емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений
Классы МПК: | G01B7/14 для измерения расстояния или зазора между разнесенными предметами или отверстиями G01D5/24 путем изменения емкости |
Автор(ы): | Горбова Г.М., Чепуштанов А.А. |
Патентообладатель(и): | Алтайский государственный технический университет им.И.И.Ползунова |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-07-31 публикация патента:
20.04.2000 |
Изобретение может быть использовано для измерения микроперемещений плоских заземленных поверхностей и связанных с этими перемещениями вибраций, давлений, толщины металлических лент и других аналогичных величин. Датчик имеет два электрода - высокопотенциальный и низкопотенциальный. Длина высокопотенциального электрода больше длины низкопотенциального на величину, превышающую удвоенное расстояние между ними. Оба электрода выполнены в виде пластин и расположены параллельно друг другу и перпендикулярно перемещающейся заземленной поверхности. Над торцом каждого электрода расположены экранные электроды одинаковой высоты, образующие с потенциальными электродами две общие пластины. С обоих боковых торцов пластины из низкопотенциального и экранного электродов расположены два охранных электрода. Характеристика датчика линеаризуется двумя тонкими дополнительными электродами, расположенными под торцами охранных электродов. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, содержащий высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды, выполненные в виде двух параллельных и симметрично расположенных пластин одинаковой высоты, превышающей расстояние между ними, предназначенные для установки перпендикулярно плоской заземленной поверхности, имеющей возможность перемещения относительно этих электродов, два экранных электрода одинаковой высоты, размещенные над высокопотенциальным и низкопотенциальными электродами и образующие с ними две общие пластины, разделенные тонкими диэлектриками, два охранных электрода, выполненные в виде пластин, расположенных по разные стороны от общей пластины из низкопотенциального и экранного электродов с образованием параллелепипеда, при этом длина высокопотенциального электрода больше длины низкопотенциального электрода на величину, превышающую удвоенное расстояние между ними, отличающийся тем, что он снабжен связанными через тонкие диэлектрики с торцами охранных электродов тонкими дополнительными электродами, предназначенными для размещения вблизи от плоской заземленной поверхности и электрически соединенными с низкопотенциальным электродом, причем длина каждого дополнительного электрода равна длине низкопотенциального электрода.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения микроперемещений плоских заземленных поверхностей и связанных с этими перемещениями вибраций, давлений, толщины металлических лент и других аналогичных величин. Известен емкостный датчик линейных перемещений, содержащий размещенные в общей плоскости и электроизолированные один и от другого высокопотенциальный, экранный и низкопотенциальный электроды, установленный в параллельной им плоскости с возможностью изменения зазора между ними плоский заземленный электрод, а также подключенную к высоко- и низкопотенциальному электродам трансформаторную мостовую измерительную схему, в котором для повышения точности измерений за счет линеаризации выходной характеристики ширины высоко- и низкопотенциального электродов по крайней мере шестикратно превышают ширину экранного электрода, а начальный зазор между плоскостями, в которых размещены электроды датчика, составляет 1,6 - 2,3 ширины экранного электрода [1]. Следовательно, при выполнении высокопотенциального и низкопотенциального электродов датчика одинаковой ширины, которая превышает шестикратное значение ширины экранного электрода, и перемещении заземленного электрода, связанного с объектом контроля, относительно экранного электрода в диапазоне от 1,6 до 2,3 ширины экранного электрода, выходная характеристика датчика является практически линейной. Недостатком указанного датчика является низкая абсолютная чувствительность. Так, если отношение перемещения d заземленного электрода к расстоянию 2l между потенциальными электродами (ширине экранного электрода) изменяется относительно номинального значения d0/2l на величину![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147028/916.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147028/916.gif)
Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности (прототипом) является емкостный первичный измерительный преобразователь линейных перемещений, содержащий высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды, выполненные в виде двух параллельных и симметрично расположенных пластин одинаковой высоты, превышающей расстояние между ними, с длиной высокопотенциального электрода больше длины низкопотенциального электрода на величину, превышающую удвоенное расстояние между пластинами, предназначенные для установки перпендикулярно к плоской заземленной поверхности, имеющей возможность перемещения относительно этих электродов, два одинаковой высоты экранных электрода, находящихся над потенциальными электродами и образующими с ними две общие пластины, разделенные тонкими диэлектриками. Так как преобразователь представляет собой плоскопараллельную систему электродов, то для этого в нем необходимо создать плоскопараллельное поле. Для этого длина высокопотенциального электрода выбирается больше длины низкопотенциального электрода на величину, превышающую удвоенное расстояние между ними. Устройство также снабжено двумя охранными электродами, выполненными в виде пластин, расположенных по разные стороны от общей пластины из низкопотенциального и экранного электродов с образованием параллелепипеда. Для надежного экранирования потенциальных электродов высота экранных электродов в преобразователе превышает в полтора раза расстояние между ними, а толщина потенциальных пластин превышает в три раза расстояние между потенциальными электродами, при этом дальнейшее увеличение высоты и толщины практически не вызывает изменений емкости преобразователя [2]. Последнее условие (выбор толщины) выполняется автоматически, т.к. преобразователь работает в режиме преобразования микроперемещений (d/2l << 1). Приближенная формула для расчета частичной емкости C12 между высокопотенциальным и низкопотенциальным электродами, полученная путем упрощения формулы, приведенной в [2], на основе правил приближенных вычислений при h/1
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147039/8805.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147039/8805.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147039/8805.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147726/2147726-2t.gif)
где
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147001/949.gif)
L - длина низкопотенциального электрода;
d - расстояние между торцами потенциальных электродов и перемещающейся поверхностью;
l - расстояние между потенциальными электродами;
h - высота потенциальных электродов;
h1 - высота экранной части пластин;
n - толщина пластин. Определив на основе выражения (1) производную
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147695/8706.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147695/8706.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147726/2147726-3t.gif)
Если L = 1 м, а
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147028/916.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147028/916.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147027/8776.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147028/916.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147726/2147726-4t.gif)
Например, при d/2l = 0,1 согласно (3) относительная погрешность
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147028/916.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147027/8776.gif)
L - длина низкопотенциального электрода 2;
L1 - длина дополнительного электрода 10 и 11;
L2 - длина экранного электрода 4;
2l - расстояние между внутренними поверхностями высокопотенциального 1 и низкопотенциального 2 электродов;
n - толщина каждого электрода;
d - расстояние между торцами электродов 1, 2 и поверхностью 3. Емкостный первичный измерительный преобразователь линейных перемещений работает следующим образом. Перемещение поверхности 3 вызывает изменение частичной емкости C между высокопотенциальным 1 и низкопотенциальными 2, 10, 11 электродами, которое измеряется трансформаторным мостом переменного тока (на чертеже не показан), и по его шкале, отградуированной в единицах измеряемой величины, судят о перемещении поверхности. Так как электрическое поле в рассматриваемой системе является плоскопараллельным, то общая частичная емкость C преобразователя определяется по формуле
C = C12 + CКР, (4)
где C12 - частичная емкость, определяемая формуле (1);
CКР - частичная емкость между высокопотенциальным 1 и дополнительными электродами 10, 11. Приближенная формула для определения частичной емкости CКР, полученная методом конформных отображений и непосредственного определения напряженности поля при тех же условиях, что и формула (1), имеет вид
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147726/2147726-5t.gif)
где L1 - длина дополнительного электрода 10 или дополнительного электрода 11. С учетом формул (1) и (5) формулу (4) при L = L1 можно представить в виде
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147726/2147726-6t.gif)
Как следует из выражения (6), при длине низкопотенциального электрода L, равной длине дополнительного электрода L1, нелинейные члены, имеющие второй порядок малости, сокращаются, и относительная погрешность
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147028/916.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147726/2147726-7t.gif)
Если, например, d/2l = 0,1, то согласно (7) относительная погрешность (по абсолютной величине)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147028/916.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147027/8776.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147028/916.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147028/916.gif)
![емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений, патент № 2147726](/images/patents/324/2147009/8594.gif)
1. Авторское свидетельство СССР N 1755031, кл. G 01 B 7/00. "Емкостный датчик линейных перемещений". 2. Госьков П. И., Горбова Г.М. Расчет емкостного первичного преобразователя микроперемещений плоской заземленной электропроводной поверхности. Тез. докл. Всесоюзн. совещ. "Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов". - Барнаул, 1991. С. 129-130 (прототип).
Класс G01B7/14 для измерения расстояния или зазора между разнесенными предметами или отверстиями
Класс G01D5/24 путем изменения емкости