ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ
INDUCTION SENSOR OF ANGULAR POSITION

Заявленное техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений, с помощью преобразователя перемещения индукционного типа.
Известен «Бесконтактный датчик положения с взаимной индуктивностью» по патенту Франции: FR 2830614 А1 от 11.04.2003 г., МПК G01D 5/22 - [1], содержащий нанесенные печатные прямоугольные обмотки на пластинах из диэлектрического материала, рядом с обмотками находятся пластины из материала с высокой магнитной проницаемостью и ферромагнитные площадки, между которыми находится перемещаемый магнит, положение которого определяется по возмущению электромагнитного поля между ферромагнитными площадками.
Недостатком известного изобретения является то, что печатные обмотки связаны через магнитный контур, магнитная проницаемость материала которого очень сильно зависит от температуры, что требует усложнения конструкции датчика, введением температурной компенсации. Кроме того, наличие магнитного контура позволяет использовать только низкий диапазон рабочих частот, что также снижает точность измерения.
Известен «Индукционный преобразователь линейных перемещений» по авторскому свидетельству СССР: SU 1516751 от 23.10.1989 г., МПК G01B 7/00 - [2], содержащий подвижную и неподвижную части из диэлектрического материала в виде коаксиальных трубок и продольными разрезами и с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными обмотками, активные проводники которых взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом.
Также известен «Датчик положения» по патенту США: US 2942212 от 21.06.1960 г., Кл. 336-30 - [3], содержащий подвижную и неподвижную части из диэлектрического материала с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными обмотками, активные проводники которых взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом.
Направление перемещения подвижной части относительно неподвижной в аналогах [2] и [3] осуществляется перпендикулярно активным длинным проводникам зигзагоподобных прямоугольных катушек. Такое перемещение катушек друг относительно друга существенно усложняет схему обработки сигналов от датчика, снижает ее надежность и повышает стоимость производства.
Известна «Катушка индуктивного измерительного преобразователя» по авторскому свидетельству СССР: SU 1552240 от 23.03.1990 года, МПК H01F 15/14, G01B 7/00 - [4], содержащая неподвижное диэлектрическое основание с размещенной на ее поверхности зигзагоподобной обмоткой в виде распределенных на поверхности основания одинаковых четырехугольных разомкнутых ячеек и подвижную часть в виде якоря, который может быть изготовлен из диэлектрика - измеряет емкость обмотки, электропроводника - измеряет добротность обмотки, или ферромагнетика - измеряет индуктивность обмотки.
Недостатком аналога [4] является выполнение сложного геометрического канала в слое диэлектрика, укладка в него проводника обмотки и ее закрепление, что существенно усложняет технологию производства и ее стоимость. Кроме того, показания прототипа сильно зависят от температуры, при которой происходит его эксплуатация.
Аналогом предложенного технического решения также является «Индуктивный датчик положения (варианты)» по патенту СИТА: TJS 6605939 (В1), от 12.08.2003, МПК G01D 5/20 - [5]. Индуктивный датчик [5] в варианте для измерения углового положения содержит плоские неподвижную и подвижную части датчика, установленные с общей осью вращения относительного друг друга, неподвижная часть выполнена в виде пластины с нанесенной на ее поверхность по дугам окружности и радиусам спиралеобразной печатной плоской катушкой индуктивности, а неподвижная часть содержит кольцеобразные ферромагнитные вставки, расположенные по тому же радиусу, что печатная плоская катушка индуктивности неподвижной части. При взаимном угловом смещении подвижной и неподвижной частей датчика углового положения изменяется индуктивность катушки, по которой (значению индуктивности) измеряют угловое положение.
Недостатком аналога [5] является то, что подвижная часть датчика выполнена из ферромагнитного материала, магнитная проницаемость которого очень сильно зависит от температуры, что требует усложнения конструкции датчика, введением температурной компенсации. Кроме того, наличие магнитного контура в измерительной катушке индуктивности позволяет использовать только низкий диапазон рабочих частот, что также снижает точность измерения. Все это в целом впоследствии существенно усложнит схему обработки сигналов от датчика, снизит ее надежность и повысит стоимость производства.
8
Прототипом предложенного технического решения является «Индукционный датчик положения» по патенту РФ: RU 2454625 от 27.06.2012 года, МПКG01B 7/00, G01D 5/20 - [6], содержащий неподвижную часть и подвижную часть датчика, выполненные в виде пары плоских катушек из диэлектрического материала, обращенных друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными плоскими катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, подвижная часть установлена с возможностью перемещения с одной степенью свободы относительно неподвижной части вдоль активных длинных проводников зигзагоподобных прямоугольных катушек. Причем неподвижная часть индукционного датчика положения может содержать две идентичные катушки, установленные вдоль направления перемещения подвижной части с катушкой, которая при этом расположена в первоначальном состоянии по центру между неподвижными катушками неподвижной части.
Недостатком известного прототипа [6] является то, что он может быть использован только для измерения линейных перемещений (положений) объекта и не может быть использован для измерения его угловых положений.
Исходя из вышеприведенных недостатков аналогов и прототипа, возникают задачи по созданию датчика углового положения с расширенным диапазоном измерений, который обладает простотой и надежностью конструкции, а также повышенной точностью измерений углового перемещения.
Поставленная задача решается тем, что индукционный датчик углового положения, содержащий установленные с общей осью вращения относительного друг друга с одной степенью свободы плоские неподвижную и подвижные части из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными плоскими катушками индуктивности, при этом печатные плоские катушки выполнены зигзагоподобными, соответственно расположенными по дугам окружности активными длинными проводниками и расположенными по радиусам пассивными короткими проводниками.
Подвижная и неподвижная части могут содержать по одной идентичной катушке, которые расположены в секторе с углом, меньшим или равным 180°, причем в первоначальном положении датчика катушки смещены относительно друг друга на угол, равный половине угла сектора расположения катушек.
Неподвижная часть датчика может содержать две идентичные катушки, расположенные в секторах с углом, меньшим или равным 180°, а подвижная часть датчика содержит одну аналогичную катушку, которая в первоначальном положении датчика смещена относительно двух катушек неподвижной части датчика на угол, равный половине угла секторов их расположения.
Неподвижная часть датчика может содержать четное число N идентичных катушек, расположенных равномерно в равных секторах, а подвижная часть датчика содержит в два раза меньше - N/2 идентичных катушек, расположенных в аналогичных секторах через один, при этом сектора расположения катушек неподвижной и подвижной частей датчика в его первоначальном положении смещены относительно друг друга на угол, равный половине угла секторов, при этом в неподвижной части датчика катушки, расположенные в секторах через один, соединены между собой последовательно с образованием двух катушек индуктивности, а в подвижной части датчика катушки соединены между собой последовательно с образованием одной катушки индуктивности.
Введение признаков: «индукционный датчик углового положения, содержащий установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы плоские неподвижную и подвижные части из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными плоскими катушками индуктивности» и «печатные плоские катушки выполнены зигзагоподобными, соответственно расположенными по дугам окружности активными длинными проводниками и расположенными по радиусам пассивными короткими проводниками» необходимо для создания возможности измерения углового положения с существенным расширением диапазона измерений и с упрощением конструкции датчика. Применение зигзагоподобных катушек для измерения углового перемещения катушек друг относительно друга существенно упрощает схему обработки сигналов от датчика и позволяет увеличить рабочие частоты датчика и, следовательно, увеличить его точность. Выполненные по технологии печатных плат на неподвижных и подвижных частях плоские зигзагоподобные катушки содержат тонкий слой металла, которому навязываются свойства подложки печатной платы. А подложка - пластина из композитного материала, как известно, обладает малыми коэффициентами линейного и объемного теплового расширения, что обеспечивает стабильность измерения в широких диапазонах температур.
Введение отличительного признака: «подвижная и неподвижная части содержат по одной идентичной катушке, которые расположены в секторе с углом, меньшим или равным 180°, причем в первоначальном положении датчика катушки смещены относительно друг друга на угол, равный половине угла сектора расположения катушек» необходимо для реализации индукционного датчика углового положения в самом простом исполнении, для проведения угловых измерений сравнительно низкой точности.
Введение отличительного признака: «неподвижная часть датчика содержит две идентичные катушки, расположенные в секторах с углом, меньшим или равным 180°, а подвижная часть датчика содержит одну аналогичную катушку, которая в первоначальном положении датчика смещена относительно двух катушек неподвижной части датчика на угол, равный половине угла секторов их расположения» и «в неподвижной части датчика катушки, расположенные в секторах через один, соединены между собой последовательно с образованием двух катушек индуктивности, а в подвижной части датчика катушки соединены между собой последовательно с образованием одной катушки индуктивности» необходимо для повышения точности измерений угловых перемещений заявленным индуктивным датчиком углового положения. Кроме того, существенно повышается температурная стабильность работы датчика, за счет работы на разностном сигнале от двух неподвижных катушек, которые идентичны по температурным характеристикам.
Введение отличительного признака: «неподвижная часть датчика содержит четное число N идентичных катушек, расположенных равномерно в равных секторах, а подвижная часть датчика содержит в два раза меньше - N/2 идентичных катушек, расположенных в аналогичных секторах через один, при этом сектора расположения катушек неподвижной и подвижной частей датчика в его первоначальном положении смещены относительно друг друга на угол, равный половине угла секторов, при этом в неподвижной части датчика катушки, расположенные в секторах через один, соединены между собой последовательно с образованием двух катушек индуктивности, а в подвижной части датчика катушки соединены между собой последовательно с образованием одной катушки индуктивности» необходимо для существенного повышения точности измерений угловых перемещений заявленным индуктивным датчиком углового положения, за счет работы на разностном сигнале от двух неподвижных катушек, образованных парами N/2 идентичных катушек.
На фиг.1 представлены: а) - подвижная и б) - неподвижная части индукционного датчика углового перемещения из диэлектрического материала, с нанесенными на них печатными зигзагоподобными катушками индуктивности (вид на катушки). На фиг.2 - эквивалентная схема индукционного датчика углового перемещения с одной неподвижной и одной подвижной катушками по фиг.1. На фиг.3 - схемотехническое решение для обеспечения работоспособности датчика по фиг.1. На фиг.4: а) - подвижная часть датчика с одной катушкой, б) - неподвижная часть датчика с двумя катушками (вид на катушки). На фиг.5 - эквивалентная схема датчика по фиг.4. На фиг.6 - схемотехническое решение для обеспечения работоспособности датчика по фиг.4. На фиг.7 - фотография подвижной и неподвижной частей индукционного датчика углового положения в рабочем состоянии (подвижная и неподвижная части индукционного датчика перемещения обращены друг к другу катушками). На фиг.8: а) - подвижная часть датчика с 4-я (N/2) катушками, б) - неподвижная часть датчика с 8-и (N) катушками (вид на катушки). На фиг.9 - эквивалентная схема датчика по фиг.8. На фиг.10 - схемотехническое решение для обеспечения работоспособности датчика по фиг.8.
Индукционный датчик углового положения содержит установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы плоские неподвижную и подвижные части 1 и 2 из диэлектрического материала, которые обращены друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными плоскими катушками индуктивности 3 и 4. Печатные плоские катушки 3 и 4 выполнены зигзагоподобными, соответственно расположенными по дугам окружности активными длинными проводниками и расположенными по радиусам пассивными короткими проводниками. Подвижная и неподвижная части 1 и 2 могут содержать (по фиг.1) по одной идентичной катушке 3 и 4, которые расположены в секторе с углом, меньшим или равным 180°. В первоначальном положении датчика катушки смещены относительно друг друга на угол, равный половине угла сектора расположения катушек. Неподвижная часть 1 датчика может содержать (по фиг.4) две идентичные катушки 3 и 5, расположенные в секторах с углом, меньшим или равным 180°, а подвижная часть 2 датчика в этом случае содержит одну аналогичную катушку 4. В первоначальном положении датчика катушка 4 смещена относительно двух катушек 3 и 5 неподвижной части датчика на угол, равный половине угла секторов их расположения. Индукционный датчик углового положения может в своей неподвижной части датчика (по фиг.8) содержать четное число N идентичных пар катушек 6 и 7, расположенных равномерно в равных секторах, а подвижная часть датчика 2 содержит в два раза меньше - N/2 идентичных катушек 8, расположенных в аналогичных секторах через один. При этом сектора расположения катушек неподвижной части 1 и подвижной части 2 датчика в его первоначальном положении смещены относительно друг друга на угол, равный половине угла секторов. В неподвижной части 1 датчика катушки 6 и 7, расположенные в секторах через один, соединены между собой последовательно печатными проводами 9 (например, с обратной стороны плоских частей 1 и 2) с образованием двух катушек индуктивности 6 и 7, а в подвижной части датчика катушки таким же образом соединены между собой последовательно с образованием одной катушки индуктивности 8.
Для объяснения работы индукционного датчика углового положения (по фиг.1 и фиг.4) могут быть применены эквивалентные схемы в виде трансформатора - фиг.2, или соответственно дифференциального трансформатора - фиг.5, с линейно изменяющимся коэффициентом связи между катушками. Для обеспечения работоспособности индуктивных датчиков перемещения по структурным схемам фиг.2 и фиг.5, могут быть использованы типовые схемотехнические решения, представленные соответственно на фиг.3 и фиг.6. Для объяснения работы индукционного датчика углового положения по фиг.8 может быть применена эквивалентная схемы в виде дифференциального трансформатора - фиг.9 со схемотехническим решением, представленным на фиг.10.
На фиг.3, 6 и 10: Г - генератор синусоидального сигнала питания катушки 4 (фиг.1, 2, 3, 5, 6) или катушки 8 (фиг.8, 9, 10) подвижной части 2 датчика; ПД, ПД1 и ПД2 - пиковые детекторы; У - усилитель масштабный; U вых - пропорциональный взаимному угловому смещению частей 1 и 2 аналоговый выходной сигнал с катушки 3 (фиг.1, 2, 3), суммарный аналоговый выходной сигнал с катушек 3 и 5 (фиг.4, 5, 6, 7) или суммарный аналоговый выходной сигнал с катушек 6 и 7 (фиг.8, 9, 10).
Реально для рабочих частот порядка 2 МГц, диаметр подвижной части 2 и неподвижной 1 части 40 мм, шаг проводников катушек 3, 4, 5, 6, 7 и 8, равный 0,8 мм, при ширине проводников 0,5 мм и воздушном зазоре между подвижной и неподвижной частью 0,2 мм рабочая зона по угловому положению может составлять до 180°, в зависимости от конструкции датчика. Диапазон изменения выходного сигнала при этом составляет ±2,5 В с погрешностью преобразования не хуже ±0,1%.
Современная технология печатных плат позволяет изготавливать печатные катушки с высокой степенью точности, в связи с этим, при необходимости получения более высокой точности преобразования, требования к шагу и ширине проводников, а также к воздушному зазору между катушками могут быть и более жесткими.
Как видно из вышеизложенного, наиболее целесообразно использовать такой индукционный датчик углового положения в разнообразных технических системах контроля различных объектов.
Современная технология печатных плат позволяет изготавливать печатные катушки с высокой степенью точности, в связи с этим, при необходимости получения более высокой точности преобразования, требования к шагу и ширине проводников, а также к воздушному зазору между катушками могут быть и более жесткими.
Полагаем, что предложенный индукционный датчик углового положения обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новым для конструкций индукционных датчиков углового положения и, следовательно, соответствует критерию "новизна".
Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам разработки и конструирования индукционных датчиков углового положения, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".
Разработка, конструирование и внедрение предложенного индукционного датчика углового положения не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература:
1. Патент Франции: FR 2830614 А1 от 11.04.2003 г., МПК G01D 5/22 - «Бесконтактный датчик положения с взаимной индуктивностью».
2. Авторское свидетельство СССР: SU 1516751 от 23.10.1989 г., МПК G01B 7/00 - «Индукционный преобразователь линейных перемещений».
3. Патент США: US 2942212 от 21.06.1960 г., Кл. 336-30 - «Датчик положения».
4. Авторское свидетельство СССР: US 1552240 от 23.03.1990 года, МПК H01F 15/14, G01B 7/00 - «Катушка индуктивного измерительного преобразователя».
5. Патент США: US 6605939 (В1), от 12.08.2003, МПК G01D 5/20 - «Индуктивный датчик положения (варианты)».
8
6. Патент РФ: RU 2454625 от 27.06.2012 года, МПК G01B 7/00, G01D 5/20 - «Индукционный датчик положения» - прототип.