RU2717904C1 - Method of measuring using differential sensor - Google Patents
Method of measuring using differential sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2717904C1 RU2717904C1 RU2019128835A RU2019128835A RU2717904C1 RU 2717904 C1 RU2717904 C1 RU 2717904C1 RU 2019128835 A RU2019128835 A RU 2019128835A RU 2019128835 A RU2019128835 A RU 2019128835A RU 2717904 C1 RU2717904 C1 RU 2717904C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- vector
- signal
- sensitivity
- imbalance
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, более конкретно, к области измерения различия физической величины при помощи электрического дифференциального датчика. Хорошо известны электрические дифференциальные датчики различных типов - резистивные, индуктивные, емкостные. Их принцип основан на том, что в датчике применяются, как минимум, два электрических преобразователя измеряемой величины. Эти преобразователи соединяют в общую схему датчика таким образом, что выходной сигнал датчика определяется разностью электрических параметров этих преобразователей, которую принято называть дисбалансом датчика. Таким образом, выходной сигнал датчика определяется разностью значений величины, воздействующей на каждый из преобразователей. Этот выходной сигнал часто называют дифференциальным, чтобы подчеркнуть способ его формирования.The invention relates to the field of measuring technology, and more particularly, to the field of measuring differences in physical quantities using an electric differential sensor. Various types of electrical differential sensors are well known - resistive, inductive, capacitive. Their principle is based on the fact that at least two electrical transducers of the measured value are used in the sensor. These transducers are connected to a common sensor circuit in such a way that the output signal of the sensor is determined by the difference in the electrical parameters of these transducers, which is usually called the imbalance of the sensor. Thus, the output signal of the sensor is determined by the difference in the values of the magnitude acting on each of the transducers. This output signal is often called differential to emphasize the way it is formed.
Дифференциальные датчики применяются для тех измерений, в которых важно найти именно различие величины, а не ее абсолютное значение. Зачастую, абсолютное значение величины, одинаково действующее на преобразователи, имеет характер помехи, на фоне которой нужно выделить полезный сигнал, соответствующий разнице величины. Кроме того, дифференциальные датчики применяют для подавления внешних возмущающих факторов в виде электромагнитного поля, механических вибраций, либо изменений температуры, которые в равной степени воздействуют на преобразователи и поэтому не передаются в дифференциальный выходной сигнал датчика.Differential sensors are used for those measurements in which it is important to find the difference in magnitude, rather than its absolute value. Often, the absolute value of a quantity that acts equally on the converters has the character of an interference, against the background of which it is necessary to isolate a useful signal corresponding to the difference in magnitude. In addition, differential sensors are used to suppress external disturbing factors in the form of an electromagnetic field, mechanical vibrations, or temperature changes that equally affect the transducers and therefore are not transmitted to the differential output signal of the sensor.
Дифференциальные электрические датчики применяются для измерения разницы пространственного положения, температуры, диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости и других величин. Косвенным образом, при помощи этих величин измеряют разницу толщины материала, концентрации определенного вещества, скорости потока газа и многих других факторов. В дифференциальных электрических датчиках применяют как постоянный, так и переменный ток. Датчики с емкостными и индуктивными преобразователями используют переменный ток, так как электрические эффекты от изменения емкости конденсаторов, индуктивности либо взаимной индукции катушек наблюдаются при воздействии на них переменного тока или напряжения. Дифференциальные датчики, как правило, используются для регистрации малого отклика преобразователей на разницу в измеряемой величине, на фоне большого выходного сигнала каждого из преобразователей. Специалистам в области измерительной техники известно, что применение дифференциальных датчиков позволяет точнее измерить разницу измеряемой величины, чем при проведении двух независимых измерении этой величины и получении искомой разницы за счет численного вычитания результатов. Это обусловлено тем, что относительные погрешности измерения большого выходного сигнала отдельного преобразователя приводят к большим абсолютным погрешностям, сопоставимым со значениями дифференциального сигнала. Конечно же, абсолютную точность двух независимых измерений можно повысить за счет более сложного измерительного устройства. Однако, при использовании сходных преобразователей, дифференциальный датчик оказывается более предпочтительным.Differential electric sensors are used to measure the difference in spatial position, temperature, dielectric constant, magnetic permeability and other values. Indirectly, using these values, the difference is measured between the thickness of the material, the concentration of a particular substance, the gas flow rate and many other factors. Differential electrical sensors use both direct and alternating current. Sensors with capacitive and inductive converters use alternating current, since the electrical effects of changing capacitors, inductance or mutual induction of the coils are observed when exposed to alternating current or voltage. Differential sensors are usually used to record the small response of the converters to the difference in the measured value, against the background of the large output signal of each of the converters. Specialists in the field of measurement technology know that the use of differential sensors allows you to more accurately measure the difference in the measured value than when two independent measurements of this quantity and obtaining the desired difference by numerically subtracting the results. This is due to the fact that the relative measurement errors of the large output signal of an individual converter lead to large absolute errors comparable with the values of the differential signal. Of course, the absolute accuracy of two independent measurements can be improved by a more sophisticated measuring device. However, when using similar converters, a differential sensor is more preferable.
Датчики переменного тока можно разделить на, по меньшей мере, три класса. К первому классу относятся так называемые мостовые датчики. Схема мостового датчика питается от одного источника переменного напряжения либо тока, а выходной сигнал снимают между двумя точками в схеме. Пример мостового индуктивного датчика приведен в патенте США US 8026716 (опубл. 01.10.2009, МПК G01N 27/72). Схема мостового соединения построена таким образом, что, когда преобразователи имеют одинаковые электрические характеристики и дисбаланс датчика отсутствует, то выходной сигнал также отсутствует. Выходной сигнал появляется при возникновении дисбаланса, который, в свою очередь, обусловлен различиями в измеряемой величине, воздействующей на преобразователи.AC sensors can be divided into at least three classes. The first class includes the so-called bridge sensors. The bridge sensor circuit is powered by a single source of alternating voltage or current, and the output signal is removed between two points in the circuit. An example of a bridge inductive sensor is given in US patent US 8026716 (publ. 01.10.2009, IPC G01N 27/72). The bridge connection scheme is constructed in such a way that when the converters have the same electrical characteristics and there is no sensor imbalance, the output signal is also absent. The output signal appears when an imbalance occurs, which, in turn, is due to differences in the measured value acting on the transducers.
Второй класс включает в себя датчики, которые тоже питаются от одного источника переменного напряжения либо тока, и в которых преобразователи электрически связаны таким образом, что обеспечивается вычитание их выходных сигналов на общем выходе датчика. К этому классу, преимущественно, относятся датчики с индуктивной связью между катушками преобразователей, поскольку полярность отклика такого преобразователя легко изменить на противоположную за счет изменения направления намотки его катушки. Преобразователи соединяют встречно-последовательно или встречно-параллельно, что обеспечивает вычитание непосредственно в проводниках, которыми выполнены катушки. Пример такого датчика со встречно-последовательным соединением приведен, например, в патенте США US 6995021 (опубл. 02.09.2004, МПК G01N 27/72).The second class includes sensors, which are also powered by a single source of alternating voltage or current, and in which the converters are electrically connected in such a way that their output signals are subtracted from the common sensor output. This class mainly includes sensors with inductive coupling between the coils of the transducers, since the polarity of the response of such a transducer can be easily reversed by changing the direction of winding of its coil. The converters are connected counter-series or counter-parallel, which provides subtraction directly in the conductors, which are made of the coil. An example of such a sensor with an in-series connection is given, for example, in US Pat. No. 6,995,021 (publ. 02.09.2004, IPC G01N 27/72).
Третий класс можно условно назвать классом датчиков с противофазным возбуждением. На такой датчик подают токи либо напряжения одинаковой частоты и амплитуды, но противоположные по фазе. Противофазные токи либо напряжения поступают на отдельные преобразователи, а выходные сигналы преобразователей суммируются в схеме их соединения. В результате суммирования формируется общий выходной сигнал датчика.The third class can conditionally be called the class of sensors with antiphase excitation. Such a sensor is supplied with currents or voltages of the same frequency and amplitude, but opposite in phase. Antiphase currents or voltages are supplied to individual converters, and the output signals of the converters are summed up in their connection diagram. As a result of the summation, the total output signal of the sensor is formed.
За счет противофазного соотношения между возбуждающими сигналами, фактически, на выходе датчика происходит взаимное вычитание выходных сигналов преобразователей. При воздействии на преобразователи измеряемой величины одного и того же значения, взаимное вычитание приводит к полной компенсации сигналов преобразователей, так что, выходной сигнал датчика отсутствует. Если измеряемые величины, воздействующие на каждый из преобразователей, имеют различие, то, при взаимном вычитании, сигналы преобразователей компенсируют друг друга не в полной мере, и на выходе датчика появляется сигнал, пропорциональный указанному различию. К этому классу, например, относится индуктивный дифференциальный датчик количества ферромагнитных частиц на листовом материале, описанный в патенте RU 2675405 (опубл. 19.12.2018, МПК G01D 5/12). В нем противофазные токи подаются в две возбуждающие катушки индуктивного датчика, а выходной сигнал снимается с приемной катушки, имеющей магнитную связь с обеими возбуждающими катушками. Магнитные частицы изменяют коэффициент связи между возбуждающей и одной из приемных катушек, что приводит к изменению выходного сигнала датчика. Выходной сигнал дифференциального датчика переменного тока возникает за счет вычитания (то есть, суммирования в противофазе) выходных сигналов преобразователей. В некоторых датчиках, для суммирования применяют электронные схемы, содержащие активные элементы, такие, как транзисторы или операционные усилители, а иногда выпрямители или генераторы импульсов. Электронная схема вносит собственные погрешности за счет свойственной ей асимметрии по входу, нелинейностей, ограничения динамического диапазона, частотных и фазовых искажений, а также наводок и шумов. Этого недостатка лишены датчики, в которых сигналы преобразователей суммируются пассивным образом в физической среде, которая обладает высокой линейностью, почти не вносит фазовых и частотных искажений, отличается малым уровнем шумов и отсутствием ограничения уровня. Такой средой может быть электрический проводник или же пространство внутри катушки. Пассивное суммирование (вычитание) используется в уже упомянутых датчиках: согласно патенту RU 2675405 суммирование магнитного потока происходит в приемной катушке, а согласно патенту США US 6995021 противофазное вычитание происходит в последовательном включении проводников катушек.Due to the antiphase relationship between the exciting signals, in fact, the output of the transducers is mutually subtracted from the output signals of the transducers. When the measured value of the same value is applied to the transducers, mutual subtraction leads to the complete compensation of the transducer signals, so that the sensor output signal is absent. If the measured values acting on each of the transducers have a difference, then, with mutual subtraction, the transducer signals do not fully compensate each other, and a signal proportional to the specified difference appears at the output of the sensor. This class, for example, includes an inductive differential sensor for the number of ferromagnetic particles on the sheet material described in patent RU 2675405 (publ. 12/19/2018, IPC G01D 5/12). In it, antiphase currents are supplied to two exciting coils of the inductive sensor, and the output signal is removed from the receiving coil, which is magnetically coupled to both exciting coils. Magnetic particles change the coupling coefficient between the exciting and one of the receiving coils, which leads to a change in the output signal of the sensor. The output signal of the differential sensor of the alternating current arises due to subtraction (i.e., summation in antiphase) of the output signals of the converters. In some sensors, electronic circuits containing active elements, such as transistors or operational amplifiers, and sometimes rectifiers or pulse generators, are used for summing. The electronic circuit introduces its own errors due to its inherent asymmetry in input, nonlinearities, limitation of the dynamic range, frequency and phase distortions, as well as interference and noise. Sensors in which the transducer signals are summed passively in a physical medium that is highly linear, almost does not introduce phase and frequency distortions, has a low noise level and no level limitation are deprived of this drawback. Such a medium may be an electric conductor or the space inside the coil. Passive summation (subtraction) is used in the already mentioned sensors: according to the patent RU 2675405 the summation of the magnetic flux occurs in the receiving coil, and according to US patent US 6995021 antiphase subtraction occurs in the series connection of the conductors of the coils.
Во многих случаях, для повышения чувствительности датчиков стараются, насколько это возможно, повысить частоту возбуждающего напряжения или тока. Это связано с тем, что отклик выходного сигнала датчика на изменения индуктивности или емкости, в общем случае, растет с ростом частоты. Для наиболее высокочувствительных датчиков рабочая частота может превышать сто мегагерц. Еще одной причиной повышения частоты возбуждающего сигнала является стремление повысить быстродействие датчика.In many cases, in order to increase the sensitivity of sensors, they try, as far as possible, to increase the frequency of the exciting voltage or current. This is due to the fact that the response of the sensor output signal to changes in inductance or capacitance, in the general case, increases with increasing frequency. For the most highly sensitive sensors, the operating frequency can exceed one hundred megahertz. Another reason for increasing the frequency of the exciting signal is the desire to increase the speed of the sensor.
Дифференциальные датчики широко используются для высокочувствительных измерений. Изменение емкости либо индуктивности, соответствующее полному диапазону чувствительности датчика, часто находится в пределах нескольких сотых долей от номинального значения емкости или индуктивности преобразователя. Обработка выходного сигнала такого датчика сопряжена с рядом проблем, среди которых главными являются подавление шумов и помех, и адекватная компенсация паразитного дисбаланса датчика. Высокой степени подавления шумов и помех обычно достигают за счет накопления измеренного сигнала на протяжении многих периодов колебаний возбуждающего сигнала. Чем выше частота, тем больше количество периодов, по которым можно накопить измеренный сигнал за заданное время.Differential sensors are widely used for highly sensitive measurements. A change in capacitance or inductance corresponding to the full sensitivity range of the sensor is often within a few hundredths of the nominal value of the capacitance or inductance of the converter. Processing the output signal of such a sensor is fraught with a number of problems, among which the main ones are the suppression of noise and interference, and adequate compensation for spurious imbalance of the sensor. A high degree of suppression of noise and interference is usually achieved by accumulating the measured signal over many periods of oscillation of the exciting signal. The higher the frequency, the greater the number of periods over which you can accumulate the measured signal for a given time.
Во многих случаях, процесс измерения представляет собой последовательность циклов измерения, в каждом из которых находят отдельное измеряемое значение. При измерении величины, изменяющейся во времени, последовательность циклов измерения позволяет построить зависимость измеряемой величины от времени. Если измеряемая величина является статичной, то усреднение результатов, полученных в нескольких циклах измерения, позволяет уменьшить вклад шумов в результат измерений. Так, при воздействии белого шума, его вклад в результат измерений падает пропорционально квадратному корню из числа измерений.In many cases, the measurement process is a sequence of measurement cycles, in each of which a separate measured value is found. When measuring a variable over time, the sequence of measurement cycles allows you to build the dependence of the measured value on time. If the measured value is static, then averaging the results obtained in several measurement cycles allows to reduce the contribution of noise to the measurement result. So, when exposed to white noise, its contribution to the measurement result decreases in proportion to the square root of the number of measurements.
Явление паразитного дисбаланса хорошо известно для всех типов дифференциальных датчиков, и, обычно, связано с разницей электрических характеристик преобразователей при воздействии на них одного и того же значения измеряемой величины. Причиной паразитного дисбаланса, как правило, становится геометрическое различие между преобразователями в пределах конструктивного допуска их изготовления, либо же неточность монтажа преобразователя. Например, для емкостных датчиков, источником паразитного дисбаланса часто является небольшое различие в площади пластин измерительных конденсаторов, либо малый перекос этих пластин. Также, паразитный дисбаланс возникает из-за различий характеристик материалов, из которых изготовлены преобразователи, например, диэлектрической либо магнитной проницаемости.The phenomenon of spurious imbalance is well known for all types of differential sensors, and is usually associated with the difference in the electrical characteristics of the transducers when they are exposed to the same measured value. The cause of parasitic imbalance, as a rule, is the geometric difference between the transducers within the design tolerance of their manufacture, or the inaccuracy of the installation of the converter. For example, for capacitive sensors, the source of spurious imbalance is often a small difference in the area of the plates of the measuring capacitors, or a small skew of these plates. Also, spurious imbalance arises due to differences in the characteristics of the materials from which the transducers are made, for example, dielectric or magnetic permeability.
Возникновение дисбаланса является принципом работы дифференциального датчика, и, само по себе, не несет вреда. В подавляющем числе случаев использования дифференциального датчика, с технической точки зрения, необходимо в итоге получить дисбаланс, соответствующий скалярной разности амплитуд выходного сигнала преобразователей. В данном описании, мы будем говорить о полезном дисбалансе, когда речь идет о реакции дифференциального датчика на измеряемую величину. Полезный дисбаланс противопоставляется паразитному дисбалансу, который добавляется к полезному дисбалансу и ухудшает точность работы датчика.The occurrence of imbalance is the principle of operation of a differential sensor, and, in itself, is not harmful. In the overwhelming majority of cases of using a differential sensor, from a technical point of view, it is necessary to finally obtain an imbalance corresponding to the scalar difference in the amplitudes of the output signal of the converters. In this description, we will talk about a useful imbalance when it comes to the response of a differential sensor to a measured quantity. Useful imbalance is opposed to parasitic imbalance, which is added to the useful imbalance and impairs the accuracy of the sensor.
Для борьбы с паразитным дисбалансом, перед проведением измерения, когда на преобразователи действует одинаковое значение измеряемой величины или же измеряемая величина отсутствует, проводят так называемую балансировку датчика. Для этого, регистрируют выходной сигнал датчика и далее вычитают его из получаемого результата измерений. Либо же, перед измерением оперативно изменяют параметры элементов датчика или схемы его включения, чтобы, за счет намеренного введения небольшой асимметрии, скомпенсировать паразитный дисбаланс.To combat spurious imbalance, before the measurement, when the transmitters are affected by the same measured value or there is no measured value, the so-called sensor balancing is carried out. To do this, register the sensor output signal and then subtract it from the obtained measurement result. Or, before the measurement, the parameters of the sensor elements or its switching circuits are promptly changed in order to compensate for the parasitic imbalance due to the intentional introduction of small asymmetries.
Однако, в случае дифференциального датчика, возбуждаемого высокочастотным напряжением либо током, борьба с паразитным дисбалансом усложняется. Это связано с тем, что между противофазными возбуждающими сигналами, поступающими на преобразователи, разница фаз, как правило, не равна в точности 180 градусам. Это происходит из-за неидеальности конструкции датчика, например, из-за различной длины подводящих проводников и различных сдвигов фаз в цепях, по которым передаются возбуждающие сигналы. Кроме того, сами преобразователи могут иметь немного отличающиеся фазовые характеристики, что приводит к отличию фазы от 180 градусов при суммировании выходных сигналов. Все эти эффекты практически незаметны при невысоких частотах возбуждения. Однако, на высоких частотах возбуждения, начиная с примерно 1 МГц и выше, фазовые соотношения становятся значимыми для точности работы датчика. При частоте около 100 МГц, как показывает практический опыт, сдвиг фаз между выходными сигналами преобразователя может достигать 20 градусов даже при принятии специальных конструктивных мер по снижению различия фазы. В результате сочетания перечисленных случайных факторов, выходной сигнал, обусловленный паразитным дисбалансом, может иметь произвольный сдвиг фазы по отношению к сигналу возбуждения. Чтобы скомпенсировать его методом вычитания сигнала, соответствующего паразитному дисбалансу, из сигнала, получаемого во время измерений, следует применять не скалярное, а векторное вычитание.However, in the case of a differential sensor excited by a high-frequency voltage or current, the fight against spurious imbalance is complicated. This is due to the fact that, as a rule, the phase difference between the antiphase exciting signals arriving at the transducers is not exactly 180 degrees. This is due to the imperfect design of the sensor, for example, due to the different lengths of the lead-in conductors and different phase shifts in the circuits along which exciting signals are transmitted. In addition, the converters themselves may have slightly different phase characteristics, which leads to a phase difference of 180 degrees when summing the output signals. All these effects are almost imperceptible at low excitation frequencies. However, at high excitation frequencies, starting from about 1 MHz and above, the phase relationships become significant for the accuracy of the sensor. At a frequency of about 100 MHz, as practical experience shows, the phase shift between the output signals of the converter can reach 20 degrees even with the adoption of special design measures to reduce the phase difference. As a result of a combination of these random factors, the output signal due to spurious imbalance may have an arbitrary phase shift with respect to the excitation signal. To compensate for it by subtracting the signal corresponding to spurious imbalance from the signal received during the measurements, vector scalar rather than scalar subtraction should be used.
Описанный механизм возникновения паразитного дисбаланса показан на Фиг. 1, где приведены векторные диаграммы формирования дифференциального выходного сигнала датчика. Векторные диаграммы позволяют наглядно представить формирование выходного сигнала датчика в виде векторной суммы возбуждающих сигналов, прошедших через преобразователи и, при этом, определенным образом изменивших свою амплитуду и фазу. Для определенности, в данном описании мы будем применять понятие величины дисбаланса только к скалярным значениям. Чтобы описать векторную величину, возникающую в результате явления дисбаланса, будет применяться термин «вектор рассогласования». Укажем здесь, что конечной целью измерений при помощи дифференциального датчика всегда является скалярная величина дисбаланса, за исключением редкого специального случая измерения комплексной проницаемости диэлектрика или магнитного материала. Вектор рассогласования, как правило, имеет ценность только для промежуточных вычислений. Далее будет показано, что, для высокочастотных датчиков, дисбаланс нельзя считать равным модулю вектора рассогласования.The described mechanism for the occurrence of spurious imbalance is shown in FIG. 1, which shows vector diagrams of the formation of the differential output signal of the sensor. Vector diagrams allow you to visualize the formation of the output signal of the sensor in the form of a vector sum of exciting signals that have passed through the converters and, at the same time, in a certain way changed their amplitude and phase. For definiteness, in this description we will apply the concept of unbalance magnitude only to scalar values. To describe the vector quantity resulting from the imbalance phenomenon, the term “mismatch vector” will be used. We point out here that the ultimate goal of measurements with a differential sensor is always a scalar imbalance, with the exception of the rare special case of measuring the complex permeability of a dielectric or magnetic material. The mismatch vector, as a rule, has value only for intermediate calculations. It will be shown below that, for high-frequency sensors, the imbalance cannot be considered equal to the modulus of the mismatch vector.
Во многих случаях, выходной сигнал преобразователей датчика дополнительно подвергается фильтрации и усилению, так что схема обработки переменного сигнала является неотъемлемой частью датчика. Тогда, дисбаланс и вектора выходных сигналов должны учитывать изменения амплитуды и фазы, вносимые названной схемой обработки.In many cases, the output of the sensor transducers is further filtered and amplified, so that the ac signal processing circuitry is an integral part of the sensor. Then, the imbalance and the vector of the output signals must take into account the changes in the amplitude and phase introduced by the named processing scheme.
Чувствительность датчика можно выразить как отношение полезного дисбаланса к измеряемой величине или к измеряемому перепаду величины.The sensitivity of the sensor can be expressed as the ratio of the useful imbalance to the measured value or to the measured differential value.
На Фиг. 1а и Фиг. lb, вектор соответствует выходному сигналу первого преобразователя в отсутствии измеряемой величины, а вектор представляет собой сигнал второго преобразователя. Вектор соответствует сигналу первого преобразователя при появлении измеряемой величины. В отсутствие измеряемой величины выходной сигнал датчика соответствует вектору паразитного рассогласования Выходной сигнал датчика при появлении измеряемой величины соответствует вектору Полезный сигнал датчика нельзя измерить непосредственно, но он получается вычитанием из выходного сигнала вектора паразитного рассогласования: In FIG. 1a and FIG. lb, vector corresponds to the output signal of the first converter in the absence of a measured quantity, and the vector represents the signal of the second converter. Vector corresponds to the signal of the first converter when the measured value appears. In the absence of a measurable quantity, the sensor output signal corresponds to the parasitic mismatch vector The output signal of the sensor when the measured value corresponds to the vector Useful Sensor Signal cannot be measured directly, but it is obtained by subtracting the parasitic mismatch vector from the output signal:
На Фиг. 1а изображен вырожденный случай, характерный для невысокой частоты возбуждения, при которой фазовыми сдвигами можно пренебречь. За счет этого, все вектора являются коллинеарными, и можно ограничиться скалярным решением задачи, без привлечения векторов. Скалярное значение дисбаланса в отсутствии измеряемой величины вычисляется как и является паразитным, а при измерении он равен и является скалярной суммой паразитного дисбаланса и полезного скалярного значения дисбаланса, вызванного измеряемой величиной. Тогда, полезный дисбаланс легко получить как скалярную разность модуля вектора выходного сигнала датчика в момент измерения и модуля вектора паразитного рассогласования: Такой подход к компенсации паразитного дисбаланса наиболее широко применяется на практике. Однако, если вектора не коллинеарны, подобное упрощение недопустимо.In FIG. Figure 1a shows a degenerate case characteristic of a low excitation frequency at which phase shifts can be neglected. Due to this, all vectors are collinear, and you can restrict yourself to a scalar solution to the problem, without involving vectors. The scalar value of the imbalance in the absence of the measured value is calculated as and is parasitic, and when measured it is equal to and is the scalar sum of the parasitic imbalance and the useful scalar value of the imbalance caused by the measured quantity. Then, a useful imbalance can be easily obtained as the scalar difference of the module of the vector of the sensor output signal at the time of measurement and the module of the parasitic mismatch vector: This approach to compensation for spurious imbalance is most widely used in practice. However, if the vectors are not collinear, such a simplification is unacceptable.
При повышении частоты в датчике возникают существенные фазовые сдвиги между выходными сигналами преобразователей, которые невозможно игнорировать. Поэтому, задачу следует решать в векторном виде. Этот случай показан на Фиг. lb. Выходной вектор датчика можно разложить на ортогональные компоненты, один из которых можно условно называть значимым, а другой - незначимым. Например, выходной вектор в отсутствие измеряемой величины можно представить суммой , где является значимым компонентом, а является незначимым. Значимый компонент направлен по биссектрисе угла между векторами выходных сигналов преобразователей и образует с ними малый угол. Поэтому, значимый компонент практически равен по величине скалярному значению дисбаланса. Незначимый компонент почти ортогонален векторам выходных сигналов преобразователей и практически не изменяется при изменении дисбаланса.As the frequency increases, significant phase shifts occur between the output signals of the converters in the sensor, which cannot be ignored. Therefore, the problem should be solved in vector form. This case is shown in FIG. lb. The output vector of the sensor can be decomposed into orthogonal components, one of which can conditionally be called significant, and the other insignificant. For example, the output vector in the absence of a measurable quantity can be represented by the sum where is a significant component, and is insignificant. The significant component is directed along the bisector angle between the vectors of the output signals of the converters and forms a small angle with them. Therefore, a significant component is almost equal in magnitude to the scalar value of the imbalance. An insignificant component is almost orthogonal to the vectors of the output signals of the converters and practically does not change when the imbalance changes.
Отметим, что, казалось бы, небольшой сдвиг фаз между выходными сигналами преобразователя, не превышающий 20 градусов, может привести к тому, что незначимый компонент значительно превысит по модулю значимый компонент Наличие угла α≤20° между сигналами отдельных преобразователей дает незначимый компонент Note that a seemingly small phase shift between the output signals of the converter, not exceeding 20 degrees, can lead to the fact that an insignificant component significantly exceed in magnitude the significant component The presence of an angle α≤20 ° between the signals of the individual converters gives an insignificant component
Амплитуда сигнала каждого преобразователя в дифференциальном датчике во много раз превышает разность амплитуд преобразователей, что определяет типовое соотношение несмотря на достаточно малую величину sinα≤0,35.The signal amplitude of each converter in a differential sensor is many times greater than the difference in the amplitudes of the converters, which determines the typical ratio despite the rather small value of sinα≤0.35.
Из приведенного объяснения становится понятным, что, при повышении частоты, модуль выходного сигнала датчика, сам по себе, не следует использовать для получения скалярной величины дисбаланса, так как основной вклад в него обычно вносит незначимый компонент. Отделить значимый компонент от незначимого возможно только за счет фазочувствительного детектирования выходного сигнала датчика, что реализовано в уже упомянутых патентах US 6995021, US 8026716 и RU 2675405.From the above explanation, it becomes clear that, with increasing frequency, the sensor output signal module, by itself, should not be used to obtain a scalar imbalance value, since the main contribution to it is usually made by an insignificant component. It is possible to separate a significant component from an insignificant only due to phase-sensitive detection of the sensor output signal, which is implemented in the already mentioned patents US 6995021, US 8026716 and RU 2675405.
В уровне техники, устранение паразитного дисбаланса при работе на высокой частоте иногда реализуют вычитанием в векторном виде для получения вектора полезного сигнала: Вслед за этим, из вектора полезного сигнала извлекают значимый компонент Например, в упомянутом выше патенте США US 8026716 описан дифференциальный индуктивный датчик для измерения малых концентраций вещества, обладающего магнитными свойствами. В этом датчике, с целью компенсации паразитного дисбаланса, синтезируют компенсирующий сигнал, равный по модулю и в точности противонаправленный сигналу паразитного рассогласования, и вводят его в схему моста для суммирования с выходным сигналом. В результате аналогового вычитания переменных сигналов, эквивалентного векторному вычитанию, выходной сигнал датчика представляет собой чистый полезный сигнал. Этот сигнал подвергают синхронному детектированию и, в результате, получают постоянное напряжение, которое соответствует значимому компоненту. Постоянное напряжение соответствует скалярному значению дисбаланса моста с устраненным паразитным дисбалансом.In the prior art, the elimination of spurious imbalance when operating at high frequency is sometimes implemented by subtraction in a vector form to obtain a vector of a useful signal: Following this, a significant component is extracted from the vector of the useful signal For example, the aforementioned US Pat. No. 8,026,716 describes a differential inductive sensor for measuring low concentrations of a substance having magnetic properties. In this sensor, in order to compensate for stray imbalance, a compensating signal is synthesized that is equal in magnitude and exactly opposite to the stray mismatch signal, and introduced into the bridge circuit for summing with the output signal. As a result of analog subtraction of variable signals equivalent to vector subtraction, the sensor output signal is a pure useful signal. This signal is subjected to synchronous detection and, as a result, a constant voltage is obtained, which corresponds to a significant component. The constant voltage corresponds to the scalar value of the unbalance of the bridge with the eliminated spurious imbalance.
Паразитный дисбаланс можно устранить и иным способом, извлекая значимые компоненты и, затем, вычитая их друг из друга, как скалярные величины. Так, в патенте RU 2483276 (опубл. 27.05.2013, МПК G01B 7/06) описан емкостной дифференциальный датчик для измерения различия в толщине листового материала, возбуждаемый противофазными напряжениями высокой частоты. Выходной сигнал с датчика усиливается и подается на синхронный детектор. Применение синхронного детектора позволяет сразу же выделить компонент вектора выходного сигнала, имеющий заданное направление. Результатом измерения является скалярная величина дисбаланса, получаемая после оцифровки выходного сигнала синхронного детектора. В этом решении запоминают паразитный дисбаланс, полученный перед проведением измерений, и скалярным образом вычитают его из дисбаланса, полученного при проведении измерений.Spurious imbalance can be eliminated in another way, by removing significant components and then subtracting them from each other as scalar quantities. So, in patent RU 2483276 (publ. 05.27.2013,
В обоих описанных здесь решениях точность измерения зависит от того, до какой степени направление, в котором извлекают значимый компонент выходного сигнала датчика, соответствует реальному направлению значимого компонента. Существенное различие между этими направлениями приводит к уменьшению чувствительности датчика, так как только часть его выходного напряжения используется при измерениях. Реальное направление значимого компонента не может быть получено из выходного сигнала сбалансированного датчика. Поэтому, его определяют при изготовлении устройства при помощи настройки или предварительного замера набега фазы в схеме измерения. Кроме того, в этих решениях полагаются на неизменность чувствительности преобразователей к измеряемой величине в течение времени.In both of the solutions described here, the accuracy of the measurement depends on the extent to which the direction in which the significant component of the sensor output signal is extracted corresponds to the real direction of the significant component. A significant difference between these directions leads to a decrease in the sensitivity of the sensor, since only part of its output voltage is used in the measurements. The actual direction of a significant component cannot be obtained from the output of a balanced sensor. Therefore, it is determined during the manufacture of the device by adjusting or preliminary measuring the phase incursion in the measurement circuit. In addition, these decisions rely on the immutability of the transducers' sensitivity to the measured value over time.
Используемые в указанных патентах решения, обычно, оказываются эффективными, если на датчик не действуют возмущающие факторы, которые приводят к синхронному изменению отклика преобразователей. Примером подобных факторов можно назвать вибрацию, которая приводит к одинаковому изменению расстояния между обкладками измерительных конденсаторов емкостного дифференциального датчика, что вызывает синхронное изменение емкости конденсаторов. В индуктивных дифференциальных датчиках, вибрация какого-либо ферромагнитного элемента конструкции устройства, находящегося в дальней зоне области чувствительности датчика, также приводит к синхронному изменению индуктивности преобразователей. Нестабильность напряжения питания датчика является еще одним типом возмущающего фактора, синхронно влияющего на оба преобразователя. Для дифференциальных датчиков, используемых для контроля перепада тех или иных свойств материала, балансировка производится в отсутствие материала, а измерение выполняется после введения материала в датчик. Введение материала в датчик приводит к синхронному изменению отклика преобразователей. Например, при введении однородного листового материала в зазор емкостного датчика, синхронно возрастает емкость измерительных конденсаторов. Если конструкция датчика предполагает его разделение на части и обратное сочленение для загрузки измеряемого материала или для технического обслуживания, то после такой операции характеристики преобразователей датчика несколько изменяются, обычно, в равной степени.The solutions used in these patents are usually effective if disturbing factors do not act on the sensor, which lead to a synchronous change in the response of the transducers. An example of such factors can be called vibration, which leads to the same change in the distance between the plates of the measuring capacitors of the capacitive differential sensor, which causes a synchronous change in the capacitance of the capacitors. In inductive differential sensors, the vibration of some ferromagnetic structural element of the device located in the far zone of the sensor sensitivity region also leads to a synchronous change in the inductance of the transducers. The instability of the sensor supply voltage is another type of disturbing factor that simultaneously affects both transducers. For differential sensors used to control the differential of certain material properties, balancing is performed in the absence of material, and the measurement is performed after the material is introduced into the sensor. The introduction of material into the sensor leads to a synchronous change in the response of the transducers. For example, when a uniform sheet material is introduced into the gap of a capacitive sensor, the capacitance of the measuring capacitors increases simultaneously. If the design of the sensor involves its separation into parts and reverse articulation for loading the measured material or for maintenance, then after such an operation the characteristics of the transducers of the sensor slightly change, usually equally.
Параметры индуктивных и емкостных преобразователей, таких, как индуктивность, коэффициент индуктивной связи, емкость или протекающий ток, являются дифференцируемыми функциями многих независимых переменных, представляющих собой как измеряемую величину, так и возмущающие воздействия. Так, например, емкость измерительного конденсатора пропорциональна площади его обкладок и диэлектрической проницаемости материала между обкладками, и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. Ток через конденсатор, аналогичным образом, зависит от этих же переменных, и, дополнительно, пропорционален амплитуде и частоте приложенного напряжения. То есть, параметр преобразователя, например, протекающий через него ток, можно приближенно представить через некоторое начальное значение и сумму изменяющихся компонентов, пропорциональных изменению Δ каждой отдельной переменной Xi: I≈I0(1+∑siΔXi). Для малых изменений ΔXi это линейное выражение можно считать практически точным. Коэффициент зависимости si от изменения определенной переменной можно выразить через значения частной производной параметра преобразователя по этой переменной Xi: В силу конструктивной идентичности преобразователей наборы их коэффициентов зависимости si тоже можно считать идентичными.The parameters of inductive and capacitive converters, such as inductance, inductive coupling coefficient, capacitance or current flowing, are differentiable functions of many independent variables, which represent both the measured value and disturbing influences. So, for example, the capacitance of the measuring capacitor is proportional to the area of its plates and the dielectric constant of the material between the plates, and inversely proportional to the distance between the plates. The current through the capacitor, in a similar way, depends on the same variables, and, in addition, is proportional to the amplitude and frequency of the applied voltage. That is, the parameter of the converter, for example, the current flowing through it, can be approximately represented through a certain initial value and the sum of the changing components proportional to the change Δ of each individual variable X i : I≈I 0 (1 + ∑s i ΔX i ). For small changes ΔX i, this linear expression can be considered almost accurate. The coefficient of dependence of s i on changes in a certain variable can be expressed in terms of the partial derivative of the converter parameter with respect to this variable X i : Due to the structural identity of the converters, the sets of their dependence coefficients s i can also be considered identical.
Влияние одинакового возмущающего фактора Xi на оба преобразователя приводит к масштабированию вектора выходного сигнала каждого преобразователя в соответствии с коэффициентом зависимости si от этого фактора. То есть, фактически, масштабируется вся векторная диаграмма. В результате такого влияния, явление паразитного дисбаланса во время измерения не удается подавить при помощи вычитания заранее измеренного начального значения, ни в скалярной, ни в векторной форме, поскольку сам вектор паразитного рассогласования тоже масштабируется. На Фиг. 1с показана векторная диаграмма, в которой выходные сигналы датчиков, перед проведением измерений, в отсутствие измеряемой величины, также соответствуют векторам Вектор паразитного рассогласования, который запоминается на этой стадии измерений, равен К моменту начала измерений эти вектора пропорционально увеличиваются под воздействием возмущающего фактора и превращаются в вектора а соответствующий вектор паразитного рассогласования превращается в При попытке получить полезный сигнал вычитанием ранее запомненного паразитного рассогласования возникает неверный результат: На самом деле, верным является выражение но действующее в момент измерения значение паразитного рассогласования недоступно для его использования в вычислениях. Отсюда возникает погрешность нахождения выходного сигнала, которая выражается вектором изменения паразитного рассогласования Длина этого вектора часто превосходит длину вектора полезного сигнала The influence of the same perturbing factor X i on both transducers leads to scaling of the output signal vector of each transducer in accordance with the coefficient of dependence of s i on this factor. That is, in fact, the entire vector diagram is scaled. As a result of this influence, the phenomenon of spurious imbalance during measurement cannot be suppressed by subtracting the previously measured initial value, neither in scalar nor in vector form, since the parasitic mismatch vector itself also scales. In FIG. 1c shows a vector diagram in which the output signals of the sensors, before taking measurements, in the absence of a measured quantity, also correspond to vectors The parasitic mismatch vector, which is stored at this stage of the measurements, is By the time the measurements begin, these vectors proportionally increase under the influence of a disturbing factor and turn into vectors and the corresponding parasitic mismatch vector turns into When you try to get a useful signal by subtracting a previously stored spurious mismatch, an incorrect result occurs: In fact, the expression is true but the value at the time of measurement of the parasitic mismatch not available for use in calculations. Hence the error in finding the output signal, which is expressed by the vector of variation of the parasitic mismatch The length of this vector often exceeds the length of the useful signal vector.
В наиболее сложных случаях, возмущающий фактор также влияет и на фазу выходных сигналов, как показано на Фиг. 1d. Такое поведение характерно для датчиков, в которых, для борьбы с наведенными помехами, выход датчика соединяется с частотно-избирательной резонансной цепью, например, с LC-контуром. Подобное решение применяется, например, в патенте RU 2483276. Емкости и/или индуктивности преобразователей в такой схеме включаются в состав LC-контура. Когда внешний возмущающий фактор приводит к изменению емкости и/или индуктивности преобразователя, резонансная частота контура сдвигается от первоначального значения. Если контур обладает высокой добротностью, то, даже небольшой сдвиг резонансной частоты приводит к существенному повороту фазы выходного сигнала. Этот поворот касается всех составляющих, и изменяет как направление сигнала паразитного рассогласования, так и полезного сигнала. Аналогичный эффект возникает, когда специально созданная резонансная LC-цепь отсутствует, но резонансный контур формируют паразитные емкости и индуктивности в самом датчике. Такой эффект описан, например, в патенте US 8026716.In the most difficult cases, the disturbing factor also affects the phase of the output signals, as shown in FIG. 1d. This behavior is characteristic of sensors in which, to combat induced interference, the sensor output is connected to a frequency-selective resonance circuit, for example, an LC circuit. A similar solution is used, for example, in patent RU 2483276. The capacitance and / or inductance of the converters in such a circuit are included in the LC circuit. When an external disturbing factor leads to a change in the capacitance and / or inductance of the converter, the resonant frequency of the circuit shifts from the original value. If the circuit has a high Q factor, then even a small shift in the resonant frequency leads to a significant rotation of the phase of the output signal. This rotation concerns all components, and changes both the direction of the parasitic mismatch signal and the useful signal. A similar effect occurs when a specially created resonant LC circuit is absent, but stray capacitances and inductances in the sensor form a resonant circuit. Such an effect is described, for example, in patent US 8026716.
Из сказанного видно, что вектор паразитного рассогласования может изменяться за время между балансировкой и измерениями не только по длине, но также и по направлению. Вместе с паразитным рассогласованием также изменяется и направление полезного сигнала. Поскольку как паразитное рассогласование, так и направление полезного сигнала, на момент проведения измерений, оказываются скрытыми параметрами, то точная реконструкция скалярной величины полезного дисбаланса не представляется возможной.It can be seen from the foregoing that the parasitic mismatch vector can change during the time between balancing and measurements not only in length, but also in direction. Along with spurious mismatch, the direction of the useful signal also changes. Since both the parasitic mismatch and the direction of the useful signal, at the time of measurement, are hidden parameters, the exact reconstruction of the scalar value of the useful imbalance is not possible.
Еще одна сложность при использовании датчиков, описанных в RU 2483276 и US 8026716, для измерения малой разницы величин, связана с воздействием шумов и помех. Во многих случаях применения емкостного либо индуктивного датчика, электромагнитная обстановка в месте его установки приводит к возникновению помех на выходе, которые вносят значительную погрешность измерения. Вектор случайной помехи не имеет выделенного направления. Как известно из теории электрических измерений, при выделении компонента вектора случайной помехи, соответствующего заданному направлению, результат не зависит от этого направления. Если направление значимого компонента выходного сигнала на момент проведения измерения неизвестно или известно лишь приблизительно, то это может уменьшить получаемый полезный сигнал, при том, что уровень шума от направления не зависит. То есть, отсутствие точной информации о направлении значимого компонента способно существенно снизить соотношение сигнал/шум в сравнении с наилучшим возможным.Another difficulty when using the sensors described in RU 2483276 and US 8026716 to measure a small difference in magnitude is associated with the influence of noise and interference. In many cases, the use of a capacitive or inductive sensor, the electromagnetic environment at the place of its installation leads to interference at the output, which introduce a significant measurement error. The random noise vector has no distinguished direction. As is known from the theory of electrical measurements, when a component of a random noise vector corresponding to a given direction is extracted, the result does not depend on this direction. If the direction of the significant component of the output signal at the time of the measurement is unknown or only approximately known, this can reduce the useful signal obtained, despite the fact that the noise level does not depend on the direction. That is, the lack of accurate information about the direction of a significant component can significantly reduce the signal-to-noise ratio compared to the best possible.
Как следует из приведенных рассуждений, для выделения, с наименьшими погрешностями, значимого компонента выходного сигнала датчика, соответствующего измеряемой величине, необходимо получить дополнительные данные. А именно, на момент проведения измерения, необходимо знать как направление значимого компонента, так и коэффициент передачи датчика. Эти данные требуются для учета синхронного изменения отклика преобразователей датчика и изменения направления значимого компонента выходного сигнала датчика, которые происходят под влиянием внешних возмущающих факторов. Под коэффициентом передачи понимается чисто электрическая характеристика, связывающая величины входного и выходного сигнала. Применительно к датчику, она связывает величины сигнала возбуждения и выходного сигнала.As follows from the above reasoning, to extract, with the smallest errors, a significant component of the sensor output signal corresponding to the measured value, it is necessary to obtain additional data. Namely, at the time of the measurement, it is necessary to know both the direction of the significant component and the transmission coefficient of the sensor. This data is required to take into account the synchronous change in the response of the sensor transducers and changes in the direction of a significant component of the sensor output signal, which occur under the influence of external disturbing factors. Under the transmission coefficient refers to a purely electrical characteristic, connecting the values of the input and output signal. In relation to the sensor, it connects the magnitude of the excitation signal and the output signal.
Патент RU 2483276 был выбран в качестве прототипа заявленного изобретения. Названный патент описывает многоэлементный дифференциальный датчик, который содержит множество измерительных конденсаторов, объединенных общей обкладкой, которая используется как выход датчика. Процесс измерения включает в себя последовательный перебор нескольких режимов измерения, каждый из которых задействует только часть измерительных конденсаторов. Это дает возможность измерить различия в толщине для той области листа, в которой находятся задействованные измерительные конденсаторы. Перебор режимов позволяет промерить все области в зоне чувствительности датчика. В целом, многоэлементные дифференциальные датчики позволяют одновременно вести измерение различий величины в нескольких местах или же по нескольким каналам. Они являются более простой альтернативой применению множества обычных дифференциальных датчиков.Patent RU 2483276 was selected as a prototype of the claimed invention. The named patent describes a multi-element differential sensor, which contains many measuring capacitors, united by a common plate, which is used as the output of the sensor. The measurement process includes a sequential search of several measurement modes, each of which involves only a part of the measuring capacitors. This makes it possible to measure differences in thickness for the area of the sheet in which the involved measuring capacitors are located. Enumeration of modes allows you to measure all areas in the sensor sensitivity zone. In general, multi-element differential sensors allow simultaneous measurement of differences in magnitude in several places or on several channels. They are a simpler alternative to using many conventional differential sensors.
Недостатком прототипа является то, что он не позволяет, по ходу измерений, получать актуальную информацию о направлении значимого компонента выходного сигнала датчика и о коэффициенте передачи датчика. Без названной информации не удается достоверно измерить амплитуду полезного сигнала и скомпенсировать паразитный дисбаланс. Это приводит к плохо устранимым погрешностям измерения при воздействии такого возмущающего фактора, как вибрация пластин измерительных конденсаторов. Однако, даже в отсутствие вибрации, разброс фазовых характеристик датчика и элементов схемы приводит к тому, что реальное направление значимого компонента выходного сигнала существенно отличается от расчетного, в результате чего чувствительность датчика оказывается ниже расчетной. По той же причине, в прототипе соотношение сигнал-шум оказывается существенно ниже теоретически возможного.The disadvantage of the prototype is that it does not allow, in the course of measurement, to obtain relevant information about the direction of a significant component of the output signal of the sensor and the transmission coefficient of the sensor. Without the above information, it is not possible to reliably measure the amplitude of the useful signal and compensate for stray imbalance. This leads to poorly removable measurement errors when exposed to such a disturbing factor as the vibration of the plates of the measuring capacitors. However, even in the absence of vibration, the spread of the phase characteristics of the sensor and circuit elements leads to the fact that the real direction of the significant component of the output signal differs significantly from the calculated one, as a result of which the sensor sensitivity is lower than the calculated one. For the same reason, in the prototype the signal-to-noise ratio is significantly lower than theoretically possible.
Прототип предъявляет высокие требования к заводской настройке элементов схемы, так как эта настройка позволяет скорректировать расчетное направление регистрации значимого компонента, и приблизить его к реальному направлению значимого компонента. Неточности при регулировке существенно снижают чувствительность и соотношение сигнал/шум.The prototype places high demands on the factory setting of circuit elements, as this setting allows you to adjust the calculated direction of registration of a significant component, and bring it closer to the real direction of a significant component. Inaccuracies in the adjustment significantly reduce the sensitivity and signal-to-noise ratio.
Еще один недостаток связан с тем, что, для каждого отдельного режима, истинное направление значимого компонента оказывается индивидуальным в связи с различным набегом фазы в цепи каждого из измерительных конденсаторов. Устройство не предполагает возможности оперативно изменять направление регистрации значимого компонента при переходе от одного режима к другому. Это приводит к большому разбросу чувствительности и соотношения сигнал/шум между различными режимами.Another drawback is that, for each individual mode, the true direction of the significant component is individual due to the different phase incursion in the circuit of each of the measuring capacitors. The device does not imply the ability to quickly change the direction of registration of a significant component when switching from one mode to another. This leads to a large spread in sensitivity and signal-to-noise ratio between different modes.
В уровне техники известны решения, в которых в качестве дополнительных данных используют так называемый синфазный выходной сигнал, формируемый вместе с обычным дифференциальным выходным сигналом дифференциального датчика. Синфазный сигнал, в отличие от дифференциального, представляет собой не разность, а сумму откликов преобразователей дифференциального датчика. Так, в патенте RU2289789 (опубл. 20.12.2006, МПК G01C 19/5712), дифференциальный сигнал детектируют синхронным детектором, а синфазный сигнал пропускают через амплитудный детектор. Значение выпрямленного синфазного сигнала используют для нормировки выходного сигнала синхронного детектора. Таким образом, удается компенсировать влияние возмущающих факторов на амплитуду выходного дифференциального сигнала, но влияние этих факторов на фазу выходных сигналов преобразователей не компенсируется и продолжает быть источником погрешностей. В патенте RU 2514158 (опубл. 27.04.2014, МПК G01B 7/00) дифференциальный сигнал получают взаимным вычитанием выпрямленных сигналов от двух преобразователей, а синфазный сигнал получается их сложением. Далее, синфазный сигнал используется для коррекции уровня дифференциального сигнала. Этому решению также свойственно игнорирование влияния возмущающих факторов на фазу выходных сигналов преобразователей. В обоих указанных патентах речь идет о невысоких частотах, на которых фазовые эффекты достаточно малы и создают малые погрешности. При повышении частоты подобные технические решения перестают быть эффективными.In the prior art, solutions are known in which the so-called common-mode output signal, which is formed together with the usual differential output signal of a differential sensor, is used as additional data. A common-mode signal, in contrast to a differential signal, is not a difference, but the sum of the responses of the transducers of the differential sensor. So, in patent RU2289789 (publ. 20.12.2006,
Еще одной важной особенностью решений согласно патентам RU 2289789 и RU 2514158 является то, что дифференциальный и синфазный сигналы в них получают за счет обработки отдельных сигналов преобразователей в электронной схеме с активными элементами. Такая электронная схема, как уже указывалось, вносит многочисленные собственные погрешности. Подобных погрешностей лишены датчики с пассивным суммированием, примеры которых были приведены ранее. Еще один пример приведен в прототипе, где ток измерительных конденсаторов пассивным образом суммируется в приемной пластине, общей для всех емкостных преобразователей. Обратной стороной пассивного суммирования является невозможность, без дополнительных усилий, получать синфазный сигнал одновременно с дифференциальным.Another important feature of the solutions according to the patents RU 2289789 and RU 2514158 is that the differential and common-mode signals in them are obtained by processing individual signals of the converters in an electronic circuit with active elements. Such an electronic circuit, as already indicated, introduces numerous intrinsic errors. Sensors with passive summation are deprived of such errors, examples of which were given earlier. Another example is given in the prototype, where the current of the measuring capacitors is passively summed in the receiving plate common to all capacitive converters. The flip side of passive summation is the inability, without additional efforts, to receive a common-mode signal simultaneously with a differential signal.
В уже упомянутом патенте RU 2675405 используется пассивное суммирование и особый способ фазочувствительного детектирования. В нем применяется простой амплитудный детектор, но датчик намеренно настраивается с большим значением паразитного дисбаланса. За счет этого, выходное напряжение датчика представляет собой сумму дифференциального сигнала и более мощного сигнала возбуждения, прошедшего через один из преобразователей. Этот сигнал возбуждения, прошедший через один из преобразователей, за счет значительной амплитуды синхронизирует переключение диода в амплитудном детекторе, так что для дифференциального сигнала, фактически, обеспечивается синхронное детектирование. Из выходного тока амплитудного детектора вычитается постоянная часть, связанная с мощным синхронизирующим сигналом, а остаток тока представляет собой синхронно выпрямленный дифференциальный сигнал. Это решение обеспечивает прохождение дифференциального сигнала и синхронизирующего сигнала по одному и тому же тракту преобразования, за счет чего компенсируются изменения набега фазы. Полученный выпрямленный дифференциальный сигнал представляет собой значимую часть вектора рассогласования датчика. Однако, в таком решении нельзя измерить и учесть изменение коэффициента передачи, что не позволяет компенсировать связанные с этим изменения чувствительности датчика за счет внешних возмущающих факторов.The already mentioned patent RU 2675405 uses passive summation and a special method of phase-sensitive detection. It uses a simple amplitude detector, but the sensor is intentionally tuned with a large value of spurious imbalance. Due to this, the output voltage of the sensor is the sum of the differential signal and a more powerful excitation signal that passed through one of the converters. This excitation signal, which has passed through one of the converters, synchronizes the switching of the diode in the amplitude detector due to the significant amplitude, so that synchronous detection is actually provided for the differential signal. The constant part associated with a powerful synchronizing signal is subtracted from the output current of the amplitude detector, and the remainder of the current is a synchronously rectified differential signal. This solution provides the passage of the differential signal and the synchronizing signal along the same conversion path, thereby compensating for changes in phase incursion. The resulting rectified differential signal is a significant part of the sensor mismatch vector. However, in such a solution it is impossible to measure and take into account the change in the transmission coefficient, which does not allow to compensate for the changes in the sensitivity of the sensor associated with this due to external disturbing factors.
Техническим результатом заявленного изобретения является снижение погрешности измерения полезного сигнала дисбаланса дифференциального датчика, предназначенного для возбуждения противофазными сигналами высокой частоты. Дополнительным техническим результатом является уменьшение погрешности измерения, возникающей из-за разброса параметров элементов датчика и схемы его включения. Эти результаты достигаются за счет того, что в способе измерения при помощи дифференциального датчика, предназначенного для возбуждения противофазными сигналами высокой частоты, дифференциальный датчик содержит, по меньшей мере, два преобразователя, которые связаны с общим выходом датчика, и выполнены с возможностью подачи на них сигналов возбуждения; для выпрямления выходного сигнала датчика используют синхронный детектор, синхронизированный с сигналом возбуждения и выполненный с возможностью формирования пары квадратурных сигналов, где для проведения цикла измерения на датчик подают одновременно первый и второй сигнал возбуждения, являющиеся противофазными, и с помощью устройства регистрации на выходе регистрируют значения первой пары квадратурных сигналов, затем, отключают подачу первого сигнала возбуждения при сохранении подачи второго сигнала возбуждения, и регистрируют на выходе значения второй пары квадратурных сигналов, после чего, на основе полученных значений первой пары, находят скалярное значение дисбаланса датчика, соответствующее измеряемой величине, а значения второй пары используют для компенсации погрешностей нахождения скалярного значения дисбаланса датчика, причем проводят цикл измерения, по меньшей мере, один раз.The technical result of the claimed invention is to reduce the measurement error of the useful signal of the imbalance of the differential sensor, designed to excite out of phase high frequency signals. An additional technical result is the reduction of the measurement error arising from the scatter of the parameters of the sensor elements and its switching circuit. These results are achieved due to the fact that in the method of measurement using a differential sensor designed to excite high-frequency antiphase signals, the differential sensor contains at least two transducers that are connected to the common output of the sensor and are configured to supply signals to them excitement; to rectify the output of the sensor, a synchronous detector is used, synchronized with the excitation signal and configured to generate a pair of quadrature signals, where the first and second excitation signals, which are out of phase, are fed to the sensor at the same time, and the values of the first pairs of quadrature signals, then, turn off the supply of the first excitation signal while maintaining the supply of the second excitation signal, and register and the output value of the second pair of quadrature signals, after which, on the basis of the obtained values of the first pair, find the scalar value of the sensor imbalance corresponding to the measured value, and the values of the second pair are used to compensate for errors in finding the scalar value of the imbalance of the sensor, and carry out a measurement cycle, at least , once.
Дифференциальный выходной сигнал, получаемый в результате измерения, регистрируется в виде первой пары квадратурных сигналов. В целом, применение квадратурных сигналов позволяет использовать векторные вычисления при обработке сигналов датчика.The differential output resulting from the measurement is recorded as the first pair of quadrature signals. In general, the use of quadrature signals allows the use of vector calculations in the processing of sensor signals.
Получение дополнительных данных в заявленном изобретении реализовано за счет отключения подачи одного из противофазных сигналов возбуждения, что достаточно просто реализовать на практике, например, за счет блокировки формирователя соответствующего сигнала возбуждения. В отсутствие первого из сигналов возбуждения, на вход синхронного детектора будет проходить второй сигнал возбуждения, с учетом полного фазового сдвига и коэффициента передачи на всем пути от генератора сигнала. Он будет регистрироваться в виде второй пары квадратурных сигналов.Obtaining additional data in the claimed invention is implemented by turning off the supply of one of the antiphase excitation signals, which is quite simple to implement in practice, for example, by blocking the shaper of the corresponding excitation signal. In the absence of the first of the excitation signals, the second excitation signal will pass to the input of the synchronous detector, taking into account the total phase shift and the transfer coefficient all the way from the signal generator. It will be recorded as a second pair of quadrature signals.
Конечной целью измерения является получение скалярного значения дисбаланса датчика. Выходной сигнал датчика формируется как векторная сумма выходных сигналов преобразователей датчика. Первая пара значений квадратурных сигналов представляет собой координаты вектора сигнала рассогласования датчика с учетом дополнительного усиления и сдвига фазы на пути от выхода датчика до входа синхронного детектора. Этот вектор состоит из значимого компонента и незначимого компонента.The ultimate goal of measurement is to obtain the scalar value of the imbalance of the sensor. The output signal of the sensor is formed as the vector sum of the output signals of the transducers of the sensor. The first pair of quadrature signal values represents the coordinates of the sensor error signal vector taking into account additional amplification and phase shift along the path from the sensor output to the input of the synchronous detector. This vector consists of a significant component and an insignificant component.
Измерения проводятся в виде одного, либо многих циклов. Применение множества циклов измерения позволяет построить временную зависимость измеряемой величины, либо уменьшить вклад шума в результат измерения за счет усреднения результатов, полученных в отдельных циклах. В случае использования многоэлементного датчика, содержащего более чем два преобразователя, несколько циклов измерения могут быть использованы для получения нескольких результатов измерения с подачей возбуждающих сигналов, в каждом цикле, только на часть преобразователей датчика.Measurements are carried out in the form of one or many cycles. The use of multiple measurement cycles allows you to build the time dependence of the measured value, or to reduce the contribution of noise to the measurement result by averaging the results obtained in separate cycles. In the case of using a multi-element sensor containing more than two transducers, several measurement cycles can be used to obtain several measurement results with the supply of exciting signals, in each cycle, only to a part of the sensor transducers.
Вторая пара значений квадратурных сигналов представляет собой координаты вектора выходного сигнала одного преобразователя датчика с учетом дополнительного усиления и сдвига фазы на пути от выхода датчика до входа синхронного детектора. В заявленном изобретении эта пара значений имеет двойную функцию. Во-первых, она позволяет, в реальном времени, указывать направление для выделения значимого компонента вектора рассогласования датчика, так как это направление образует малый угол с вектором выходного сигнала одного преобразователя датчика. Малая погрешность направления обеспечивает близкие к максимально возможным значения чувствительности датчика и соотношения сигнал/шум. Во-вторых, вторая пара значений позволяет оперативно измерить коэффициент передачи сигнала на том же самом пути от генератора до входа синхронного детектора, по которому проходит дифференциальный выходной сигнал рассогласования датчика. Это позволяет, в реальном времени, вносить поправку в величину измеренного скалярного значения дисбаланса датчика для компенсации изменения указанного коэффициента передачи с течением времени. Изменение коэффициента передачи за счет возмущающих факторов, без проведения компенсации, влияет на чувствительность датчика к измеряемой величине. То есть, регистрация значений второй пары позволяет выделить из значений первой пары значимый компонент с малыми погрешностями по направлению его выделения, и скомпенсировать погрешности его длины, чтобы избежать влияния разброса параметров элементов, неточности заводской настройки и возмущающих воздействий. Это приводит к повышению точности измерения, обеспечивая достижение как основного, так и дополнительного технического результата.The second pair of quadrature signal values represents the coordinates of the output signal vector of one sensor transducer, taking into account additional amplification and phase shift along the path from the sensor output to the input of the synchronous detector. In the claimed invention, this pair of values has a dual function. Firstly, it allows, in real time, to indicate the direction for highlighting a significant component of the sensor mismatch vector, since this direction forms a small angle with the output signal vector of one sensor transducer. A small directional error provides close to the maximum possible values of the sensor sensitivity and signal-to-noise ratio. Secondly, the second pair of values allows you to quickly measure the transmittance of the signal along the same path from the generator to the input of the synchronous detector, through which the differential output signal of the sensor mismatch passes. This allows, in real time, to amend the value of the measured scalar value of the imbalance of the sensor to compensate for changes in the specified transmission coefficient over time. A change in the transmission coefficient due to disturbing factors, without compensation, affects the sensitivity of the sensor to the measured value. That is, the registration of the values of the second pair allows you to select a significant component from the values of the first pair with small errors in the direction of its selection, and compensate for errors in its length in order to avoid the influence of the spread of element parameters, inaccuracies in the factory settings and disturbing influences. This leads to increased measurement accuracy, ensuring the achievement of both the main and additional technical result.
Важно отметить, что вторая пара квадратурных сигналов имеет большие абсолютные значения, в сравнении с небольшим по величине дифференциальным сигналом, получаемым из первой пары квадратурных сигналов. Это связано с самим принципом дифференциального датчика, который измеряет слабый уровень различия между выходными сигналами преобразователей на фоне высокого уровня сигнала отдельного преобразователя. Поэтому, значения второй пары почти не подвержены действию шумов и помех, и могут быть зарегистрированы с высокой точностью. Эта особенность вносит дополнительный вклад в снижение погрешности заявленного способа.It is important to note that the second pair of quadrature signals has large absolute values, in comparison with the small differential signal obtained from the first pair of quadrature signals. This is due to the very principle of a differential sensor, which measures a weak level of difference between the output signals of the converters against the background of a high signal level of an individual converter. Therefore, the values of the second pair are almost not affected by noise and interference, and can be recorded with high accuracy. This feature makes an additional contribution to reducing the error of the claimed method.
Направление значимого компонента вектора разбаланса датчика, в заявленном изобретении, приближенно определяется при помощи направления вектора сигнала одного из преобразователей, соответствующего второй паре квадратурных сигналов. Такое приближение является правомерным, поскольку угол между векторами сигналов первого и второго преобразователя, в реальных конструкциях, невелик и не превышает 20 градусов. Соответственно, угловая ошибка приближения составляет менее 20 градусов.The direction of the significant component of the sensor unbalance vector, in the claimed invention, is approximately determined by the direction of the signal vector of one of the converters corresponding to the second pair of quadrature signals. Such an approximation is valid, since the angle between the signal vectors of the first and second converters, in real designs, is small and does not exceed 20 degrees. Accordingly, the angular approximation error is less than 20 degrees.
Векторный анализ предполагает общеизвестные методы нахождения длины некоторого компонента вектора, когда известно направление этого компонента. В одном из этих методов, вычисляется проекция вектора на известное направление. В другом методе, вычисляется скалярное произведение вектора и единичного вектора, направленного в известном направлении. Во всех этих методах результат определяется косинусом угла между вектором и известным направлением его компонента. Если направление определено неточно, то возникающая за счет этого погрешность пропорциональна 1 - cosδ, где δ - угловая погрешность определения направления. Фактически, речь идет о половине угла, образованного векторами выходных сигналов отдельных преобразователей, так как значимый компонент направлен по биссектрисе этого угла. Таким образом, Косинус угла ошибки определения направления, меньшего 10 градусов, весьма близок к единице, что соответствует небольшой погрешности измерения амплитуды полезного сигнала, не превышающей 0,015.Vector analysis involves well-known methods for finding the length of a component of a vector when the direction of this component is known. In one of these methods, the projection of a vector onto a known direction is calculated. In another method, the scalar product of a vector and a unit vector directed in a known direction is calculated. In all these methods, the result is determined by the cosine of the angle between the vector and the known direction of its component. If the direction is not determined accurately, then the error resulting from this is proportional to 1 - cosδ, where δ is the angular error in determining the direction. In fact, we are talking about half the angle formed by the vectors of the output signals of the individual converters, since the significant component is directed along the bisector of this angle. In this way, The cosine of the angle of error in determining the direction of less than 10 degrees is very close to unity, which corresponds to a small error in measuring the amplitude of the useful signal, not exceeding 0.015.
В дальнейшем, мы будем называть выходным вектор, сформированный на основе значений первой пары квадратурных сигналов. Вектором чувствительности мы будем называть вектор, отражающий направление вектора полезного сигнала, и чувствительность преобразователей датчика. Например, вектор, сформированный на основе значений второй пары, является вектором чувствительности. Его направление почти совпадает с направлением значимой компоненты выходного вектора, а его модуль тем больше, чем выше чувствительность преобразователей. Для нахождения дисбаланса датчика находят длину проекции выходного вектора на направление вектора чувствительности. Такая проекция исключает из рассмотрения незначимый компонент, перпендикулярный вектору чувствительности, который не несет полезной информации о дисбалансе. Дисбаланс, полученный в результате проекции, в общем случае, есть сумма значимых компонентов паразитного дисбаланса и полезного дисбаланса.In the future, we will call the output a vector formed on the basis of the values of the first pair of quadrature signals. The sensitivity vector we will call the vector reflecting the direction of the vector of the useful signal, and the sensitivity of the sensor transducers. For example, a vector formed based on the values of the second pair is a sensitivity vector. Its direction almost coincides with the direction of the significant component of the output vector, and its modulus is the greater, the higher the sensitivity of the converters. To find the imbalance of the sensor, find the projection length of the output vector on the direction of the sensitivity vector. Such a projection excludes from consideration the insignificant component perpendicular to the sensitivity vector, which does not carry useful information about the imbalance. The imbalance resulting from the projection, in the general case, is the sum of the significant components of the parasitic imbalance and the useful imbalance.
Длину вектора чувствительности используют для компенсации изменения во времени чувствительности преобразователей датчика. Когда на преобразователи датчика воздействует внешнее возмущающее воздействие, приводящее к синхронному изменению характеристик этих преобразователей, то вместе с ними изменяется модуль вектора чувствительности. Величина паразитного дисбаланса и величина полезного дисбаланса под воздействием внешнего возмущения изменяются в той же самой мере. Таким образом, учет вектора чувствительности позволяет найти влияние возмущающего воздействия и скомпенсировать изменение паразитного дисбаланса.The length of the sensitivity vector is used to compensate for the time variation of the sensitivity of the sensor transducers. When an external perturbing effect is applied to the transducers of the sensor, resulting in a synchronous change in the characteristics of these transducers, the sensitivity vector module changes with them. The magnitude of the parasitic imbalance and the magnitude of the useful imbalance under the influence of an external disturbance change to the same extent. Thus, taking the sensitivity vector into account allows one to find the influence of the disturbing effect and compensate for the change in the parasitic imbalance.
В возможных реализациях изобретения, дополнительно отключают подачу второго возбуждающего сигнала при сохранении подачи первого возбуждающего сигнала и регистрируют значения третьей пары квадратурных сигналов, а значения этой пары используют для компенсации погрешностей нахождения дисбаланса датчика. Предпочтительным образом, вектор чувствительности датчика формируют как разность векторов, соответствующих значениям второй и третьей пар квадратурных сигналов. То есть, вектор чувствительности оказывается направленным по биссектрисе угла, образуемого двумя векторами, соответствующими значениям второй и третьей пар квадратурных сигналов. Такой подход позволяет повысить точность компенсации за счет ориентации вектора чувствительности по направлению значимого компонента выходного вектора, а также за счет учета изменения чувствительности обоих преобразователей.In possible implementations of the invention, the second excitation signal is additionally turned off while maintaining the first excitation signal and the values of the third pair of quadrature signals are recorded, and the values of this pair are used to compensate for errors in finding the imbalance of the sensor. Preferably, the sensitivity vector of the sensor is formed as the difference of vectors corresponding to the values of the second and third pairs of quadrature signals. That is, the sensitivity vector turns out to be directed along the bisector of the angle formed by two vectors corresponding to the values of the second and third pairs of quadrature signals. This approach allows to increase the accuracy of compensation due to the orientation of the sensitivity vector in the direction of the significant component of the output vector, and also by taking into account the sensitivity changes of both transducers.
Вектор чувствительности, сформированный таким образом, мы будем называть синфазным. Дифференциальный отклик датчика исключается из синфазного вектора чувствительности, практически полностью. Таким образом, длина синфазного вектора чувствительности значительно точнее характеризует коэффициент передачи на пути от генератора до входа синхронного детектора, чем длина вектора чувствительности, построенного на основании только лишь значений второй пары квадратурных сигналов.The sensitivity vector thus formed will be called in-phase. The differential response of the sensor is excluded from the common-mode sensitivity vector, almost completely. Thus, the length of the in-phase sensitivity vector characterizes the transmission coefficient much more accurately on the way from the generator to the input of the synchronous detector than the length of the sensitivity vector, constructed on the basis of only the values of the second pair of quadrature signals.
Перед проведением измерения проводят балансировку датчика. Балансировка датчика состоит в регистрации квадратурных сигналов и вычислении на их основе начального вектора чувствительности и начального дисбаланса как проекции вектора дифференциального выходного сигнала на направление вектора чувствительности. В ходе балансировки, полученный начальный дисбаланс представляет собой паразитный дисбаланс. В ходе последующего измерения, получают полный измеренный дисбаланс и измеренный вектор чувствительности. Модуль вектора чувствительности между моментами проведения балансировки и моментом измерения изменяется под действием возмущающего фактора. Коэффициент измерения чувствительности, равный отношению модуля измеренного вектора чувствительности к начальному вектору чувствительности, отражает как меру изменения паразитного дисбаланса, так и меру изменения полезного дисбаланса, соответствующего измеряемой величине. Поэтому, для нахождения полезного дисбаланса датчика, измеренный дисбаланс датчика делят на коэффициент изменения чувствительности, и далее вычитают начальный дисбаланс датчика. Таким образом, чувствительность датчика к измеряемой величине, оказывается приведенной к чувствительности на момент проведения балансировки, а паразитный дисбаланс полностью компенсируется.Before measuring, balance the sensor. The balancing of the sensor consists in recording quadrature signals and calculating on their basis the initial sensitivity vector and the initial imbalance as the projection of the differential output signal vector on the direction of the sensitivity vector. During balancing, the resulting initial imbalance is a stray imbalance. During the subsequent measurement, a complete measured imbalance and a measured sensitivity vector are obtained. The module of the sensitivity vector between the moments of balancing and the moment of measurement changes under the influence of a disturbing factor. The sensitivity measurement coefficient, equal to the ratio of the measured sensitivity vector module to the initial sensitivity vector, reflects both the measure of the parasitic imbalance and the measure of the useful imbalance corresponding to the measured value. Therefore, to find a useful sensor imbalance, the measured sensor imbalance is divided by the coefficient of sensitivity change, and then the initial sensor imbalance is subtracted. Thus, the sensitivity of the sensor to the measured value is reduced to the sensitivity at the time of balancing, and the parasitic imbalance is fully compensated.
При применении заявленного способа могут возникнуть сложности, связанные с большой разницей по порядку величины между значениями в первой паре, с одной стороны, и во второй и третьей парах, с другой стороны. Как уже указывалось, значения в первой паре представляют собой малые дифференциальные сигналы, измеряемые на фоне больших выходных сигналов одиночных преобразователей, которым соответствуют вторая и третья пары. Регистрация этих сигналов может потребовать очень широкого динамического диапазона измерительного оборудования, используемого для регистрации. Соответственно, применение измерительного оборудования с широким динамическим диапазоном может существенно усложнить устройство для реализации заявленного способа.When applying the inventive method, difficulties may arise associated with a large difference in order of magnitude between the values in the first pair, on the one hand, and in the second and third pairs, on the other hand. As already indicated, the values in the first pair are small differential signals measured against the background of large output signals of single converters, which correspond to the second and third pairs. Registration of these signals may require a very wide dynamic range of the measuring equipment used for registration. Accordingly, the use of measuring equipment with a wide dynamic range can significantly complicate the device for implementing the inventive method.
Чтобы уменьшить динамический диапазон регистрируемых сигналов, при регистрации значений второй и третьей пары, снижают коэффициент передачи на участке преобразования сигнала от выхода датчика до устройства регистрации значений, во избежание ограничения сигнала на этом участке и в устройстве регистрации. Переключение коэффициента передачи может производиться как на участке преобразования сигнала от входа синхронного детектора до устройства регистрации, так и на участке преобразования сигнала от выхода датчика до входа синхронного детектора. Каждый из перечисленных вариантов реализации имеет свои особенности.To reduce the dynamic range of the recorded signals when registering the values of the second and third pairs, the transmission coefficient is reduced in the signal conversion section from the sensor output to the value recording device, in order to avoid signal limitation in this section and in the registration device. The transfer coefficient can be switched both at the signal conversion section from the input of the synchronous detector to the recording device, and at the signal conversion section from the sensor output to the input of the synchronous detector. Each of these options for implementation has its own characteristics.
Когда переключение производится на участке преобразования сигнала от входа квадратурного детектора до устройства регистрации, то оно не затрагивает набег фазы высокочастотного сигнала. Как выходной вектор, так и вектор чувствительности преобразуются одной и той же схемой, поэтому, набег фазы для обоих этих векторов оказывается одинаковым. Соответственно, направление вектора чувствительности практически совпадает со значимым компонентом выходного вектора, что позволяет проводить адекватную коррекцию погрешностей. С другой стороны, синхронный детектор должен иметь широкий динамический диапазон входных сигналов, что требует тщательного проектирования этого участка схемы. Переключение коэффициента передачи может быть реализовано либо за счет переключения чувствительности квадратурного детектора, либо за счет переключения коэффициента усиления в усилителе постоянного тока, который усиливает выходной сигнал детектора для подачи на устройство регистрации.When switching is performed at the signal conversion section from the quadrature detector input to the registration device, it does not affect the phase incursion of the high-frequency signal. Both the output vector and the sensitivity vector are transformed by the same circuit, therefore, the phase shift for both of these vectors is the same. Accordingly, the direction of the sensitivity vector almost coincides with the significant component of the output vector, which allows adequate correction of errors. On the other hand, a synchronous detector must have a wide dynamic range of input signals, which requires careful design of this section of the circuit. Switching the transmission coefficient can be realized either by switching the sensitivity of the quadrature detector, or by switching the gain in the DC amplifier, which amplifies the detector output signal for supply to the registration device.
С другой стороны, переключение может быть реализовано на участке преобразования высокочастотного сигнала, еще до его подачи на вход синхронного детектора. В этом случае, переключение коэффициента передачи, скорее всего, вызовет некоторое изменение набега фазы в усилительных элементах, что нарушит согласованность между направлениями вектора чувствительности и значимого компонента выходного вектора. Чтобы избежать этого рассогласования, при нахождении дисбаланса датчика нужно учесть заранее известное изменение фазового сдвига при переключении, для определения которого может потребоваться калибровка высокочастотной части схемы преобразования сигнала. Преимуществом этой реализации можно считать невысокие требования к применяемому синхронному детектору, от которого не требуется широкого динамического диапазона входных сигналов.On the other hand, switching can be implemented on the conversion section of the high-frequency signal, even before it is fed to the input of the synchronous detector. In this case, switching the transmission coefficient is likely to cause some change in the phase incursion in the amplifying elements, which will violate the consistency between the directions of the sensitivity vector and the significant component of the output vector. To avoid this mismatch, when finding the imbalance of the sensor, it is necessary to take into account the previously known change in the phase shift during switching, to determine which may require calibration of the high-frequency part of the signal conversion circuit. The advantage of this implementation can be considered low requirements for the applied synchronous detector, which does not require a wide dynamic range of input signals.
Синхронный детектор может быть выполнен по-разному. Например, он может быть истинным квадратурным детектором и одновременно получать от генератора два согласованных опорных сигнала, сдвинутых на 90 градусов относительно друг друга. В таком детекторе, фактически, реализованы два независимых синхронных детектора, каждый из которых подключен к отдельному опорному сигналу и формирует отдельный квадратурный сигнал. Определенную техническую сложность представляет собой обеспечение равенства между собой коэффициентов передачи каждого из синхронных детекторов, что необходимо для точного выполнения векторной обработки сигналов.A synchronous detector can be implemented in different ways. For example, it can be a true quadrature detector and at the same time receive from the generator two matched reference signals shifted 90 degrees relative to each other. In such a detector, in fact, two independent synchronous detectors are implemented, each of which is connected to a separate reference signal and generates a separate quadrature signal. A certain technical complexity is ensuring the equality of the transmission coefficients of each of the synchronous detectors, which is necessary for the accurate execution of vector signal processing.
Более простым решением может быть использование одного синхронного детектора, попеременно подключаемого к одному и к другому опорным сигналам, сдвинутым друг относительно друга на 90 градусов. Такой синхронный детектор попеременно вырабатывает сначала один, а затем другой квадратурный сигнал. Это решение уменьшает сложность устройства и гарантирует одинаковый коэффициент передачи для обоих квадратурных сигналов, но снижает быстродействие измерения. Описанному решению эквивалентно использование одного и того же опорного сигнала, и попеременное подключение формирователя возбуждающего напряжения на пластинах к ортогональным выходам генератора сигнала возбуждения, напряжения на которых сдвинутым друг относительно друга на 90 градусов.A simpler solution could be to use one synchronous detector, alternately connected to one and the other reference signals shifted 90 degrees relative to each other. Such a synchronous detector alternately generates first one and then another quadrature signal. This solution reduces the complexity of the device and guarantees the same transmission coefficient for both quadrature signals, but reduces the measurement speed. The described solution is equivalent to using the same reference signal, and alternately connecting the driver of the exciting voltage on the plates to the orthogonal outputs of the generator of the driving signal, the voltage on which is 90 degrees shifted relative to each other.
Значения второй и третьей пары квадратурных сигналов позволяют косвенно, без использования значений первой пары, получить выходной вектор, если провести векторное сложение: Однако, этот метод отличается низкой точностью, поскольку малая величина выходного вектора находится как сумма двух больших величин векторов при измерении которых имеются относительные погрешности, порождающие абсолютные отклонения, пропорциональные длине данных векторов. Эти отклонения оказываются достаточно большими в сравнении с что снижает ценность подобного косвенного измерения. Фактически, речь идет об использовании дифференциального датчика в недифференциальном режиме, когда результат дифференциального измерения и связанные с ним преимущества не используются. При непосредственном получении из небольших по величине дифференциальных квадратурных сигналов первой пары, относительные погрешности измерения вызывают малые абсолютные отклонения. Поэтому, в заявленном способе обязательно проводится измерение первой пары квадратурных сигналов.The values of the second and third pairs of quadrature signals allow you to indirectly, without using the values of the first pair, obtain the output vector if vector addition is performed: However, this method is characterized by low accuracy, since the small value of the output vector is found as the sum of two large quantities of vectors when measured, there are relative errors that generate absolute deviations proportional to the length of these vectors. These deviations turn out to be quite large in comparison with which reduces the value of such an indirect measurement. In fact, we are talking about using a differential sensor in non-differential mode, when the differential measurement result and the associated benefits are not used. Upon direct receipt of the small differential quadrature signals of the first pair, the relative measurement errors cause small absolute deviations. Therefore, in the claimed method, the first pair of quadrature signals is necessarily measured.
Особые преимущества дает применение указанного способа для измерения с использованием многоэлементного дифференциального датчика, содержащего более чем два преобразователя. Многоэлементный дифференциальный датчик применяется для нахождения сразу нескольких значений дисбаланса. Как правило, разделяют преобразователи на группы, состоящие из двух или большего числа преобразователей, и последовательно проводят измерения в нескольких режимах. Каждому режиму соответствует подача возбуждающих напряжений только на одну группу преобразователей. Пример такого датчика рассмотрен в прототипе заявленного изобретения, где множество получаемых значений дисбаланса соответствует перепадам эффективной диэлектрической проницаемости в различных местах контролируемого листа, соответствующих расположению групп преобразователей.Particular advantages are provided by the application of the indicated method for measurement using a multi-element differential sensor containing more than two transducers. A multi-element differential sensor is used to find several imbalance values at once. As a rule, the transducers are divided into groups consisting of two or more transducers, and sequentially measure in several modes. Each mode corresponds to the supply of exciting voltages to only one group of converters. An example of such a sensor is considered in the prototype of the claimed invention, where the set of unbalance values obtained corresponds to the differences in the effective dielectric constant in different places of the controlled sheet, corresponding to the location of the groups of converters.
В многоэлементных датчиках, в связи с большим количеством преобразователей, особую сложность представляет выравнивание фазового сдвига на пути возбуждающего сигнала от генератора к преобразователю. При рабочей частоте 100 МГц даже небольшая задержка, равная 560 пс, приводит к набегу фазы 20 градусов. Полностью устранить набеги фазы между разными преобразователями датчика технически не представляется возможным. Если не предусмотрено индивидуальное отслеживание и компенсация таких набегов применительно к разным режимам измерения, то возникает различие в чувствительности и в соотношении сигнал/шум между этими режимами. Указанное различие чувствительности оказалось одним из главных недостатков, выявленных при практическом применении прототипа.In multi-element sensors, due to the large number of transducers, the equalization of the phase shift along the path of the exciting signal from the generator to the converter is of particular difficulty. At an operating frequency of 100 MHz, even a small delay of 560 ps leads to a phase incursion of 20 degrees. It is technically not possible to completely eliminate phase incursions between different transducers of the sensor. If individual tracking and compensation of such incursions is not provided for different measurement modes, a difference in sensitivity and signal to noise ratio arises between these modes. The specified difference in sensitivity was one of the main disadvantages identified in the practical application of the prototype.
В одной из реализаций заявленного изобретения, специально ориентированной на многоэлементный датчик, при использовании датчика, содержащего более чем два преобразователя, для проведения измерений предварительно определяют набор режимов подачи сигналов возбуждения, так что для каждого из режимов заранее указан по меньшей мере один преобразователь для подачи на него первого сигнала возбуждения и заранее указан по меньшей мере один преобразователь для подачи на него второго сигнала возбуждения, а на оставшиеся преобразователи сигнал возбуждения не подается, и выполняют цикл измерения в каждом из определенных режимов.In one implementation of the claimed invention, specifically oriented to a multi-element sensor, when using a sensor containing more than two transducers, a set of excitation signal supply modes is preliminarily determined for measurements, so that at least one transducer for supplying of the first excitation signal, and at least one converter is indicated in advance for supplying a second excitation signal to it, and the signal to the remaining converters zbuzhdeniya not applied, and perform measurement cycle in each of the defined modes.
Для каждого режима определяется свой вектор чувствительности, который позволяет с высокой точностью получить результат измерения, за счет компенсации влияния внешних возмущающих факторов, как уже было описано ранее. В дополнение к этому, отслеживание индивидуального вектора чувствительности для каждого набора преобразователей, задействованного в определенном режиме, нейтрализует вредное влияние значительных и отличающихся друг от друга набегов фазы, возникающих в разных режимах. За счет этого, удается добиться одинаковой чувствительности датчика в различных режимах. К измерению в каждом отдельном режиме многоэлементного дифференциального датчика могут быть применены все улучшения, перечисленные ранее для дифференциального датчика. Особую выгоду дает приведение чувствительности в каждом режиме к чувствительности на момент балансировки. В одной из реализаций, для каждого из режимов, перед проведением измерения, в отсутствие объекта измерения, определяют начальный вектор чувствительности и начальный дисбаланс датчика, соответствующие выбранному режиму, а в ходе цикла измерения определяют измеренный вектор чувствительности и измеренный дисбаланс датчика, соответствующие выбранному режиму, и вычисляют коэффициент изменения чувствительности, соответствующий выбранному режиму и равный отношению модуля измеренного вектора чувствительности, соответствующего выбранному режиму, к модулю начального вектора чувствительности, соответствующего выбранному режиму, а для нахождения дисбаланса датчика, соответствующего измеряемой величине в выбранном режиме, измеренный дисбаланс датчика, соответствующий выбранному режиму, делят на коэффициент изменения чувствительности, соответствующий выбранному режиму, и вычитают начальный дисбаланс датчика, соответствующий выбранному режиму.For each mode, its own sensitivity vector is determined, which allows one to obtain a measurement result with high accuracy by compensating for the influence of external disturbing factors, as already described. In addition, tracking an individual sensitivity vector for each set of transducers involved in a particular mode neutralizes the harmful effects of significant and different phase shifts occurring in different modes. Due to this, it is possible to achieve the same sensor sensitivity in different modes. For the measurement in each individual mode of the multi-element differential sensor, all the improvements listed above for the differential sensor can be applied. Of particular benefit is the reduction of the sensitivity in each mode to the sensitivity at the time of balancing. In one implementation, for each of the modes, before the measurement, in the absence of the measurement object, the initial sensitivity vector and the initial sensor unbalance corresponding to the selected mode are determined, and during the measurement cycle, the measured sensitivity vector and the measured sensor unbalance corresponding to the selected mode are determined, and calculate the coefficient of sensitivity change corresponding to the selected mode and equal to the ratio of the measured sensitivity vector module corresponding to the selected mode, to the module of the initial sensitivity vector corresponding to the selected mode, and to find the imbalance of the sensor corresponding to the measured value in the selected mode, the measured sensor imbalance corresponding to the selected mode is divided by the sensitivity change coefficient corresponding to the selected mode, and the initial sensor unbalance corresponding to selected mode.
Описанная реализация оказывается весьма эффективной, когда преобразователи, задействованные в каждом режиме, расположены в непосредственной близости друг от друга и на них действуют одинаковые возмущающие факторы. При этом, достаточно часто бывает, что, за счет большого габарита многоэлементного датчика, на преобразователи, задействованные в различающихся режимах, действуют возмущающие факторы, различающиеся по величине. Однако, так как изменение чувствительности отслеживается индивидуально для каждого из режимов, то оно нейтрализует это различие в возмущающих факторах. На практике это обозначает, что вредное влияние геометрической нестабильности конструкции самого датчика, проявляющейся, например, в прогибах и кручениях пластин емкостного датчика под действием вибрации, в значительной степени нейтрализуется. Аналогичным образом, в случае магнитных датчиков, нейтрализуется влияние большой ферромагнитной массы, расположенной ближе к одному из краев зоны чувствительности датчика.The described implementation is very effective when the converters involved in each mode are located in close proximity to each other and the same disturbing factors act on them. At the same time, quite often it happens that, due to the large size of the multi-element sensor, disturbing factors that vary in magnitude act on the transducers involved in different modes. However, since the change in sensitivity is monitored individually for each of the modes, it neutralizes this difference in disturbing factors. In practice, this means that the harmful effect of the geometric instability of the design of the sensor itself, which manifests itself, for example, in the deflections and torsions of the capacitive sensor plates under the influence of vibration, is largely neutralized. Similarly, in the case of magnetic sensors, the influence of a large ferromagnetic mass located closer to one of the edges of the sensor sensitivity zone is neutralized.
На Фиг. 1 показаны векторные диаграммы сигналов, возникающих в дифференциальном датчике, возбуждаемом высокочастотными противофазными сигналами.In FIG. Figure 1 shows vector diagrams of signals generated by a differential sensor excited by high-frequency antiphase signals.
На Фиг. 2 изображена схема включения дифференциального датчика, используемого в примере реализации заявленного способа.In FIG. 2 shows a connection diagram of a differential sensor used in an example implementation of the inventive method.
На Фиг. 3 показана векторная диаграмма, поясняющая получение результата измерений.In FIG. 3 is a vector diagram explaining the receipt of a measurement result.
На Фиг. 4 изображена схема включения многоэлементного дифференциального датчика.In FIG. 4 shows a circuit for switching on a multi-element differential sensor.
Практическая реализация способа приведена на примере дифференциального емкостного датчика неоднородности рулонного материала. Этот датчик используется в машине контроля качества бумажного полотна, где полотно продвигается через датчик при помощи транспортировочного механизма. Задача контроля толщины бумаги при помощи емкостного датчика предъявляет высокие требования к способу измерения. Как указано в прототипе, при зазоре между пластинами измерительного конденсатора, равном 0,5 мм, и толщине бумаги 0,1 мм, двукратное уменьшение толщины приведет к изменению сигнала емкостного преобразователя на 5%. При этом, изменение зазора на 0,1 мм, например, из-за вибрации, приведет к изменению сигнала на 20%. Эти значения дают представление о типовых величинах изменения сигналов, которые необходимо обрабатывать.The practical implementation of the method is shown on the example of a differential capacitive sensor of heterogeneity of the rolled material. This sensor is used in a paper web quality control machine, where the web is advanced through the sensor using a transport mechanism. The task of controlling the thickness of the paper using a capacitive sensor makes high demands on the measurement method. As indicated in the prototype, with a gap between the plates of the measuring capacitor of 0.5 mm and a paper thickness of 0.1 mm, a twofold decrease in thickness will lead to a 5% change in the signal of the capacitive transducer. At the same time, a change in the gap by 0.1 mm, for example, due to vibration, will lead to a signal change of 20%. These values give an idea of the typical magnitude of the change in signals that need to be processed.
Электрическая схема устройства, используемого в практической реализации, приведена на Фиг. 2. Датчик установлен в плоском канале, по которому перемещается бумажное полотно (на рисунке не показан). Пластины 6 и 7 измерительных конденсаторов емкостного датчика размещены на одной стороне канала, а объединенная пластина 8 размещена строго напротив пластин 6 и 7 на другой стороне канала. Один преобразователь датчика представляет собой конденсатор с пластинами 6 и 8, а второй преобразователь имеет пластины 7 и 8. При прохождении полотна по плоскому каналу между пластинами емкость конденсатора 6-8 и конденсатора 7-8 изменяется в зависимости от толщины полотна. В отсутствие неоднородности эти емкости будут одинаковыми, но при наличии неоднородности полотна, находящейся в пределах зазора одного из конденсаторов, емкости конденсаторов будут различаться. Принцип действия этого датчика основан на обнаружении разницы между емкостями конденсаторов 6-8 и 7-8. Аналогичный принцип обнаружения неоднородности используется в прототипе заявленного изобретения.The electrical circuit of the device used in practical implementation is shown in FIG. 2. The sensor is installed in a flat channel along which the paper web moves (not shown in the figure).
Пластины 6 и 7 подключены к источнику 1 высокочастотного возбуждающего напряжения. Он содержит кварцевый генератор 2, обеспечивающий выдачу прямоугольного сигнала, имеющего форму меандра, на выходе OUT_0. Частота сигнала составляет 100 МГц. На выходах OUT_90 и OUT_180 генератор формирует сигналы одной и той же частоты и формы, но сдвинутые относительно сигнала OUT_0 по фазе на 90 градусов и на 180 градусов, соответственно.
Противофазные сигналы OUT_0 и OUT_180 подаются с генератора 2 на логические элементы 3 и 4 типа ИЛИ, выполненные по технологии КМОП на общем полупроводниковом кристалле. Эти логические элементы используются в качестве формирователей сигналов возбуждения, подаваемых в противофазе на пластины 6 и 7 датчика. Особенностью логических элементов, выполненных по технологии КМОП, является малое различие амплитуды выходного напряжения. Размах выходного напряжения, фактически, равен напряжению питания, при условии небольшого тока нагрузки. Кроме того, логические элементы такого типа имеют достаточно низкий и стабильный выходной импеданс, который практически не меняется в зависимости от выходного сигнала.The out-of-phase signals OUT_0 and OUT_180 are supplied from the
Генератор 2 имеет логические выходы и подключен к входам логических элементов, поэтому, небольшие изменения амплитуды выходных сигналов генератора не влияют на работу схемы. Для простоты подсчета коэффициента передачи на пути от генератора до других элементов тракта обработки сигнала, мы будем считать, что уровни выходного напряжения генератора постоянны и равны номинальным значениям 0 В и 3,3 В. Выходные напряжения логических элементов 3 и 4, наоборот, через пластины 7 и 8 датчика 5 напрямую влияют на напряжения на элементах тракта обработки сигнала, и зависят от напряжения питания. За счет этого, нестабильность напряжения питания вызывает нестабильность коэффициента передачи на пути от генератора до других элементов тракта обработки сигнала.The
Приемная пластина 8, общая для обоих измерительных конденсаторов, подключена к приемной схеме 9. Эта схема содержит входную резонансную цепь 10, апериодический усилитель 11 высокой частоты, синхронный детектор 12, фильтр 13 низких частот и операционный усилитель 14. При подаче противофазных сигналов возбуждения на пластины 6 и 7, происходит суммирование токов измерительных конденсаторов в приемной пластине 8. В результате, на резонансную схему поступает сумма токов измерительных конденсаторов.The receiving
Датчик работает под управлением микроконтроллера 17, имеющего встроенный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Вход АЦП обозначен ADC_IN. Кроме того, микроконтроллер вырабатывает управляющие логические сигналы, обозначенные PIO0-PIO3. Микроконтроллер также выдает результаты измерения по последовательному каналу связи (на рисунке не показан).The sensor is controlled by a
Резонансная цепь 10 служит подавлению помех, проникающих на вход приемной схемы 9 с выхода датчика 5. Кроме того, за счет наличия индуктивности, резонансная цепь 10 позволяет нейтрализовать паразитные емкости экранирующих поверхностей (на рисунке не показаны), которые неизбежно возникают при экранировании датчика от внешних помех и могли бы снизить коэффициент передачи. Фильтр 13 низких частот дополнительно сужает общую полосу чувствительности приемной схемы 9 и также позволяет бороться с помехами, проникающими с выхода датчика 5. Дополнительно, этот фильтр уменьшает вредную высокочастотную пульсацию сигнала на входе АЦП контроллера 17, которая снижает повторяемость результата преобразования.The
Микроконтроллер при помощи управляющих сигналов PIO1 и PIO2, подключенных ко входам логических элементов 3 и 4, может независимо друг от друга разрешать и запрещать выдачу переменного напряжения возбуждения с генератора 2 на пластины 6 и 7 датчика. За счет выдачи обоих возбуждающих сигналов, либо каждого из них в отдельности, датчик работает в режиме для получения первой, второй или третьей пар квадратурных сигналов, соответственно.Using the control signals PIO1 and PIO2 connected to the inputs of
Управляющий сигнал PIO0 выдается на коммутатор опорного сигнала 18. В зависимости от логического уровня PIO0, коммутатор выдает с генератора 2 на вход синхронного детектора 12 сигнал OUT_0, либо же сигнал OUT_90, сдвинутый относительно него по фазе на 90 градусов. Переключение коммутатора 18 позволяет получать на выходе синхронного детектора 12 как синусный, так и косинусный квадратурный сигнал.The control signal PIO0 is output to the
Сигнал PIO3 управляет замыканием и размыканием коммутатора 19. Этот коммутатор переключает коэффициент усиления усилителя постоянного тока, выполненного на операционном усилителе 14 и резисторах 15 и 16. Когда коммутатор замкнут, усилитель постоянного тока обеспечивает коэффициент усиления, равный 20, для квадратурного сигнала, полученного детектором 12 и сглаженного фильтром 13. Когда коммутатор разомкнут, то усилитель постоянного тока работает как повторитель, с коэффициентом усиления, равным 1. Выходной сигнал усилителя постоянного тока подается на вход АЦП микроконтроллера 17. АЦП преобразует напряжение на входе в 12-разрядный цифровой код.The PIO3 signal controls the closing and opening of
Для измерения квадратурных сигналов микроконтроллер 17 при помощи коммутатора 18 сначала подает напряжение OUT_0 с генератора 2 на вход опорного сигнала синхронного детектора 12. Далее, микроконтроллер 17 выполняет задержку для стабилизации напряжения на выходе приемной схемы 9. Длительность этой паузы в 10 раз превосходит постоянную времени фильтра 13, что позволяет завершиться переходному процессу, так чтобы отклонение от стационарного значения не превышало цены младшего разряда АЦП. Затем, микроконтроллер 17 запускает процесс аналого-цифрового преобразования, в результате которого получается код значения синусного квадратурного сигнала.To measure the quadrature signals, the
Затем, микроконтроллер 17 при помощи коммутатора 18 подает на вход опорного напряжения синхронного детектора 12 напряжение с выхода OUT_90 генератора 2. После шагов задержки для стабилизации напряжения на выходе приемной схемы 9 и аналого-цифрового преобразования, которые в точности аналогичны ранее описанным, получается код значения косинусного квадратурного сигнала. На протяжении измерения квадратурных сигналов, микроконтроллер не изменяет состояния выходов PIO1 - PIO3, за счет чего схема датчика работает с постоянным возбуждением и постоянным коэффициентом усиления. Значения синусного и косинусного квадратурного сигналов образуют пару.Then, the
Перед выполнением измерений, при отсутствии бумажного полотна в зазоре датчика 5 и выключенном транспортировочном механизме, микроконтроллер 17 проводит балансировку. Для этого, он последовательно получает первую, вторую и третью пару квадратурных сигналов. Сначала, он выставляет на выходах PIO1 и PIO2 состояние логического нуля, что обеспечивает подачу противофазных сигналов возбуждения на обе пластины 6 и 7. При помощи сигнала PIO3 микроконтроллер 17 переводит коммутатор 19 в замкнутое состояние, что обеспечивает коэффициент усиления постоянного тока, равный 20. Далее, проводится измерение квадратурных сигналов с получением первой пары значений, как это было описано ранее. Из этой пары микроконтроллер формирует координаты выходного вектора как показано на Фиг. 3.Before taking measurements, in the absence of a paper web in the gap of the sensor 5 and the transportation mechanism turned off, the
После этого, микроконтроллер 17 устанавливает сигнал PIO1 в состояние логической единицы, что запрещает подачу сигнала возбуждения на пластину 6 и сохраняет возбуждение на пластине 7. Одновременно с этим, микроконтроллер 17 выдает сигнал PIO3 на размыкание коммутатора 19, за счет чего усилитель постоянного тока переводится в режим повторителя с коэффициентом усиления 1. Вслед за этим, проводится измерение квадратурных сигналов с получением второй пары значений. Из этой пары микроконтроллер формирует координаты вектора After that, the
Затем, микроконтроллер 17 устанавливает сигнал PIO1 в состояние логического нуля и PIO2 в состояние логической единицы, что запрещает подачу сигнала возбуждения на пластину 7 и сохраняет возбуждение на пластине 6. Вслед за этим, проводится измерение квадратурных сигналов с получением третьей пары значений. Из этой пары микроконтроллер формирует координаты вектора Then, the
Завершив балансировку, микроконтроллер приступает к обработке полученных данных. Этот процесс проиллюстрирован векторной диаграммой на Фиг. 3. Так как при балансировке бумажное полотно в тракте отсутствует и транспортировочный механизм выключен, то вибрации пластин датчика и дисбаланс из-за неоднородностей полотна отсутствуют. Во время балансировки, необходимо найти начальные значения паразитного дисбаланса и вектора чувствительности датчика, которые будут затем использоваться для внесения поправок в результаты измерений. Для этого, микроконтроллер вычисляет вектор чувствительности при балансировке Длина этого вектора характеризует, в момент балансировки, коэффициент передачи на пути от генератора 1 до входа АЦП микроконтроллера 17, и чувствительность датчика к измеряемой величине. Направление вектора соответствует значимому компоненту выходного вектора датчика. Отметим, что во время балансировки значимый компонент выходного вектора является паразитным дисбалансом. Чтобы найти его, микроконтроллер вычисляет проекцию выходного вектора на вектор чувствительности для режима балансировки Отметим, что получаемое при такой проекции скалярное значение имеет знак, то есть, оно может быть как положительными, так и отрицательными. Для последующих вычислений потребуется использовать не сам вектор чувствительности а только его длину Having finished balancing, the microcontroller starts processing the received data. This process is illustrated by the vector diagram in FIG. 3. Since when balancing the paper web in the path is absent and the transport mechanism is turned off, there are no vibrations of the sensor plates and imbalance due to inhomogeneities of the web. During balancing, it is necessary to find the initial values of spurious imbalance and the sensitivity vector of the sensor, which will then be used to make corrections to the measurement results. For this, the microcontroller calculates the sensitivity vector when balancing The length of this vector characterizes, at the time of balancing, the transmission coefficient on the way from the
Для проведения измерения неоднородности, микроконтроллер выполняет получение первой, второй и третьей пар значений в точности таким же образом, как это делается балансировке. Из первой пары формируются координаты выходного вектора из второй - вектора из третьей - вектора Из-за появления полотна в зазоре датчика 5 и из-за вибрации его пластин изменяется емкость измерительных конденсаторов 6-8 и 7-8. В свою очередь, это приводит к сдвигу резонансной частоты цепи 10, куда подключены измерительные конденсаторы. Сдвиг резонансной частоты изменяет коэффициент передачи приемной схемы 9 и набег фазы на пути от генератора до входа фазового детектора. Дополнительно, изменение емкостей измерительных конденсаторов 6-8 и 7-8 изменяет токи, втекающие в приемную схему 9, что также изменяет коэффициент передачи. Поэтому, в сравнении с моментом балансировки, векторная диаграмма сигналов OA'В' поворачивается в положение ОАВ на угол β, на который изменился набег фазы, и масштабируется в соответствии с изменением коэффициента передачи. Дополнительно, из-за появления неоднородности бумажного полотна в зазоре между пластинами 7 и 8, изменяется емкость образованного ими измерительного конденсатора, и возникает дополнительный малый полезный сигнал прибавляющийся к сигналу и сонаправленный ему.To measure heterogeneity, the microcontroller performs the acquisition of the first, second and third pairs of values in exactly the same way as balancing is done. The coordinates of the output vector are formed from the first pair from the second - vector from the third - vector Due to the appearance of the web in the gap of the sensor 5 and due to the vibration of its plates, the capacitance of the measuring capacitors 6-8 and 7-8 changes. In turn, this leads to a shift in the resonant frequency of
Собственно, нахождение полезного дисбаланса, то есть, длины этого сигнала, характеризующего неоднородность, и является конечной целью измерения.Actually, finding a useful imbalance, that is, the length of this signal characterizing heterogeneity, is the ultimate goal of measurement.
Приращение отклика преобразователя на измеряемую величину невозможно непосредственно измерить, но его можно получить методом вычисления из непосредственно измеряемых векторов а также данных балансировки. Для этого, данные измерения необходимо обработать с учетом описанных изменений коэффициента передачи и набега фазы, а также результатов балансировки.Converter response increment it is impossible to directly measure by the measured value, but it can be obtained by calculating from directly measured vectors as well as balancing data. For this, the measurement data must be processed taking into account the described changes in the transmission coefficient and phase incursion, as well as the results of balancing.
Микроконтроллер вычисляет вектор чувствительности при измерении Отметим, что в силу малости отклика его вкладом в длину вектора чувствительности можно пренебречь. Поворот и изменение вектора по отношению к ранее найденному характеризуют изменение набега фазы и коэффициента передачи при измерении, в сравнении с моментом проведения балансировки.The microcontroller calculates the sensitivity vector when measuring Note that due to the small response its contribution to the length of the sensitivity vector can be neglected. Rotate and change the vector in relation to previously found characterize the change in phase incursion and transmission coefficient during measurement, in comparison with the moment of balancing.
Микроконтроллер вычисляет коэффициент измерения чувствительности который характеризует суммарное изменение коэффициента передачи. После этого, он вычисляет проекцию выходного вектора на вектор чувствительности для режима измерения Как видно из векторной диаграммы, значение MP с высокой степенью точности представляет собой сумму компонента MN паразитного дисбаланса в направлении полезного сигнала плюс скалярное значение полезного дисбаланса NP. На самом деле, NP не совсем точно передает полезную разность |АС| между амплитудами выходного сигнала преобразователей, поскольку |NP|=|AC|cosδ, где δ=α/2 и α есть угол между выходными сигналами преобразователей 6-8 и 7-8. Относительная погрешность такого представления полезного дисбаланса равна 1-cosδ. Для угла α, равного 20 градусам, что соответствует полученным нами наихудшим экспериментальным результатам, эта погрешность примерно равна 0,015. Это значение погрешности мало подвержено влиянию возмущающих факторов, так как угол зависит от мало изменяющихся параметров, таких как геометрическая разность хода возбуждающих сигналов по проводникам к пластинам 6 и 7, и разность задержек распространения в логических элементах 3 и 4. Поэтому, значимость данной погрешности невелика и она может рассматриваться как небольшое и постоянное по величине снижение чувствительности датчика.Microcontroller calculates sensitivity measurement coefficient which characterizes the total change in transmission coefficient. After that, it calculates the projection of the output vector on the sensitivity vector for the measurement mode As can be seen from the vector diagram, the MP value with a high degree of accuracy is the sum of the component MN of the parasitic imbalance in the direction of the useful signal plus the scalar value of the useful unbalance NP. In fact, NP does not accurately convey the useful difference | AC | between the amplitudes of the output signal of the converters, since | NP | = | AC | cosδ, where δ = α / 2 and α is the angle between the output signals of the converters 6-8 and 7-8. The relative error of such a representation of the useful imbalance is 1-cosδ. For an angle α equal to 20 degrees, which corresponds to the worst experimental results we obtained, this error is approximately 0.015. This error value is little affected by disturbing factors, since the angle depends on slightly changing parameters, such as the geometric difference in the path of the exciting signals along the conductors to
Паразитный дисбаланс, как уже рассматривалось, при воздействии возмущающего фактора масштабируется вместе со всей векторной диаграммой. Основываясь на этом, контроллер находит ненормированное значение полезного дисбаланса, проводя скалярное вычитание начального паразитного дисбаланс с поправкой на изменение чувствительности:Spurious imbalance, as already considered, when exposed to a disturbing factor is scaled along with the entire vector diagram. Based on this, the controller finds the unnormalized value of the useful imbalance by performing a scalar subtraction of the initial parasitic imbalance adjusted for sensitivity changes:
И, наконец, контроллер вычисляет значение полезного дисбаланса, нормированное на чувствительность датчика в момент балансировки:And finally, the controller calculates the value of the useful imbalance, normalized to the sensitivity of the sensor at the time of balancing:
Полученные нами ненормированное NP и нормированное D значения полезного дисбаланса являются относительными величинами. Значение полезного сигнала можно привести к абсолютным физическим величинам, например, к величине перепада толщины бумаги, измеренной в микрометрах. Для этого нужно пропустить через устройство специально изготовленную калибровочную мишень с известным перепадом толщины, измеренным при помощи микрометра. Значение полезного дисбаланса, соотнесенное с перепадом толщины на мишени, позволяет получить калибровочный коэффициент для последующего пересчета из относительной величины полезного сигнала в микрометры. Однако, если для этой цели используется ненормированное значение NP, то оно при последовательных измерениях будет разным для одной и той же мишени, поскольку чувствительность датчика изменяется за счет внешних возмущений. Поэтому, калибровочный коэффициент пересчета будет непостоянным и потому неточным. Ценность нормированного значения D состоит в том, что при его вычислении учитывается изменение чувствительности в каждом измерении. Поэтому, его применение дает значительно более высокую точность, так как калибровочный коэффициент изначально был измерен без влияния внешних возмущений, и при последующем использовании этого коэффициента для пересчета результатов измерений в микрометры влияние внешних возмущений тоже минимизируется.The non-normalized NP and normalized D values of useful unbalance obtained by us are relative values. The value of the useful signal can be reduced to absolute physical quantities, for example, to the value of the difference in the thickness of the paper, measured in micrometers. To do this, pass through the device a specially made calibration target with a known thickness difference, measured with a micrometer. The value of the useful imbalance, correlated with the difference in thickness on the target, allows you to obtain a calibration factor for subsequent conversion from the relative value of the useful signal in micrometers. However, if an unnormalized value of NP is used for this purpose, then it will be different for successive measurements for the same target, since the sensitivity of the sensor changes due to external disturbances. Therefore, the calibration conversion factor will be inconsistent and therefore inaccurate. The value of the normalized value of D is that when calculating it, the sensitivity change in each measurement is taken into account. Therefore, its application gives much higher accuracy, since the calibration coefficient was initially measured without the influence of external perturbations, and the subsequent use of this coefficient to convert the measurement results to micrometers also minimizes the effect of external perturbations.
Отметим, что подавляющее большинство вычислений, проводимых во время балансировки и измерения, выполняются в скалярном виде. В векторном виде производится только вычисление скалярных произведений при получении проекций согласно формулам (2) и (3). Это определяет малую вычислительную сложность заявленного способа.Note that the vast majority of calculations performed during balancing and measurement are performed in scalar form. In vector form, only scalar products are calculated when projections are obtained according to formulas (2) and (3). This determines the small computational complexity of the claimed method.
После однократной балансировки, измерения можно производить неоднократно. Например, балансировка может производиться один раз в начале рабочей смены, а далее в течение этой смены измерения могут проводиться с частотой несколько сотен раз в секунду.After a single balancing, measurements can be made repeatedly. For example, balancing can be done once at the beginning of a work shift, and then during this shift measurements can be taken at a frequency of several hundred times per second.
Если возмущающее воздействие является достаточно медленным в сравнении с частотой проведения измерений, допустимо регистрировать вторую и третью пару значений квадратурного сигнала не в каждом цикле измерений. То есть, первую пару необходимо регистрировать в каждом цикле измерений, а вторая и третья пара может регистрироваться реже, например, в каждом пятом цикле измерений. Для вычисления в том цикле измерений, когда регистрируется только первая пара, значения второй и третьей пары для проведения измерений следует брать из предшествующего цикла измерений. Подобное снижение частоты измерения второй и третьей пары допустимо, если эти значения, характеризующие возмущающее воздействие, мало меняются между соседними измерениями. Возможна также регистрация второй пары в одном цикле измерений и третьей пары - в другом.If the disturbing effect is rather slow in comparison with the frequency of measurements, it is permissible to register the second and third pair of values of the quadrature signal not in each measurement cycle. That is, the first pair must be recorded in each measurement cycle, and the second and third pair can be recorded less frequently, for example, in every fifth measurement cycle. To calculate in the measurement cycle when only the first pair is recorded, the values of the second and third pairs for measurements should be taken from the previous measurement cycle. Such a decrease in the measurement frequency of the second and third pairs is acceptable if these values characterizing the disturbing effect change little between adjacent measurements. It is also possible to register a second pair in one measurement cycle and a third pair in another.
Описанные варианты относительного снижения частоты регистрации второй и третьей пары позволяет повысить частоту регистрации первой пары значений, которая несет в себе значимый компонент выходного вектора. Это может быть важным при быстром изменении измеряемой величины в сравнении с характерным временем изменения возмущающего воздействия.The described options for a relative decrease in the recording frequency of the second and third pairs allows increasing the registration frequency of the first pair of values, which carries a significant component of the output vector. This can be important in case of a rapid change in the measured value in comparison with the characteristic time of change of the disturbing effect.
При регистрации второй и третьей пары значений квадратурных сигналов, сигнал возбуждения подается только на одну из возбуждающих пластин 6 и 7, а на другую подается потенциал общего провода. За счет того, что логические элементы 3 и 4 имеют практически постоянный выходной импеданс при любом значении выходного сигнала, пластины 6 и 7 связаны с общим проводом постоянным импедансом, который не отличается от импеданса при регистрации первой пары значений. Указанный импеданс включается в резонансную цепь 10 через емкости измерительных конденсаторов 6-8 и 7-8. Поскольку импеданс не изменяется, то передаточная характеристика на участке от генератора 2 до входа синхронного детектора 12 остается неизменной во время регистрации всех трех пар квадратурных сигналов. За счет этого, вектор чувствительности с высокой точностью отражает указанную передаточную характеристику в момент регистрации первой пары квадратурных значений, что повышает точность измерений.When registering the second and third pairs of values of quadrature signals, the excitation signal is supplied only to one of the
Принципиально возможно было бы использовать буферы с третьим состоянием вместо логических элементов 3 и 4. Тогда, для прекращения подачи возбуждающего сигнала, было бы необходимо перевести соответствующий выход буфера в высокоимпедансное состояние. Однако, это привело бы к изменению импеданса, включенного в резонансную цепь 10, и изменению передаточной характеристики. В результате, передаточная характеристика при регистрации первой пары значений была бы несколько отличающейся от характеристики при регистрации второй и третьей пар. Это привело бы к небольшому снижению точности измерений. В целом, при реализации заявленного способа, желательно использовать источники сигнала возбуждения со стабильным импедансом. Однако, изменение импеданса источника приводит к небольшому снижению точности, но не к потере общей работоспособности способа и его технического результата.In principle, it would be possible to use buffers with the third state instead of
Для дальнейшего повышения точности датчика, желательно проводить компенсацию статической ошибки. Синхронный детектор 12, операционный усилитель 14 и АЦП микроконтроллера 17 являются источниками статических ошибок, возникающих как прибавление постоянного ненулевого значения к любому действительному значению, получаемому в результате синхронного детектирования. Статические ошибки характерны для всех аналоговых схем, обрабатывающих сигналы постоянного тока. Кроме того, источником статической ошибки может быть постоянная по амплитуде наводка сигналов генератора 2, проходящая на элементы приемной схемы 9 минуя датчик 5.To further improve the accuracy of the sensor, it is advisable to compensate for static error. The
Для компенсации статической ошибки, микроконтроллер 17 должен полностью отключить подачу высокочастотного сигнала возбуждения на датчик 5, выдать управляющий уровень PIO3 для замыкания коммутатора 19 и провести регистрацию первой статической пары квадратурных сигналов. Затем, он должен выдать управляющий уровень PIO3 для размыкания коммутатора 19 и провести регистрацию второй статической пары квадратурных сигналов. В ходе последующей регистрации, значения первой статической пары должны вычитаться из значений первой пары квадратурных сигналов, а значения второй статической пары должны вычитаться из значений как второй, так и третьей пары квадратурных сигналов, чтобы получить истинные значения этих трех пар. Применение двух статических пар обусловлено тем, что статические ошибки изменяются при переключении коэффициента усиления усилителя 14. Регистрацию первой и второй статических пар желательно проводить раз в несколько секунд, чтобы отслеживать температурный дрейф статической ошибки аналоговых элементов 12, 14 и 17, осуществляющих обработку сигналов постоянного тока.To compensate for the static error, the
Для контроля неоднородности бумажного полотна по всей ширине можно установить в тракте множество емкостных датчиков 5, оснащенных измерительной схемой, построенной по принципу, показанному на Фиг. 2. Для каждого из датчиков необходимо обеспечить выполнение описанного выше способа измерения. Каждый из датчиков, при движении полотна транспортировочным механизмом, контролирует протяженную дорожку на полотне. Датчики необходимо расположить таким образом, чтобы эти дорожки в небольшой степени перекрывались. Для того, чтобы избежать взаимных помех в виде биений, датчики должны быть синхронизированы по частоте и фазе возбуждающего сигнала. Для этого их измерительные схемы должны иметь общий генератор.To control the heterogeneity of the paper web over the entire width, a plurality of capacitive sensors 5 can be installed in the tract, equipped with a measuring circuit constructed according to the principle shown in FIG. 2. For each of the sensors, it is necessary to ensure that the measurement method described above is performed. Each of the sensors, when the web is moving by the transport mechanism, controls an extended track on the web. Sensors must be positioned so that these tracks overlap to a small degree. In order to avoid mutual interference in the form of beats, the sensors must be synchronized in frequency and phase of the exciting signal. To do this, their measuring circuits must have a common generator.
Более простое решение для контроля полотна по всей ширине, требующее меньшего числа компонентов, может быть реализовано с использованием многоэлементного датчика, показанного на Фиг. 4. Подобный датчик описан, например, в прототипе заявленного изобретения. Многоэлементный емкостной датчик 21 содержит шестнадцать возбуждающих пластин 22, обозначенных Е0-Е15, и одну общую приемную пластину 23. Измерительные конденсаторы формируются между каждой из пластин 22 и приемной пластиной 23. Датчик 21 позволяет реализовать 15 режимов, пронумерованных от 0 до 14. В режиме 0 противофазные сигналы возбуждения подаются на пластины Е0, Е1; в режиме 1 - на пластины El, Е2; и так далее до режима 14, в котором сигналы подаются на пластины Е14, Е15.A simpler solution for controlling the web across the entire width, requiring fewer components, can be implemented using the multi-element sensor shown in FIG. 4. A similar sensor is described, for example, in the prototype of the claimed invention. The
Каждый из режимов соответствует активации пары соседних пластин 22, и обеспечивает измерение неоднородности материала в области, покрываемой этими пластинами. Таким образом, пара соседних пластин образует измерительный элемент датчика. Последовательное проведение измерения неоднородности для каждого элемента датчика позволяет измерить неоднородность материала, находящегося в зазоре между пластинами 22 и 23, по всей ширине датчика.Each of the modes corresponds to the activation of a pair of
Пластины Е0-Е15 подключены к выходам мультиплексора 24, выполненного по КМОП-технологии. Мультиплексор 24 обеспечивает коммутацию входных сигналов А и В, получаемых с выхода элементов ИЛИ 3 и 4. На управляющую шину GN0…3 мультиплексора 24 с выходов PI04…7 микроконтроллера 17 подается код номера режима Т. Мультиплексор 24 передает сигнал от входа А на выход E[T], и от входа В на выход E[T+l], а остальные выходы подключает к общему проводу. То есть, номер режима М, выставленный микропроцессором на линии PIO4…7, обеспечивает подачу сигналов возбуждения на те пластины 22 датчика 21, которые соответствуют этому режиму.Plate E0-E15 connected to the outputs of the
Пластины, на которые в определенном режиме T не подаются сигналы возбуждения, оказываются соединенными с общим проводом через тот же импеданс выходного каскада КМОП-логики, что и возбуждаемые пластины. За счет этого обеспечивается неизменность суммарного импеданса, связывающего приемную пластину 23 через измерительные конденсаторы датчика 21 с общим проводом. Неизменность импеданса позволяет уменьшить влияние переключения режимов на коэффициент передачи резонансной цепи 10 и апериодического усилителя 11.Plates to which excitation signals are not supplied in a certain T mode turn out to be connected to a common wire through the same impedance of the output CMOS logic stage as the excited plates. This ensures the invariance of the total impedance connecting the receiving
Описанный мультиплексор 24 выполняет логическую функцию, которая не является типовой для стандартных логических микросхем. Поэтому, его удобнее всего выполнить на основе программируемой логической микросхемы (CPLD или FPGA).The described
В каждом из режимов, балансировка, измерение и вычисление результата производятся под управлением микроконтроллера, в точности, как это было описано ранее для одиночного дифференциального датчика. При проведении балансировки, микроконтроллер последовательно перебирает все режимы и запоминает длину вектора чувствительности |OS'T| и проекцию выходного вектора M'N'T на направление вектора чувствительности для каждого режима T с номером от 0 до 14. После запуска процесса измерения, микроконтроллер последовательно перебирает все режимы и проводит измерения трех пар значений и вычисления для каждого отдельного режима Т с номером от 0 до 14, получая нормированное значение полезного сигнала DT. При вычислениях используются результаты балансировки, ранее запомненные для соответствующего режима.In each of the modes, balancing, measuring and calculating the result are performed under the control of the microcontroller, exactly as described previously for a single differential sensor. During balancing, the microcontroller sequentially goes through all the modes and remembers the length of the sensitivity vector | OS ' T | and the projection of the output vector M'N ' T on the direction of the sensitivity vector for each mode T with a number from 0 to 14. After starting the measurement process, the microcontroller sequentially goes through all the modes and measures three pairs of values and calculates for each individual mode T with a number from 0 to 14, obtaining a normalized value of the useful signal D T. In the calculations, the balancing results previously stored for the corresponding mode are used.
Таким образом, каждое из полученных значений DT соответствуют нормированной неоднородности, находящейся на элементе датчика, образованного соседними пластинами 22, обозначенными ЕМ и Е(М+1). Воздействие возмущающего фактора на каждую пару пластин обрабатывается отдельно, что позволяет нейтрализовать локальные возмущения, по-разному действующие на элементы датчика. Рассмотрим случай, когда пластина 23 при вибрации изогнулась таким образом, что расстояние до нее от пластин Е0, Е1, Е14 и Е15 практически не изменилось, а расстояние до пластин Е7 и Е8 увеличилось на почти одинаковую величину, так как эти пластины расположены непосредственно рядом. Это реалистичный пример того, как проявляются вибрации элементов датчика, закрепленного по краям тракта и не имеющего опоры посередине тракта.Thus, each of the obtained values of D T corresponds to a normalized inhomogeneity located on the element of the sensor formed by
В результате проведения измерения и последующих вычислений, вектор чувствительности в режимах 0 и 14 останется неизменным, а в режиме 7 уменьшится. Соответственно, уменьшится коэффициент изменения чувствительности KS7 для режима 7, что приведет к соответствующей поправке при вычитании начального паразитного дисбаланса и практически полной его компенсации. И, наконец, полезный сигнал D7 будет отнормирован к чувствительности на момент балансировки, когда вибрация и деформация датчика отсутствовали. Такое же вычитание начального паразитного дисбаланса и нормировка произойдет и для краевых элементов датчика, с получением полезных сигналов D0 и D14. В каждом из этих случаев, для каждого из режимов Т, используются индивидуальные величины коэффициента KST изменения чувствительности. Таким образом, влияние вибрации на элементы датчика, несмотря на локальные различия в величине этой вибрации, оказывается нейтрализованным.As a result of measurement and subsequent calculations, the sensitivity vector in
Компенсация статической ошибки, описанная ранее для дифференциального датчика, может совершенно аналогичным образом применяться и для многоэлементного дифференциального датчика. Отметим, что нулевая пара является общей для всех режимов 0-14, поскольку статические ошибки одинаковы для этих режимов.The static error compensation described earlier for a differential sensor can be applied in exactly the same way to a multi-element differential sensor. Note that the zero pair is common to all modes 0-14, since the static errors are the same for these modes.
Описанный здесь способ измерения при помощи многоэлементного дифференциального датчика может быть применен не только для контроля бумажного полотна, но также и для контроля наличия неоднородностей на банкнотах или других листовых документах. Это позволяет обнаруживать дефекты и признаки износа документа, такие как сквозные отверстия, истончения в местах сгибов, а также склейки, выполненные при помощи слоя клейкой полимерной ленты.The measurement method described here using a multi-element differential sensor can be applied not only to control the paper web, but also to control the presence of heterogeneity on banknotes or other sheet documents. This allows you to detect defects and signs of wear of the document, such as through holes, thinning at the folds, as well as gluing made with a layer of adhesive polymer tape.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019128835A RU2717904C1 (en) | 2019-09-13 | 2019-09-13 | Method of measuring using differential sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019128835A RU2717904C1 (en) | 2019-09-13 | 2019-09-13 | Method of measuring using differential sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2717904C1 true RU2717904C1 (en) | 2020-03-26 |
Family
ID=69943095
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019128835A RU2717904C1 (en) | 2019-09-13 | 2019-09-13 | Method of measuring using differential sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2717904C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1716313A1 (en) * | 1990-03-29 | 1992-02-28 | Московский институт радиотехники, электроники и автоматики | Method for conversion of angular displacements of multipole transducer |
US6608483B1 (en) * | 2001-11-13 | 2003-08-19 | John P. Hill | Quadrature differential charge commutation sensor enabling wide bandwith field mills and other electrostatic field measuring devices |
US6995021B2 (en) * | 2001-06-19 | 2006-02-07 | Magnasense Oy | Method and apparatus for qualitative and quantitative detection of analytes |
RU2514158C1 (en) * | 2012-12-11 | 2014-04-27 | Владимир Кириллович Куролес | Method of converting signals from differential inductive or capacitive sensitive elements |
RU2559993C2 (en) * | 2009-12-31 | 2015-08-20 | МЭППЕР ЛИТОГРАФИ АйПи Б.В. | Capacitance measurement system with differential couples |
RU2675405C1 (en) * | 2018-03-26 | 2018-12-19 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Конструкторское Бюро "Дорс" (Ооо "Кб "Дорс") | Method of indirect measurement by means of the differential sensor and device for its implementation |
-
2019
- 2019-09-13 RU RU2019128835A patent/RU2717904C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1716313A1 (en) * | 1990-03-29 | 1992-02-28 | Московский институт радиотехники, электроники и автоматики | Method for conversion of angular displacements of multipole transducer |
US6995021B2 (en) * | 2001-06-19 | 2006-02-07 | Magnasense Oy | Method and apparatus for qualitative and quantitative detection of analytes |
US6608483B1 (en) * | 2001-11-13 | 2003-08-19 | John P. Hill | Quadrature differential charge commutation sensor enabling wide bandwith field mills and other electrostatic field measuring devices |
RU2559993C2 (en) * | 2009-12-31 | 2015-08-20 | МЭППЕР ЛИТОГРАФИ АйПи Б.В. | Capacitance measurement system with differential couples |
RU2514158C1 (en) * | 2012-12-11 | 2014-04-27 | Владимир Кириллович Куролес | Method of converting signals from differential inductive or capacitive sensitive elements |
RU2675405C1 (en) * | 2018-03-26 | 2018-12-19 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Конструкторское Бюро "Дорс" (Ооо "Кб "Дорс") | Method of indirect measurement by means of the differential sensor and device for its implementation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1875172B1 (en) | Eddy-current sensor for magnetic bearing device | |
US7132825B2 (en) | Detection device | |
JP2911828B2 (en) | Multi-parameter eddy current measurement system with parameter compensation | |
JPS6057217A (en) | Vortex type mold molten metal level meter | |
US6541963B2 (en) | Differential eddy-current transducer | |
RU2717904C1 (en) | Method of measuring using differential sensor | |
Ona et al. | Investigation of signal conditioning for Tx-Rx PEC probe at high lift-off using a modified Maxwell’s bridge | |
US9372217B2 (en) | Cable detector | |
EP3159854B1 (en) | Coin detection system | |
CN101788611A (en) | Resistivity measuring device and method | |
JP4006816B2 (en) | Eddy current flaw detector | |
CN108872669B (en) | PID control error compensation system for inductive shunt and method thereof | |
US6809542B2 (en) | Wafer resistance measurement apparatus and method using capacitively coupled AC excitation signal | |
JPH0933204A (en) | Measuring method surely measuring space between conductive reaction rail and functional surface relatively moved to conductive reaction rail and sensor fitted to measuring method thereof | |
JPH0672783B2 (en) | Signal forming device | |
JPS6182104A (en) | Electrostatic capacity type range finder | |
JP2533409B2 (en) | Output signal processing device of detection coil | |
EP3525013B1 (en) | Detector and localizer of ferromagnetic inclusions in a continually passing medium | |
GB2461099A (en) | Position sensing apparatus and method with feedback control of excitation signal | |
US3522528A (en) | Noncontacting capacitance distance gauge having a servosystem and a position sensor | |
JP2966933B2 (en) | Coin inspection method and device | |
Perederko | Development of a high sensitive inductive movement sensor | |
CN112437888A (en) | Detector for detecting conductive material | |
RU2773012C1 (en) | Detector for detecting a conductive material | |
CN218781916U (en) | Sensor ambient temperature measuring circuit and sensor |