Устройство для снятия статических характеристик линейных пьезодвигателей

линейный пьезодвигатель оптический

В настоящее время во всем мире взят курс на развитие нанотехнологий. Решаются различные задачи в этой сфере, в частности актуальна задача микроперемещений объекта. Решение данной задачи необходимо для усовершенствования устройств и приборов в областях машиностроения, медицины, электропромышленности и многих других областях. На данный момент разработано множество различных систем на основе пьезоэффекта для микроперемещения объектов.

В связи с развитием систем микроперемещений объекта также актуальна задача измерения этих малых перемещений. Существуют различные системы для измерения линейных и угловых микроперемещений объекта как по принципу непосредственного контакта с объектом, так и по бесконтактному принципу.

Не менее важным является изучение устройств микроперемещений, а так же обучение специалистов работе с данными устройствами. Требуются различные лабораторные установки и комплексы.

Задача курсовой работы заключается в разработке устройства для снятия статических характеристик линейных пьезодвигателей. По сути задача сводится к измерению линейных микроперемещений в диапазоне работы тестируемого пьезодвигателя.

Задание выполняется на основе исходных данных: диапазон измеряемых величин от -20 до 20 мкм; допустимая погрешность измерения 1%; напряжение питания 220 В 50 ГЦ, выходной сигнал устройства цифровой, RS-232.

Сравнительный анализ существующих схемных решений

Устройство, защищенное патентом России RU 2 147 726, G01B7/14, G01D5/24, 1998 г. (приложение Б), 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.

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.

Устройство, защищенное патентом России RU 2 165 070, G01B11/00, 2001 г. (приложение В), относится к области измерительной техники и может быть использовано, в частности, для бесконтактного, безынерционного измерения малых линейных и угловых перемещений. Решается задача повышения точности и чувствительности определения перемещений, особенно при одновременной реализации нескольких различных перемещений.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для измерения малых перемещений, содержащем отражатель, установленный на объекте, источник света, расположенный под углом к отражателю, и блок регистрации отраженных световых лучей, согласно изобретению рабочая поверхность отражателя выполнена в виде отрезка кругового цилиндра, ось которого перпендикулярна направлению перемещения объекта измерения и параллельна оси его поворота, а экран блока регистрации выполнен в виде отрезка кругового цилиндра охватывающего отражатель, при этом оси экрана и отражателя совпадают, в экране выполнена щель для светового луча.

Устройство, защищенное патентом России RU 2 258 200, G01B7/16, G01V1/18, 2005 г. (приложение Г), относится к области измерения микроперемещений и может использоваться для регистрации ползучих и динамических инфрапроцессов как естественного, так и искусственного происхождения. Целью изобретения является повышение чувствительности измерения в широком динамическом диапазоне.

Поставленная цель достигается следующим образом: устройство для измерения микроперемещений содержит измерительный и чувствительный элементы, мембрану, формирователь сигнала, выход которого соединяется с обмоткой фиксирующего электромагнита, и, кроме того, устройство дополнительно снабжено тянущим электромагнитом, который взаимодействует с измерительным элементом; обмотка тянущего электромагнита связана со вторым выходом формирователя сигнала, инверсным относительно выхода, связанного с обмоткой фиксирующего электромагнита. Устройство, защищенное патентом России RU 2 277 695, G01B11/00, 2006 г. (приложение Д), относится к оптоэлектронике и предназначено для измерения малых линейных перемещений с высоким разрешением порядка долей нанометра. В основу изобретения поставлена задача создания устройства, позволяющего производить измерения линейных перемещений с высоким разрешением порядка долей нанометра, снизить давление на щуп и, тем самым, повысить точность измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения малых линейных перемещений, содержащем две фазовые дифракционные решетки, щуп, который вводится в контакт с исследуемым образцом, систему просвечивания решеток лазерным пучком, состоящую из лазера с коллиматором луча, пространственного фильтра и фотодиода, измеритель выходного напряжения, дифракционные решетки нанесены на двух противоположных параллельных сторонах прозрачного блока, блок закреплен на оси, имеет степень свободы поворота относительно этой оси и связан со щупом так, что вектор перемещения, воздействующего на щуп проходит на некотором расстоянии от оси вращения блока, а система просвечивания решеток установлена на отдельном поворотном основании, связанном с регулировочным механизмом.

Устройство, защищенное патентом России RU 2 383 854, G01B11/00, 2010 г. (приложение Е), относится к измерительной технике и может быть применено в машиностроении пространственного положения и перемещения деталей, в том числе узлов координатно-измерительных машин. Решаемая техническая задача — увеличение динамической точности измерений и повышение долговечности конструкции.

Решаемая техническая задача в трехкомпонентном лазерном измерителе микроперемещений объекта, содержащем электронный блок обработки сигналов, измерительный наконечник, устройство позиционирования измерительного наконечника трехкомпонентного лазерного измерителя микроперемещений объекта и призменный отражатель, достигается тем, что введены три полупроводниковых лазерных диода, установленных параллельно друг другу, каждый полупроводниковый лазерный диод оптически связан с призменным отражателем, жестко установленным на шарнирном основании устройства позиционирования измерительного наконечника так, что ось излучения каждого полупроводникового лазерного диода ориентирована на отдельную грань призменного отражателя, радиально граням которого установлены светочувствительные элементы, с внешней стороны устройства позиционирования измерительного наконечника закреплен измерительный наконечник. Все выше описанные изобретения отличаются друг от друга по конструкции и принципу действия, но все они решают задачу повышения точности и чувствительности измерений микроперемещений объекта на основе своих прототипов. Устройства приведенные в приложениях А, Б, Г, Д, Е основаны на прямом контакте чувствительного элемента с объектом, а устройство приведенное в приложении В основано на бесконтактном измерении. Устройства приведенные в приложениях В, Д, Е основаны на оптоэлектронике, а устройства приведенное в приложении А, Б, Г основаны на магнетоэлектронике.

Достоинства устройства, приведенного в приложении, А :

На величину измеряемого микроперемещения не влияют ни конструктивные, ни физические параметры схемы, например паразитные емкости, площадь измерительных электродов, напряжение питания и диэлектрическая проницаемость среды между электродами.

Достоинства устройства, приведенного в приложении Б :

Абсолютная чувствительность преобразователя с дополнительными электродами сохраняет постоянное значение, а его выходная характеристика весьма близка к линейной. Таким образом, предлагаемый емкостный первичный измерительный преобразователь линейных перемещений имеет более чем на два порядка меньшую погрешность преобразования от замены реальной выходной характеристики преобразователя на линейную.

Достоинства устройства, приведенного в приложении В :

Система основана на измерении перемещения светового потока на удаленном экране от отклоненного от измерительного микрозеркала луча света.

Устройство позволяет измерять сверхмалые линейные (10^-8 м) и угловые (10^-3 угловой секунды) перемещения. Устройство долговечно за счет отсутствия механически подвижных элементов.

Достоинства устройства, приведенного в приложении Г:

Устройство помещают в герметичный корпус, заполненный инертной средой, для исключения образования на рабочих поверхностях чувствительного и измерительного элементов окисных, водяных и других подобных пленок. Способ преобразования микроперемещения в электрический сигнал путем естественного квантования, включающий операции фиксации и освобождения измерительного элемента с последующим его перемещением в направлении к чувствительному элементу, отличающийся тем, что измерительный элемент фиксируют при возникновении тока автоэлектронной эмиссии, а освобождают при срыве тока автоэлектронной эмиссии.

Достоинства устройства, приведенного в приложении Д:

При измерении выходное напряжение пропорционально линейному перемещению щупа. Техническим результатом изобретения является исключение угловой расстройки дифракционных решеток в процессе работы, достижение малого усилия на щупе при измерении линейного перемещения чувствительного узла датчика-блока решеток.

Достоинства устройства, приведенного в приложении Е:

Высокая динамическая точность и долговечность, связанные с минимальным набором движущихся механических частей и отсутствием подвижных электрических контактов в конструкции. Относительная простота конструкции.

Для решения задачи курсового проекта выбирается устройство приведенное в приложение Е. Конструкция и принцип действия данного устройства наиболее подходит для решения поставленной задачи.

Разработка функциональной схемы измерительного устройства

Рисунок 1 — Оптическая схема измерителя микроперемещений: а) оптическая схема измерителя в «нулевом» положении; б) оптическая схема измерителя при изменении положения объекта: 1 — пьезоактюатор, 2 — зеркало, 3 — измерительный наконечник, 4 — устройство позиционирования, 5 — призменный отражатель, 6 — источник излучения, 7 — оптический фильтр, 8 — фотоприемник

1 — пьезоактюатор

2 — зеркало

3 — измерительный наконечник

4 — устройство позиционирования

5 — призменный отражатель

6 — источник излучения

7 — оптический фильтр

8 — фотоприемник Рис.

Рисунок 2 — Функциональная схема измерительного устройства: а) схема измерителя микроперемещений; б) схема блока обработки сигналов: ОС — оптическая система, ИП — источник питания, БП — блок питания, ИТ — источник тока, БО — блок обработки сигналов, 1 — фотоприемник, 2 — усилитель, АЦП — аналого-цифровой преобразователь, МС — микроконтроллер, ADM 232 — приемопередатчик ОС — оптическая система ИП — источник питания БП — блок питания ИТ — источник тока БО — блок обработки сигналов

1 — фотоприемник

2 — преобразователь тока

3 — усилитель АЦП — аналого-цифровой преобразователь МС — микроконтроллер Источником энергии (ИП) является промышленная сеть 220 В, 50 Гц. К ней подключен стабилизированный блок питания (БП), от которого питаются элементы блока обработки сигналов (БО) и преобразующий входное переменное напряжение в постоянное напряжение питания 5 В, и источник тока (ИТ), от которого питается лазерный диод. При изменениях сигналов получаемых фотоприемниками (1), их выходные токи изменяются и подаются на преобразователи тока (2), которые преобразует токи в напряжение. Эти напряжения усиливаются усилителями напряжения (3), а затем подаются на аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые преобразуют напряжение в цифровой сигнал. Цифровые сигналы АЦП подаются в микроконтроллер. АЦП могут быть встроены в микроконтроллер. В микроконтроллере производятся конечные расчеты перемещения объекта. Передача данных с устройства осуществляется посредством интерфейса RS232.

Выбор элементов

1) Источник питания (ИП) — промышленная сеть 220 В, 50 Гц.

2) Источник излучения В качестве источника излучения был выбран лазерный диод HLDH-808-B-200−02 (приложение Ж).

Основные характеристики

— Напряжение питания, V 2 V

— Угол Обзора (гор/верт) 13/42

— Длина волны, л 840 nm

— Прямой ток, I 0,225 A

— Выходная мощность, Wo 0,2 W

Потребляемая мощность:

3) Фотоприемник В качестве фотоприемника выбран фототранзистор L-51ROPT1D2 (приложение И).

Основные характеристики:

Темновой ток коллектора, нА 100

(Ve=20 В, Ee=0 мВт/см2)

Напряжение насыщения, В 0,4

(Ic=2 мА, Ee=0,5 мВт/см2)

Время срабатывания, нс 15

Рабочий ток коллектора, мА 2

(Vce=5 В, Ee=0,1 мВт/см2)

Длина волны (пик.), нм 870

4) Усилитель Для усиления выходного сигнала с датчика тока был выбран усилитель AD8021 (приложение К).

Характеристики:

— Низкий уровень шумов: 2,1 нВ/Гц-2 2,1 пА/Гц-2

— Регулируемый от -1 до -10 уровень компенсации

— Высокое быстродействие: 200 МГц при G=-1 200 МГц при G=-10

— Низкое потребление: 34 мВт: 6,7 мА при 5 В питании

— Функция отключения выходов, снижающая потребление до 1,3 мА

— Низкие коэффициенты гармоник: второй гармоники -93 дБ на частоте 1 МГц третьей гармоники -108 дБ на частоте 1 МГц

— Статические характеристики: Входное напряжение смещения не более 1 мВ Температурный коэффициент дрейфа 0,5 мВ/°С Максимальный входной ток смещения 25 пА

— Диапазон однополярного питания от 5 до 24 В

— Миниатюрные корпуса SOIC-8 и MSOP-8

Рисунок 3 — Расположение выводов AD8021

Потребляемая мощность:

Ошибка усиления составляет 0,03%

5) Микроконтроллер с встроенным АЦП Для окончательной обработки сигналов микроперемещения объекта выбран микроконтроллер с встроенным АЦП AT89C51CC02 (приложение Л).

Основные параметры Ядро MCS-51

F, МГц от 0 до 40

Память: Flash, КБайт 16

Память: RAM, КБайт 0.5

Память: EEPROM, КБайт 2

I/O (макс.), шт. 20

Таймеры: 16-бит, шт 1

Таймеры: RTC Нет Интерфейсы: UART, шт 1

Аналоговые входы: Разрядов АЦП, бит 10

Аналоговые входы: Каналов АЦП, шт 8

VCC, В от 3 до 5.5

ICC, мА 3

TA,°C от -40 до 85

Корпус PLCC-28 SOIC-24 SOIC-28

Потребляемая мощность:

6) Блок питания (БП) Общая потребляемая мощность от блока питания составляет:

Для питания элементов блока обработки сигналов был выбран блок питания ARPV-SC1E-05005T (приложение Д).

Основные характеристики:

Выходная мощность, W_o typ: 5 W

Макс. постоянный ток, I_F max 1 A

Размеры, W x H x L42×40×22

Входное напряжение, AC min: 180 V max: 264 V

Выходное напряжение, DC typ: 5 V

7) Источник тока (ИТ) Для питания лазерного диода был выбран источник тока ARPJ-SC1E-04700C (приложение Е).

Основные характеристики:

Выходная мощность, W_o typ: 3 W

Макс. постоянный ток, I_F max 0,7 A

Входное напряжение, AC min: 90 V max: 264 V

Выходное напряжение, DC min: 1 V max: 4 V

Размеры, W x H x L 26×21×52

8) Приемопередатчик Для преобразования сигнала контроллера в RS232 был выбран приемопередатчик ADM232

Напряжение питания: 4.5−5.5 В Потребляемая мощность без нагрузки 5 мА Диапазон напряжений передатчика 7.8 В Диапазон напряжений приемника 30 В Диапазон рабочих температур 0 — 70 С Рисунок 4 — Блок схема программы микроконтроллера На входы микроконтроллера с АЦП (AN0, AN1) подаются сигналы от датчика измерения микроперемещений. До прерывания микроконтроллер находится в режиме ожидания, прерывание происходит по таймеру. Изначально период прерываний составляет 65 536 мкс. Чтобы уменьшить период прерываний до 30мс в начале программы прерывания зададим значения младшего (TL0) и старшего (TH0) байтов таймера счетчика равными DL=B8 и DH=8Е (35 536 мкс) соответственно. В программе прерывания с АЦП входов снимаются значения и обрабатываются, значение перемещения присваивается переменной L. По окончанию прерывания, полученное значение выставляется на порт P3 для отправки на прибор приема данных.

Заключение

Входе данного курсового проекта по заданным характеристикам было разработано устройство измерения микроперемещений объекта. Оно состоит из оптического измерителя, включающего лазерный диод (HLDH-808-B-200−02, производитель Huey Jann), призму, измерительный наконечник, два оптических фильтра и два фототранзистора (L-51ROPT1D2, производитель PARA), и блока обработки сигнала, включающего два перобразователя тока, два усилителя (AD8021, производитель Analog Devices), и микроконтроллер с встроенными АЦП (AT89C51CC02, производитель Atmel) обеспечивающий цифровой выход устройства с интерфейсом RS232.

Устройство питается от напряжения в 220 В 50 ГЦ и обеспечивает измерение перемещения в диапазоне от -20 до +20 мкм с погрещностью не более 1%, что удовлетворяет заданным характеристикам.

1. Интернет ресурс http://www1.fips.ru/wps/portal/Registers/

2. Интернет ресурс http://www.chipdip.ru/

3. Интернет ресурс http://www.rlocman.ru/datasheet/

4. Интернет ресурс http://www.belaist.by/catalog/

5. Интернет ресурс http://www.transistor.ru/catalog/

6. Интернет ресурс http://lib.qrz.ru/node/3813

Приложение А

Устройство для измерения микроперемещений

Устройство может использоваться в датчиках давления, акселерометрах, датчиках угловой скорости и микрогироскопах. Устройство представляет собой генератор, построенный на усилительном элементе с гистерезисом, например триггере Шмитта. Устройство содержит две измерительные емкости, первые выводы которых через ключи подключены ко входу усилительного элемента. Вторые выводы измерительных емкостей соединены с общим проводом. Ко входу усилительного элемента также подключена дополнительная емкость. Между входом и выходом усилительного элемента включен частотозадающий резистор. Полный цикл работы генератора включает в себя три режима. В первом и втором режимах с помощью ключей на вход усилительного элемента подключаются поочередно первая и вторая измерительные емкости. В третьем режиме в качестве времязадающей емкости в генераторе используется сумма дополнительной и паразитной емкостей. Изобретение направлено на повышение точности устройства за счет исключения влияния паразитных емкостей, площади электродов, напряжения питания, диэлектрической проницаемости среды на результат измерения. 1 ил.

Рис.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных датчиках давления, акселерометрах, датчиках угловой скорости и микрогироскопах.

Известно аналогичное устройство, в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, и с помощью частотно-модулированного сигнала выявляются перемещения подвижного узла (Гудинаф Ф. Емкостный датчик ускорения, выполненный на основе сочетания объемной и поверхностной микротехнологий. Электроника. 1993. № 11−12. С.86−87).

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с влиянием входных емкостей усилительных элементов.

В качестве прототипа выбрано устройство (Вавилов В. Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, стр. 249, рис 8.5), содержащее первую и вторую измерительные емкости, первый и второй ключи, два усилительных элемента с гистерезисом и два времязадающих резистора, времязадающие резисторы соединены со входом и выходом соответствующих усилительных элементов. Первая и вторая измерительные емкости соединены одними концами соответственно с входами первого и второго усилительных элементов, а вторыми концами с общим проводом. Ключи включены параллельно измерительным емкостям, а управляющие входы ключей соединены с выходами усилительных элементов. Первый ключ, первый усилительный элемент, первая измерительная емкость и первый резистор образуют первый генератор и аналогично второй ключ, второй усилительный элемент, вторая измерительная емкость и второй резистор образуют второй генератор.

Недостатком известного устройства является низкая точность и низкая чувствительность, связанные с влиянием входных емкостей усилительных элементов, на которых выполнены генераторы, а также паразитные емкости ключей.

Решаемая задача — совершенствование емкостного преобразователя перемещений.

Технический результат — повышение точности емкостного преобразователя перемещений.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем первую и вторую измерительные емкости, первый и второй ключи, усилительный элемент с гистерезисом и времязадающий резистор, времязадающий резистор соединен со входом и выходом усилительного элемента, согласно изобретению первый и второй ключи выходами соединены со входом усилительного элемента, со входами первого и второго ключей соединены одними концами первая и вторая измерительные емкости, а вторыми концами измерительные емкости соединены с землей, дополнительная емкость установлена между землей и входом усилительного элемента, причем величина измеряемого микроперемещения определена по измерениям периодов генерации на трех режимах по следующей формуле:

где Т1 — период генерации с первой измерительной емкостью; Т2 — период генерации со второй измерительной емкостью; T3 — период генерации с отключенными измерительными емкостями; h — начальный зазор между электродами.

Предлагаемое устройство иллюстрируется принципиальной схемой, приведенной на чертеже, содержащей первую измерительную емкость 1 (С1) и вторую измерительную емкость 2 (С2). Первая измерительная емкость 1 соединена одним концом со входом первого ключа 3, а вторая измерительная емкость 2 соединена одним концом со входом второго ключа 4. Вторыми концами первая 1 и вторая 2 измерительные емкости соединены с землей. Выход первого ключа 3 и выход второго ключа 4 соединены вместе и одновременно соединены со входом усилительного элемента 5. Управляющие входы первого 3 и второго 4 ключей на схеме обозначены соответственно q1 и q2. Времязадающий резистор 6 соединен одним концом со входом усилительного элемента 5, а вторым концом с его выходом. Между входом усилительного элемента 5 и землей введена дополнительная емкость 7.

Алгоритм работы схемы основан на методе трех генераторов, аппаратно которые совмещены с использованием одного усилительного элемента 5 с гистерезисом, например, на логическом элементе типа триггера Шмитта. Полный цикл работы генератора включает в себя три режима: на первом режиме ко входу усилительного элемента 5 включена первая измерительная емкость 1 через отпертый ключ 3. Второй ключ 4 при этом заперт. Ко входу усилительного элемента 5 одновременно подключены дополнительная емкость 7 (Сд) и паразитная емкость входа усилительного элемента (Свх). Величина дополнительной емкости не критична и выбирается соизмеримой с измерительными. Выходной сигнал (fвых) в виде периода следования импульсов измеряется и запоминается, например, микроконтроллерным устройством.

На втором режиме ко входу усилительного элемента подключается вторая измерительная емкость 2 через отпертый второй ключ 4. Первый ключ 3 при этом заперт. В формировании импульсной последовательности участвуют те же дополнительная емкость 7 и паразитная емкость (Свх), тот же времязадающий резистор 6, что и на первом режиме. Выходной сигнал на втором режиме измеряется и запоминается аналогично первому режиму.

Периоды генерации на первом и втором режимах соответственно с первой и второй измерительными емкостями во времязадающих цепочках равны:

где Uверх и Uниж — напряжения, соответствующие верхнему и нижнему порогам петли гистерезиса усилительного элемента 5; Un — напряжение питания усилительного элемента.

С целью исключения влияния паразитных емкостей в цикле измерения введен третий режим, когда обе измерительные емкости С1 и С2 отключены. Соответственно первый 3 и второй 4 ключи заперты. В качестве времязадающих емкостей на третьем режиме используется сумма из дополнительной Сд и паразитной емкостей Свх. Соответственно третий период генерации определяется:

Из совместного решения (1), (2) и (3), по известным периодам колебаний трех генераторов, найдем отношение разности измерительных емкостей к их сумме:

Для дифференциальных измерительных емкостей имеют место следующие соотношения:

где , — диэлектрическая постоянная и диэлектрическая проницаемость между электродами измерительных емкостей; S — площадь измерительных электродов; х — величина измеряемого микроперемещения.

Разность между текущими значениями измерительных емкостей несет информацию об измеряемом микроперемещении, поэтому для его вычисления из (3) и (4) можно записать:

Из выражения (5) видно, что на величину измеряемого микроперемещения не влияют ни конструктивные, ни физические параметры схемы, например паразитные емкости, площадь измерительных электродов, напряжение питания и диэлектрическая проницаемость среды между электродами.

Формула изобретения Устройство для измерения микроперемещений, содержащее первую и вторую измерительные емкости, первый и второй ключи, усилительный элемент с гистерезисом и времязадающий резистор, времязадающий резистор соединен со входом и выходом усилительного элемента, отличающееся тем, что первый и второй ключи выходами соединены со входом усилительного элемента, со входами первого и второго ключей соединены одними концами первая и вторая измерительные емкости, а вторыми концами измерительные емкости соединены с землей, дополнительная емкость установлена между землей и входом усилительного элемента, причем величина измеряемого микроперемещения определена по измерениям периодов генерации на трех режимах по следующей формуле:

где Т1 — период генерации с первой измерительной емкостью;

T2 — период генерации со второй измерительной емкостью;

T3 — период генерации с отключенными измерительными емкостями;

h — начальный зазор между электродами.

Рис.

Приложение Б

Емкостный первичный измерительный преобразователь линейных микроперемещений

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.

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 высокои низкопотенциальному электродам трансформаторную мостовую измерительную схему, в котором для повышения точности измерений за счет линеаризации выходной характеристики ширины высокои 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. 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 d/2l = 0,1, то это приводит к изменению емкости C датчика на величину C = 0,05 пф/м. 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. 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 1; d/2l << 1; h1 1,5 и n/d 3 без учета членов, содержащих (d/2l)5 выше, имеет вид где — диэлектрическая проницаемость окружающей среды; 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 без учета членов, имеющих второй и более высокий порядок малости, перейдя от дифференциалов к приращениям, получим Если, то приращение частичной емкости, что приблизительно в 18 раз превышает приращение емкости датчика, описанного в при таком же перемещении.

Недостатком описанного емкостного первичного измерительного преобразователя линейных перемещений является пониженная точность измерений, обусловленная нелинейностью его выходной характеристики. Относительная погрешность преобразователя, связанная с заменой реальной выходной характеристики на линейную, найденная на основе выражения (1), определяется по формуле Например, при d/2l = 0,1 согласно (3) относительная погрешность d/d 6,4%, т. е. имеет довольно большое значение.

Сущность изобретения заключается в том, что емкостный 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 электродов одинаковой высоты, размещенные над высокопотенциальным и низкопотенциальным 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, 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 дополнительного электрода равна длине низкопотенциального электрода.

Техническим результатом является повышение точности измерений путем линеаризации выходной характеристики емкостного первичного измерительного преобразователя линейных микроперемещений.

На приведенном чертеже представлена схема емкостного первичного измерительного преобразователя линейных микроперемещений.

Емкостный первичный измерительный преобразователь содержит высокопотенциальный 1 и низкопотенциальный 2 электроды, выполненные в виде двух параллельных и симметрично расположенных пластин одинаковой высоты, превышающей расстояние между ними, с длиной высокопотенциального электрода 1 больше длины низкопотенциального электрода 2 на величину, превышающую удвоенное расстояние между пластинами, установленных перпендикулярно к перемещающейся плоской заземленной поверхности 3, два одинаковой высоты экранных электрода 4, 5, находящихся над потенциальными электродами 1, 2 и образующими с ними соответственно две общие пластины, разделенные тонкими диэлектриками 6, 7. Для создания плоскопараллельного поля введены два охраненных электрода 8 и 9, выполненные в виде пластин и образующих с общей пластиной, содержащей низкопотенциальный электрод 2 и экранный электрод 5, параллелепипед. При этом охранные электроды 8 и 9 расположены по разные стороны от общей пластины. Торцы охранных электродов 8, 9, размещенные вблизи поверхности 3, снабжены одинаковыми тонкими дополнительными электродами 10, 11, изолированными тонкими диэлектриками 7 от охранных электродов 8, 9, электрически соединенными с низкопотенциальным электродом 2 и имеющими одинаковые с электродом 2 длины.

Кроме того, на чертеже изображено следующее: 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

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 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 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 предлагаемого преобразователя, связанная с заменой реальной выходной характеристики на линейную, найденная на основе выражения (6), определяется по приближенной формуле Если, например, d/2l = 0,1, то согласно (7) относительная погрешность (по абсолютной величине) d/d 0,05%, что более чем на два порядка меньше относительной погрешности преобразователя, рассчитанной по формуле (3) при тех же условиях, причем с уменьшением отношения d/2l, как следует из формул (3), (7), эффект повышения точности у предлагаемого преобразователя по сравнению с известным будет возрастать.

Физически повышение линейной выходной характеристики предлагаемого преобразователя объясняется следующим образом. При большом расстоянии d объекта перемещения от известного преобразователя приращение перемещения d вызывает малое приращение емкости C12, т. е. известный преобразователь имеет в этом случае низкую абсолютную чувствительность. По мере приближения объекта перемещения к преобразователю чувствительность преобразователя возрастает и при d 0 имеет наибольшее значение, т. е. абсолютная чувствительность при этом имеет возрастающий характер и, следовательно, выходная характеристика имеет нелинейную величину.

Введение

двух дополнительных электродов 10, 11 с длинами, равными длине низкопотенциального 2 электрода, создает дополнительное положительное приращение емкости CКР, которое при малом расстоянии d существенно компенсирует уменьшение чувствительности преобразователя. В результате абсолютная чувствительность преобразователя с дополнительными электродами сохраняет постоянное значение, а его выходная характеристика весьма близка к линейной.

Таким образом, предлагаемый емкостный первичный измерительный преобразователь линейных перемещений имеет более чем на два порядка меньшую погрешность преобразования от замены реальной выходной характеристики преобразователя на линейную.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 1 755 031, 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).

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.

Приложение В

Устройство для измерения малых перемещений

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для бесконтактного безинерционного измерения малых линейных и угловых перемещений. Устройство содержит отражатель, установленный на объекте, источник света, расположенный под углом к отражателю, блок регистрации отраженных световых лучей. Рабочая поверхность отражателя выполнена в виде отрезка кругового цилиндра, ось которого перпендикулярна направлению перемещения объекта измерения и параллельна оси его поворота. Экран блока регистрации выполнен в виде отрезка кругового цилиндра, охватывающего отражатель. Оси экрана и отражателя совпадают. В экране выполнена щель для светового луча. Изобретение позволяет повысить точность и чувствительность определения перемещений. 2 ил.

Заявляемое изобретение относится к области измерительной техники, а более конкретно к области оптического приборостроения, и может быть использовано, в частности, для бесконтактного безинерционного измерения малых линейных и угловых перемещений, например измерения угловых и линейных перемещений при исследовании и регистрации микроперемещений в трибоконтакте резьбовой пары.

Известно устройство для измерения малых перемещений объекта, содержащее отражатель, установленный на объекте, источник когерентного излучения, регистратор положения отраженного от отражателя светового пучка, по которому судят о величине перемещения объекта. Данное устройство используется при реализации способа измерения малых перемещений, защищенного патентом Японии N 51−17 062, G 01 B 11/02, 1976 г.

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет определить малые перемещения с высокой точностью.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, защищенное а.с. СССР N 847 017, G 01 B 11/00, опубл. 1981 г., которое выбрано в качестве прототипа заявляемого устройства.

Это устройство содержит отражатель, связываемый с перемещающимся объектом, источник когерентного света, расположенный под углом к отражателю, регистрирующий блок, на который падает отраженный от отражателя световой луч. На объекте установлено не менее двух отражателей, каждый из которых выполнен в виде микроскопических кристаллов минерала, напыленых на тонкий слой клея, наносимого на исследуемую точку объекта.

Наличие микроскопических кристаллов, хаотически расположенных на поверхности, позволяет зафиксировать малейшие перемещения, однако точно определить и рассчитать величину перемещений при такой их регистрации сложно, особенно если плоскость объекта, на которой установлен отражатель, совершает сложное перемещение, например одновременное горизонтальное или вертикальное перемещение и поворот, что может иметь место при исследовании резьбовых соединений. Наличие микрокристаллов на отражаемой поверхности приводит к расфокусированию отраженного света и, как следствие, к снижению точности регистрации перемещения.

Заявляемым устройством решается задача повышения точности и чувствительности определения перемещений, особенно при одновременной реализации нескольких различных перемещений.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для измерения малых перемещений, содержащем отражатель, установленный на объекте, источник света, расположенный под углом к отражателю, и блок регистрации отраженных световых лучей, согласно изобретению рабочая поверхность отражателя выполнена в виде отрезка кругового цилиндра, ось которого перпендикулярна направлению перемещения объекта измерения и параллельна оси его поворота, а экран блока регистрации выполнен в виде отрезка кругового цилиндра охватывающего отражатель, при этом оси экрана и отражателя совпадают, в экране выполнена щель для светового луча.

Возможность решения поставленной задачи обусловлена тем, что при малом перемещении или повороте даже небольшое смещение луча по цилиндрической поверхности приведет к изменению угла падения луча на поверхность, соответственно изменится и угол отражения луча. На экране зафиксируется положение луча на значительном расстоянии (по сравнению с величиной перемещения) от точки фиксации луча до перемещения. Это позволит повысить точность измерения микроперемещений, которые имеют место в трибоконтакте резьбовой пары.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна» В процессе поиска не выявлено технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого устройства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень» Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1−2.

На фиг. 1 показана работа устройства при горизонтальном перемещении.

На фиг. 2 показана работа устройства при повороте.

Устройство для измерения малых перемещений содержит источник света 1, направляющий луч света через щель 2 в экране 3 на отражатель 4, закрепленный на поверхности объекта 5 измерения. Отражатель 4 выполнен в виде отрезка кругового цилиндра, ось 6 которого перпендикулярна направлению линейных перемещений поверхности объекта 5 и параллельна оси вращения 7 поверхности объекта 5.

Устройство работает следующим образом. На поверхность объекта 5, который будет испытывать линейные перемещения в горизонтальной плоскости, угловые перемещения вокруг оси 7, перпендикулярной плоскости линейных перемещений, крепится отражатель 4 в виде отрезка кругового цилиндра, ось которого параллельна с осью 7. Над отражателем устанавливается экран 3 с щелью 2, через которую на отражатель направляется луч 1. Луч 1 попадает на зеркало 4, отражается от него, и отраженный луч попадает на экран 3, фиксируя место «a₁», его координаты определяются регистрирующим блоком (на чертеже не показан). Затем плоскость 5 перемещается в горизонтальном направлении на расстояние «L», зеркало 4 переместится на расстояние «L», луч, отразившись от новой точки на зеркале «в», будет иметь другой угол падения, соответственно изменится и угол отражения. На экране зафиксируется точка «в₁». Расстояние «а₁-в₁» больше, чем «L» .

Разработанное устройство позволяет измерять сверхмалые линейные (10^-8 м) и угловые (10^-3 угловой секунды) перемещения. Система основана на измерении перемещения светового потока на удаленном экране от отклоненного от измерительного микрозеркала луча света и позволяет проводить исследования микроперемещений в трибоконтакте при исследовании самоотвинчивания резьбового соединения.

Формула изобретения Устройство для измерения малых перемещений, содержащее отражатель, установленный на объекте, источник света, расположенный под углом к отражателю, и блок регистрации отраженных световых лучей, отличающееся тем, что рабочая поверхность отражателя выполнена в виде отрезка кругового цилиндра, ось которого перпендикулярна направлению перемещения объекта измерения и параллельна оси его поворота, а экран блока регистрации выполнен в виде отрезка кругового цилиндра, охватывающего отражатель, при этом оси экрана и отражателя совпадают, а в экране выполнена щель для светового луча.

Рис.

Приложение Г

Устройство для измерения микроперемещений и способ преобразования процесса перемещения в электрический сигнал

Изобретение относится к области измерения микроперемещений и может использоваться для регистрации ползучих и динамических инфрапроцессов как естественного, так и искусственного происхождения, например, сейсмопроцессов или инфразвуковых и гравитационных волн. Целью изобретения является повышение чувствительности измерения в широком динамическом диапазоне. Устройство для измерения микроперемещений состоит из измерительного элемента и чувствительного элемента, мембраны, формирователя сигнала, выход которого связан с обмоткой фиксирующего электромагнита. Согласно изобретению устройство дополнительно снабжают тянущим электромагнитом, который взаимодействует с измерительным элементом, причем обмотка тянущего электромагнита связана со вторым инверсным выходом формирователя сигнала. Тянущий электромагнит предпочтительно должен располагаться на мембране, что увеличивает диапазон измеряемых перемещений. Кроме того, предотвращение образования окисных или тому подобных пленок на рабочих поверхностях измерительного и чувствительных элементов может обеспечиваться их герметизацией в объеме, образованном корпусом устройства и мембраной. В указанном устройстве реализуется способ преобразования перемещения в электрический сигнал; этот способ заключается в том, что в качестве параметра, по которому производится квантование, принят ток автоэлектронной эмиссии. Предложенное решение позволяет регистрировать перемещения в диапазоне единиц ангстремов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению микроперемещений, и может использоваться для измерения, обнаружения и регистрации ползучих и динамических инфрапроцессов в природе, технике и бионике, например для регистрации барической, термической и гигрометрической тенденций в метеорологии, для регистрации ползучести инженерных сооружений, для контроля герметичности малых и больших объектов, в охранных системах, а также для регистрации сейсмических, инфразвуковых и гравитационных волн. В бионике предлагаемое устройство может быть использовано в качестве элемента тактильной чувствительности в бионических протезах, бионических роботах и зоороботах.

Для реализации указанных задач измерительные системы должны обладать максимально возможной чувствительностью (до единиц ангстремов), широким динамическим диапазоном и малой инерционностью.