического центра. Этот недостаток в данной разновидности электроемкостного преобразователя практически исключен за счет расположения на диэлектрической подложке множества измерительных областей. При этом для каждой двумерной области имеется возможность определить геометрический центр с использованием группы измерительных областей. В этом случае используется электроды с минимальной площадью, что уменьшает величину их пассивной емкости. В связи с тем, что для каждой измерительной области используется своя локальная система координат, в этих областях имеется возможность выполнить систему электродов с увеличенной чувствительностью преобразования. При этом высокая точность сохранятся при определении координат двумерной области с применением группы измерительных областей. Применение множества измерительных областей существенно повышает точность определения геометрического центра двумерной области при расположении измерительных электродов на криволинейной поверхности диэлектрической подложки, т.к. множество измерительных областей, каждая из которых имеет относительно небольшой размер, более точно учитывает детали рельефа двумерной области.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with one measuring region, in the case of determining the coordinates of the geometric center for a relatively small two-dimensional region, has a relatively large error in determining the coordinates. The error is due to the large value of the passive electric capacitance of the measuring electrodes of the measuring region, which shunts the excess capacitance from the body. Additionally, the use of electrodes distributed over the entire measuring region of the dielectric substrate reduces the conversion sensitivity, since To determine the geometric center, it is necessary to use a coordinate system common to the entire dielectric substrate. In this regard, the temperature stability and accuracy of determining the coordinates of the geometric center are reduced. This disadvantage in this type of electric capacitive transducer is virtually eliminated due to the location on the dielectric substrate of many measuring areas. Moreover, for each two-dimensional region, it is possible to determine the geometric center using a group of measuring regions. In this case, electrodes with a minimum area are used, which reduces the value of their passive capacitance. Due to the fact that for each measuring area its own local coordinate system is used, in these areas it is possible to perform a system of electrodes with increased conversion sensitivity. In this case, high accuracy will be preserved when determining the coordinates of a two-dimensional region using a group of measuring regions. The use of many measuring areas significantly increases the accuracy of determining the geometric center of the two-dimensional region when the measuring electrodes are located on the curved surface of the dielectric substrate, because many measuring areas, each of which is relatively small, more accurately takes into account the relief details of the two-dimensional region.
В варианте 2.1 описан электроемкостный преобразователь, измерительная область которого содержит три измерительные части и, соответственно, три электрических вывода. В вариантах 2.2 и 2.3, приведены примеры реализации электроемкостного преобразователя с измерительными областями в виде прямоугольников и шестиугольников. В варианте 2.4 использованы измерительные области, распложенные на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки в виде строк и столбцов.In option 2.1, an electric capacitive converter is described, the measuring region of which contains three measuring parts and, accordingly, three electrical terminals. In versions 2.2 and 2.3, examples of the implementation of an electric capacitive transducer with measuring areas in the form of rectangles and hexagons are given. In option 2.4, measuring regions are used, which are located on two surfaces of the layers of the dielectric substrate in the form of rows and columns.
С целью обеспечения использования в разных условиях применения, электроемкостный преобразователь данной разновидности может быть выполнен в нескольких вариантах, отличающихся конструкцией диэлектрической подложки и общего электрода по вариантам 1.8-1.21. Ниже описана сущность нескольких таких вариантов.In order to ensure use in different application conditions, the electric capacitive converter of this variety can be made in several versions, differing in the design of the dielectric substrate and the common electrode in versions 1.8-1.21. The essence of several such options is described below.
2.1 Вариант электроемкостного преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, с тремя выводами от системы измерительных электродов измерительной области, содержащей три измерительные части2.1 A variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions, with three leads from a system of measuring electrodes of the measuring region containing three measuring parts
Вариант соответствует п. 26 формулы изобретения и характеризуется следующими признаками.The option corresponds to paragraph 26 of the claims and is characterized by the following features.
Электроемкостный преобразователь, отличающийся тем, что в системе электродов измерительной области состоящей из четырех измерительных частей, измерительные электроды любых двух измерительных частей разных множеств электрически соединены между собой или любая одна измерительная часть исключена, образуя новую систему, состоящую из трех измерительных частей, в каждой из измерительных частей которой измерительные электроды соединены между собой и имеют соответствующий электрический вывод от измерительных электродов измерительной части.An electric capacitance converter, characterized in that in the electrode system of the measuring region consisting of four measuring parts, the measuring electrodes of any two measuring parts of different sets are electrically interconnected or any one measuring part is excluded, forming a new system consisting of three measuring parts, in each of the measuring parts of which the measuring electrodes are interconnected and have a corresponding electrical output from the measuring electrodes of the measuring part ty.
Данная система измерительных электродов получается с использованием вариантов схем соединений измерительных электродов и подключением выводов, описанных в вариантах 1.4, 1.5, 1.6 и соответствующих пунктах п. 5, п. 6 и п. 7 формулы изобретения.This system of measuring electrodes is obtained using variants of the connection schemes of the measuring electrodes and connecting the leads described in options 1.4, 1.5, 1.6 and the corresponding paragraphs of paragraph 5, paragraph 6 and paragraph 7 of the claims.
2.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников2.2 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions in the form of rectangles
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 27 формулы изобретения. На фиг. 32 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 33 приведена система измерительных электродов, схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 27 of the claims. In FIG. 32 shows the location of the measuring areas and their conclusions. In FIG. 33 shows a system of measuring electrodes, a diagram of their connections and connections for a single measuring area.
Вариант имеет следующие признаки изобретения.An embodiment has the following features of the invention.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличающийся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, которые расположены на диэлектрической подложке в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions, characterized in that the measuring regions are made in the form of geometric figures of rectangles that are located on the dielectric substrate in the form of a regular structure of rows and columns, and in each measuring region the measuring electrodes are arranged so that the origin of the local coordinate system of the measuring region coincides with its geometric center th.
Вариант электроемкостного преобразователя 401 содержит диэлектрическую подложку 402 на которой расположены множество измерительных областей 410 в форме геометрических фигур прямоугольников. Измерительные области расположены на диэлектрической подложке с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области диэлектрической подложки 404.An embodiment of the
В данном варианте электроемкостного преобразователя использована система измерительных электродов с четырьмя выводами от измерительной области, описанная в варианте 1.3 раздела «сущность изобретения».In this embodiment of the electric capacitive transducer, a system of measuring electrodes with four leads from the measuring region is used, which is described in version 1.3 of the section “Summary of the Invention”.
В каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром. Совмещение начала системы координат измерительной области с геометрическим центром измерительной области может быть осуществлено путем соответствующего расположения множеств измерительных электродов относительно измерительной области и относительно друг друга. На фиг. 33 локальные системы координат первого и второго множеств измерительных электродов обозначены цифрами 416 и 417, соответственно. Локальная система координат измерительной области обозначена цифрой 408.In each measuring region, the measuring electrodes are arranged so that the origin of the local coordinate system of the measuring region coincides with its geometric center. Combining the origin of the coordinate system of the measuring region with the geometric center of the measuring region can be accomplished by the appropriate arrangement of the sets of measuring electrodes relative to the measuring region and relative to each other. In FIG. 33 local coordinate systems of the first and second sets of measuring electrodes are indicated by the
Измерительные электроды и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки 402. Схема соединений электродов может быть применена для любого количества электродов без пересечения электродов и выводов, с максимальным количеством проводников 409, проходящих вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем. Выводы системы электродов каждой измерительной области на фиг. 32 и фиг. 33 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границы диэлектрической подложки в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов электроемкостного преобразователя, посредством проводников шлейфов 407, к микроконтроллеру или к другому конечному устройству.The measuring electrodes and their terminals are located on one surface of the
Величины координат геометрического центра двумерной области или геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных областей электроемкостного преобразователя.The values of the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region or the geometric centers of several two-dimensional regions are expressed as a system of values of the electric capacitances of the electrodes of the measuring parts at the terminals of the measuring regions of the electric capacitance converter.
Принцип действия электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей заключается в следующем.The principle of operation of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions is as follows.
Для определения координат геометрического центра двумерной области на поверхность общей измерительной области диэлектрической подложки помещают тело, которое образует с поверхностью двумерную область соприкосновения. Для каждой измерительной области на основе измерения емкостей измерительных частей электродов определяют геометрические центры в области пересечения двумерной области и измерительной области, в локальной для измерительной области системе координат. Затем, для вычисления координат геометрического центра двумерной области, координаты геометрических центров пересечения измерительных областей с двумерной областью переводят в общую систему координат общей измерительной области и вычисляют координаты геометрического центра двумерной области в этой системе координат, на основе следующих формул.To determine the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region, a body is placed on the surface of the common measuring region of the dielectric substrate, which forms a two-dimensional contact region with the surface. For each measuring region, based on the measurement of capacitances of the measuring parts of the electrodes, geometric centers are determined at the intersection of the two-dimensional region and the measuring region, in a coordinate system local to the measuring region. Then, to calculate the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region, the coordinates of the geometric centers of intersection of the measuring regions with the two-dimensional region are transferred to the general coordinate system of the general measuring region and the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region in this coordinate system are calculated based on the following formulas.
Где:Where:
GY - величина координаты по оси Y геометрического центра двумерной области тела в системе координат общей измерительной области;G Y - the coordinate value along the Y axis of the geometric center of the two-dimensional region of the body in the coordinate system of the common measuring region;
- величина координаты по оси Y геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером i в системе координат общей измерительной области; - the coordinate value along the Y axis of the geometric center of the intersection of the two-dimensional region of the body with the measuring region with number i in the coordinate system of the common measuring region;
- площадь электродов измерительной области с номером i, в той части, где измерительная область пересекается с двумерной областью тела; - the area of the electrodes of the measuring region with number i, in the part where the measuring region intersects with the two-dimensional region of the body;
-суммарная величина избыточной электрической емкости электродов измерительных частей измерительной области с номером i; - the total value of the excess electric capacitance of the electrodes of the measuring parts of the measuring region with number i;
GX - величина координаты по оси X геометрического центра двумерной области тела в системе координат общей измерительной области;G X is the coordinate value along the X axis of the geometric center of the two-dimensional region of the body in the coordinate system of the common measuring region;
- величина координаты по оси X геометрического центра области пересечения двумерной области тела с измерительной областью с номером i. - the value of the coordinate along the X axis of the geometric center of the intersection of the two-dimensional region of the body with the measuring region with number i.
Значение емкости суммарной величины избыточной электрической емкости электродов измерительных частей измерительной области с номером i связано с величиной площади пересечения электродов каждой измерительной области с двумерной областью тела выражением, аналогичным выражению (1) или (3)Value capacity of the total value of the excess electric capacity of the electrodes of the measuring parts of the measuring region with number i is associated with the size of the area the intersection of the electrodes of each measuring region with a two-dimensional region of the body by an expression similar to the expression (1) or (3)
Где:Where:
К1 - коэффициент пропорциональности между электрической емкостью и площадью электродов.To 1 - the coefficient of proportionality between the electric capacitance and the area of the electrodes.
Для системы электродов измерительной области состоящей из четырех измерительных частей величина равнаFor a system of electrodes in the measuring area consisting of four measuring parts, the value is equal to
Где:Where:
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной частей первого множества соответственно, для измерительной области с номером i; - the sums of the electric capacitances of the measuring electrodes of the first and second measuring parts of the first set, respectively, for the measuring region with number i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной частей второго множества соответственно, для измерительной области с номером i; - the sums of the electric capacitances of the measuring electrodes of the first and second measuring parts of the second set, respectively, for the measuring region with number i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, первого множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером i; - the sums of the electric capacitances of the measuring electrodes of the first and second measuring part, respectively, of the first set in the absence of a body, for the measuring region with number i;
- величины сумм электрических емкостей измерительных электродов первой и второй измерительной части соответственно, второго множества в отсутствие тела, для измерительной области с номером i. - the values of the sums of the electric capacitances of the measuring electrodes of the first and second measuring parts, respectively, of the second set in the absence of a body, for the measuring region with number i.
Коэффициент пропорциональности К1 между электрической емкостью и площадью электродов может быть найден по формуле (2) для плоской диэлектрической подложки, или по формуле (34) для диэлектрической подложки изогнутой в форме части цилиндра. При вычислении геометрического центра по формулам (40) и (41) этот коэффициент К1 сокращается, поэтому использование вариантов диэлектрической подложки не оказывает влияния на реализацию назначения электроемкостного преобразователя. В связи с тем, что группы измерительных электродов, из которых состоит измерительная часть измерительной области, имеют постоянную ширину и содержат заданное количество однообразных измерительных групп электродов, расположенных в границах измерительных областей групп электродов, площадь измерительной области пропорциональна площади измерительных электродов измерительной области. В выражениях (40) и (41) коэффициент пропорциональности также сокращается. Поэтому, в формулах (40) и (41) использована площадь электродов измерительной области в области их пересечения с измерительной областью, взамен площади поверхности измерительной области в области пересечения измерительной области с двумерной областью.The proportionality coefficient K 1 between the electric capacitance and the area of the electrodes can be found by the formula (2) for a flat dielectric substrate, or by the formula (34) for a dielectric substrate bent in the form of a cylinder part. When calculating the geometric center using formulas (40) and (41), this coefficient K 1 is reduced, therefore, the use of dielectric substrate options does not affect the implementation of the purpose of the electric capacitive converter. Due to the fact that the groups of measuring electrodes that make up the measuring part of the measuring region have a constant width and contain a predetermined number of uniform measuring groups of electrodes located within the boundaries of the measuring regions of the electrode groups, the area of the measuring region is proportional to the area of the measuring electrodes of the measuring region. In expressions (40) and (41), the proportionality coefficient is also reduced. Therefore, in formulas (40) and (41), the area of the electrodes of the measuring region in the region of their intersection with the measuring region is used, instead of the surface area of the measuring region in the region of intersection of the measuring region with the two-dimensional region.
Для определения геометрического центра одной двумерной области вычисление геометрического центра может осуществляться путем нахождения сумм в числителе и знаменателе в выражениях (40) и (41) по всем измерительным областям общей измерительной области диэлектрической подложки. В тоже время, такое суммирование для небольшой двумерной области приводит к погрешности, обусловленной большой величиной пассивной емкости электродов.To determine the geometric center of one two-dimensional region, the geometric center can be calculated by finding the sums in the numerator and denominator in expressions (40) and (41) over all measuring regions of the total measuring region of the dielectric substrate. At the same time, such summation for a small two-dimensional region leads to an error due to the large value of the passive capacitance of the electrodes.
Величину этой емкости можно уменьшить следующим способом.The value of this capacity can be reduced in the following way.
На основе информации о величинах суммарной избыточной емкости измерительных частей электродов измерительной области находят измерительные области с величиной избыточной емкости больше заданной пороговой величины. Эти измерительные области считают полностью или частично покрытыми двумерной областью тела. Из числа этих областей выделяют группу измерительных областей, связанных между собой границами. Затем, вычисляют координаты общего геометрического центра двумерной области для связанных измерительных областей по формулам (40), (41) с включением в суммы только измерительных областей входящих в группу измерительных областей.Based on value information the total excess capacity of the measuring parts of the electrodes of the measuring region find the measuring region with a value of excess capacity greater than a predetermined threshold value. These measurement regions are considered fully or partially covered by the two-dimensional region of the body. Among these areas, a group of measuring areas is identified that are interconnected by boundaries. Then, the coordinates of the common geometric center of the two-dimensional region for the connected measuring regions are calculated by formulas (40), (41) with the inclusion of only the measuring regions included in the group of measuring regions.
Для определения геометрических центров двумерных областей нескольких тел, тела размещают на измерительной поверхности диэлектрической подложки с промежутками. Ширину промежутков выбирают больше, чем максимальные размеры измерительных областей. В этом случае имеется возможность выделить несколько групп измерительных областей, которые покрывают двумерные области разных тел. Для этих групп, с использованием выражений (40), (41), определяют геометрические центры двумерных областей по отдельности. На основе координат геометрических центров отдельных измерительных областей каждой группы определяют координаты геометрического центра двумерной области.To determine the geometric centers of two-dimensional regions of several bodies, the bodies are placed on the measuring surface of the dielectric substrate at intervals. The width of the gaps is chosen more than the maximum dimensions of the measuring areas. In this case, it is possible to distinguish several groups of measuring regions that cover two-dimensional regions of different bodies. For these groups, using expressions (40), (41), the geometric centers of the two-dimensional regions are determined separately. Based on the coordinates of the geometric centers of the individual measuring regions of each group, the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region are determined.
Разделение измерительных областей на группы может быть выполнено путем нахождения границ групп измерительных областей по замкнутым цепочкам измерительных областей, окружающих группы измерительных областей, избыточная емкость которых ниже заданного порога.The separation of the measuring regions into groups can be performed by finding the boundaries of the groups of measuring regions in closed chains of measuring regions surrounding the groups of measuring regions whose excess capacity is below a given threshold.
Возможен алгоритм вычисления геометрических центров двумерных областей нескольких тел, имеющих двумерные области в форме кругов приблизительно одинаковых размеров, которые могут быть расположены на измерительной поверхности диэлектрической подложки без промежутков относительно друг друга. Этот алгоритм заключается в том, что с использованием информации о положении геометрических центров всех двумерных областей строят двумерный сплайн избыточной емкости по измерительной поверхности диэлектрической подложки, определяют точки максимумов, которые, в первом приближении, считают центрами двумерных областей. Затем, измерительные области, лежащие в лощинах сплайна, с учетом того, что форма двумерных областей тел, как и форма и расположение измерительных областей известны, условно разделяют на части, для которых по отдельности вычисляют геометрические центры. С учетом координат геометрических центров частей разделенных областей и площадей этих частей, находят геометрические центры двумерных областей.An algorithm is possible for calculating the geometric centers of two-dimensional regions of several bodies having two-dimensional regions in the form of circles of approximately the same size, which can be located on the measuring surface of the dielectric substrate without gaps relative to each other. This algorithm consists in the fact that using information about the position of the geometric centers of all two-dimensional regions, a two-dimensional spline of excess capacity is constructed from the measuring surface of the dielectric substrate, maximum points are determined, which, in a first approximation, are considered the centers of two-dimensional regions. Then, the measuring regions lying in the spline hollows, taking into account that the shape of the two-dimensional regions of the bodies, as well as the shape and arrangement of the measuring regions are known, are conditionally divided into parts for which geometric centers are calculated separately. Given the coordinates of the geometric centers of the parts of the divided areas and the areas of these parts, find the geometric centers of two-dimensional areas.
На основании этого, реализация назначения электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, имеющего множество измерительных областей, считается доказанной.Based on this, the implementation of the purpose of the electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region having a plurality of measuring regions is considered proven.
2.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников2.3 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions in the form of hexagons
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 28 формулы изобретения. На фиг. 34 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 35 приведена система измерительных электродов и схема соединений и подключений электродов для отдельно взятой измерительной области.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 28 of the claims. In FIG. 34 shows the location of the measuring areas and their conclusions. In FIG. 35 shows a system of measuring electrodes and a diagram of the connections and connections of electrodes for a single measuring region.
Вариант имеет следующие признаки формулы изобретения.An embodiment has the following features of the claims.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличающийся тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в виде регулярной структуры из строк и столбцов, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с ее геометрическим центром.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions, characterized in that the measuring regions are made in the form of geometric figures of regular hexagons and are arranged in the form of a regular structure of rows and columns, and in each measuring region the measuring electrodes are arranged so that the origin of the local coordinate system of the measuring region coincides with its geometric center.
Вариант 2.3 отличается от варианта 2.2 тем, что измерительные области выполнены в форме геометрических фигур правильных шестиугольников и расположены в виде регулярной структуры из строк и столбцов. В дополнение к этому, в варианте использована система электродов с тремя выводами от измерительных частей по варианту 1.4. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя аналогичен варианту 2.2.Option 2.3 differs from option 2.2 in that the measuring areas are made in the form of geometric figures of regular hexagons and are arranged in the form of a regular structure of rows and columns. In addition to this, the variant used an electrode system with three leads from the measuring parts according to version 1.4. The principle of operation of a variant of an electric capacitive converter is similar to version 2.2.
В сравнении с вариантом 2.2, в этом варианте использована система измерительных электродов с тремя выводами от измерительных частей, в результате чего уменьшается количество выводов от измерительных областей, что позволяет уменьшить промежутки между измерительными областями, уменьшить количество проводников в шлейфах и количество каналов преобразования «емкость - цифровой код» в микроконтроллере.Compared to option 2.2, this option uses a system of measuring electrodes with three leads from the measuring parts, which reduces the number of leads from the measuring areas, which allows to reduce the gaps between the measuring areas, to reduce the number of conductors in the loops and the number of conversion channels "capacity - digital code ”in the microcontroller.
2.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки в виде матрицы2.4 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions located on two surfaces of the layers of the dielectric substrate in the form of a matrix
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 29 формулы изобретения. На фиг. 36 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической подложке. На фиг. 37 и фиг. 38 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов, со схемами соединений и подключений электродов.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 29 of the claims. In FIG. 36 shows the arrangement of the measuring regions on the dielectric substrate. In FIG. 37 and FIG. 38 shows the location of the measuring electrodes of the measuring areas of rows and columns, with diagrams of the connections and connections of the electrodes.
Вариант электроемкостного преобразователя характеризуется следующими признаками изобретения.A variant of an electric capacitive converter is characterized by the following features of the invention.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, отличающийся тем, что измерительные области расположены на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки, причем расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической подложки измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, образующих строки, а на другой поверхности диэлектрической подложки выполнены в форме прямоугольников, образующих столбцы. При этом в области пересечений измерительных областей строк и столбцов боковые стороны групп электродов измерительных областей строк и столбцов расположены практически параллельно друг другу и с чередованием, таким образом, что на виде на поверхность диэлектрической подложки не пересекают друг друга, причем в каждой измерительной области измерительные электроды расположены таким образом, что начало локальной системы координат измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions, characterized in that the measuring regions are located on two surfaces of the layers of the dielectric substrate, and the measuring regions located on the same surface of the dielectric substrate layer are made in the form of geometric figures of rectangles forming the rows, and on the other surface of the dielectric substrate are made in the form of rectangles forming a column . At the same time, in the intersection region of the measuring regions of rows and columns, the sides of the electrode groups of the measuring regions of rows and columns are located almost parallel to each other and alternating, so that in the view on the surface of the dielectric substrate they do not intersect each other, and in each measuring region the measuring electrodes arranged so that the origin of the local coordinate system of the measuring region coincides with the geometric center of the measuring region.
Величины координат геометрического центра двумерной области или геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей электродов измерительных частей на выводах измерительных областей строк и столбцов.The coordinates of the geometric center of a two-dimensional region or the geometric centers of several two-dimensional regions are expressed as a system of values of the electric capacitances of the electrodes of the measuring parts at the terminals of the measuring regions of rows and columns.
Группы электродов измерительных областей строк и столбцов расположены на разных поверхностях слоев с чередованием и не пересекают друг друга. В связи с чем, измерительные электроды измерительных областей на виде сверху на поверхность диэлектрической подложки не затеняют друг друга. Поэтому, измерительные области, расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической подложки можно рассматривать как вариант системы измерительных областей электроемкостного преобразователя, описанного в варианте 2.2.The groups of electrodes of the measuring regions of rows and columns are located on different surfaces of the alternating layers and do not intersect each other. In this connection, the measuring electrodes of the measuring areas in a plan view onto the surface of the dielectric substrate do not obscure each other. Therefore, the measuring areas located on one surface of the dielectric substrate layer can be considered as a variant of the system of measuring areas of the electric capacitive transducer described in option 2.2.
При определении координат двумерной области могут использоваться как измерительные области столбцов, так и измерительные области строк, взятые по отдельности. При этом, в случае определения геометрического центра с использованием измерительных областей строк и столбцов, повышается точность определения геометрического центра до уровня точности, сопоставимого с точностью для варианта, например, 2.2, с не пересекающимися измерительными областями. Повышение точности связано с тем, что в локальной системе координат столбца или строки, вдоль направления ширины столбца или ширины строки, чувствительность преобразования может быть увеличена до величины, сопоставимой с чувствительностью отдельной, относительно небольшой по размерам измерительной области, а при вычислении координат геометрического центра может быть использована информация о положении геометрического центра по осям координат с наибольшей чувствительностью.When determining the coordinates of a two-dimensional region, both measuring regions of columns and measuring regions of rows taken separately can be used. In this case, in the case of determining the geometric center using the measuring areas of rows and columns, the accuracy of determining the geometric center increases to a level of accuracy comparable to the accuracy for a variant, for example, 2.2, with non-intersecting measuring areas. The increase in accuracy is due to the fact that in the local coordinate system of a column or row, along the direction of the column width or row width, the conversion sensitivity can be increased to a value comparable to the sensitivity of a separate relatively small measuring region, and when calculating the coordinates of the geometric center, information on the position of the geometric center along the coordinate axes with the greatest sensitivity should be used.
Возможность определения геометрических центров двумерных областей, как с использованием строк, так и столбцов расширяет степени свободы для раздельного определения геометрических центров двумерных областей, что увеличивает количество двумерных областей, для которых электроемкостный преобразователь способен по отдельности определить геометрические центры. Например, в случае пересечения двух или более двумерных областей с измерительной областью одного столбца, система электродов этого столбца позволит определить только общий геометрический центр частей этих двумерный областей. В тоже время имеется возможность независимого определения геометрических центров этих областей по отдельности с использованием измерительных областей строк.The ability to determine the geometric centers of two-dimensional regions, using both rows and columns, expands the degrees of freedom for the separate determination of the geometric centers of two-dimensional regions, which increases the number of two-dimensional regions for which the capacitive transducer can individually determine geometric centers. For example, in the case of the intersection of two or more two-dimensional regions with the measuring region of one column, the electrode system of this column will determine only the common geometric center of the parts of these two-dimensional regions. At the same time, it is possible to independently determine the geometric centers of these regions individually using the measuring regions of the rows.
При осуществлении изобретения количество строк и столбцов может быть произвольным, например, как показано на фиг. 41, где измерительная область диэлектрической подложки, содержит восемь областей строк и восемь столбцов. Оси системы координат показаны только для измерительных областей крайних строк и столбцов. Расположение осей систем координат других строк и столбцов аналогично.In the practice of the invention, the number of rows and columns may be arbitrary, for example, as shown in FIG. 41, where the measuring region of the dielectric substrate contains eight row regions and eight columns. The axes of the coordinate system are shown only for the measuring areas of the extreme rows and columns. The location of the axes of the coordinate systems of other rows and columns is similar.
На фиг. 39 и фиг. 40 показан вариант электроемкостного преобразователя с тремя выводами от каждой измерительной области. На фиг. 39 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк, на фиг. 40 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей столбцов, со схемами соединений и подключений электродов.In FIG. 39 and FIG. 40 shows an embodiment of an electric capacitive transducer with three leads from each measurement region. In FIG. 39 shows the location of the measuring electrodes of the measuring areas of the rows, in FIG. 40 shows the location of the measuring electrodes of the measuring areas of the columns, with diagrams of the connections and connections of the electrodes.
В варианте электроемкостного преобразователя использована система измерительных электродов измерительной области с тремя выводами, по варианту 1.4. Преимуществом варианта является уменьшение общего количества выводов от измерительных областей и уменьшение ширины промежутков между измерительными областями.In the variant of the electric capacitive converter, a system of measuring electrodes of the measuring region with three leads was used, according to version 1.4. The advantage of the option is to reduce the total number of conclusions from the measuring areas and reducing the width of the gaps between the measuring areas.
2.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, в котором промежутки между измерительными областями заданы нулевой величины2.5. An embodiment of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions, in which the gaps between the measuring regions are set to zero
Вариант электроемкстного преобразователя соответствует п. 30. Вариант характеризуется тем, что промежутки между измерительными областями заданы нулевой величины, при этом соединительные проводники для соединения измерительных электродов измерительных частей и выводы измерительных частей расположены в границах измерительных областей групп измерительных электродов.The variant of the electro-capacitive transducer corresponds to paragraph 30. The variant is characterized in that the gaps between the measuring areas are set to zero, while the connecting conductors for connecting the measuring electrodes of the measuring parts and the terminals of the measuring parts are located within the boundaries of the measuring areas of the groups of measuring electrodes.
2.6 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с выходными сигналами в виде цифрового кода2.6 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions with output signals in the form of a digital code
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 31 формулы изобретения. Вариант показан на фиг. 41.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 31 of the claims. The embodiment is shown in FIG. 41.
В этом варианте электроемкостный преобразователь дополнительно снабжен микроконтроллером, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти и процессор. Причем выводы измерительных областей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод общего электрода подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом процессора. Сигналы электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя поступают на вход процессора микроконтроллера, процессор реализует вычисление координат геометрического центра одной двумерной области или вычисление координат геометрических центров двумерных областей нескольких тел, а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.In this embodiment, the electric capacitive converter is additionally equipped with a microcontroller containing a multi-channel analog-to-digital converter "electric capacity is a digital code", a memory unit and a processor. Moreover, the conclusions of the measuring areas of the capacitive converter are connected to the corresponding channel inputs of the analog-to-digital converter, the output of the common electrode is connected to the corresponding input of the microcontroller, the output of the analog-to-digital converter is connected to the processor input. The signals of electric capacitors in the form of a digital code from the output of the analog-to-digital converter are fed to the input of the microcontroller processor, the processor implements the calculation of the coordinates of the geometric center of one two-dimensional region or the calculation of the coordinates of the geometric centers of two-dimensional regions of several bodies, and also generates output coordinate signals expressed as a digital code at the output of the microcontroller.
2.7 Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей2.7 An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей отличается от электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра с использованием одной измерительной области тем, что в этом преобразователе использовано множество измерительных областей с измерительными электродами. Формула изобретения электроемкостного преобразователя для каждой из измерительных областей включает в себя все соответствующие признаки для одной измерительной области, описанные в разновидности электроемкостного преобразователя с одной измерительной областью. Поэтому в формуле изобретения можно исключить конструкционные признаки, относящиеся к измерительной области, заменить эти признаки функциональным признаком, реализация которого была доказана.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions differs from an electric capacitive transducer for determining the coordinates of a geometric center using a single measuring region in that a plurality of measuring regions with measuring electrodes are used in this transducer. The claims of an electric capacitive transducer for each of the measuring areas include all the relevant features for a single measuring region, described in a variant of the electric capacitive transducer with one measuring region. Therefore, in the claims it is possible to exclude structural features related to the measuring area, replace these features with a functional feature, the implementation of which has been proven.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с введением функционального признака соответствует п. 46 формулы изобретения. Электроемкостный преобразователь имеет следующие признаки формулы изобретения.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions with the introduction of a functional feature corresponds to paragraph 46 of the claims. The electric capacitance converter has the following features of the claims.
Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, содержащий диэлектрическую подложку, общий электрод и множество измерительных областей с измерительными электродами, форма, размеры и расположение измерительных областей заданы, измерительные области расположены с заданными промежутками друг относительно друга в границе общей измерительной области диэлектрической подложки. Каждая из измерительных областей содержит измерительные электроды, которые расположены на диэлектрической подложке в границе соответствующей измерительной области и образуют систему электродов измерительной области, содержащую, по меньшей мере, три измерительные части. Измерительные электроды в каждой из измерительных частей электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу. При этом система измерительных электродов каждой измерительной области совместно с диэлектрической подложкой и общим электродом реализуют функцию определения координат геометрического центра двумерной области в области пересечения двумерной области и измерительной области, в соответствующей для каждой измерительной области системе координат измерительной области. Выводы измерительных частей измерительных областей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя, величины координат геометрического центра двумерной области или величины координат геометрических центров нескольких двумерных областей выражены в виде системы величин электрических емкостей измерительных электродов измерительных частей на выводах измерительных частей измерительных областей электроемкостного преобразователя.An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions, comprising a dielectric substrate, a common electrode and a plurality of measuring regions with measuring electrodes, the shape, size and location of the measuring regions are defined, the measuring regions are arranged at predetermined intervals relative to each other at the boundary of the common measuring region of the dielectric substrate. Each of the measuring regions contains measuring electrodes that are located on a dielectric substrate at the boundary of the corresponding measuring region and form a system of electrodes of the measuring region, containing at least three measuring parts. The measuring electrodes in each of the measuring parts are electrically connected to each other and connected to the corresponding output. In this case, the system of measuring electrodes of each measuring region, together with the dielectric substrate and the common electrode, implements the function of determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region at the intersection of the two-dimensional region and the measuring region, in the corresponding coordinate system of the measuring region for each measuring region. The conclusions of the measuring parts of the measuring areas together with the output of the common electrode form the conclusions of the electric capacitive transducer, the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region or the coordinates of the geometric centers of several two-dimensional regions are expressed as a system of values of the electric capacitances of the measuring electrodes of the measuring parts at the terminals of the measuring parts of the measuring regions of the electric capacitive transducer.
2.8 Особенности реализации назначения электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области, для электроемкостного преобразователя с множеством измерительных областей2.8 Features of the implementation of the purpose of the electro-capacitive transducer for determining the coordinates of the two-dimensional region obtained when the electrically conductive body approaches the surface of the common measuring region, for the electro-capacitive transducer with many measuring regions
Для вычисления координат геометрического центра двумерной области приближения можно воспользоваться выражениями с введением весовых коэффициентов для каждой измерительной области, по аналогии с выражениями (35), (36), (37). Для того чтобы учесть величину приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области с электродами введем для группы измерительных областей, которые составляют двумерную область приближения, следующие весовые коэффициенты.To calculate the coordinates of the geometric center of the two-dimensional approximation region, one can use expressions with the introduction of weighting coefficients for each measuring region, by analogy with expressions (35), (36), (37). In order to take into account the magnitude of the approach of the electrically conductive body to the surface of the common measuring region with the electrodes, we introduce the following weighting factors for the group of measuring regions that make up the two-dimensional approximation region.
Где:Where:
- весовой коэффициент, учитывающий относительную величину приближения электропроводящего тела к поверхности измерительной области, для измерительной области с номером i; - weight coefficient, taking into account the relative magnitude of the proximity of the conductive body to the surface of the measuring region, for the measuring region with number i;
- коэффициент пропорциональности между электрической емкостью электродов измерительной области и площадью измерительной области под номером i; - the coefficient of proportionality between the electrical capacitance of the electrodes of the measuring region and the area of the measuring region under number i;
- коэффициент пропорциональности между средней избыточной электрической емкостью электродов группы измерительных областей и средней площадью электродов группы измерительных областей. - the proportionality coefficient between the average excess electric capacity of the electrodes of the group of measuring areas and the average area of the electrodes of the group of measuring areas.
Где:Where:
- величина избыточной электрической емкости электродов двумерной области с номером i; - the value of the excess electric capacitance of the electrodes of the two-dimensional region with number i;
- площадь электродов измерительной области с номером i; - the area of the electrodes of the measuring region with number i;
- среднеарифметическая величина избыточных электрических емкостей электродов группы измерительных областей; - the arithmetic mean value of the excess electric capacitance of the electrodes of the group of measuring areas;
- среднеарифметическая величина площадей электродов группы измерительных областей; - the arithmetic mean of the area of the electrodes of the group of measuring areas;
- средняя величина обратной величины расстояния между поверхностью двумерной измерительной области с номером i, входящей в группу измерительных областей, и поверхностью электропроводящего тела; - the average value of the reciprocal of the distance between the surface of the two-dimensional measuring region with number i, which is part of the group of measuring regions, and the surface of the electrically conductive body;
- средняя величина обратной величины расстояния между поверхностью группы измерительных областей и поверхностью электропроводящего тела; - the average value of the reciprocal of the distance between the surface of the group of measuring regions and the surface of the electrically conductive body;
ε0 - диэлектрическая постоянная;ε 0 is the dielectric constant;
εB - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.ε B is the relative dielectric constant of air.
Для определения координат геометрического центра двумерной области по осям Y и X воспользуемся следующими выражениямиTo determine the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region along the Y and X axes, we use the following expressions
Где:Where:
GY - координата по оси X геометрического центра двумерной области приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя.G Y is the coordinate along the X axis of the geometric center of the two-dimensional region of the approximation of the conductive body to the surface of the common measuring region of the capacitive transducer.
GX - координата по оси X геометрического центра двумерной области приближения электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя.G X is the coordinate along the X axis of the geometric center of the two-dimensional region of the approximation of the conductive body to the surface of the common measuring region of the capacitive transducer.
В результате подстановки весовых коэффициентов определенных в соответствии с выражениями (44), (45) и (46), в правых частях выражений (47) и (48) площади сокращаются. При этом правые части выражений (47) и (48) и выражений (40) и (41), в которых координаты геометрического цента выражены через емкости измерительных электродов, получаются соответственно одинаковыми.As a result of the substitution of weights defined in accordance with expressions (44), (45) and (46) in the right-hand sides of expressions (47) and (48) are declining. In this case, the right-hand sides of expressions (47) and (48) and expressions (40) and (41), in which the coordinates of the geometric cent are expressed through the capacitances of the measuring electrodes, are correspondingly the same.
В отличие от выражений (40) и (41) предназначенных для случая вычисления координат геометрического центра двумерной области при прикосновении электропроводящего тела к поверхности измерительной области в выражениях (47) и (48) используется полные площади измерительных областей входящих в группу измерительных областей, которая образует двумерную область. При этом для каждой измерительной области введены весовые коэффициенты, которые учитывают соотношение между электрической емкостью и площадью измерительной области, как в случае приближения, так и в случае прикосновения электропроводящего тела с поверхностью измерительной области электроемкостного преобразователя.In contrast to expressions (40) and (41) intended for the case of calculating the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region when the electrically conductive body touches the surface of the measuring region, expressions (47) and (48) use the total area of the measuring regions included in the group of measuring regions, which forms two-dimensional region. In this case, weight coefficients are introduced for each measuring region, which take into account the ratio between the electric capacitance and the area of the measuring region, both in the case of approaching and in the case of contact of the electrically conductive body with the surface of the measuring region of the electric capacitive transducer.
В связи с этим, система электродов электроемкостного преобразователя с использованием множества измерительных областей реализует функцию определения координат геометрического центра одной или нескольких двумерных областей с учетом весовых коэффициентов, которые учитывают величину приближения участков поверхности электропроводящего тела к поверхности общей измерительной области электроемкостного преобразователя. В результате, с помощью электроемкостного преобразователя обеспечивается реализация определения координат одного или нескольких геометрических центров двумерных областей сформированных с помощью соприкосновений и приближений электропроводящих тел.In this regard, the system of electrodes of the electro-capacitive transducer using a variety of measuring regions implements the function of determining the coordinates of the geometric center of one or more two-dimensional regions, taking into account the weight coefficients, which take into account the approximation of parts of the surface of the electroconductive body to the surface of the general measuring region of the electro-capacitive transducer. As a result, with the help of an electric capacitive transducer, the coordinates of one or several geometric centers of two-dimensional regions formed using contacts and approximations of electrically conductive bodies are realized.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Фиг. 1 и фиг. 2 - электромкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области. На фиг. 1 приведен вид на диэлектрическую подложку сбоку. На фигуре показана конструкция диэлектрической подложки в форме плоской пластины, изолирующий слой, измерительные электроды и общий электрод. На фиг. 2 приведен вид спереди на диэлектрическую подложку со стороны измерительных электродов. Показаны форма и расположение измерительных электродов, расположение измерительной области, а также локальные системы координат множеств измерительных электродов и система координат измерительной области электроемкостного преобразователя.FIG. 1 and FIG. 2 - electro-capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region. In FIG. 1 shows a side view of a dielectric substrate. The figure shows the construction of a dielectric substrate in the form of a flat plate, an insulating layer, measuring electrodes and a common electrode. In FIG. 2 shows a front view of the dielectric substrate from the side of the measuring electrodes. The shape and location of the measuring electrodes, the location of the measuring region, as well as the local coordinate systems of the sets of measuring electrodes and the coordinate system of the measuring region of the capacitive transducer are shown.
Фиг. 3 и фиг. 4 - чертежи для пояснения принципа действия варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области для тел из электропроводящего материала. На фиг. 3 показан электроемкостный преобразователь с расположенным на поверхности измерительной области электропроводящим телом. Чертеж на фиг. 4 предназначен для пояснения математических выкладок, для доказательства реализации назначения электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области.FIG. 3 and FIG. 4 - drawings for explaining the principle of operation of a variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region for bodies of electrically conductive material. In FIG. 3 shows an electric capacitive transducer with an electrically conductive body located on the surface of the measuring region. The drawing in FIG. 4 is intended to explain the mathematical calculations, to prove the implementation of the purpose of the electric capacitive transducer to determine the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region.
Фиг. 5 и фиг. 6 - чертежи конструкции измерительных электродов в виде наклоненных трапеций, с обрезкой и удлинением трапеций в границе заданной измерительной области на диэлектрической подложке, для пояснения конструкции измерительных электродов.FIG. 5 and FIG. 6 - drawings of the design of the measuring electrodes in the form of inclined trapezoids, with trimming and elongation of the trapezoid at the border of a given measuring region on a dielectric substrate, to explain the design of the measuring electrodes.
Фиг. 7 и фиг. 8 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов. На фиг. 7 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 8 приведены эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке.FIG. 7 and FIG. 8 is a drawing for explaining the construction of the measuring electrodes of an electric capacitive converter variant for determining coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with four leads from the measuring electrode system. In FIG. 7 shows the shape and arrangement of the measuring electrodes of the first and second sets separately. In FIG. Figure 8 shows the same measuring electrodes in a combined form with alternating groups as they are located on a dielectric substrate.
Фиг. 9 - электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от измерительных частей со схемой соединения электродов и подключения выводов.FIG. 9 - electrical capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with four leads from the measuring parts with a circuit for connecting electrodes and connecting leads.
Фиг. 10 и фиг. 11 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества измерительных электродов. На фиг. 10 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 11 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.FIG. 10 and FIG. 11 is a drawing for explaining the construction of the measuring electrodes of an electric capacitive transducer embodiment for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with three leads from the system of measuring electrodes and connecting the electrodes of one of the measuring parts of the first set and one opposite measuring part of the second set of measuring electrodes. In FIG. 10 shows the measuring electrodes in combined form with the alternation of groups, as they are located on the dielectric substrate. In FIG. 11 shows the measuring electrodes, taking into account trimming and elongation to the boundary of the measuring region, a diagram of the connections of the electrodes and the connection leads.
Фиг. 12, фиг. 13 и фиг. 14 - чертежи к пояснению конструкции измерительных электродов варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением измерительных электродов одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества измерительных электродов. На фиг. 12 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 13 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 14 приведены измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.FIG. 12, FIG. 13 and FIG. 14 is a drawing for explaining the construction of the measuring electrodes of the electric capacitance converter variant for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with three leads from the measuring electrode system and connecting the measuring electrodes of one of the measuring parts of the first set and one measuring part of the second set of measuring electrodes. In FIG. 12 shows the shape and arrangement of the measuring electrodes of the first and second sets separately. In FIG. 13 shows the same measuring electrodes in combined form with alternating groups as they are located on a dielectric substrate. In FIG. Figure 14 shows the measuring electrodes, taking into account trimming and elongation to the boundary of the measuring region, a diagram of the connections of the electrodes and the connection leads.
Фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и отключением одной из измерительных частей одного из множеств электродов. На фиг. 15 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 16 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 17 приведены измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.FIG. 15, FIG. 16 and FIG. 17 is an embodiment of an electric capacitive transducer for determining coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with three leads from a system of measuring electrodes and disconnecting one of the measuring parts of one of the plurality of electrodes. In FIG. 15 shows the shape and arrangement of the measuring electrodes of the first and second sets separately. In FIG. 16 shows the same measuring electrodes in combined form with alternating groups as they are located on a dielectric substrate. In FIG. Figure 17 shows the measuring electrodes taking into account trimming and elongation to the boundary of the measuring region, a diagram of the connections of the electrodes and the connections of the terminals.
Фиг. 18 - на фигуре показан вариант электроемкостного преобразователя с микроконтроллером для формирования выходных сигналов координат геометрического центра двумерной области в виде цифрового кода.FIG. 18 - the figure shows a variant of an electric capacitive converter with a microcontroller for generating output signals of coordinates of the geometric center of a two-dimensional region in the form of a digital code.
Фиг. 19 и фиг. 20 - вариант для определения координат геометрического центра двумерной области для плоского тела из однородного диэлектрического материала. На фиг. 19 приведена конструкция диэлектрической подложки и общего электрода. На фиг. 20 дополнительно показано плоское тело из однородного диэлектрического материала, для пояснения принципа действия.FIG. 19 and FIG. 20 is an embodiment for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region for a plane body of homogeneous dielectric material. In FIG. 19 shows the design of the dielectric substrate and the common electrode. In FIG. 20 further shows a planar body of uniform dielectric material to explain the principle of operation.
Фиг. 21 и фиг. 22 - вариант для определения координат геометрического центра двумерной области для электропроводящих или диэлектрических тел, с деформируемым диэлектрическим слоем подложки. На фиг. 21 показана конструкция диэлектрической подложки, деформируемого диэлектрического слоя и растягивающегося электрода. На фиг. 22 дополнительно показано твердое тело для пояснения принципа действия.FIG. 21 and FIG. 22 - an option for determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region for electrically conductive or dielectric bodies, with a deformable dielectric layer of the substrate. In FIG. 21 shows the construction of a dielectric substrate, a deformable dielectric layer, and a stretch electrode. In FIG. 22 further shows a solid body for explaining the principle of operation.
Фиг. 23 - вариант выполнения диэлектрической подложке с изолирующим диэлектрическим слоем.FIG. 23 is an embodiment of a dielectric substrate with an insulating dielectric layer.
Фиг. 24 - вариант выполнения диэлектрической подложке с расположением электродов на двух слоях диэлектрической подложки.FIG. 24 is an embodiment of a dielectric substrate with electrodes disposed on two layers of a dielectric substrate.
Фиг. 25 - вариант электроемкостного преобразователя с экранирующим электродом.FIG. 25 is an embodiment of an electric capacitive converter with a shielding electrode.
Фиг. 26, фиг. 27, фиг. 28 и фиг. 29 - на фигурах показаны особенности измерительной области с криволинейной поверхностью, для пояснения принципа действия варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с диэлектрической подложкой, выполненной в форме оболочки, имеющей поверхность части поверхности сферы.FIG. 26, FIG. 27, FIG. 28 and FIG. 29 - the figures show the features of the measuring region with a curved surface, to explain the principle of operation of the variant of the electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region with a dielectric substrate made in the form of a shell having the surface of a part of the surface of the sphere.
Фиг. 30 и фиг. 31 - фигуры предназначены для пояснения реализации назначения электроемкостного преобразователя для определения координат двумерной области, полученной при приближении электропроводящего тела к поверхности измерительной области электроемкостного преобразователя. На фиг. 30 показан электроемкоснный преобразователь и электропроводяще тело, которое приближено к измерительной области электромкостного преобразователя, но не прикасается к этой поверхности. На фиг. 31 показана двумерная область, образованная приближением к измерительной области электропроводящего тела.FIG. 30 and FIG. 31 - figures are intended to explain the implementation of the purpose of the electric capacitive transducer to determine the coordinates of the two-dimensional region obtained when the electrically conductive body approaches the surface of the measuring region of the electric capacitive transducer. In FIG. 30 shows an electro-capacitive transducer and an electrically conductive body that is close to the measuring region of the electro-capacitive transducer but does not touch this surface. In FIG. 31 shows a two-dimensional region formed by approaching a measuring region of an electrically conductive body.
Фиг. 32 и фиг. 33 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с измерительными областями в форме прямоугольников и четырьмя выводами от измерительной области. На фиг. 32 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 33 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.FIG. 32 and FIG. 33 is an embodiment of an electric capacitive transducer for determining coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measurement regions with measurement regions in the form of rectangles and four leads from the measurement region. In FIG. 32 shows the location of the measuring areas and their conclusions. In FIG. 33 shows a system of measuring electrodes and a diagram of their connections and connections for a single measuring region.
Фиг. 34 и фиг. 35 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей с измерительными областями в форме шестиугольников и тремя вывода от измерительной области. На фиг. 34 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 35 приведена система измерительных электродов и схема их соединений и подключений для отдельно взятой измерительной области.FIG. 34 and FIG. 35 is an embodiment of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measurement regions with measurement regions in the shape of hexagons and three leads from the measurement region. In FIG. 34 shows the location of the measuring areas and their conclusions. In FIG. 35 shows a system of measuring electrodes and a diagram of their connections and connections for a single measuring area.
Фиг. 36, фиг. 37 и фиг. 38 - вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки в виде матрицы. На фиг. 36 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической подложке и их выводов. На фиг. 37 и фиг. 38 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов со схемами соединений и подключений.FIG. 36, FIG. 37 and FIG. 38 is a variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions located on two surfaces of the layers of the dielectric substrate in the form of a matrix. In FIG. 36 shows the arrangement of the measuring regions on the dielectric substrate and their conclusions. In FIG. 37 and FIG. 38 shows the location of the measuring electrodes of the measuring areas of rows and columns with wiring diagrams and connections.
На фиг. 39 и фиг. 40 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов со схемами соединений и подключений электродов для варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки в виде строк и столбцов и тремя выводами от измерительной области.In FIG. 39 and FIG. Figure 40 shows the arrangement of the measuring electrodes of the measuring regions of rows and columns with the connection diagrams of the electrodes for the electric capacitive transducer variant for determining the coordinates of the geometric center of the two-dimensional region using many measuring regions located on two surfaces of the layers of the dielectric substrate in the form of rows and columns and three leads from the measuring area.
На фиг. 41 показан пример осуществления изобретения с использованием множества измерительных областей расположенных в виде восьми строк и восьми столбцов, с выходным сигналом в виде цифрового кода.In FIG. 41 shows an embodiment of the invention using a plurality of measurement areas arranged in eight rows and eight columns, with an output signal in the form of a digital code.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Осуществление изобретения раскрыто на примерах разновидностей и вариантов электроемкостного преобразователя, составляющих группу изобретений. Номера разновидностей электроемкостных преобразователей и их вариантов в разделе «осуществление изобретения» совпадают с номерами соответствующих разновидностей и вариантов, приведенных в разделе «сущность изобретения».The implementation of the invention is disclosed by examples of varieties and variations of an electric capacitive converter constituting a group of inventions. The numbers of varieties of electric capacitance converters and their variants in the section "implementation of the invention" coincide with the numbers of the corresponding varieties and variants given in the section "essence of the invention".
1. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области1. Electro-capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region
Осуществление изобретения раскрыто на примере варианта электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, для тел из электропроводящего материала. Формула изобретения по этому варианту включает в себя признаки, приведенные в независимом пункте п. 1 и зависимых пунктах пп. 3, 4, 9, 11 и 15 формулы. Пункт п. 3 характеризует конструкцию измерительных электродов в виде трапеций, пункт п. 4 - схему соединения электродов и подключения выводов, пункт п. 9 - конструкцию и расположение общего изолирующего слоя диэлектрической подложки, пункт п. 11 - конструкцию и расположение общего электрода, пункт п. 15 задает конструкцию диэлектрической подложки в форме плоской диэлектрической пластины. Описание принципа действия электромкостного преобразователя приведено в варианте 1.1. Особенности конструкции системы электродов и схемы соединения электродов и подключения выводов приведены в вариантах 1.3 и 1.4 в разделе «сущность изобретения».The implementation of the invention is disclosed by the example of a variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, for bodies of electrically conductive material. The claims of this embodiment include the features set forth in the independent clause of
Конструкция диэлектрической подложки и общего электрода электроемкостного преобразователя показана на фиг. 1, на виде сбоку. На фиг. 7 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 8 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. На фиг. 9 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области и схема соединений электродов и подключений выводов.The design of the dielectric substrate and the common electrode of the capacitive converter is shown in FIG. 1, in side view. In FIG. 7 shows the shape and arrangement of the measuring electrodes of the first and second sets separately. In FIG. Figure 8 shows the measuring electrodes in combined form with the alternation of groups, as they are located on the dielectric substrate. In FIG. 9 shows the measuring electrodes, taking into account trimming and elongation to the boundary of the measuring region, and a diagram of the connections of the electrodes and terminal connections.
На фиг. 1 показаны основные элементы конструкции варианта электроемкостного преобразователя 101 для определения геометрического центра двумерной области для электропроводящего тела. Для размещения измерительных электродов 103 использована диэлектрическая подложка 102, которая выполнена в виде диэлектрической пластины с плоской поверхностью. Для изоляции электродов предусмотрен изолирующий слой 111, расположенный поверх электродов 103. Общий 106 электрод расположен на стороне диэлектрической подложки, которая противоположна стороне с электродами.In FIG. 1 shows the basic structural elements of a variant of an
Система измерительных электродов электроемкостного преобразователя показана на фиг. 9. Относительные размеры измерительных электродов искажены. Измерительные электроды расположены на диэлектрической подложке в границе измерительной области 110, форма, размеры и расположение которой заданы. Измерительная область 110 содержит два множества измерительных электродов. Измерительные электроды каждого из множеств образуют соответствующие множеству первую и вторую измерительные части. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 202, второй измерительной части первого множества цифрой 203, первой измерительной части второго множества цифрой 204, второй измерительной части второго множества цифрой 205. Форма, размеры и расположение измерительных электродов каждого из множеств определены в отдельных, соответствующих множествам системах координат. Система координат первого множества обозначена цифрой 216, система координат второго множества цифрой 217. Причем ось ординат Y1 системы координат 216 измерительных электродов первого множества расположена под заданным не нулевым углом к оси ординат Y2 системы координат 217 измерительных электродов второго множества. Для любого отдельно взятого первого или второго множества измерительные электроды разделены на однообразные группы измерительных электродов, при этом группы измерительных электродов расположены на диэлектрической подложке в границах измерительных областей групп 214 и 215. Первая группа первого множества обозначена номером 212. Каждая из групп содержит часть соответствующих множеству измерительных электродов первой и второй измерительных частей. В каждой из групп множества, измерительные электроды первой измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, суммарная ширина которых вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат изменяется линейно, измерительные электроды второй измерительной части выполнены в виде геометрических фигур, дополняющих геометрические фигуры измерительных электродов первой измерительной части до образования постоянной суммарной ширины вдоль направления оси абсцисс в функции расстояния вдоль направления оси ординат.The system of measuring electrodes of the electric capacitive converter is shown in FIG. 9. The relative dimensions of the measuring electrodes are distorted. The measuring electrodes are located on a dielectric substrate at the boundary of the measuring
Для любого отдельно взятого множества измерительные электроды групп выполнены и расположены таким образом, что в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией 133 (см. фиг. 7) вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения разность суммарной ширины измерительных электродов первой измерительной части и суммарной ширины измерительных электродов второй измерительной части является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, в любом сечении измерительных электродов групп параллельной оси абсцисс линией вычисленная в рамках одной полной группы и одного сечения суммарная ширина измерительных электродов первой и второй измерительных частей является постоянной величиной в этом сечении для других полных групп, причем полные группы имеют полный состав измерительных электродов в сечении.For any given set, the measuring electrodes of the groups are made and arranged in such a way that in any section of the measuring electrodes of the groups parallel to the abscissa axis, line 133 (see Fig. 7), the difference in the total width of the measuring electrodes of the first measuring part calculated within one full group and one section and the total width of the measuring electrodes of the second measuring part is a constant value in this section for other complete groups, in any section of the measuring electrodes of the parallel groups hydrochloric line abscissa computed within one complete group and the total width of one section of the measuring electrodes of the first and second measuring units is constant in this cross section to complete other groups, wherein the total group have complete composition measuring electrodes in section.
В варианте изобретения конкретная конструкция системы измерительных электродов определена методом графических построений. Эта система полностью соответствует признакам, которые заданы в п. 1 формулы изобретения.In an embodiment of the invention, the specific construction of the measuring electrode system is determined by the graphic plotting method. This system is fully consistent with the features that are specified in
Измерительные электроды первой и второй измерительных частей первого и второго множеств выполнены в форме трапеций. Измерительные электроды совместно с соединительными проводниками и выводами расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки.The measuring electrodes of the first and second measuring parts of the first and second sets are made in the form of trapezoid. The measuring electrodes, together with the connecting conductors and leads, are located on the same surface of the dielectric substrate layer.
На фиг. 5 приведена исходная группа 212 измерительных электродов. Трапеции группы измерительных электродов 212 могут быть выполнены с наклоном на заданный угол относительно оси ординат Y системы координат 216 первого множества, путем сдвига верхних оснований трапеций вдоль оси абсцисс, как показано в правой части фиг. 5. При этом, как показано в разделе сущность изобретения, наклоненные измерительные электроды группы для цели определения координаты двумерной области по одной оси эквивалентны не наклоненным измерительным электродам. На фиг. 6 приведен пример обрезки и удлинения группы измерительных электродов, при котором целевая функция электроемкостного преобразователя также не меняется.In FIG. 5 shows an
Как показано на фиг. 7, находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 216 первого множества измерительных электродов, выполнены с наклоном на первый заданный угол ϕ1 по отношению к оси ординат системы координат 216 первого множества. Для групп электродов 219 входящих во второе множество, расположенные с краю групп боковые стороны трапеций, путем смещения верхних оснований трапеций групп вдоль оси абсцисс системы координат 217 второго множества, выполнены с наклоном на второй заданный угол ϕ2 по отношению к оси ординат системы координат второго множества, не равный первому углу ϕ1.As shown in FIG. 7, the sides of the trapezoid located on the edges of the groups by displacing the upper bases of the trapezoidal groups along the abscissa axis of the coordinate
На фиг. 8 группы измерительных электродов первого и второго множеств, показанные на фиг. 7, наложены на диэлектрическую подложку в области границы измерительной области 110, с чередованием. При этом находящиеся на краях групп боковые стороны трапеций, расположены практически параллельно между собой. Точка 221 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 216 и 217 первого и второго множеств измерительных электродов совпадает с геометрическим центром измерительной области 110.In FIG. 8 groups of measuring electrodes of the first and second sets shown in FIG. 7 are superposed on a dielectric substrate in the boundary region of the
На фиг. 9 показано, что эти измерительные электроды расположены в границе измерительной области 110, при этом части геометрических фигур электродов, которые выступают за пределы измерительной области, обрезаны по границе измерительной области 110. Геометрические фигуры электродов, которые не доходят до границы измерительной области, удлинены путем продолжения линий боковых сторон трапеций до границы измерительной области.In FIG. 9 it is shown that these measuring electrodes are located at the boundary of the measuring
На фиг. 9 дополнительно показана локальная система координат 220 измерительной области 110, начало которой совпадает с геометрическим центром измерительной области 110 и с точкой 221 пересечения осей абсцисс локальных систем координат 216 и 217 множеств измерительных электродов.In FIG. 9 further shows the local coordinate
Измерительные электроды измерительных частей подключены к соответствующим электрическим выводам в соответствии со схемой соединений электродов и подключений выводов. Схема соединений и подключений выводов имеет несколько вариантов. Особенности вариантов схемы соединений и подключений приведены в описании вариантов 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6 электроемкостного преобразователя. Выводы измерительных частей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя.The measuring electrodes of the measuring parts are connected to the corresponding electrical terminals in accordance with the connection diagram of the electrodes and the connection terminals. The circuit of connections and connection of conclusions has several options. Features of the variants of the circuit of connections and connections are given in the description of options 1.3, 1.4, 1.5 and 1.6 of the electric capacitive converter. The findings of the measuring parts together with the output of the common electrode form the conclusions of the electrical capacitive transducer.
Принцип действия электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области приведен в разделе «сущность изобретения».The principle of operation of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region is given in the section "Summary of the invention".
1.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов1.3 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with four leads from a system of measuring electrodes
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 4 формулы изобретения. Для этого варианта на фиг. 9 показана конструкция и расположение измерительных электродов первого и второго множеств и схема соединений электродов и подключений выводов. Описание конструкции системы измерительных электродов варианта приведено в описании варианта 1.2, дальнейшим развитием которого является вариант 1.3.A variant of the electric capacitive converter corresponds to
Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с четырьмя выводами от системы измерительных электродов, отличается особенностями схемы соединений электродов и подключений выводов измерительных электродов измерительных частей. В схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 206, измерительные электроды второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 207, измерительные электроды первой измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 208, измерительные электроды второй измерительной части второго множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 209, дополнительный вывод 211 подключен к общему электроду.A variant of the electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with four leads from the system of measuring electrodes is distinguished by the peculiarities of the circuit of the connections of the electrodes and the connections of the terminals of the measuring electrodes of the measuring parts. In the circuit of connecting the electrodes and connecting the terminals, the measuring electrodes of the first measuring part of the first set are electrically connected to each other and connected to the
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании под номерами 1, 1.1, 1.2 и 1.3.The principle of operation of a variant of an electric capacitive converter is given in the "Summary of the Invention" section in the description under the
1.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области, с тремя выводами от системы измерительных электродов с соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной разноименной измерительной части второго множества измерительных электродов1.4 A variant of an electro-capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, with three leads from a system of measuring electrodes with a connection of electrodes of one of the measuring parts of the first set and one opposite measuring part of the second set of measuring electrodes
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 5 формулы изобретения. Для этого варианта форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности, аналогично варианту 1.3, показанному на фиг. 7. На фиг. 10 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке, с обозначением границы измерительной области. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 232, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 233, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 234, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 235. На фиг. 11 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, и схема соединений электродов и подключений выводов.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 5 of the claims. For this option, the shape and arrangement of the measuring electrodes of the first and second sets separately, similarly to option 1.3, shown in FIG. 7. In FIG. 10 shows the measuring electrodes in combined form with the alternation of groups, as they are located on the dielectric substrate, with the designation of the boundary of the measuring region. The measuring electrodes of the first measuring part of the first set are indicated by the
Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 231 по варианту 1.4 отличается тем, что измерительные электроды 233 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и с электродами 234 первой измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу 237. Измерительные электроды 232 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 236, измерительные электроды 235 второй измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 238, дополнительный вывод 211 подключен к общему электроду. В варианте электроемкостного преобразователя, как показано на фиг. 10, находящиеся на краях групп измерительные электроды 233 и 234, которые относятся к разным множествам, принадлежат к разноименным измерительным частям, соединены между собой путем соединения боковых сторон трапеций групп. Выполнение такого соединения не обязательно. Например, в варианте электроемкостного преобразователя под номером 2.4 (фиг. 39 и фиг. 40) эти измерительные электроды отделены друг от друга промежутками и соединены только с помощью соединительных проводников.The connection diagram of the electrodes and the terminals of the
1.5 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и соединением электродов одной из измерительных частей первого множества и одной одноименной измерительной части второго множества электродов1.5 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with three leads from a system of measuring electrodes and connecting electrodes of one of the measuring parts of the first set and one measuring part of the same name of the second set of electrodes
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 6 формулы изобретения. Для этого варианта форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности показаны на фиг. 12. На фиг. 13 приведены измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 242, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 243, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 244, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 245. На фиг. 14 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 6 of the claims. For this embodiment, the shape and arrangement of the measuring electrodes of the first and second sets individually are shown in FIG. 12. In FIG. 13 shows the measuring electrodes in combined form with the alternation of groups, as they are located on the dielectric substrate. The measuring electrodes of the first measuring part of the first set are indicated by the
Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 241 по варианту 1.5 отличается тем, что измерительные электроды 243 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и с электродами 245 второй измерительной части второго множества и подключены к соответствующему выводу 247, измерительные электроды 242 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 246, измерительные электроды 244 первой измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 248, дополнительный вывод 211 подключен к общему электроду.The connection diagram of the electrodes and the terminals of the
В варианте электроемкостного преобразователя, как показано на фиг. 13, находящиеся на краях групп измерительные электроды 243 и 245, которые относятся к разным множествам, принадлежат к одноименным измерительным частям. При этом измерительные электроды одноименных измерительных частей групп дополнительно соединены путем примыкания боковых сторон трапеций групп. Выполнение такого непосредственного соединения полезно с точки зрения уменьшения ширины групп, но не обязательно.In an embodiment of an electric capacitive converter, as shown in FIG. 13, the measuring
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения», в описании под номером 1.1 и 1.5.The principle of operation of a variant of an electric capacitive converter is given in the section "Summary of the Invention", in the description under the numbers 1.1 and 1.5.
1.6 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с тремя выводами от системы измерительных электродов и отключением одной из измерительных частей одного из множеств измерительных электродов1.6 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with three leads from a system of measuring electrodes and disconnecting one of the measuring parts of one of the many measuring electrodes
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 7 формулы изобретения. На фиг. 15 показаны форма и расположение измерительных электродов первого и второго множеств в отдельности. На фиг. 16 показаны эти же измерительные электроды в совмещенном виде с чередованием групп, как они расположены на диэлектрической подложке. Измерительные электроды первой измерительной части первого множества обозначены цифрой 252, электроды второй измерительной части первого множества - цифрой 253, электроды первой измерительной части второго множества - цифрой 254, электроды второй измерительной части второго множества - цифрой 255. На фиг. 17 показаны измерительные электроды с учетом обрезки и удлинения до границы измерительной области, схема соединений электродов и подключений выводов. Схема соединений электродов и подключений выводов электроемкостного преобразователя 251 по варианту 1.6 отличается тем, что в схеме соединений электродов и подключений выводов измерительные электроды 252 первой измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 256, измерительные электроды 253 второй измерительной части первого множества электрически соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 257, измерительные электроды 254 первой измерительной части второго множества соединены между собой и подключены к соответствующему выводу 258, дополнительный вывод 211 электроемкостного преобразователя подключен к общему электроду. Как показано на фиг. 15, измерительные электроды 255 второй измерительной части второго множества, обозначенные штриховой линией, не подключены к выводам электроемкостного преобразователя.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 7 of the claims. In FIG. 15 shows the shape and arrangement of the measuring electrodes of the first and second sets separately. In FIG. 16 shows the same measuring electrodes in combined form with alternating groups as they are located on a dielectric substrate. The measuring electrodes of the first measuring part of the first set are indicated by the
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области, с целью адаптации к разным условиям применения, может использоваться совместно с любым из вариантов 1.8-1.21 выполнения диэлектрической подложки и общего электрода. Описание конструкции электроемкостного преобразователя по вариантам приведено в разделе «сущность изобретения».An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region, with the aim of adapting to different application conditions, can be used in conjunction with any of the options 1.8-1.21 for performing a dielectric substrate and a common electrode. A description of the design of the electric capacitive converter according to the options is given in the section "Summary of the invention".
1.7 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с выходным сигналом в виде цифрового кода1.7 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region with an output signal in the form of a digital code
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 8 формулы изобретения. На фиг. 18 показана схема соединений и подключений выводов электроемкостного преобразователя для варианта системы электродов с четырьмя выводами от измерительных частей и схема микроконтроллера. В этом варианте электроемкостный преобразователь 413 для определения координат геометрического центра двумерной области дополнительно снабжен микроконтроллером 260, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 266 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 269 и процессор 267, причем выводы измерительных частей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод 211 общего электрода подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом процессора. Сигналы 268 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 266 поступают на вход процессора 267 микроконтроллера, процессор формирует выходные сигналы 270 координат геометрического центра двумерной области, выраженные в виде цифрового кода на выходе микроконтроллера.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 8 of the claims. In FIG. 18 shows a diagram of the connections and connections of the terminals of the electric capacitive transducer for a variant of the electrode system with four leads from the measuring parts and the microcontroller circuit. In this embodiment, the
Схема микроконтроллера, показанная на фиг. 18, применима к вариантам 1.4, 1.5 и 1.6. Отличия связаны с тем, что схемы подключения выводов электроемкостного преобразователя для вариантов 1.4, 1.5 и 1.6 отличаются наличием трех выводов от измерительных частей. Поэтому к аналого-цифровому преобразователю подключены три вывода.The microcontroller circuit shown in FIG. 18 is applicable to options 1.4, 1.5, and 1.6. The differences are due to the fact that the connection diagrams of the terminals of the electric capacitive converter for options 1.4, 1.5 and 1.6 differ in the presence of three conclusions from the measuring parts. Therefore, three outputs are connected to the analog-to-digital converter.
2. Электроемкостный преобразователь для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей2. An electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions
Осуществление изобретения раскрыто на примерах вариантов 2.2 и 2.3 электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей.The implementation of the invention is disclosed in the examples of options 2.2 and 2.3 of the capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions.
2.2 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме прямоугольников2.2 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions in the form of rectangles
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 27 формулы изобретения. В описании осуществления изобретения включены признаки независимого пункта формулы п. 24. На фиг. 32 показано расположение измерительных областей и их выводов. На фиг. 33 приведена система измерительных электродов и схема соединений электродов и подключений выводов для отдельно взятой измерительной области.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 27 of the claims. In the description of an embodiment of the invention, the features of the independent claim of claim 24 are included. FIG. 32 shows the location of the measuring areas and their conclusions. In FIG. 33 shows a system of measuring electrodes and a diagram of the connections of the electrodes and the connection leads for a single measuring area.
Электроемкостный преобразователь 401 для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей содержит диэлектрическую подложку 402, на которой расположено множество измерительных областей 410 с электродами в форме геометрических фигур прямоугольников, в виде регулярной структуры. Измерительные области 410 расположены на диэлектрической подложке с заданными промежутками друг относительно друга, в границе общей измерительной области диэлектрической подложки 404.An
В данном варианте электроемкостного преобразователя для каждой измерительной области использована система электродов с четырьмя выводами от измерительной области, описанная в варианте 1.3. Измерительные электроды и их выводы расположены на одной поверхности слоя диэлектрической подложки 402. Схема соединений электродов может быть продолжена для любого количества электродов, без взаимного пересечения электродов и выводов, с максимальным количеством проводников 409, проходящих вдоль одной стороны прямоугольника, равным трем.In this embodiment of the electric capacitive transducer, for each measuring region, an electrode system with four leads from the measuring region, described in version 1.3, was used. The measuring electrodes and their terminals are located on the same surface of the layer of the
Выводы системы электродов каждой измерительной области на фиг. 32 и фиг. 33 показаны в виде групповых линий 406, состоящих из четырех проводников, которые объединены вблизи верхней и нижней границ диэлектрической подложки в общие групповые линии. Общие групповые линии предназначены для подключения выводов электроемкостного преобразователя, посредством проводников шлейфов 407, к микроконтроллеру или к другому конечному устройству.The terminals of the electrode system of each measurement region in FIG. 32 and FIG. 33 are shown as
Как показано на фиг. 33 пересечение оси абсцисс локальной системы координат 416 первого множества электродов и оси абсцисс системы координат 417 второго множества измерительных электродов измерительной области совпадает с геометрическим центром измерительной области. Также показана локальная система координат 408 измерительной области, начало которой совпадает с пересечением осей абсцисс систем координат 416 и 417. При этом координаты геометрического центра, определенные в системах координат 416 и 417 двух множеств измерительных электродов, могут быть пересчитаны в рамках локальной системы координат измерительной области 408. В дальнейшем описании для измерительных областей будут использоваться только системы координат измерительных областей. На фиг. 32 и фиг. 34-40 показаны локальные системы координат измерительных областей.As shown in FIG. 33, the intersection of the abscissa axis of the local coordinate
В варианте 2.2 электроемкостного преобразователя измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 2.2.In version 2.2 of the electric capacitive transducer, the measuring areas can be performed using any system of measuring electrodes described in versions 1.3, 1.4, 1.5, and 1.6. The principle of operation of a variant of an electric capacitive converter is given in the section "Summary of the Invention" in the description of Option 2.2.
2.3 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей в форме шестиугольников2.3 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions in the form of hexagons
Вариант соответствует п. 28 формулы изобретения. Расположение измерительных областей и их выводов показано на фиг. 34. На фиг. 35 приведена система измерительных электродов и схема соединений и подключений выводов для отдельно взятой измерительной области.The option corresponds to paragraph 28 of the claims. The arrangement of the measuring regions and their terminals is shown in FIG. 34. In FIG. 35 shows a system of measuring electrodes and a diagram of the connections and connections of the terminals for a single measuring region.
Вариант 2.3 электроемкостного преобразователя 411 отличается от варианта 2.2 тем, что измерительные области 420 выполнены в форме правильных шестиугольников. При этом в измерительных областях использована система электродов с тремя выводами, аналогично по варианту 1.4 (фиг. 11). Отличие измерительной области в форме шестиугольника, от показанной на фиг. 11 в том, что в данном случае измерительные электроды вписаны в границу шестиугольной измерительной области. В этом варианте групповые линии 414 от каждой измерительной области содержат три проводника. Групповые линии 414 объединены в групповые линии шлейфов 415. Показанная на фиг. 35 схема соединений электродов применима для любого количества измерительных электродов, без увеличения количества выводов и с максимальным количеством соединительных проводников 419, проходящих вдоль одной стороны шестиугольника, равным двум. Начало локальной системы координат 418 измерительной области расположено в геометрическом центре соответствующей измерительной области.Option 2.3 of the
В варианте 2.3 электроемкостного преобразователя измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 2.3.In version 2.3 of the electric capacitive transducer, the measuring areas can be performed using any system of measuring electrodes described in versions 1.3, 1.4, 1.5, and 1.6. The principle of operation of a variant of an electric capacitive converter is given in the section "Summary of the Invention" in the description of Option 2.3.
2.4 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, распложенных на двух поверхностях слоев диэлектрической подложки в виде матрицы2.4 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a plurality of measuring regions located on two surfaces of the layers of the dielectric substrate in the form of a matrix
Вариант электроемкостного преобразователя 412 соответствует п. 29 формулы изобретения. На фиг. 36 приведена схема расположения измерительных областей на диэлектрической подложке. На фиг. 37 и фиг. 38 показано расположение измерительных электродов измерительных областей строк и столбцов, со схемами соединений и подключений измерительных электродов.An embodiment of the electric capacitance converter 412 corresponds to paragraph 29 of the claims. In FIG. 36 shows the arrangement of the measuring regions on the dielectric substrate. In FIG. 37 and FIG. 38 shows the location of the measuring electrodes of the measuring areas of rows and columns, with the connections and connections of the measuring electrodes.
Электроемкостный преобразователь содержит многослойную диэлектрическую подложку 405, общий электрод и множество расположенных на подложке измерительных областей 429 с измерительными электродами. Измерительные электроды расположены на двух изолированных друга от друга поверхностях слоев диэлектрической подложки 405. Причем расположенные на одной поверхности слоя диэлектрической подложки измерительные области выполнены в форме геометрических фигур прямоугольников, образующих строки 430, а на другой поверхности диэлектрической подложки выполнены в форме прямоугольников, образующих столбцы 431.The capacitance converter comprises a
В данном варианте электроемкостного преобразователя для каждой измерительной области использована система электродов, с четырьмя выводами от измерительных частей, аналогичная описанной в разделе «сущность изобретения» в вариантах 1.1, 1.2 и 1.3, показанной на фиг. 9. В области пересечений измерительных областей строк 430 и столбцов 431 боковые стороны групп электродов измерительных областей строк и столбцов расположены практически параллельно друг другу и с чередованием, таким образом, что на перпендикулярном виде на поверхность диэлектрической подложки измерительные электроды не пересекают друг друга. Начало локальной системы координат 435 каждой измерительной области строк и локальной системы координат 436 каждой измерительной области столбцов совпадает с геометрическим центром соответствующей измерительной области. Выводы 437 измерительных областей строк и выводы 438 измерительных областей столбцов показаны в виде групповых линий. Выводы измерительных областей совместно с выводом общего электрода образуют выводы электроемкостного преобразователя. При осуществлении изобретения количество строк и столбцов может быть произвольным, например, как показано на фиг. 41, где измерительная область диэлектрической подложки содержит матрицу из восьми измерительных областей строк и восьми столбцов.In this embodiment of the electro-capacitive transducer, for each measuring region, an electrode system was used, with four leads from the measuring parts, similar to that described in the section “Summary of the invention” in versions 1.1, 1.2 and 1.3, shown in FIG. 9. In the area of intersection of the measuring regions of
На фиг. 39 и фиг. 40 показаны измерительные электроды для варианта электроемкосного преобразователя с тремя выводами от измерительных частей. На фиг. 39 приведено расположение измерительных электродов измерительных областей строк, на фиг. 40 показано расположение измерительных областей столбцов, со схемами соединений измерительных электродов и подключений выводов.In FIG. 39 and FIG. 40 shows the measuring electrodes for a variant of an electric capacitance converter with three leads from the measuring parts. In FIG. 39 shows the location of the measuring electrodes of the measuring areas of the rows, in FIG. 40 shows the location of the measuring regions of the columns, with the connection diagrams of the measuring electrodes and the connection leads.
Электроемкостный преобразователь отличается тем, что в нем использована система электродов измерительной области с тремя выводами, соответствующая варианту 1.4.The electric capacitance converter is characterized in that it uses a system of electrodes of the measuring region with three leads, corresponding to option 1.4.
В варианте 2.4 электроемкостного преобразователя измерительные области могут быть выполнены с использованием любой системы измерительных электродов, описанной в вариантах 1.3, 1.4, 1.5 и 3.6. Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании варианта 2.4.In version 2.4 of the electric capacitive transducer, the measuring areas can be performed using any system of measuring electrodes described in versions 1.3, 1.4, 1.5, and 3.6. The principle of operation of a variant of an electric capacitive converter is given in the section "Summary of the Invention" in the description of Option 2.4.
2.6 Вариант электроемкостного преобразователя для определения координат геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей и выходными сигналами в виде цифрового кода2.6 Variant of an electric capacitive transducer for determining the coordinates of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions and output signals in the form of a digital code
Вариант электроемкостного преобразователя соответствует п. 31 формулы изобретения. Особенности варианта электроемкостного преобразователя показаны на фиг. 41.A variant of the electric capacitive converter corresponds to paragraph 31 of the claims. Features of an embodiment of an electric capacitive converter are shown in FIG. 41.
В этом варианте электроемкостный преобразователь 413 дополнительно снабжен микроконтроллером 450, содержащим многоканальный аналого-цифровой преобразователь 421 «электрическая емкость - цифровой код», блок памяти 423 и процессор 427. Причем выводы измерительных областей электроемкостного преобразователя подключены к соответствующим входам каналов аналого-цифрового преобразователя, вывод общего электрода 426 подключен к соответствующему входу микроконтроллера, выход аналого-цифрового преобразователя связан с входом процессора. На фиг. 41 выводы измерительных областей показаны в виде групповых линий и отдельных шлейфов от измерительных областей строк 452 и столбцов 451. Сигналы 425 электрических емкостей в виде цифрового кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 421 поступают на вход процессора микроконтроллера, процессор реализует вычисление координат геометрического центра одной двумерной области или вычисление координат геометрических центров нескольких двумерных областей нескольких тел, а также формирует выходные сигналы координат, выраженные в виде цифрового кода на выходе 440 микроконтроллера.In this embodiment, the
Принцип действия варианта электроемкостного преобразователя приведен в разделе «сущность изобретения» в описании соответствующего варианта 2.6.The principle of operation of a variant of an electric capacitive converter is given in the section "Summary of the Invention" in the description of the corresponding option 2.6.
Электроемкостный преобразователь для определения координаты геометрического центра двумерной области с использованием множества измерительных областей, с целью адаптации к разным условиям применения, может использоваться совместно с любым из вариантов 1.12-1.21 выполнения диэлектрической подложки и общего электрода.An electric capacitive transducer for determining the coordinate of the geometric center of a two-dimensional region using a variety of measuring regions, in order to adapt to different application conditions, can be used in conjunction with any of the options 1.12-1.21 for performing a dielectric substrate and a common electrode.
Осуществление изобретений по пунктам формулы изобретения п. 23 и п. 46, в формулах которых использованы функциональные признаки, раскрыто в описании осуществления соответствующих разновидностей и вариантов электроемкостного преобразователя под номерами 1.1-1.6 для п. 23 и 2.2-2.4 для п. 46 формулы изобретения.The implementation of the inventions according to the claims 23 and 46, in the formulas of which functional features are used, is disclosed in the description of the implementation of the corresponding varieties and variants of the electric capacitive converter under the numbers 1.1-1.6 for clauses 23 and 2.2-2.4 for the clauses 46 of the claims .
Claims (46)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019109487A RU2717143C1 (en) | 2019-04-01 | 2019-04-01 | Electric capacitance converter for determining coordinates of a geometric center of a two-dimensional region (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019109487A RU2717143C1 (en) | 2019-04-01 | 2019-04-01 | Electric capacitance converter for determining coordinates of a geometric center of a two-dimensional region (versions) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2717143C1 true RU2717143C1 (en) | 2020-03-18 |
Family
ID=69898643
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019109487A RU2717143C1 (en) | 2019-04-01 | 2019-04-01 | Electric capacitance converter for determining coordinates of a geometric center of a two-dimensional region (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2717143C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS56147003A (en) * | 1980-04-16 | 1981-11-14 | Agency Of Ind Science & Technol | Detecting method for barycenter position of face pressure |
SU1495829A1 (en) * | 1987-11-17 | 1989-07-23 | Винницкий политехнический институт | Device for measuring geometric center of image |
US5325442A (en) * | 1990-05-18 | 1994-06-28 | U.S. Philips Corporation | Fingerprint sensing device and recognition system having predetermined electrode activation |
RU2087873C1 (en) * | 1994-12-19 | 1997-08-20 | Николай Дмитриевич Куликов | Electric capacitive converter for level measurement |
US8797294B2 (en) * | 2010-06-21 | 2014-08-05 | Pixart Imaging Inc. | Capacitive touchscreen system with switchable charge acquisition circuit |
-
2019
- 2019-04-01 RU RU2019109487A patent/RU2717143C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS56147003A (en) * | 1980-04-16 | 1981-11-14 | Agency Of Ind Science & Technol | Detecting method for barycenter position of face pressure |
SU1495829A1 (en) * | 1987-11-17 | 1989-07-23 | Винницкий политехнический институт | Device for measuring geometric center of image |
US5325442A (en) * | 1990-05-18 | 1994-06-28 | U.S. Philips Corporation | Fingerprint sensing device and recognition system having predetermined electrode activation |
RU2087873C1 (en) * | 1994-12-19 | 1997-08-20 | Николай Дмитриевич Куликов | Electric capacitive converter for level measurement |
US8797294B2 (en) * | 2010-06-21 | 2014-08-05 | Pixart Imaging Inc. | Capacitive touchscreen system with switchable charge acquisition circuit |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
А.А. Джежора. Электроемкостные преобразователи и методы их расчета, под редакцией доктора технических наук В.В. Рубаника, "Белорусская наука", Минск, 2008. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8456443B2 (en) | Single-layer touch sensors | |
US9146644B2 (en) | Systems and methods for detecting multiple touch points in surface-capacitance type touch panels | |
US8941595B2 (en) | Alternating, complementary conductive element pattern for multi-touch sensor | |
CN106030482B (en) | The hovering position of touch panel device calculates | |
US10949036B2 (en) | Method of capacitive measurement by non regular electrodes, and apparatus implementing such a method | |
US8531418B2 (en) | Touch sensor having improved edge response | |
US8440920B2 (en) | Circular single-layer touch sensors | |
US8659575B2 (en) | Touch panel device of digital capacitive coupling type with high sensitivity | |
KR101240065B1 (en) | Display device | |
US9389258B2 (en) | SLIM sensor design with minimum tail effect | |
US10831295B2 (en) | Touch screen, touch panel, display device, and electronic apparatus | |
US20110279409A1 (en) | System and Method for Detecting Locations of Touches on a Touch Sensor | |
US20080297174A1 (en) | Capacitive sensing devices | |
CN106066727A (en) | Touch-screen, touch panel, display device and electronic instrument | |
WO2007032942A2 (en) | Object sensing device and method | |
TW201214256A (en) | System and method for detecting locations of touches on a touch sensor | |
TW201401145A (en) | Method for determining the correct touch location on a touch panel and touch location determination module thereof | |
CN103425369B (en) | Capacitive touch control panel device | |
TW201314540A (en) | System and methods for detecting multiple touch points in surface-capacitance type touch panels | |
JP2010182027A (en) | Touch panel and method for manufacturing touch panel | |
RU2717143C1 (en) | Electric capacitance converter for determining coordinates of a geometric center of a two-dimensional region (versions) | |
KR101762278B1 (en) | Touch pressure sensitivity compensation method and computer readable recording medium | |
RU2685559C1 (en) | Capacitance transducer for determining coordinates of geometric center of two-dimensional region (variants) | |
RU2776859C2 (en) | Electrode system for determining coordinates of geometric center of two-dimensional area (options) | |
RU2776858C2 (en) | Conductor system for determining coordinates of geometric center of two-dimensional area (options) |