Ёмкостный преобразователь датчика уклона автомобильной дороги Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.317.39

В. Н. ШИВРИНСКИЙ

ЕМКОСТНЫЙ преобразователь датчика уклона

АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ

Рассматриваются схемы дифференциального ёмкостного преобразователя с параллельным и последовательным включением для датчика уклона на основе физического маятника.

Ключевые слова: датчик уклона, ёмкостный преобразователь

Датчик уклона автомобильной дороги представляет собой физический маятник, угол поворота которого относительно корпуса прибора измеряется с помощью ёмкостного преобразователя. Емкостный преобразователь выполнен по типу [1], где роль указателя выполняет сам маятник. Совокупность электродов 2,3 датчика (рис. 1) образует дугообразный слой на поверхности диэлектрика 1, разделённый пазом 4 на две части. Паз между электродами выполнен с возможностью дифференциального и монотонного изменения ёмкостей между маятником 5 и каждым из электродов.

погрешностей датчика. Если мостовая измерительная схема уравновешена в точке равенства ёмкостей, то расположение этой точки на выходной характеристике не будет зависеть от изменения зазора между маятником и электродами. Изменение выходной характеристики в этом случае будет носить мультипликативный характер с центром в точке равновесия схемы.

Чтобы уменьшить влияние изменения зазора между маятником и электродами в других точках градуировочной характеристики на выходной сигнал ёмкостного преобразователя, датчик (рис. 1) дополнен ещё одной платой 1, установленной с противоположной стороны маятника.

Рис. 1. Датчик уклона автомобильной дороги с физическим маятником и дифференциальным ёмкостным преобразователем

Форма паза между электродами определяет чувствительность датчика в каждой точке выходной характеристики. Наиболее универсальной является форма паза, при которой зависимость выходных ёмкостей от угла поворота маятника линейная. При выполнении условия равенства ёмкостей между маятником и электродами в горизонтальном положении прибора упрощается процедура учёта дополнительных

Одноименные электроды 2 и 3 двух плат электрически соединены между собой. Расчётная схема такого датчика, аналогичная схеме дифференциального ёмкостного преобразователя с переменной активной площадью пластин [2, рис. 245, в], приведена на рис. 2, где приняты те же обозначения, что и на рис.1 (2\ 3' - электроды второй платы, аналогичные электродам 2, 3).

© В. Н. Шивринский, 2006

4V /7/77777777777/77А

C1

КУччЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ

dl

/

V2Z77777.77.7J.7^.77777A

\

C2

d2

Ї7////7777777777777Л

■О Сд

о

7

кччч^чччччччччччччч-

о Сб о

Введём обозначения: с11? ё2 — зазоры между маятником 5 и пластинами 2,2', соответственно; Сі, С2 - соответствующие им составляющие ёмкости. Общая ёмкость СА между маятником и пластинами 2-2' определяется как сумма СА=Сі + С2. Аналогично определяется ёмкость СБ между маятником и пластинами 3-3'. Изменение составляющих Сь С2 и общей ёмкости СА от осевого зазора маятника (из-за изменения ёь <12, при постоянном расстоянии сі между пластинами) представлено на рис. 3.

Рис. 2. Расчётная схема дифференциального ёмкостного преобразователя с параллельным включением ёмкостей Сь С2

2

Рис. 3. Изменение ёмкости датчика от расстояния между пластинами и маятником при параллельном включении Сь С2

Если датчик изготовить так, что с1х = ё2, то возможна работа в зоне Аё, где суммарная ёмкость датчика мало зависит от осевого зазора. К тому же такой датчик имеет более высокую чувствительность по сравнению со схемой рис. 1. Однако зона Ас! узкая, поэтому точность изготовления датчика должна быть достаточно высокой. Другим недостатком такого датчика является необходимость в токоподводе к подвижному электроду.

Возможная схема датчика с последовательным включением ёмкостей Сь С2 представлена на рис. 4. Между неподвижными пластинами 2, 2' (а также 3, 3') находится электрически изолированный маятник 5.

Суммарная ёмкость СЛ определится из выражения

\

■V 77777777777777777/А

7

С1

СА

о

кччччччччччччччччччч-

di

/

77777/Z/2yJZ///////A -*■

\

С2

02

/

3'

Сб

о

^7777777777777777777,

I

I_______________________

КХхЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ-т

Рис. 4. Расчётная схема дифференциального ёмкостного преобразователя с последовательным включением ёмкостей Сь С2

1/СА = 1/С, + 1/С2. (1)

Аналогично определится ёмкость между пластинами 3, 3' (СБ) в присутствии маятника. Изменение составляющих 1/С] и 1/С2, а также 1/СА от осевого зазора маятника для последовательного включения приведено на рис. 5.

Рис. 5. Изменение ёмкости датчика от расстояния между пластинами и маятником при последовательном включении Сь С2

Суммарная ёмкость датчика СА (СБ) при последовательном включении Сь С2 не зависит от зазоров сії, ¿2 и определяется лишь площадью перекрытия пластин 8 и общим расстоянием между неподвижными пластинами. Для такого датчика не нужен токоподвод к маятнику. Если выполнить соединение, приведённое на рис. 4 пунктирной линией, то конструкция датчика упрощается: электроды 2', 3' можно выполнить в виде одной пластины. Однако чувствительность

датчика с последовательным включением примерно в 4 раза меньше, по сравнению со схемой рис. 2, когда (1) = ¿2.

Для практического применения наиболее удобна схема датчика рис. 4. При этом были сделаны допущения, что маятник 5 из-за наличия осевого зазора имеет возможность малого перемещения вдоль оси, перпендикулярной пластинам 2, 2' (3, 3'), т. е. плоскость маятника остается параллельной плоскостям пластин 2, 2’. Если плоскость маятника повернута относительно пластин 2, 2' (рис. 6), то для плоского конденсатора это эквивалентно увеличению толщины маятника с I до V. При этом зазор уменьшился до ё/, а 62 - до значения <32', что приводит к кажущемуся уменьшению расстояния с1 между неподвижными пластинами.

с последовательным включением С[, С2 и перекосом маятника

Для уменьшения этого эффекта предлагается изготавливать маятник из диэлектрика, армиро-

ванного электропроводным материалом. Толщина электропроводных элементов небольшая, поэтому при перекосах маятника кажущееся изменение его толщины небольшое. Это демонстрируется на рис. 6, где I" « V.

Указанная погрешность возникает как за счёт перекоса маятника при креплении его на оси вращения, так и за счет перекоса самой оси относительно неподвижных электродов. В первом случае (при армированном маятнике и изменении осевого зазора) погрешность незначительна (на рис. 6 маятник перемещается вдоль направления стрелки А). Однако в случае перекоса оси вращения маятника и наличии осевого зазора (на рис. 6 маятник перемещается вдоль стрелки Б) может возникнуть изменение площади перекрытия пластин ДЭ. Поэтому ось вращения маятника должна быть перпендикулярна неподвижным электродам 2, 2' (3, 3'), а сами электроды должны быть параллельными.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Медведев, Г. В., Федоров Д. Л., Шиврин-ский В. Н., Мишин В. А. Электроизмерительный прибор. Патент РФ №2133039, О 01 К 19/175, 5/00, 19/00, в 01 Б 5/241, бюл. №19, 1999.

2. Электрические измерения / Л. И. Байда, Н. С. Добротворский, Е. М. Душин и др.; под ред. А. В. Фремке. - Л.: Энергия, 1973. - 424 с.

Шиеринский Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет научные работы в области авиационного приборостроения.