ЛИТЕРАТУРА
1. Гуськов А. А., Кривошеев С. В, Стрелков А. Ю, Цыбря-ева И. В. Метод повышения точности инклинометрии скважины гироскопическим непрерывным инклинометром ИГН73-100/80 НТВ "Каротажник". - Тверь: АИС, 2013. - Вып. 4 (226). - С. 81-89.
2. Пат. № 2100594 ВО, Е21В 47/02, 001С 19/00. Способ определения азимута и зенитного угла скважины и гироскопический инклинометр / Е. А. Порубилкин; заявитель и патентообладатель Малое инновационное предприятие "Арас". - № 96103393/03; заявл. 09.02.1996; опубл. 27.12.1997.
3. Северов Л. А. Механика гироскопических систем: Учеб. пособие. - М.: МАИ, 1996. - 212 с.
4. Пат. № 2507392 РФ, Е21В 47/022, G01C 19/44. Способ определения зенитного угла и азимута скважины и гироскопический инклинометр / И. В. Цыбряева // Бюл. — 2014. — № 5.
Андрей Александрович Гуськов — канд. техн. наук, зав. кафедрой "Авиационные приборы и устройства"Арзамасского политехнического института (филиала) Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева (НГТУ);
® (83147) 4-40-52
E-mail: guskov@apingtu.edu.ru
Ирина Владимировна Норинская — аспирант НГТУ, научн. сотрудник ООО Предприятие "Аркон" (г. Арзамас).
E-mail: irina-cybryaeva@mail.ru □
УДК 531.768.082.14
ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
В. Д. Вавилов, А. А. Грязев, С. И. Гайнов
Предложена схема микросистемного емкостного преобразователя перемещений. Полученное математическое соотношение между параметрами микросистемного преобразователя доказывает наличие логометрического свойства.
Ключевые слова: первичный преобразователь, электронный блок, логометрическая характеристика, ключевой преобразователь, синхронный детектор.
ВВЕДЕНИЕ
Емкостный преобразователь перемещений (ПП) часто применяется в составе интегральных датчиков с подвижными узлами. Существует множество схем емкостных преобразователей, решающих ту или иную частную задачу [1]. Однако, несмотря на широкое распространение ПП, проблема совершенствования их характеристик далека от решения. Особые требования к ПП предъявляются в интегральных датчиках. Во-первых, пассивные элементы, изготавливаемые интегрально, обладают меньшей точностью в сравнении с полногабаритными. Во-вторых, плотная упаковка элементов может приводить к
нежелательным побочным эффектам (наводкам, паразитным емкостям и т. д.).
Вместе с тем емкостный ПП при интегральном исполнении совместно с подвижными узлами тех или иных датчиков приобретает многие положительные свойства, отсутствующие при дискретном (неинтегральном) исполнении. Например, исключаются влияния соединительных проводников между электронной частью и подвижными узлами, снижается стоимость изготовления из-за применения хорошо отработанных микроэлектронных технологий, улучшается повторяемость по всем существенным характеристикам.
В качестве исходных требований при разработке предлагаемой схемы преобразователя были приняты следующие условия:
— линейность статической характеристики во всем диапазоне измерений;
— совместимость преобразователя перемещений по электромагнитным влияниям с другими узлами датчиков, полное исключение влияния изменения диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между измерительными электродами преобразователя;
— минимизация температурной ошибки за счет различных компенсаций при изменении
48
Sensors & Systems • № 11.2014
параметров: равенство температурных коэффициентов величин, входящих в отношения, термокомпенсация источника опорного напряжения, симметрирование цепей обратной связи операционного усилителя по инвертирующему и неинверти-рующему входам, а также достаточная фильтрация выходного сигнала от несущей частоты генератора питания емкостного моста;
— исключение силы электростатического притяжения между подвижным и неподвижным электродами емкостного ПП;
— совмещение функций различных узлов ПП, например, детектирования и выделения знака сигнала; усиления и фильтрации; размещение электродов датчика перемещений рядом с электродами силового датчика, разделенных заземляющим охранным контуром; совмещение уровня выходного сигнала датчика с входами потребителей информации;
— соответствие динамической характеристики ПП без-инерционному звену (без учета масштабного усилителя и фильтра нижних частот);
— независимость крутизны статической характеристики и нулевого сигнала преобразователя от частоты генератора питания и сведение к минимуму ошибки от нестабильности источников питания путем придания схеме ПП логометрических свойств.
СХЕМА ЕМКОСТНОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Наиболее полно сформулированным выше требованиям отвечает схема, представленная
Кл1 Кл2
Кл^У~Кл4
ТчРТ
ж
тгК!
Сз
5=4
Кл5 1
1 1 1 1 _ _ оу1 I
Кл6
Ж
ОУ2
оп
I—1—1=1—м=1—1—с
-ио
я я
оп
я я
-у*-
|
1
Я4
н
&| I —1&1 I —1&1
Т- ТТ-
Лэ1 — Лэ4
Принципиальная электрическая схема датчика перемещений
на рисунке и построенная исходя из возможности ее применения как с датчиками прямого измерения, так и с датчиками, имеющими силовую обратную связь.
Для достижения необходимых характеристик по статической и динамической точности осуществлялась проработка нескольких вариантов схемных решений того или иного узла для выбора наиболее приемлемого. Схема содержит в своем составе: устройство переключения опорных напряжений Кл1—Кл4; дифференциальную цепь последовательно включенных измерительных емкостей С^— С2; синхронный детектор (демодулятор) Кл5—Кл6; генератор тактовой частоты на логических элементах триггер Шмитта; источники опорных напряжений ± иоп.
Для питания емкостного моста в электрической схеме
датчика реализовано устройство переключения опорных напряжений на ключах Кл1—Кл4, тактируемое с прямого и инверсного выходов тактового генератора, который также управляет работой демодулятора, выполненного на ключах Кл5—Кл6. С выходов устройства переключения опорных напряжений переменное напряжение прямоугольной формы (меандр) с амплитудой, равной величине опорного напряжения, подводится к последовательной цепи из измерительных емкостей. Преобразование амплитудно-модулированного сигнала после синхронного детектирования в изменение постоянного напряжения осуществляется с помощью пассивного фильтра нижних частот и масштабного усилителя на ОУ2.
Измерительные емкости С1 и С2 включены в цепь последо-
С
я
1
+
2
+
4
я
з
я
7
9
С
5
вательно и представляют собой два плеча измерительного моста. Роль двух других плеч моста выполняет двухполярный источник опорного напряжения. Таким образом, измерительная диагональ моста находится между подвижным электродом преобразователя и средней точкой источников опорного напряжения. Выходное сопротивление измерительной диагонали емкостного моста является высоким, а уровень полезного сигнала после моста — недостаточным для дальнейшей обработки. Поэтому мост дополнен операционным усилителем ОУ1, который одновременно выполняет функции управления отрицательной обратной связью и трансформирования высокоом-ного импеданса в низкоомный. Последовательно включенные измерительные емкости С и С2 посредством ключевой схемы за первый полупериод меандра заряжаются от опорного постоянного напряжения, а за второй полупериод, после переключения, разряжаются на общую шину. Синхронный детектор реализован посредством схемы переключения цепей на двух ключах Кл5—Кл6. При действии тактовых импульсов q и q ключевая схема Кл5—Кл6 синхронного детектора переключает подачу сигналов с выхода предварительного усилителя ОУ1 на масштабный усилитель на ОУ2. В течение первого полупериода ключи Кл1 и Кл4 мостовой схемы открыты. Выходное напряжение с ОУ2 поступает по цепи постоянно подключенной отрицательной обратной связи в среднюю точку резистивного делителя опорных напряжений, что, в свою очередь, принудительно сводит к нулю напряже-
ние в средней точке измерительных емкостей, подключенной к инверсному входу ОУ1. Ключи Кл5 и Кл6 синхронного детектора при этом управляют работой выходной части схемы. Напряжение с выхода синхронного детектора фильтруется от несущей частоты пассивным фильтром Д2 — С4.
В течение второго полупериода ключи Кл1 и Кл4 закрыты, а ключи Кл2 и Кл3 открыты. Полярность источников опорных напряжений переключается, и происходит перезаряд измерительных емкостей. Выходное напряжение ОУ1 также меняет знак, а схема фильтра переключается ключами синхронного детектора Кл5 и Кл6 с неинверсного режима на инверсный. Емкость пассивного фильтра С4 оказывается отключенной от выхода предварительного усилителя и, оставаясь заряженной, совместно с масштабным усилителем на ОУ2 работает в режиме запоминающей ячейки. Таким образом, полярность выходного напряжения в течение второго полупериода остается неизменной. Одновременно цепь обратной связи отрабатывает сигнал так же, как в первый полупериод.
ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ И ЛОГОМЕТРИЧЕСКОЕ СВОЙСТВО ЕМКОСТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Передаточное соотношение для емкостного моста как для последовательно включенной цепочки измерительных емкостей можно записать в виде:
Измерительные емкости представляют собой плоско-параллельные конденсаторы с изменяющимся зазором и описываются следующими формулами:
С =
_ £о£В
Н + А х
С2 =
_ £о£В
Н - А х'
(2)
где В — площадь обкладок измерительных емкостей; Б0, £ — соответственно диэлектрическая постоянная и диэлектрическая проницаемость среды заполнения; Н — начальный зазор между подвижным и неподвижными электродами; Ах — перемещение подвижного электрода (изменение зазора).
Учитывая (2) и геометрическое соотношение Ах = /цАф, перепишем передаточное соотношение (1) для моста в виде:
им = ±иоп I
(3)
и1 = Ш ио
(1)
где 1ц — расстояние от точки качания маятника до его центра тяжести; Аф — угол отклонения подвижной обкладки емкостного преобразователя от положения равновесия.
Из полученного результата видно, что напряжение в измерительной диагонали моста линейно зависит от угла отклонения, т. е. от перемещения. Значение диэлектрической проницаемости среды между обкладками не входит в формулу, поэтому изменение проницаемости в зависимости от физических условий ошибки в преобразование не вно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.