RU2175114C2 - Body motion meter - Google Patents
Body motion meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2175114C2 RU2175114C2 RU98114752A RU98114752A RU2175114C2 RU 2175114 C2 RU2175114 C2 RU 2175114C2 RU 98114752 A RU98114752 A RU 98114752A RU 98114752 A RU98114752 A RU 98114752A RU 2175114 C2 RU2175114 C2 RU 2175114C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- meter
- measuring
- electrode
- output
- electrodes
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения измерительного центра инерционной массы чувствительного элемента приборов, в которых используется магнитный или электростатический подвес тела. The invention relates to measuring technique and can be used to measure the displacement of the measuring center of the inertial mass of the sensing element of devices that use a magnetic or electrostatic suspension of the body.
Известен измеритель перемещения тела (см. патент США N 3902374), содержащий взвешиваемое тело и вдоль одной его измерительной оси два электрода, подключенных к дифференциальному усилителю, а синусоидальный генератор подключен к дополнительному электроду тела. Недостатком его является необходимость создания дополнительного измерительного электрода. A known body displacement meter (see US patent N 3902374), containing a weighed body and along one of its measuring axis two electrodes connected to a differential amplifier, and a sinusoidal generator connected to an additional electrode of the body. Its disadvantage is the need to create an additional measuring electrode.
Известен измеритель перемещения тела (см. авт. св. СССР N 1149726), который взят за прототип. Измеритель состоит из двух емкостных электродов, расположенных с двух сторон вдоль одной измерительной оси тела, каждый электрод соединен через соответствующий резистор Rk с источником питания E и через соответствующий транзистор с землей, также электроды подключены к двум входам дифференциального усилителя, выход которого через устройство выборки и хранения (УВХ) соединен с выходом измерителя. На базы транзисторов подается управляющее импульсное напряжение, при этом транзисторы либо открыты, тогда напряжение на электродах равно нулю, либо транзисторы закрыты, тогда напряжение на электродах начинает возрастать по экспоненциональному закону. Выбирают длительность закрытого состояния транзисторов T много меньшим постоянной времени измерительной цепи RkC0, где C0 - емкость электрод-тело при среднем положении тела в зазоре.A known body displacement meter (see ed. St. USSR N 1149726), which is taken as a prototype. The meter consists of two capacitive electrodes located on both sides along the same measuring axis of the body, each electrode is connected through a corresponding resistor R k to a power source E and through a corresponding transistor to ground, also the electrodes are connected to two inputs of a differential amplifier, the output of which is through a sampling device and storage (UVX) is connected to the output of the meter. An impulse control voltage is applied to the base of the transistors, while the transistors are either open, then the voltage at the electrodes is zero, or the transistors are closed, then the voltage at the electrodes begins to increase exponentially. The duration of the closed state of the transistors T is chosen to be much smaller than the time constant of the measuring circuit R k C 0 , where C 0 is the electrode-body capacitance with the average position of the body in the gap.
При этом процесс возрастания напряжения на электроде можно считать линейным. При сдвиге тела от центра вдоль измерительной оси изменяются емкости измерительных электродов в разные стороны, крутизна роста напряжений на электродах становится разной и к концу длительности T на входах дифференциального усилителя имеем различные по величине напряжения:
где
d0 - зазор тело-электрод в среднем положении;
x - перемещение тела.In this case, the process of increasing the voltage at the electrode can be considered linear. When the body is shifted from the center along the measuring axis, the capacitances of the measuring electrodes change in different directions, the slope of the voltage growth at the electrodes becomes different, and by the end of the duration T at the inputs of the differential amplifier we have different voltages:
Where
d 0 - the gap of the body-electrode in the middle position;
x is the movement of the body.
Усилитель определяет их разницу, которая запоминается схемой УВХ, для этого в конце длительности T на управляющий вход подается короткий импульс. При этом на выходе УВХ имеем постоянное напряжение, пропорциональное перемещению тела в зазоре. The amplifier determines their difference, which is memorized by the UVX circuit; for this, at the end of the duration T, a short pulse is applied to the control input. At the same time, at the output of the CVC we have a constant voltage proportional to the movement of the body in the gap.
Недостатком этого устройства является необходимость заземления тела, при этом измеритель работает так, как описано выше. Однако заземлить тело путем подключения провода невозможно, т.к. провод создает силу, нарушающую подвес тела. Если тело не заземлять, то схема теряет работоспособность, т.к. при закрывании обоих транзисторов в начале длительности T0 напряжения на электродах скачком повышаются до напряжения питания E, при этом отсутствует экспоненциональный процесс заряда емкостей из-за отсутствия тока через них. Если при этом учесть напряжения на электродах другой измерительной оси (указаны на чертеже), то при синфазном закрывании транзисторов другой оси относительно транзисторов первой оси процесс не отличается от описанного выше и токи заряда емкостей отсутствуют. Если транзисторы другой оси работают противофазно, то при их открывании тело замыкается на землю через параллельно соединенные емкости двух электродов, величина которых равна примерно 2C0. При этом емкости по измерительной первой оси заряжаются через резисторы и через емкость 2C0, что снижает чувствительность схемы измерения в полтора раза. Разница напряжений на входах дифференциального усилителя равна
Для выполнения условия RkC0>T можно принять RkC0=10T, то разница напряжений равна
U1-U2=0,13 δ.
Как видно из выражения, коэффициент преобразования измерителя является небольшим. Кроме того, измеритель является сложным устройством. Он требует для образования одного постоянного напряжения наличия УВХ и блоков синхронизации для создания управляющих сигналов для УВХ и транзисторов данной оси. Измеритель не имеет возможности создать измерительный сигнал отдельно для каждого электрода, при этом теряет в универсальности его применения.The disadvantage of this device is the need to ground the body, while the meter works as described above. However, it is impossible to ground the body by connecting a wire, because the wire creates a force that disrupts the suspension of the body. If the body is not grounded, then the circuit loses its working capacity, because when both transistors are closed at the beginning of the duration T 0, the voltage across the electrodes jumps up to the supply voltage E, while there is no exponential process of charging the capacitors due to the lack of current through them. If we take into account the voltages at the electrodes of the other measuring axis (indicated in the drawing), then when the transistors of the other axis are closed in phase with respect to the transistors of the first axis, the process does not differ from that described above and there are no charge currents of the capacitors. If the transistors of the other axis work out of phase, then when they open, the body closes to the ground through parallel-connected capacitances of two electrodes, the value of which is approximately 2C 0 . At the same time, the capacities along the measuring first axis are charged through resistors and through the capacitance 2C 0 , which reduces the sensitivity of the measurement circuit by one and a half times. The voltage difference at the inputs of the differential amplifier is
To fulfill the condition R k C 0 > T, we can take R k C 0 = 10T, then the voltage difference is
U 1 -U 2 = 0.13 δ.
As can be seen from the expression, the conversion coefficient of the meter is small. In addition, the meter is a complex device. It requires for the formation of one constant voltage the presence of the I – V characteristics and synchronization units to create control signals for the I – V characteristics and transistors of this axis. The meter is not able to create a measuring signal separately for each electrode, while losing in the versatility of its application.
Задачей изобретения является повышение коэффициента преобразования измерителя, получение выходных измерительных сигналов отдельно для каждого электрода, упрощение измерителя, снижение габаритов и веса. The objective of the invention is to increase the conversion coefficient of the meter, obtaining output measuring signals separately for each electrode, simplifying the meter, reducing the size and weight.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном измерителе перемещения тела, содержащем первый и второй емкостные электроды, расположенные по обе стороны каждой из "n" измерительных осей тела и подключенные к соответствующим контактам первого и второго резисторов, введены генератор импульсов в виде меандра, инвертор и для каждой измерительной оси два пиковых детектора, причем первый резистор подключен другим контактом к выходу генератора, а второй резистор соединен другим контактом с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу генератора, а каждый емкостной электрод соединен через соответствующий пиковой детектор с соответствующим выходом измерителя, причем средняя постоянная времени измерительной цепи равна длительности импульса генератора. The problem is solved due to the fact that a pulse generator in the form of a meander is introduced in the known body displacement meter containing the first and second capacitive electrodes located on both sides of each of the "n" measuring axes of the body and connected to the corresponding contacts of the first and second resistors an inverter and for each measuring axis two peak detectors, the first resistor connected by another contact to the output of the generator, and the second resistor connected by another contact to the output of the inverter, the input of which is connected a generator output, and each capacitor electrode is connected via a corresponding peak detector output with the corresponding meter, with an average time constant measuring circuit is equal to the duration of the pulse generator.
В предложенном схемном решении при нахождении тела в центре зазора на противоположных электродах одной измерительной оси всегда существуют два экспоненциальных напряжения. Одно нарастающее, другое - падающее. Среднее значение этих напряжений всегда постоянно и равно половине напряжения амплитуды импульса генератора. In the proposed circuit solution, when the body is in the center of the gap on the opposite electrodes of the same measuring axis, there are always two exponential voltages. One is growing, the other is falling. The average value of these voltages is always constant and equal to half the voltage of the amplitude of the pulse of the generator.
Напряжение на теле равно этому среднему постоянному значению напряжений электродов, поэтому можно считать, что для переменных измерительных сигналов тело условно заземлено. Величина постоянной времени измерительной цепи выбрана оптимальным образом, при котором коэффициент преобразования максимален. The voltage on the body is equal to this average constant value of the voltages of the electrodes, therefore, we can assume that the body is conditionally grounded for variable measuring signals. The value of the time constant of the measuring circuit is chosen in an optimal way at which the conversion coefficient is maximum.
Схема одной оси измерителя приведена на фиг. 1, а на фиг. 2 показаны временные диаграммы в различных точках схемы и зависимость выходного напряжения и коэффициента преобразования от величины постоянной времени измерительной цепи. A diagram of one axis of the meter is shown in FIG. 1, and in FIG. Figure 2 shows the timing diagrams at various points in the circuit and the dependence of the output voltage and conversion coefficient on the value of the time constant of the measuring circuit.
Как показано на фиг. 1, измеритель состоит из генератора импульсов 1, инвертора 2, резистора 3, 4, тела 5, измерительных электродов 6, 7, 8, 9, пиковых детекторов 10, 11, причем выход генератора соединен через резистор 3 с электродом 6, который подключен через пиковый детектор 10 к первому выходу измерителя, кроме того, выход генератора подключен через последовательно соединенные инвертор 2 и резистор 4 к электроду 7 и к выходу пикового детектора 11, выход которого является вторым выходом измерителя. As shown in FIG. 1, the meter consists of a
Измеритель работает следующим образом. The meter works as follows.
Генератор импульсов 1 создает на своем выходе прямоугольное напряжение амплитудой Um, период повторения равен двойной длительности импульса 2T (см. фиг. 2 U1). Инвертор 2 меняет фазу этого напряжения на 180o. Оба этих напряжения подаются через соответствующие резисторы 3 и 4 на электроды 6 и 7. При этом возникает процесс заряда и разряда емкостей электродов 6 и 7. При среднем положении тела в зазоре между электродами, когда емкость C6 равна емкости C7, возникают два одинаковых экспоненциональных напряжения на электродах U6 и U7, сдвинутых относительно один другого на 180o. Среднее их значение равно напряжению на теле. Оно постоянно и равно 0,5Um.The
Аналогичным образом происходит процесс заряда и разряда емкостей электродов, расположенных по другим измерительным осям тела, например электродов 8,9. Обычно этих осей больше трех. Similarly, the process of charging and discharging the capacities of the electrodes located on other measuring axes of the body, for example, electrodes 8.9. Usually there are more than three of these axes.
При смещении тела вдоль одной из осей напряжение на теле поддерживается равным 0,5Um за счет заряда и разряда емкостей электродов на других осях. Поэтому можно считать тело условно заземленным для переменных измерительных сигналов.When the body is displaced along one of the axes, the voltage on the body is maintained equal to 0.5U m due to the charge and discharge of the capacitances of the electrodes on the other axes. Therefore, the body can be considered conditionally grounded for variable measuring signals.
При движении тела между электродами 6 и 7 их емкости изменяются по закону:
При этом максимальное напряжение заряда емкостей C6 и C7 имеет вид:
где τ0 = RC0 - средняя постоянная времени измерительной цепи;
R - сопротивление измерительного резистора.When the body moves between the electrodes 6 and 7, their capacities change according to the law:
In this case, the maximum charge voltage of the capacitors C 6 and C 7 has the form:
where τ 0 = RC 0 is the average time constant of the measuring circuit;
R is the resistance of the measuring resistor.
Данные максимальные значения напряжений фиксируются пиковыми детекторами 10 и 11 и выдаются на выходы измерителя в виде постоянных напряжений. В зависимости от величины перемещения тела σ меняется в разные стороны крутизна нарастания напряжений U6 и U7, поэтому к концу длительности импульса T для U6 и 2T для U7 имеем различные значения максимальных величин U6m и U7m, а значит и выходных напряжений Uвых1 и Uвых2, которые являются функцией от перемещения тела σ. Крутизна этих функций или коэффициент преобразования зависит от соотношения длительности импульса T и постоянной времени τ.These maximum voltage values are recorded by peak detectors 10 and 11 and are output to the meter outputs in the form of constant voltages. Depending on the magnitude of the displacement of the body, σ the steepness of the rise in voltage U 6 and U 7 changes in different directions; therefore, by the end of the pulse duration T for U 6 and 2T for U 7, we have different values of the maximum values of U 6m and U 7m , and hence the output voltages U o1 and U o2 , which are a function of the displacement of the body σ. The steepness of these functions or the conversion coefficient depends on the ratio of the pulse duration T and the time constant τ.
Зависимость напряжения Uвых при σ = 0 от постоянной времени τ показана на фиг. 2. При τ = T эта зависимость имеет максимальную крутизну, это также подтверждает максимум в этой точке первой производной этой зависимости от величины τ . Поэтому параметры измерительной схемы выбираются из условия: T = τ = RC0.The dependence of the voltage U o at σ = 0 on the time constant τ is shown in FIG. 2. At τ = T, this dependence has a maximum slope; this also confirms the maximum at this point of the first derivative of this dependence on the value of τ. Therefore, the parameters of the measuring circuit are selected from the condition: T = τ = RC 0 .
В этом случае при малых перемещениях тела δ имеем выходные напряжения:
Uвых.1=(0,72-0,22)Um;
Uвых.2=(0,72+0,22)Um.In this case, at small displacements of the body δ, we have output voltages:
U out. 1 = (0.72-0.22) U m ;
U out. 2 = (0.72 + 0.22) U m .
Для сравнения с прототипом разница этих напряжений составит
Uвых.2-Uвых.1=0,44Um δ .For comparison with the prototype, the difference in these voltages is
U out.2 -U out.1 = 0.44U m δ.
Откуда видно, что коэффициент преобразования заявляемого устройства в несколько раз выше, чем в прототипе. It can be seen that the conversion coefficient of the claimed device is several times higher than in the prototype.
Выходные напряжения можно затем вычесть один из другого для получения информации о движении тела вдоль данной оси, можно при числе осей n > 4 пары напряжений от всех осей подать на арифметическое устройство, которое по заданному алгоритму определит перемещение тела в ортогональной системе координат X, Y, Z. The output voltages can then be subtracted from one another to obtain information about the motion of the body along this axis, for the number of axes n> 4, pairs of stresses from all axes can be fed to an arithmetic device that, according to a given algorithm, determines the movement of the body in the orthogonal coordinate system X, Y, Z.
Предлагаемый измеритель проще прототипа, так как в нем отсутствуют цепи управления УВХ, управляющие транзисторы и цепи управления транзисторами. The proposed meter is simpler than the prototype, since it lacks the control circuit of the UVX, control transistors and control circuits of transistors.
Предлагаемый измеритель может найти применение в системах измерения положения тела, в которых невозможен механический и электрический контакт с внешними телами и блоками. Такими системами могут быть электростатические и электромагнитные подвесы тел в вакууме, воздухе и в жидкостях у различных приборов, таких, как высокочувствительных акселерометров, гироскопов, датчиков угловых скоростей. Предлагаемый измеритель в этих приборах играет важную роль датчика положения тел в системе автоматического управления подвесом тел. Применение данного измерителя позволит осуществить взвешивание тела при различном количестве измерительных осей, при различном количестве измерительных электродов. Измеритель не теряет информацию с каждого электрода, что повышает универсальность его применения. Предлагаемый измеритель имеет высокий коэффициент преобразования, поэтому обладает высоким соотношением сигнал-шум, не нуждается в значительном усилении его сигнала, что сказывается на улучшении основных характеристик приборов, в которых он применен. Измеритель является простым и надежным устройством, имеет малые габариты и вес, его можно легко внедрить в конструкцию малогабаритных приборов, что особенно важно для их употребления в космическом пространстве и в авиационной технике. The proposed meter can find application in systems for measuring the position of the body, in which mechanical and electrical contact with external bodies and blocks is impossible. Such systems can be electrostatic and electromagnetic suspensions of bodies in vacuum, air and in liquids of various devices, such as highly sensitive accelerometers, gyroscopes, angular velocity sensors. The proposed meter in these devices plays an important role as a body position sensor in the automatic control system of the suspension of bodies. The use of this meter allows you to weigh the body with a different number of measuring axes, with a different number of measuring electrodes. The meter does not lose information from each electrode, which increases the versatility of its use. The proposed meter has a high conversion coefficient, therefore, has a high signal to noise ratio, does not require significant amplification of its signal, which affects the improvement of the main characteristics of the devices in which it is used. The meter is a simple and reliable device, it has small dimensions and weight, it can be easily incorporated into the design of small-sized devices, which is especially important for their use in outer space and in aircraft.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98114752A RU2175114C2 (en) | 1998-07-28 | 1998-07-28 | Body motion meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98114752A RU2175114C2 (en) | 1998-07-28 | 1998-07-28 | Body motion meter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU98114752A RU98114752A (en) | 2000-04-20 |
| RU2175114C2 true RU2175114C2 (en) | 2001-10-20 |
Family
ID=20209173
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98114752A RU2175114C2 (en) | 1998-07-28 | 1998-07-28 | Body motion meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2175114C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2712993C1 (en) * | 2019-02-18 | 2020-02-03 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Control method of electrostatic suspension of inertial mass |
-
1998
- 1998-07-28 RU RU98114752A patent/RU2175114C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2712993C1 (en) * | 2019-02-18 | 2020-02-03 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Control method of electrostatic suspension of inertial mass |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6257061B1 (en) | Capacitive physical-quantity detection apparatus | |
| US5939633A (en) | Apparatus and method for multi-axis capacitive sensing | |
| JP3262013B2 (en) | Capacitive sensor interface circuit | |
| US6515489B2 (en) | Apparatus for sensing position of electrostatic XY-stage through time-division multiplexing | |
| US5751154A (en) | capacitive sensor interface circuit | |
| US4102202A (en) | Electrostatic accelerometer | |
| JP3386833B2 (en) | Multi-axis vibration monolithic gyroscope | |
| US7795881B2 (en) | Capacitive physical quantity detection device | |
| JP4105255B2 (en) | Readout circuit for bridge circuit and sensor having this readout circuit | |
| KR100566547B1 (en) | Magnetic field detection device | |
| EP1737120A1 (en) | Voice coil actuator with embedded capacitive sensor for motion, position and/or acceleration detection | |
| US7980133B2 (en) | Method and apparatus for a micromachined multisensor | |
| EP1236048B1 (en) | Feedback circuit for micromachined accelerometer | |
| KR100329913B1 (en) | Shock sensor | |
| RU2175114C2 (en) | Body motion meter | |
| US5748004A (en) | Reset switch for a micromachined device | |
| US10393769B2 (en) | Microelectromechanical device and a method of damping a mass thereof | |
| JP4405189B2 (en) | 3-axis acceleration sensor | |
| US10712360B2 (en) | Differential charge transfer based accelerometer | |
| CA2010437A1 (en) | Electrostatic force nulling accelerometer | |
| RU2810694C1 (en) | Dual-axis micromechanical accelerometer with capacitive displacement transducer | |
| JP2002031644A (en) | Triaxial acceleration sensor and correction method for its z-axis dependence | |
| GB1583536A (en) | Electrostatic accelerometer | |
| JP5760652B2 (en) | Physical quantity detection device and electronic device | |
| US8893563B1 (en) | Differential capacitance torque sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HK4A | Changes in a published invention | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160729 |