SU1718145A1 - Capacitive sensor based transducer - Google Patents
Capacitive sensor based transducer Download PDFInfo
- Publication number
- SU1718145A1 SU1718145A1 SU904794110A SU4794110A SU1718145A1 SU 1718145 A1 SU1718145 A1 SU 1718145A1 SU 904794110 A SU904794110 A SU 904794110A SU 4794110 A SU4794110 A SU 4794110A SU 1718145 A1 SU1718145 A1 SU 1718145A1
- Authority
- SU
- USSR - Soviet Union
- Prior art keywords
- voltage
- capacitive sensor
- converter
- output
- switches
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Изобретение относитс к технике изме- . рени неэлектрических величин электрическими методами и предназначено дл преобразовани параметров емкостного датчика в изменение выходного напр жени . Целью изобретени вл етс расширение диапазона преобразовани емкости в напр жение. Измерительный преобразователь с емкостным датчиком содержит первый источник 1 посто нного стабильного напр жени , первый 3 и второй 4 коммутаторы , измерительный емкостный датчик 6, первый образцовый конденсатор 7, преобразователь 9 зар да в напр жение, дискретный интегратор 10, генератор 11 пр моугольных импульсов. Введение второго источника 2 посто нного стабильного напр жени , третьего коммутатора 5 и второго образцового конденсатора 8 позвол ет частично компенсировать зар д емкостного датчика на входе преобразовател зар да, что существенно расшир ет диапазон измерени емкости датчика. 2 ил.The invention relates to the technique of measurement. This method is used to convert the parameters of a capacitive sensor to a change in the output voltage. The aim of the invention is to expand the range of converting capacitance to voltage. The measuring transducer with a capacitive sensor contains the first constant voltage source 1, the first 3 and second 4 switches, the measuring capacitive sensor 6, the first exemplary capacitor 7, the charge-to-voltage converter 9, the discrete integrator 10, the generator 11 square-wave pulses. The introduction of a second constant voltage source 2, the third switch 5 and the second exemplary capacitor 8 partially compensates for the charge of the capacitive sensor at the input of the charge converter, which significantly expands the measuring range of the sensor capacitance. 2 Il.
Description
Изобретение относитс к технике измерени неэлектрических величин электрическими методами, предназначено дл преобразовани параметров емкостного датчика в изменение выходного электрического напр жени и может быть использовано дл измерени , например, угла поворота, перемещений, уровень веществ, их влажности и т.д.The invention relates to the technique of measuring non-electrical quantities by electrical methods, is designed to convert the parameters of a capacitive sensor to a change in the output electrical voltage and can be used to measure, for example, the angle of rotation, displacements, the level of substances, their humidity, etc.
Известен преобразователь с использованием моста с тесной индуктивной св зью, который содержит генератор синусоидального напр жени стабилизированной амплитуды , рабочий и образцовый конденсаторы, преобразователь посто нного напр жени в синусоидальное, усилитель , фазочувствительный детектор.A known converter using a close inductive coupling bridge, which contains a stabilized amplitude sinusoidal voltage generator, operating and exemplary capacitors, a constant sinusoidal voltage converter, an amplifier, a phase-sensitive detector.
Недостатком известного устройства вл етс его сложность и нетехнологичность изготовлени из-за наличи большого количества намоточных элементов.A disadvantage of the known device is its complexity and low-tech production due to the presence of a large number of winding elements.
Известен измерительный преобразователь меэлектрических величин с емкостным датчиком, содержащий генератор переменного напр жени , измерительный и образцовый конденсаторы, операционный усилитель.A measuring transducer of meelectric values with a capacitive sensor is known, comprising an alternating voltage generator, a measuring and exemplary capacitors, and an operational amplifier.
Недостаток преобразовател - низка точность преобразовани , обусловленна нестабильностью генератора синусоидального напр жени .The lack of a converter is low conversion accuracy due to the instability of the sinusoidal voltage generator.
Известен измерительный преобразователь неэлёктрических величин с емкостным датчиком, содержащий источник посто нного стабильного напр жени , рабочий и образцовый конденсаторы, два коммутатора , усилитель, фазочувствительный детектор и генератор пр моугольных импульсов.A non-electrical measuring transducer with a capacitive sensor is known, which contains a source of constant stable voltage, operating and exemplary capacitors, two switches, an amplifier, a phase-sensitive detector, and a square-wave generator.
Недостатком преобразовател вл етс малый диапазон измерени , ограниченный уровнем выходного напр жени , соответствующего начальному значению емкости датчика, и максимально допустимым выходным напр жением устройства.The disadvantage of the converter is the small measuring range, limited by the level of the output voltage corresponding to the initial value of the capacitance of the sensor, and the maximum allowable output voltage of the device.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс преобразователь емкости в напр жение, содержащий источник посто нного стабильного напр жени , емкостный датчик и образцовый конденсатор , на которые подаютс импульсы напр жени , формируемые с помощью коммутаторов из опорного и выходного напр жени , преобразователь зар да в напр жение, дискретный интегратор и генератор пр моугольных импульсов.The closest in technical essence to the present invention is a capacitance-voltage converter containing a source of a constant stable voltage, a capacitive sensor and an exemplary capacitor, which are supplied with voltage pulses generated by switches from a reference and output voltage, charge converter a voltage, a discrete integrator, and a square pulse generator.
Недостатком известного преобразовател вл етс малый диапазон преобразо: вани емкости в напр жение, который ограничен уровнем выходного напр жени , соответствующего начальному значениюA disadvantage of the known converter is the small range of converting capacitance to voltage, which is limited by the level of the output voltage corresponding to the initial value
емкости датчика, и максимально допустимым выходным напр жением.sensor capacity, and the maximum allowable output voltage.
Цель изобретени - расширение диапазона преобразовани .The purpose of the invention is to expand the conversion range.
Поставленна цель достигаетс путем обеспечени частичной компенсации зар да измерительного емкостного датчика. Конструктивно это реализовано следующим образом. В измерительный преобразова0 тель емкости в напр жение, содержащий источник посто нного стабильного напр жени , два коммутатора, измерительный датчик и образцовый конденсатор, преобразователь зар да в напр жение, дискретныйThe goal is achieved by providing partial compensation of the charge of the capacitive measuring probe. Structurally, this is implemented as follows. A capacitance-to-voltage measuring transducer containing a source of constant stable voltage, two switches, a measuring sensor and an exemplary capacitor, a charge-to-voltage converter, discrete
5 интегратор и генератор пр моугольных импульсов , введены второй источник посто нного стабильного напр жени , пол рность которого противоположна пол рности первого источника напр жени , третий комму0 татор и второй образцовый конденсатор, потенциальный электрод которого соединен с выходом третьего коммутатора, управл ющий вход которого соединен с выходом генератора пр моугольных импульсов, пер5 вые информационные входы первого и третьего коммутаторомсоединены, соответственно , с выходами первого и второго источников посто нного стабильного напр жени , первый информационный вход5 an integrator and a square pulse generator, a second constant voltage source is introduced, the polarity of which is opposite to the polarity of the first voltage source, the third switch and the second exemplary capacitor, the potential electrode of which is connected to the output of the third switch, the control input of which is connected with the output of the generator of rectangular pulses, the first information inputs of the first and third switches are connected, respectively, with the outputs of the first and second sources stable voltage, first information input
0 второго коммутатора соединен с выходом дискретного интегратора, второй информационный вход третьего коммутатора соединен с общей шиной.0 of the second switch is connected to the output of the discrete integrator, the second information input of the third switch is connected to the common bus.
На фиг. 1 изображена структурна схе5 ма преобразовател емкости в напр жение;FIG. Figure 1 shows the capacitance to capacitor to voltage transducer;
на фиг. 2 - выходные характеристики преобразовател при различных режимах работы.in fig. 2 - output characteristics of the converter in various operating modes.
Преобразователь содержит источник 1The converter contains source 1
посто нного .стабильного напр жени , вто0 рой источник 2 посто нного стабильного на- пр жени , пол рность которого противоположна пол рности первого, коммутаторы 3-5, измерительный емкостный датчик б, первый и второй образцовые кон5 денсаторы 7 и 8, преобразователь 9 зар да в напр жение, дискретный интегратор 10 и генератор 11 пр моугольных импульсов. Токовые электроды емкостного датчика 6 и первого и второго образцовых конденсато0 ров 7 и 8 соединены вместе и подключены через преобразователь 9 зар да к дискретному интегратору 10. Потенциальные электроды измерительного емкостного датчика 6 и образцовых конденсаторов 7 и 8 соедине5 ны с выходами коммутаторов 3-5. Первые информационные входы коммутаторов 3 и 5 соединены соответственно с выходами первого 1 и второго 2 источников посто нного стабильного напр жени , первый информационный вход коммутатора 4 соединен сconstant voltage, the second source 2 of a constant stable voltage, the polarity of which is opposite to that of the first, switches 3-5, measuring capacitive sensor b, first and second reference capacitors 7 and 8, converter 9 charging yes, voltage, discrete integrator 10 and generator of 11 rectangular pulses. The current electrodes of the capacitive sensor 6 and the first and second exemplary capacitors 7 and 8 are connected together and connected via the charge converter 9 to the discrete integrator 10. The potential electrodes of the measuring capacitive sensor 6 and the exemplary capacitors 7 and 8 are connected to the outputs of the switches 3-5. The first information inputs of switches 3 and 5 are connected respectively to the outputs of the first 1 and second 2 sources of constant stable voltage; the first information input of switch 4 is connected to
выходом дискретного интегратора. Вторые информационные входы коммутаторов 3-5 соединены с общей шиной устройства Выход генератора 11 пр моугольных импульсов соединен с управл ющими входами коммутаторов 3-5 и управл ющим входом дискретного интегратора 10.output discrete integrator. The second information inputs of the switches 3-5 are connected to the common bus of the device. The generator output of 11 rectangular pulses is connected to the control inputs of the switches 3-5 and the control input of the discrete integrator 10.
Преобразователь работает следующим образом.The Converter operates as follows.
На потенциальные электроды измерительного датчика 6 и образцового конденсатора 8 подаютс пр моугольные импульсы противоположной пол рности, формируемые коммутатором 3 из напр жени Uoi источника 1 посто нного стабильного напр жени и коммутатором 5 из напр жени Uo2 источника 2 посто нного стабильного напр жени . На потенциальный электрод образцового конденсатора 7 поступают пр моугольные импульсы, формируемые коммутатором 4 из выходного напр жени 1)Вых измерительного преобразовател . Коммутаторы управл ютс генератором 11 пр моугольных импульсов. Алгебраическа сумма зар дов, образующихс на датчике и обоих образцовых конденсаторах, преобразуетс преобразователем 9 зар да в импульсные напр жени , которые накапливаютс в дискретном интеграторе 10. Изменение емкости измерительного датчика, обусловленное изменением контролируемого параметра, приводит к разбалансу зар дов на входе преобразовател 9 зар да, который компенсируетс за счет изменени выходного на- пр жени дискретного интегратора 10.The potential electrodes of the measuring sensor 6 and the reference capacitor 8 are fed by rectangular pulses of opposite polarity generated by the switch 3 from the voltage Uoi of the constant voltage source 1 and the switch 5 from the voltage Uo2 of the constant voltage source 2. The potential electrode of the reference capacitor 7 receives square-wave pulses generated by the switch 4 from the output voltage 1) The output of the measuring transducer. The switches are controlled by a generator of 11 rectangular pulses. The algebraic sum of the charges generated on the sensor and both of the exemplary capacitors is converted by the charge converter 9 to pulse voltages that accumulate in the discrete integrator 10. A change in the capacitance of the measuring sensor causes the charge to be unbalanced at the input of the converter 9 charge yes, which is compensated for by varying the output voltage of the discrete integrator 10.
Установившийс режим работы устройства характеризуетс равенствомThe steady state operation of the device is characterized by equality
Uoi€6 - Uo2Ce -ивыхСу,(1)Uoi € 6 - Uo2Ce -See, (1)
где Do 1 и Uoa - соответственно напр жени первого (положительного) и второго (отрицательного ) источников посто нного стабильного напр жени ;where Do 1 and Uoa are the voltage of the first (positive) and second (negative) sources of a constant stable voltage, respectively;
Се - емкость датчика;Ce - sensor capacity;
С и Се - значени емкостей первого и второго образцовых конденсаторов (индексы соответствуют обозначени м конденсаторов на фиг. 1).C and Ce are the capacitance values of the first and second exemplary capacitors (the indices correspond to the indications of the capacitors in Fig. 1).
Знак выходного напр жени устройства противоположен знаку зар да, определ емого левой частью равенства (1).The sign of the output voltage of the device is opposite to the sign of the charge defined by the left side of equality (1).
Передаточна функци устройства имеет видThe transfer function of the device is
,. Uoi Ce-Uo2 Се/Ол, Uoi Ce-Uo2 Ce / Ol
ивых .Ц)willow .c)
В частном случае, подобрав /Uoi/ /UK/, можно записатьIn the particular case, picking up / Uoi / / UK /, you can write
и I |Л. С6 С8 Uubix - Uoi Ј-.and I | l. C6 C8 Uubix - Uoi Ј-.
Получаемое расширение диапазона преобразовани в предлагаемом устройстве можно по снить с помощью графика на фиг. 2, выходные характеристики на кото- 5 ром даны дл неизменной чувствительности преобразовател (С const). Характеристика 1 на фиг. 2 соответствует передаточной характеристике известного устройства, опиСв Q сываемой выражением ивых -Uoi (приThe resulting expansion of the conversion range in the proposed device can be seen using the graph in FIG. 2, the output characteristics of which are given for the constant sensitivity of the converter (C const). Characteristic 1 in FIG. 2 corresponds to the transfer characteristic of the known device, described by Q as it is expressed by the expression “Uoi” (with
Uo2C8 0).Uo2C8 0).
Емкость датчика Се можно представить в видеThe capacity of the Ce sensor can be represented as
Се Сбн + АСб,Ce Bon + ASB,
5 где Сбн - начальна емкость датчика (например , емкость незаполненного .датчика уровн , емкость незаполненного или заполненного обезвоженной средой датчика и т.п.):5 where RL is the initial capacitance of the sensor (for example, the capacity of an empty level sensor, the capacity of an empty or filled sensor with a dry medium, etc.):
0ДСб - приращение емкости датчика за0DSb - sensor capacity increment per
счет изменени контролируемого параметра .account change controlled parameter.
При подключении к преобразователю датчика с начальной емкостью Сбн на выхо5 де его по витс напр жение, что будет соответствовать . нижнему пределу изменени емкости датчика. Верхний же предел изменени емкости датчика будет соответствовать максимальному напр жению Unbtx максWhen a sensor is connected to the transducer with an initial capacitance of Bn at the output, its voltage will correspond to. the lower limit of the sensor capacitance. The upper limit of the sensor capacitance change will correspond to the maximum voltage Unbtx max.
0 на выходе преобразовател и дл характеристики 1 его значение будет Сбк1. Диапазон измерени , по емкости при этом составит А Се Сбк1 - Сбн (так, например, в известном преобразователе выходное на5 пр жение преобразовател мен етс от ивых - 2,25 до иВых макс 9,0 В при изменении емкости датчика от См 5 пФ до Ск 20 пФ; при этом чувствительность преобразовател составит S 0,45 В/пФ.0 at the output of the converter and for characteristic 1 its value will be Sq1. The measurement range, according to the capacitance, will be А А Се Скк1 - Снн (so, for example, in a known converter, the output voltage of the converter’s voltage varies from external - 2.25 to EXT max 9.0 V when the capacitance of the sensor changes from 5 pF Ck 20 pF, while the sensitivity of the converter will be S 0.45 V / pF.
0 Учитыва , что знак зар да на входе преобразовател 9 зар дов не измен етс в процессе работы, напр жение на выходе всего устройства также не будет мен ть своего знака.0 Taking into account that the charge sign at the input of the charge converter 9 does not change during operation, the output voltage of the entire device will also not change its sign.
5 ; При подключении второго источника 2 посто нного стабильного напр жени и второго образцового конденсатора 8 происходит частична компенсаци зар дов на входе преобразовател 9 зар дов, а соот0 ветственно и уменьшаетс выходное напр жение . В частном случае можно подобрать Uo2 или Се таким образом, чтобы UoiCe ио2Сз; тогда ивых 0, а дл достижени ивыхмакс емкость датчика должна прин тьfive ; When the second source 2 of a constant stable voltage and the second exemplary capacitor 8 is connected, partial compensation of the charges at the input of the converter 9 takes place, and the output voltage decreases accordingly. In the particular case, you can choose Uo2 or Ce in such a way that UoiCe io2Sz; then willows 0, and in order to reach the max sensor output,
5 значение Сбк2 (характеристика 2 на фиг. 2). Диапазон измерени в этом случае составл ет А Сб Сбк2 - Сбн, что свидетельствует о его расширении по сравнению с предыдущим случаем.5 value Sbc2 (feature 2 in Fig. 2). The measurement range in this case is A Sat Sbc2 - Csn, which indicates its expansion compared with the previous case.
Значени Uo2 и Се можно выбрать таким образом, чтобы напр жение на выходе преобразовател при начальной емкости датчика Сбн, составило - Увых макс. При этом значение +ивых макс достигает при емкости датчика Сбкз (характеристика 3 на фиг. 2|. а диапазон изменени составл ет АСе Сбк.- Сбн (например, при сохранении прежней чувствительности преобразовани S 0,45 8/пФ и изменении выходного напр жени Увых от -9 В до +9 В можно регистрировать изменение емкости датчика Л Ы до 40 пФ, что превышает указанный первоначальный диапазон Д Се 15 пФ более чем в 2,5 раза).The values of Uo2 and Ce can be chosen in such a way that the output voltage of the converter at the initial capacitance of the sensor is Ubn, is - Uw max. At the same time, the value of + iVy max reaches when the capacitance of the sensor is Sqbc (characteristic 3 in Fig. 2 |. And the range of variation is ACe Sbk.- Sbn (for example, while maintaining the former sensitivity of the S conversion) 0.45 8 / pF and changing the output voltage Uvykh from -9 V to +9 V, you can register a change in the capacitance of the sensor L S up to 40 pF, which exceeds the specified initial range of D Ce 15 pF by more than 2.5 times).
Настройку преобразовател можно производить при заданном или предварительно определенном диапазоне изменени емкости датчика. В этом случае величины напр жени источника 2 посто нного стабильного напр жени в емкости Cs .второго образцового конденсатора 8 выбирают из услови Uoi (Сбн + 2 АСб Uo2Cs,The converter can be adjusted at a predetermined or predetermined range of capacitance variation of the sensor. In this case, the voltage values of the source 2 of a constant stable voltage in the capacitance Cs. Of the second exemplary capacitor 8 are chosen from the condition Uoi (Сbr + 2 АСб Uo2Cs,
а затем значение емкости Су первого образцового конденсатора 7 выбирают при значе- нии максимального по абсолютной величине выходного напр жени преобразовател при величине емкости датчика, равной Сбн или Сбн + ДСе .and then the capacitance value Su of the first exemplary capacitor 7 is selected at the value of the maximum in absolute value of the output voltage of the converter when the capacitance of the sensor is equal to Svn or Sbn + DSe.
Таким образом, предлагаемый преобразователь емкости в напр жение позвол ет существенно расширить диапазон измерени емкости датчика. Дополнительное преимущество предлагаемого преобразовател про вл етс в возможности использовани его с датчиками, имеющими сравнительно большую начальную емкость, что косвенно может обеспечить и расширение области его применени .Thus, the proposed capacitance-to-voltage converter allows to significantly expand the measuring range of the capacitance of the sensor. An additional advantage of the proposed converter is its ability to use it with sensors having a relatively large initial capacitance, which indirectly can provide an expansion of its field of application.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU904794110A SU1718145A1 (en) | 1990-02-21 | 1990-02-21 | Capacitive sensor based transducer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU904794110A SU1718145A1 (en) | 1990-02-21 | 1990-02-21 | Capacitive sensor based transducer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SU1718145A1 true SU1718145A1 (en) | 1992-03-07 |
Family
ID=21497627
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU904794110A SU1718145A1 (en) | 1990-02-21 | 1990-02-21 | Capacitive sensor based transducer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
SU (1) | SU1718145A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2472106C2 (en) * | 2008-12-23 | 2013-01-10 | Закрытое акционерное общество "Нанотехнология-МДТ" | Linear displacement capacitive transducer |
-
1990
- 1990-02-21 SU SU904794110A patent/SU1718145A1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Карандеев К.Б., Гриневич Ф.Б., Новик А.И. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры, М.: Энерги , 1966, с.144. Левшина Е.С.. Новицкий П.В. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоато- миздат. 1983, с. 145. Авторское свидетельство СССР № 1057882.кл. G 01 R 27/26, 1982. Чередов А.Н.. Клементьев А.В. Измерительный преобразователь емкости в напр жение. - Приборы и техника эксперимента. 1984, №5. с.128-129. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2472106C2 (en) * | 2008-12-23 | 2013-01-10 | Закрытое акционерное общество "Нанотехнология-МДТ" | Linear displacement capacitive transducer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5440939A (en) | Servo-controlled pendular micro-sensor | |
US4636714A (en) | Capacitive transducer and method | |
US4816745A (en) | Method and arrangement for measuring the resistance ratio in a resistance half-bridge | |
US5210501A (en) | Apparatus for processing sensor signals having switch-capacitor structures | |
US4165483A (en) | Capacitive pick-off circuit | |
SU1718145A1 (en) | Capacitive sensor based transducer | |
SU748138A2 (en) | Discrete electric-capacity level meter | |
SU1767451A1 (en) | Metering transducer with capacity sensor | |
Sebastian et al. | A Switched-Capacitor CVC and CFC for Capacitive Sensors Representable using $\pi $-Model | |
SU1520330A1 (en) | Precision capacity-to-voltage converter | |
SU1582020A1 (en) | Capacitive level gauge | |
SU918852A1 (en) | Instrument for determination of paper smoothness | |
RU2272298C1 (en) | Capacity transformer of movements | |
SU1615558A1 (en) | Capacitive level indicator | |
KR100302459B1 (en) | Nonlinearity compensation method and its apparatus of capacitive sensor controller sensing the position precisely | |
SU898342A1 (en) | Conductometric pickup resistance meter | |
SU152114A1 (en) | Pulse pressure amplitude meter | |
SU828097A1 (en) | Integrating converter of strain gauge bridge un balance to pulse repeitition frequency | |
SU1656311A1 (en) | Non-contact position-to-frequency transducer | |
SU868603A1 (en) | Periodic signal swing-to-voltage converter | |
SU1267290A1 (en) | Converter of parameters of conductivity transducer | |
RU2037770C1 (en) | Measuring converter of nonelectric values | |
SU1756835A1 (en) | Capacitance ratio digital meter | |
SU1265570A1 (en) | Capacitive pickup of moving sheet material humidity | |
JPH0141240B2 (en) |