автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование и разработка бесконтактных трехэлектродных электроемкостных первичных измерительных преобразователей микроперемещений

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ С ~ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И.И.ПОЛЗУНОВА

На правах рукописи УДК 531.717

ГОРБОВА ГАЛИНА МИХАЙЛОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА БЕСКОНТАКТНЫХ ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫХ ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫХ

ПЕРВИЧНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Специальность:

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов в изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул-1993

Работа выполнена а Алтайском государственном техническом университете им. И.И.Полэуаоаа

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки в техники РФ, доктор технических наук, профессор, действительный член ИЛ РФ, чл.-корр. МИЛ, Президент Южмо-Снбм рского отделения ИЛ РФ Госьков П.И.

Официальные оппоненты: доктор технических паук, профессор ЛлтГТУ Якунин Л.Г.;

доктор технических на ух, профессор, зли. кафедрой 'Информационно-измерительной техники" ТПУ, члев-корреспондент ЛИН РФ Жуков В.К.

Ведущая организация: Барнаульское опытно-конструкторское бюро Автоматики НПО 'Хикавтоматяка*

Защита состоется24 декабря 199Э г. на гштланиа спешиднзированвого совета К 064.29.01, действуюяего при Алтайском государственном техническом университете им. И И Похэувова по адресу: 656099, Барнаул, пр-т Левина, 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета т. И.И.Ползунов»

Автореферат раэослая22 ноября 1993 г.

Ученый секретарь соецвализароваявого сокта, д.т.н., проф. Замятин В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Автоматизация мзводства, повышение требований к качеству выпускаемой щукции, применение автоматизированных систем управления с :ользованием ЭВМ - все это предъявляет и более высокие бования к контрольно-измерительным средствам.

Основную долю производственных измерений составляют ейно-угловые измерения. Их удельный вес в отечественном иностроении составляет 90-95 %, при производстве электронной аратуры - до 50-60 %. В зарубежной производственной практике нолю линейных измерений приходится до 80-90 % задач контроля зства.

Как показала статистическая обработка 10000 публикаций в I области за 1989-1990 г.г. отечественных и зарубежных статей шграфий, авторских свидетельств и патентов на изобретения, »ритетными являются исследования, направленные на создание иков параметров движения и линейных и угловых перемещений, косвенно отражает существенный дефицит в таких датчиках. Разработка датчиков параметров движения и линейно-угловых мещений и, в частности датчиков микроперемещений,включает в стве первого звена получение первичной измерительной рмации о параметрах технологического процесса. Приходится констатировать, что из всей цепочки получения, Зотки и использования информации до сих пор наиболее слабым зтся именно это первое звено. На фоне бурного развития :тв переработки и использования информации (вычислительной ши, кибернетики, робототехники и т.п.) такое отставание ;тв измерительного преобразования особенно заметно. Конечно, я в создании вычислительных устройств, в особенности широкое юние микропроцессорных комплексов,в определенной мере могут бствовать улучшению характеристик и первичных измерительных разователей (линеаризация, периодическая поверка и коррекция аточных характеристик, реализация совокупных и совместных ений и т.д.). Однако этим путем вряд ли возможно кардинально ь упомянутую проблему.

Перспективным направлением следует считать разработку и широкое внедрение таких первичных измерительных преобразователей (далее первичных преобразователей), которые основаны на линейных зависимостях "вход-выход", инвариантных по своей природе к влиянию неблагоприятных внешних воздействий, поддающихся расчету и воспроизведению, в том числе при массовом и серийном производстве, совершающих минимальное число измерительных преобразований в тракте, несложных в изготовлении, наладке и настройке. К числу таких перспективных устройств, пригодных для решения широкого круга задач измерения микроперемещений, можно отнести емкостные первичные преобразователи.

Следует отметить, что большинство нерешенных задач при преобразовании линейных величин в производственных условиях связано с бесконтактными микроперемещениями заземленных поверхностей (толщина фольг и лент, форма изделий, давление веществ в трубопроводе, вибрация и деформация изделий о др.).

Влкостные певичные преобразователи делятся на два вида : двухэлектродные и трехэлектродные. Преимуществами трехэлектродных первичных преобразователей перед двухэлектродными являются высокая стабильность, помехоустойчивость и нечувствительность к различного рода влиянцим величинам.

Из трехэлектродных первичных преобразователей наибольшая стабильностью обладает П-образный, первичный преобразователь. обрвзуидиЯ с заземленным объектом перемэщения "перекрестны!! конденсатор", разработанный профессором, доктором технических наук Л.Л.Грохольским и исследованный им экспериментально.

Настоящая работа является продолжением исследований начатых профессором А.Л.Грохольским.

Работа по теме диссертации выполнялась по договору с Барнаульским ОКБА НПО "Химавтоматика", а также по контрактам с КГЦ "Ангстрем" Алтайского филиала Инженерное академии РФ.

Целью настоящейработы являют«

теоретические исследования трехэлектродного еккостногс П-обрезного первичного преобразователя микроперемещений npi произвольных размерах его сечения и разработка на основе эта исследований конструкций первичных преобразователей с

оптимальными параметрами.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

1. Рассчитана емкость П-оОразного первичного преобразователя : произвольными размерами.

2. Произведен анализ емкостей и определены основные ютрологичесие характеристики первичных преобразователей.

• 3. Дан расчет и разработана методика проектирования ервичных преобразователей.

4. Проведены экспериментальные исследования, определена бласть применения разработанных первичных преобразователей. Для эшения поставленных задач применялся метод конформных реобразования и непосредственного определения напряженности эля. Экспериментальные исследования выполнялись на разработанных таборах и специально созданных стендах.

Научная новизна выполненных исследований и 1зраСоток заключается в следующем:

1. Методом конформных преобразований и непосредственного [ределения напряженности поля получена точная формула для счета емкости модели П-образного трехэлектродного первичного еобразователя с пятью произвольньш размерами.

2. На основе общего решения найдено шесть основных частных учаев для расчета емкостей первичных преобразователей, ссчитаны на ЭВМ их численные значения.

3. Найдены и сопоставлены основные метрологические рактористики трех типов первичных преобразователей.

4. Дан расчет и разработана методика проектирования юйного колланарного первичного преобразователя с приведенной 'решностьв преобразования менее 0,1 %. Конструкция первичного »образователя защищена авторским свидетельством на изобретение.

Практическая ценность проведенной научно- ■ ледовательской работы:

1. Получены точные выражения и таблицы с численными чениями, позволявшие с мало!* погрешностью рассчитать имальные параметры основных типов первичных преобразователей роперемещений.

б

2. Предложены конструкция и современная технологи* изготовления линейного копланарного первичного преобразователя.

3. Предложенные методики расчета емкостей могут 0ит1 использованы при расчете образцовых расчетных конденсаторов I резисторов, конструировании печатных плат, интегральных схем и Д1

Реализация результатов работы. Нг основе проведенных исследований копланарного первичногс преобразователя, защищенного авторским свидетельством -нг изобретение, и предложенных автором измерительных цепей, е Барнаульском ОКБА НПО "Химавтоматика" разработаны и изготовлены: прибор для измерения микроперемещений ИП-1, девятиканальна? система для измерения отклонений формы маски дисплейные кинескопов ИНМ-1, прибор для измерения толщины движущейся ленть ИТЛ-1, а в НТЦ "Ангстрем" - трехканальная система для измерение отклонения толщины ленты ИТЛ-2. Система ИФМ-1 внедрена на заводе "Хромотрон" (г. Москва), приборы ИТЛ-1 в количестве 8 шт. - не заводе "Спецсплавов" (г. Москва), системы ИТЛ-2 в _

шт. - на Выксунском металлургическом комбината. Приборы ИТЛ-1 и ИТЛ-2 прошли ведомственную метрологическую аттестацию.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-техническом семинаре кафедры "Информационные технологии" АлтГТУ, докладывались в г. Барнауле на Всесоюзных совещаниях: "Оптические сканирунш устройства" (1990 г.), "Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов" (1991 г.). Первых международных конференциях: "Нанотэхнология, наноэлектроника и криоэлектроника" (1992 г.), "Датчики электрических и неэлектрнчееких величин" ¡1993 г.).

Публикации. По материалам выполненных £ диссертационной работе исследований опубликовано шесть печатных работ, получено одно авторское свидетельство на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 101 странице машинописного текста, иллюстрируется рисунками на 17 страницах, содержит 8 таблиц, состоит из введения, трех глав, Заключения, Списка литературы из 80 наименований и Приложения.

Содержание работы.

В первой главе дана характеристика состояния и основных направлений развития методов и средств для измерения микроперемещения. Показано, что наиболее точными средствами для измерения микроперемещений являются лазерные интерферометры и оптоэлектронные приборы. Например, разработанные под руководством акад. АМН РФ Госькова П.И. Оптические приборы имеют погрешность, не превышающую 0.004 %. Наибольший приоритет в перспективе развития имеют емкостные приборы. Высокой стабильностью и помехоустойчивостью обладают бесконтактные емкостные грехэлвктродные первичные преобразователи с П-образными электродами, выполненные в виде перекрестного конденсатора, разработанные проф., д.т.н. Грохольским А.Л. и исследовенные им жспериментально. Кошанаркые емкостные первичные преобразователи » линейной статической характеристикой исследованы жспериментально или имеют частное аналитическое решение (при 1есконечно широких потенциальных электродах).

Во второй главе рассмотрена известная конструкция первичного реобразователя с П-образными электродами. С целью получения алее общих решений. рассмотрим конструкцию первичного реобразователя с удлиненным экраном (рис. 1,а). Конструктивно не изывает затруднений выбрать зазоры и Б достаточно малыми, эвестно, что наличие зазора Бг вызывает изменение емкости эрвичного, преобразователя, характеризующимся вторым порядком

Б;

мости а при перемещении объекта - первым. В настоящей

Й п1

»боте показано, что при отношении -д— * 2 удлинение размера п' > бесконечности и, следовательно, наличие зазора Б при указанных ¡ловиях приводит к относительному изменению емкости не более чем I 0,002 *. Поэтому в расчетной модели (рте. 1,б) принимается «3 «О/

Для расчета частичной емкости между высокопотенциальным и зкопотенциальным электродами воспользуемся методом конформных есбразованнй в сочетании с методом непосредственного ределения напряженности поля, предложенного проф. Сочневым А.Я. получивши дальнейиее развитие в работах Струнского М.Г.

• V.K UJb-lrti 1 - i: }ч4Н«а),«г;„йЭ|.

З.ЯхЩ.0 ■■ [f i (¡vise - e SRUOdlJtcL'C ,JHIWt*b.nilW¿Cl!:^b.íH .1 1!?шч:л»:«шо4<д,«!е.;м - z \ :, --.íooumix ¿оннал^ОАО « a•jroáiH.íi'c nwij.í» i (g, «гиго» bciuwi^d \a¡

¿O- fü ht¡ t XI 'D 'o

19

'V- *D- rO-kO-*V- €>O=90-

■ / • ■ / ' / / ■■'/■/ . s У / /

-S

Расчет включает три части: геометрическую - конформное реоОразование расчетной модели на верхнюю полуплоскость; шческую - нахождение напряженности электростатического поля, эряда на низкопотенциальном электроде и емкости между ;сокопотенциалышм и низкопотеншальшм электродами и ¡тематическую - приведение полученных интегралов к нормальной >рме.

Примем заштрихованную область на рис. 1.6 за часть плоскости мплексного переменного Ъ и конформно отобразим ее ив верхнюю луплоскость * (рис. 1,в) таким образом, чтобы соблюдалось ответствие точек исходной и отображенной плоскостей. Такое обращение осуществляется следующей функцией, полученной на новании интеграла Кристоффеля -Шварца:

Г/^Га*

) С и С| - постоянные; а

ЭСКОСТИ Ш.

Установив согласно

а.

а.

( 1 )

координаты точек в

( I

) взаимосвязь исходной . I и сраженной ш плоскостей и приведя полученные интегралы к мальвой форме, получим:

'<•«• к>> - ГГГЗ1 П(*1-пз-к'>

К(к) - (1 - -1-) П(п..ю

аз

2а (аа-ая)

I* в э'

Ш(«. пз.Ю - Р(^к)] ;

[шю- (1 - -¿Ош^.ю]

( 2 )

( 3 )

( 4 )

п 1 Р(»2.к') -_ш»а.п.к') _ ( 5 }

2 К(к) - 1 - Щ^.к)

где Р(#,к). Л^.к'), П(*,па,к), Ш^.п^к'), К(к). П(п1 .к) -неполные и полные эллиптические интегралы первого и третьего рода

а . а® (аа-ва)

о модулями: к ■ к' « / 1 - ка"; параметрами: п =

• <

аа а3(аа-аа) аа-а®

П1 я " -Ь V ~ —1—V " и аргументами: ' а а (а -а ) а -а

« Г 1 1 ' 5 1

агсв1п

. , , агсзщ 1±< . .

Учитывая, что при конформных отображениях разности потенциалов между соответствующими электродами, и суммарные заряды на них и емкости сохраняются, достаточно найти частичную емкость в системе электродов, показанной на рис. 1,в.

Согласно метода непосредственного определения напряженности поля напряженность поля Е|у_0 имеет вид

Е1?=ос та-Л;ттй"~а;т' (6)

где В - постоянная.

Заряд I (на единицу длины) на низкопотенциальном электроде,

разность потенциалов и4-иа и частичная емкость С между

высокопотенциальным и низкопотенциальным электродами определяются

выражениями а

Г* в г (а.+а,)'

]Е|у=о<1и = ^"¡¡а*"5

г » £ |Е|п_„<1и = 1п7-1-5—-; ( 7 )

аа

и,-иа - « Пицц +. а4) Е(у=0=й!|1а; ( 8 )

т . (а,+а Ла

С • и-"й" - "Г 111 ?"1"5 • ( 9 >

I а а«

Определив на основании ( 2 ) - ( 5 ) по исходным конструктивным размерам координаты точек аа и а4 и подставив их в

9 ), получим точные значения частичной емкости (на единицу ины) первичного преобразователя.

В связи с наличием в уравнениях ( 2 ) - ( 5 ) эллиптических гегралов они имеют сложный вид. В практических измерениях могут «меняться более простые случаи репейной задачи, в которых гурируют в большинстве случаев элементарные функции, формул! 1 которых приведены в табл. 1.

По формулам, приведенным в табл. 1, рассчитаны на ЭВМ ¡ленные значения емкостей первичных преобразователей. по горым графически построены статические характеристика я оценено ишие толщины г/ потенциальных электродов. Показано, что при «0,1, у = 1 и » 2 относительное изменение емкости шичного преобразователя не превышает 0,002 X. При этих же ювиях наибольшая нелинейность статических характеристик личных преобразователей не превышает 2 X. Нелинейность тической характеристики копланариого первичного образователя при > б в диапазоне изменения отношения " .97 1 0,1 - менее 0,1 I.

В третьей главе на основе статических характеристик в л. 2 приведены абсолютные 8 и относительные 5 етвительности первичных преобразователей при 2 1 ■ 1 м, а ке полученные во второй главе нелинейности статических зктеристкк.

Из данных Табл. 2 следует, что первичные преобразователи при «> и Ь = 0 имеют примерно одинаковые параметры. Копланарный зичный преобразователь по сравнению с предыдущими имеет юрно на порядок меньшую абсолютную и большую относительную ггвительиостж.

В связи с этим предложена конструкция кооланарвого очного преобразователя с электродами в виде металлическое ки, нанесенной на ситалловую подложку метолом выкуумного тения. Зазор между электродами первичного преобразователя и ном получен путем испарения металлическое пленки лазером.

Проведено исследование емкости копланарного первичного бразователя на линейность, найдена точка перегиба статической ктервстихи, в окрестностях этой точки функция имеет идеальную

Таблица 1

Овдвкам* ■огоюоСрпу Ваиошкякппшспй ФссмУлы для рсчста ООСОС1СМ

п- 2а,(д/ - а,2) [П(9. щ, к) - к)] Я 4ЯД

<1 я^ V (а/ - а,2) (а/ - цг) ' <1 * а,а4-/аз^а,2 * т-т-^л^3'

Х К(к) - (1 - а?/а?) П(п„ к) Ь 1 К(к') - П(п, к')

1 2 КаО -О -а.'/а^П^к)' те к = —, к* = V1 - к2 ^ ч. а/(а/-а,2) _а£ <Р = агсып— \—ч-т ^ Э4 V

1 2 % 1 % - а, я

* КСк) - (1 -а?/а}) П(п,,к) Ь 1 КОсО - П(п, к')

1 2 КСк) - (1 - а, Уа,2) П(п„ к) ' вдг к = , = V1 - к2 а*(а2-а.2) а2

Проаквтоие табд-1

Cxoenqwt-mu цй tv м тела Пи.....i iw nnoaacwAZnW Фффшдмротяа

1 i i il t - J 'fe -з d « ■k , «.-v . A*-«." 1

» •l.'.l íüslí; 1 * «• . - . ¡Rte ~J ai. 1 ^ »« У », J *

1 1 j'4, ь, » 1 * * s*. ж 4тЛ

» « 4 ï 1

-•'Jl,*- d ad d S A"1 M « 4ад

К- > 1 C=--k<l-eO, X I СГр=2.Т

и

Таблица

г Схема первичного 5. пф преобразователя Б у . % Г

1 1 ; - ! 1 0.17 , 2 I • 1

j 1_ 5.7 0.27 2

у ,,. И —— 0,6 1.77 0.

линейность. Замена реальной статической характеристики ] линейную приводит к погрешности ун преобразования, определяем) формулой

7 « ± 0.15 ( 10

где 0 - диапазон преобразования;

&0- значение перемещения, соответствующего точке перегиба. Получены формулы для определения относительных погрешност 1 . 7 > 1 • 1,4 • связанных с изменениями дивлектрическ

проницаемости окружающей среды с, длины Ь, ширины экрана 2 расстояния (1 относительно номинальных величин с'0, Ь0, 210 и й0 величины Де', ДЬ. и а<10, которые имеют вид:

й ле

1 ш 0,56 £ ?т-; ( п

о

( 13 )

~ в" I;

( и )

На основе выражений (10) - (14) предложена методика юектирования линейного копланарного первичного преобразователя приведенной погрешностью преобразования менее 0.1 %.

С целью уточнения соответствия расчетной модели реальным нструкциям и определения правильности методик расчета были оизведены измерения частичных емкостей копланарного и образного первичных преобразователей на аттестованных приборах стендах. Проведенные экспериментальные исследования показали эвильность полученных в данной работе теоретических результатов юзволяют определить область применения исследованных первичных »образователей данного типа.

На основе разработанного копланарного первичного юбразователя. разработаны и внедрены приборы для измерения роперемещений, а также даны их технические характеристики.

В Приложении приведены результаты лабораторных испытаний работают приборов, приложены акты внедрения и справки об ользовании результатов диссертационной работы в мышленноста.

Основные результаты работы:

1. Анализ состояния основных направлений развития методов и иств измерения микроперемещений показал, что наиболее точными детвами для бесконтактного измерения микроперемецений являются >рше интерферометры и оптоэлектронные приборы. Восостные Юры, уступая по точности оптическим, имеют более простую :трукцию, меньшие габариты, вес и энергопотребление и обладают ольшим приоритетом в перспективе развития.

2. В емкостных приборах наиболее слабым звеном получения. Сотки и использования информации являются первичные рительные преобразователи. Существуйте бесконтактные электродные и, в частности. П-образные первичные рительные преобразователи, обладающие высокой стабильностью и

помехоустойчивостью, исследованы только экспериментально.

3. Методом конформных преобразований и непосредственногс определения напряженности поля получена точная формула дм, расчета емкости модели Ц-образного трехэлектродного первичногс преобразователя-с пятью произвольными размерами.

4. На основе общего решения найдено шесть основных частит случаев для расчета емкостей первичных преобразователей. Рассчитаны на ЭВМ их численные значения. построены графики статических характеристик, найдены их нелинейности.

5. Определены исопоставлены основные метрологические характеристики трех наиболее эффективных типов первичных преобразователей. Предложены конструкция, современная технология изготовления, дан расчет и разработана методика проектирования линейного кошшнарного первичного преобразователя с приведенной погрешностью преобразования менее 0,1 %. Конструкция первичного преобразователя защищена авторским свидетельством на изобретение.

6. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили соответствие расчетных моделей реальным конструкциям первичных преобразователей и правильность полученных в данной работе теоретических результатов. ,

Т. На основе разработанного копланерного первичного преобразователя микроперемещений и предложенных измерительных цепей в Барнаульском ОКБА НПО "Химавтоматика" и вНТЦ "Ангстрем" АФ ИА Р® разработаны средства для измерения отклонений перемещений, формы маски дисплейных кинескопов одновременно в девяти точках, толщины движущейся ленты и отклонений толщины ленты в статике в трех точках по ширине.

В - перспективе целесообразно проводить исследования, направленные на улучшение линейности статической характеристики первичного преобразователя, выполненного в виде перекрестного конденсатора.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Госьков П.И., Горбова Г.М. Расчет статической зрактеристики перичного преобразователя образцового прибора для шрения микроперемешений. Тез. Всесоюзн. совещ. "Оптические санирующие устойства. и измерительные приборы на их основе". -¡рнаул. 1990. С. 55-56.

2. Госьков П.И., Горбова Г.М. Расчет емкостного первичного «образователя микроперемещений плоской заземленной (ектропроводной поверхности. Тез. докл. Всесоюзн.совещ. змерения и контроль при автоматизации производственных оцессов". - Барнаул, 1991. С. 129-130.

3. Госьков П.И., Горбова Г.М. Расчет емкости первичного еобразователя микроперемещений. Тез. докл. Первой Мегдун. кои$. анотехнология. наноэлектроника и криозлектроника". - Барнаул, 92. С. 172-175.

4. Госьков П.И.. Гришин П.П., Горбова Г.М. Приборы контроля эметрическкх размеров изделий с применением копланэрных »электродных первичных измерительных преобразователей. Тез. сл. Первой Мекдун. конф. "Нанотехнологая. наноэлектроника и юэлектроника". - Барнаул, 1992. С. 168-171.

5. Горбова Г.М. Аналитические исследования статических иктеристик емкостного первичного измерительного юбразователя михроперемещений. Тез. докл. к Первой Меадун. ф. "Датчики электрических и неэлектрических величин", «аул, 1993. Ч. 1. С. 67-68.

6. Фот В.П., Горбова Г.М. Измеритель отклонения толщины аллической ленты ИТЛ-2. Информационный листок АлтЦНТИ, N -93. С. 2.

7. А.с. 1755034 СССР, МЕСИ С 01 В 7/00. ЙКОСТНЫЙ датчик ейных перемещений/ П.И.Госьков, Г.М.Горбова. ' - Опубл. 38.92. БЮЛ. N 30.