ИНКРЕМЕНТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
INCREMENTAL CAPACITY TRANSDUCER OF ANGULAR MOVEMENTS

Область техники
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для использования в устройствах автоматизации измерения угловых перемещений в качестве канала точного отсчета.
Предшествующий уровень техники
Известен емкостный датчик угловых перемещений (см. описание к а.с. СССР №1502959 А1, МПК G01B 7/30, опубл. 23.08.1989 г.), который содержит установленный с возможностью перемещения плоский дисковый электрод, в котором выполнены с заданным шагом сквозные секторообразные окна. Соосно с подвижным электродом установлено неподвижное плоское диэлектрическое основание. На его внутренней поверхности, обращенной к подвижному электроду, закреплены концентрические электрически изолированные одно от другого внешнее и внутреннее электропроводные кольца. В процессе измерения к кольцам подключают фазочувствительный измерительный прибор. На той же поверхности диэлектрического основания размещены распределенные по его окружности и размещенные в интервале между кольцами секторообразные электропроводные радиальные пластины, электрически изолированные одна от другой. На обратной стороне диэлектрического основания датчика, напротив радиальных пластин, закреплены пары кольцевых потенциальных электродов, размещенных концентрично. В процессе измерений к ним подключают 4-фазный источник питания переменного тока. Каждая из пар потенциальных электродов выполнена в виде сопряженных кольцевых полос с зубцами синусоидальной формы. Период синусоиды равен периоду размещения окон подвижного дискового электрода. Секторообразные радиальные пластины перекрывают обе пары потенциальных электродов. Число радиальных пластин выбирается в несколько раз превышающим число окон подвижного электрода.
Низкая точность измерения аналога - емкостного датчика угловых перемещений определяется наличием внешних соединительных проводников между проводниками, расположенными на неподвижном дисковом основании, и фазочувствительным измерительным прибором (4-фазным источником питания переменного тока). Вследствие этого на точность измерения влияют изменения емкости, индуктивности и электрического сопротивления внешних соединительных проводников, например, при изменении температуры внешней среды.
В емкостном датчике угловых перемещений результат измерения зависит от диэлектрической проницаемости среды между плоским дисковый электродом и неподвижным дисковым основанием, что также снижает точность измерения.
Низкая технологичность изготовления определяется необходимостью выполнения с заданным шагом сквозных секторообразных окон в подвижном дисковом электроде.
Наиболее близким аналогом предлагаемого инкрементного емкостного датчика угловых перемещений является устройство, представляющее емкостный дифференциальный датчик перемещений (см. описание к а.с. СССР №1504493 А1, МПК G01B 7/30, опубл. 30.08.1989 г.).
Указанный емкостный дифференциальный датчик перемещений - прототип содержит электрически соединенные через одну секции потенциального электрода, которые образуют две группы, размещенные на противоположных плоскопараллельных сторонах диэлектрической пластины, установленной с возможностью перемещения между двумя неподвижными диэлектрическими пластинами, на внутренних сторонах которых, обращенных к группам секций потенциального электрода, расположены секции токового электрода, объединенные с помощью межсекционных электрических соединений через одну и также образующие две группы секций. Ширина и расстояние между секциями потенциального электрода выполнены равными ширине секций токового электрода.
Секционированный экранирующий электрод, соединенный с общей точкой прибора, имеет секции с такой же шириной, как и секции потенциального или токового электродов, и размещены на подвижной пластине между секциями потенциального электрода. Группа секций потенциального (или токового электродов) смещены одна относительно другой на половину ширины их секций. В варианте исполнения секции потенциального электрода могут быть размещены на неподвижных пластинах, а секции токового электрода - на подвижной пластине. Секции токового электрода объединены с помощью межсекционных электрических соединений на двух неподвижных диэлектрических пластинах концентрическими соединительными проводниками. Проводники непосредственно прилегают к соединяемым секциям токового электрода, а их радиусы равны соответственно внешнему и внутреннему радиусам этих секций. На поверхность двух неподвижных диэлектрических пластин за пределами секций токового электрода и примыкающих к ним проводников нанесено экранирующее покрытие.
Секции потенциального электрода на обоих сторонах подвижной пластины соединены при помощи концентрических проводников. Секции потенциального электрода присоединяются к соответствующим концентрическим проводникам при помощи радиальных отводов от углов этих секций.
Низкая точность измерения емкостного дифференциального датчика перемещений - прототипа определяется наличием соединительных проводников между секциями электродов, расположенными на подвижной и двух неподвижных пластинах, и блоком преобразования сигналов. Вследствие этого на точность измерения влияют изменения емкости, индуктивности и электрического сопротивления соединительных проводников, а также электронных элементов блока преобразования сигналов, например, при изменении температуры внешней среды.
Раскрытие изобретения
Задачей создания изобретения является разработка простого по конструкции, более технологичного и надежного в работе при тяжелых условиях, имеющего более высокую точность измерения инкрементного емкостного датчика угловых перемещений.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как инкрементный емкостный датчик угловых перемещений, содержащий подвижную и неподвижную диэлектрические пластины, секции электрода, объединенные с помощью межсекционных электрических соединений и расположенные на стороне неподвижной диэлектрической пластины, обращенной к подвижной диэлектрической пластине, секции двух электродов, размещенные на стороне подвижной диэлектрической пластины, обращенной к неподвижной диэлектрической пластине, и блок преобразования сигналов, и отличительных существенных признаков, таких как подвижная и неподвижная пластины выполнены в виде дисков. Датчик снабжен шестью колебательными контурами с катушками индуктивности, гальванически развязанными от блока преобразования сигналов, секциями шести электродов трех колебательных контуров, расположенных по окружности на стороне неподвижного диска, обращенной к подвижному диску, секциями шести электродов трех колебательных контуров, расположенных по окружности меньшего диаметра на стороне неподвижного диска, обращенной к подвижному диску, секциями общего электрода трех колебательных контуров, расположенных по окружности на стороне подвижного диска, обращенной к неподвижному диску над секциями шести электродов трех колебательных контуров, секциями общего электрода трех колебательных контуров, расположенных по окружности меньшего диаметра на стороне подвижного диска, обращенной к неподвижному диску над секциями шести электродов трех колебательных контуров, а блок преобразования сигналов включает шесть катушек индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров и шесть катушек индуктивности считывания частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров.
В пункте 2 формулы нашли отражение особенности выполнения и размещения шести катушек индуктивности шести колебательных контуров, шести катушек индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров и шести катушек индуктивности считывания частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров блока преобразования сигналов, а именно шесть катушек индуктивности шести колебательных контуров, шесть катушек индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров и шесть катушек индуктивности считывания частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров блока преобразования сигналов выполнены в виде плоских спиралей и размещены на внешней стороне неподвижного диска.
Предлагаемый инкрементный емкостный датчик угловых перемещений имеет высокую технологичность изготовления, так как на неподвижном диске кроме секций электродов размещены выполненные способом печати шесть плоских спиралей катушек индуктивности шести колебательных контуров, шесть плоских спиралей катушек индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров и шесть плоских спиралей катушек индуктивности считывания частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров блока преобразования сигналов.
Высокая точность измерения предлагаемого инкрементного емкостного датчика угловых перемещений определяется гальванической развязкой шести колебательных контуров от блока преобразования сигналов. Вследствие этого отсутствуют соединительные проводники между шестью колебательными контурами и блоком преобразования сигналов, что повышает точность измерения.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - повышение технологичности изготовления и точности измерения угловых перемещений.
Краткое описание фигур чертежей
Устройство предлагаемого инкрементного емкостного датчика угловых перемещений иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг.1. Инкрементный емкостный датчик угловых перемещений, продольный разрез.
Фиг.2 и фиг.3. Структурная схема инкрементного емкостного датчика угловых перемещений.
Фиг.4. Вид неподвижного диска с внешней стороны.
Фиг.5. Вид А на фиг.1 при условно прозрачном подвижном диске (проводники подвижного диска находятся над проводниками неподвижного диска).
Фиг.6. Вид подвижного диска со стороны, обращенной к неподвижному диску.
Фиг.7. Диаграмма состояний емкостей между секциями электродов первого, второго и третьего колебательных контуров при вращении подвижного диска.
Фиг.8. Диаграмма состояний емкостей между секциями электродов четвертого, пятого и шестого колебательных контуров при вращении подвижного диска.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображен бескорпусной инкрементный емкостный датчик угловых перемещений.
Возможен вариант корпусного исполнения предлагаемого инкрементного емкостного датчика угловых перемещений (не показан) с прецизионным подшипником. При этом внутри корпуса в любом удобном месте может быть установлен датчик угловых перемещений канала грубого отсчета, который может быть не только емкостным, а, например, основан на резистивном принципе измерения.
Предлагаемый инкрементный емкостный датчик угловых перемещений (см. фиг.1), содержит подвижный 1 диск, неподвижный 2 диск и блок преобразования сигналов 6 (см. фиг.2 и фиг.3). В подвижном 1 и неподвижном 2 дисках выполнены центральные отверстия. Подвижный 1 диск соединен с подвижным 43 объектом, а неподвижный 2 диск соединен с неподвижным 44 объектом.
Подвижный 1 и неподвижный 2 диски выполнены из диэлектрического материала, например, из фотоситалла ФС 148-1, описанного в кн. под редакцией Корицкого Ю.В. Справочник по электротехническим материалам, т.2. - М.: Энергия, 1974, с.295, 296. Применение фотоситалла ФС 148-1 в конструкции указанного датчика позволяет получить в результате многоступенчатого процесса фотографически точные микроотверстия в неподвижном 2 диске. При этом фотоситалл ФС 148-1 хорошо согласуется по температурному коэффициенту расширения с проводниками из меди (пластичный металл), выполненными способом печати на подвижном 1 и неподвижном 2 дисках с подслоем хрома толщиной от 0,01 мкм и до 0,03 мкм для хорошей адгезия к фотоситаллу ФС 148-1.
Толщина проводников из меди, выполненных способом печати на обращенных друг к другу сторонах подвижного 1 и неподвижного 2 дисков, может составить 1 мкм. Для защиты от внешней среды указанные проводники могут быть покрыты тонким слоем негативного фоторезиста, сушка которого может быть произведена при температуре более 140 градусов Цельсия.
Толщина подвижного 1 и неподвижного 2 дисков может составить 0,5 мм.
Инкрементный емкостный датчик угловых перемещений снабжен (см. фиг.2 и фиг.3) первым 7, вторым 8, третьим 9, четвертым 10, пятым 11 и шестым 12 колебательными контурами, которые являются гальванически развязанными друг от друга и от блока преобразования сигналов 6.
Плоская спираль катушки индуктивности 13 первого 7 колебательного контура (см. фиг.4), плоская спираль катушки индуктивности 14 второго 8 колебательного контура, плоская спираль катушки индуктивности 15 третьего 9 колебательного контура, плоская спираль катушки индуктивности 16 четвертого 10 колебательного контура, плоская спираль катушки индуктивности 17 пятого 11 колебательного контура и плоская спираль катушки индуктивности 18 шестого 12 колебательного контура размещены по окружности на внешней стороне 42 неподвижного 2 диска.
Четыре секции первого 3 электрода первого 7 колебательного контура (см. фиг.5), четыре секции второго 19 электрода первого 7 колебательного контура, четыре секции первого 20 электрода второго 8 колебательного контура, четыре секции второго 21 электрода второго 8 колебательного контура, четыре секции первого 22 электрода третьего 9 колебательного контура и четыре секции второго 23 электрода третьего 9 колебательного контура объединены между собой с помощью межсекционных электрических соединений и расположены (равномерно распределены) по окружности на стороне неподвижного 2 диска, обращенной к подвижному 1 диску (на фиг.5 для наглядности изображения обозначена только одна из четырех секций каждого из вышеуказанных электродов).
Четыре секции первого 24 электрода четвертого 10 колебательного контура (см. фиг.5), четыре секции второго 25 электрода четвертого 10 колебательного контура, четыре секции первого 26 электрода пятого 11 колебательного контура, четыре секции второго 27 электрода пятого 11 колебательного контура, четыре секции первого 28 электрода шестого 12 колебательного контура и четыре секции второго 29 электрода шестого 12 колебательного контура объединены между собой с помощью межсекционных электрических соединений и расположены (равномерно распределены) по окружности меньшего диаметра на стороне неподвижного 2 диска, обращенной к подвижному 1 диску (на фиг.5 для наглядности изображения обозначена только одна из четырех секций каждого из вышеуказанных электродов).
Предпочтительным является количество секций в каждом из электродов шести колебательных контуров, равное четырем.
В общем случае количество секций в каждом из электродов шести колебательных контуров может быть равно восьми (кратное четырем).
Каждая секция двенадцати электродов шести колебательных контуров, размещенная на неподвижном 2 диске, находится внутри углового сектора, равного 15 градусам (промежуток между соседними секциями имеет малую угловую ширину). При этом секции двенадцати электродов шести колебательных контуров, размещенные на неподвижном 2 диске, имеют одинаковую угловую ширину.
Начало 45 плоской спирали катушки индуктивности 13 первого 7 колебательного контура подключено к четырем секциям первого 3 электрода первого 7 колебательного контура, конец 46 плоской спирали катушки индуктивности 13 первого 7 колебательного контура подключен к четырем секциям второго 19 электрода первого 7 колебательного контура, начало 47 плоской спирали катушки индуктивности 14 второго 8 колебательного контура подключено к четырем секциям первого 20 электрода второго 8 колебательного контура, конец 48 плоской спирали катушки индуктивности 14 второго 8 колебательного контура подключен к четырем секциям второго 21 электрода второго 8 колебательного контура, начало 49 плоской спирали катушки индуктивности 15 третьего 9 колебательного контура подключено к четырем секциям первого 22 электрода третьего 9 колебательного контура, а конец 50 плоской спирали катушки индуктивности 15 третьего 9 колебательного контура подключен к четырем секциям второго 23 электрода третьего 9 колебательного контура.
Начало 51 плоской спирали катушки индуктивности 16 четвертого 10 колебательного контура подключено к четырем секциям первого 24 электрода четвертого 10 колебательного контура, конец 52 плоской спирали катушки индуктивности 16 четвертого 10 колебательного контура подключен к четырем секциям второго 25 электрода четвертого 10 колебательного контура, начало 53 плоской спирали катушки индуктивности 17 пятого 11 колебательного контура подключено к четырем секциям первого 26 электрода пятого 11 колебательного контура, конец 54 плоской спирали катушки индуктивности 17 пятого 11 колебательного контура подключен к четырем секциям второго 27 электрода пятого 11 колебательного контура, начало 55 плоской спирали катушки индуктивности 18 шестого 12 колебательного контура подключено к четырем секциям первого 28 электрода шестого 12 колебательного контура, а конец 56 плоской спирали катушки индуктивности 18 шестого 12 колебательного контура подключен к четырем секциям второго 29 электрода шестого 12 колебательного контура.
Проводники первого 7, второго 8 и третьего 9 (или четвертого 10, пятого 11 и шестого 12) колебательных контуров, размещенные на обоих сторонах неподвижного 2 диска, выполняют одинаковым образом в едином технологическом цикле так, чтобы соответствующие геометрические размеры проводников указанных колебательных контуров как можно меньше отличались друг от друга.
Вследствие этого емкости, индуктивности и электрические сопротивления указанных проводников первого 7, второго 8 и третьего 9 (или четвертого 10, пятого 11 и шестого 12) колебательных контуров будут практически равны между собой. При этом указанные емкости являются постоянными составляющими емкостей первого 7, второго 8 и третьего 9 (или четвертого 10, пятого 11 и шестого 12) колебательных контуров и практически не изменяются при угловом перемещении (вращении) подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска.
При равенстве емкостей, индуктивностей и электрических сопротивлений первого 7, второго 8 и третьего 9 (или четвертого 10, пятого 11 и шестого 12) колебательных контуров минимальные частоты резонансных колебаний указанных колебательных контуров будут равны между собой при вращении подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска (указанный режим работы может быть использован при настройке датчика). В случае необходимости, выравнивание постоянных составляющих емкостей указанных колебательных контуров может быть произведено путем изменения ширины соответствующих соединительных проводников.
При этом происходит усреднение погрешностей изготовления проводников в каждом колебательном контуре по восьми секциям (обкладкам элементарных конденсаторов) двух электродов, равномерно распределенных по соответствующей окружности на стороне неподвижного 2 диска, обращенной к подвижному 1 диску, а также секциям двух общих электродов шести колебательных контуров, размещенных на стороне подвижного 1 диска, обращенной к неподвижному 2 диску.
При равномерном распределении секций каждого электрода шести колебательных контуров по соответствующим окружностям на обращенных друг к другу сторонах подвижного 1 и неподвижного 2 дисков происходит уменьшение влияния на результат измерения непараллельности плоскостей подвижного 1 и неподвижного 2 дисков, а также несоосности (смещение осей) указанных дисков друг относительно друга.
Четыре экранирующих концентрических 57 проводника (см. фиг.5) выполнены в виде четырех металлических колец и предназначены для выравнивания постоянных составляющих емкостей первого 7, второго 8 и третьего 9 (или четвертого 10, пятого 11 и шестого 12) колебательных контуров между собой.
На Фиг.5 показано начальное взаимное положение подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска, соответствующее нулю угловых градусов (стрелкой показано направление вращения подвижного 1 диска). Пунктирными линиями показаны проводники, размещенные на внешней стороне 42 неподвижного 2 диска.
Четыре секции общего электрода 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров (см. фиг.5 и фиг.6) расположены и равномерно распределены по окружности на стороне подвижного 1 диска, обращенной к неподвижному 2 диску над секциями шести электродов первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров.
Четыре секции общего электрода 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров (см. фиг.5 и фиг.6) расположены и равномерно распределены по окружности меньшего диаметра на стороне подвижного 1 диска, обращенной к неподвижному 2 диску над секциями шести электродов четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров.
На фиг.5 для наглядности изображения обозначена только одна из четырех секций общего электрода 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров, а также общего электрода 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров.
Секция представляет из себя пластину, ограниченную внешней окружностью, внутренней окружностью и двумя радиусами.
Каждая секция, размещенная на подвижном 1 диске, занимает угловой сектор, равный 75 градусам.
Четыре секции общего электрода 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров сдвинуты по окружности относительно четырех секций общего электрода 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров на 7,5 градусов.
Шесть плоских спиралей катушек индуктивности шести колебательных контуров могут иметь следующие параметры:
Средний диаметр плоской спирали катушки индуктивности - 6 мм;
Количество витков - 50;
Ширина витка - 30 мкм;
Расстояние между витками - 10 мкм;
Индуктивность - 20 мкГн.
Толщина проводников из меди, выполненных способом печати, на внешней стороне 42 неподвижного 2 диска может составить 15 мкм. Вследствие этого происходит повышение добротности шести колебательных контуров, которая может составить более 50 единиц.
Индуктивность плоской (дисковой) катушки, Гн, вычисляют по формуле (см. кн. под редакцией Герасимова В.Г. и др. Электротехнический справочник, т.1. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с.148, 149):
,
где ω - число витков катушки;
d - средний диаметр катушки, м;
κ - коэффициент, который зависит от отношения ширины катушки к среднему диаметру катушки (определяют из графика).
Черными кругами малого диаметра (см. фиг.4 и фиг.5) показаны контактные площадки металлизированных отверстий со сплошной металлизацией, которые осуществляют электрические соединения между проводниками, размещенными на обоих сторонах неподвижного 2 диска. Диаметр вышеуказанных сквозных отверстий может составить 50 мкм, а диаметр контактных площадок - 100 мкм.
Радиальная ширина концентрических соединительных проводников в виде колец может составить 50 мкм, а радиальное расстояние между средними окружностями двух соседних концентрических соединительных проводников - 100 мкм.
Для того чтобы краевой эффект не оказывал практического влияния на результат измерения, необходимо, чтобы край рабочей секции, размещенной на подвижном 1 диске, не подходил к краю рабочей секции, размещенной на неподвижном 2 диске, на расстояние ближе, чем 10·h, где h - расстояние между подвижным 1 и неподвижным 2 дисками, которое может составить 80 мкм.
Указанная зона краевого эффекта находится внутри углового сектора, равного 3,5 градусам (промежуток между соседними секциями имеет малую угловую ширину). Пунктирными линиями на фиг. 7 и фиг. 8 обозначены зоны краевого эффекта при измерении углового перемещения (α°).
Диаметр внутренней окружности, ограничивающей четыре секции общего 5 электрода четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров, расположенные на подвижном 1 диске, является базовым и определяет радиальные размеры подвижного 1 и неподвижного 2 дисков. При расстоянии между подвижным 1 и неподвижным 2 дисками, равном 80 мкм, указанный базовый диаметр может составить 33 мм.
Радиальная ширина секций, размещенных на обращенных друг к другу сторонах подвижного 1 и неподвижного 2 дисков (зависит от расстояния между подвижным 1 и неподвижным 2 дисками), может составить соответственно 1 мм и 3 мм.
Расстояние между соседними секциями по внутренней окружности, ограничивающей указанные секции, на неподвижном диске 2 может составить 5 мкм.
Диаметр подвижного 1 и неподвижного 2 дисков может составить 50 мм.
Блок преобразования сигналов 6 снабжен плоской спиралью катушки индуктивности 30 подкачки энергии в первый 7 колебательный контур (см. фиг. 4), плоской спиралью катушки индуктивности 31 подкачки энергии во второй 8 колебательный контур, плоской спиралью катушки индуктивности 32 подкачки энергии в третий 9 колебательный контур, плоской спиралью катушки индуктивности 33 подкачки энергии в четвертый 10 колебательный контур, плоской спиралью катушки индуктивности 34 подкачки энергии в пятый 11 колебательный контур, плоской спиралью катушки индуктивности 35 подкачки энергии в шестой 12 колебательный контур, плоской спиралью катушки индуктивности 36 считывания частоты резонансных колебаний первого 7 колебательного контура, плоской спиралью катушки индуктивности 37 считывания частоты резонансных колебаний второго 8 колебательного контура, плоской спиралью катушки индуктивности 38 считывания частоты резонансных колебаний третьего 9 колебательного контура, плоской спиралью катушки индуктивности 39 считывания частоты резонансных колебаний четвертого 10 колебательного контура, плоской спиралью катушки индуктивности 40 считывания частоты резонансных колебаний пятого 11 колебательного контура и плоской спиралью катушки индуктивности 41 считывания частоты резонансных колебаний шестого 12 колебательного контура, которые размещены по окружности на внешней стороне 42 неподвижного 2 диска вблизи его центрального отверстия.
На фиг.4 начала и концы (показаны черными кругами малого диаметра) плоских спиралей катушек индуктивности шести колебательных контуров, плоских спиралей катушек индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров и плоских спиралей катушек индуктивности считывания частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров находятся соответственно на внешних и внутренних окружностях (показаны пунктирными линиями), ограничивающих указанные плоские спирали катушек индуктивности.
Блок преобразования сигналов 6 дополнительно включает вычислительное устройство (на фиг.2 и фиг.3 не показано), первый 58 элемент ИЛИ, второй 59 элемент ИЛИ, третий 60 элемент ИЛИ, четвертый 61 элемент ИЛИ, пятый 62 элемент ИЛИ, шестой 63 элемент ИЛИ, первый 64 транзистор, второй 65 транзистор, третий 66 транзистор, четвертый 67 транзистор, пятый 68 транзистор, шестой 69 транзистор, первый 70 компаратор, второй 71 компаратор, третий 72 компаратор, четвертый 73 компаратор, пятый 74 компаратор и шестой 75 компаратор.
Вышеуказанные транзисторы являются транзисторами n-р-n типа.
Начало 76 плоской спирали катушки индуктивности 30 подкачки энергии в первый 7 колебательный контур соединено с плюсовым выводом 77 питания, конец 78 плоской спирали катушки индуктивности 30 подкачки энергии в первый 7 колебательный контур соединен с коллектором первого 64 транзистора, начало 79 плоской спирали катушки индуктивности 31 подкачки энергии во второй 8 колебательный контур соединено с плюсовым выводом 77 питания, конец 80 плоской спирали катушки индуктивности 31 подкачки энергии во второй 8 колебательный контур соединен с коллектором второго 65 транзистора, начало 81 плоской спирали катушки индуктивности 32 подкачки энергии в третий 9 колебательный контур соединено с плюсовым выводом 77 питания, конец 82 плоской спирали катушки индуктивности 32 подкачки энергии в третий 9 колебательный контур соединен с коллектором третьего 66 транзистора, начало 83 плоской спирали катушки индуктивности 33 подкачки энергии в четвертый 10 колебательный контур соединено с плюсовым выводом 77 питания, конец 84 плоской спирали катушки индуктивности 33 подкачки энергии в четвертый 10 колебательный контур соединен с коллектором четвертого 67 транзистора, начало 85 плоской спирали катушки индуктивности 34 подкачки энергии в пятый 11 колебательный контур соединено с плюсовым выводом 77 питания, конец 86 плоской спирали катушки индуктивности 34 подкачки энергии в пятый 11 колебательный контур соединен с коллектором пятого 68 транзистора, начало 87 плоской спирали катушки индуктивности 35 подкачки энергии в шестой 12 колебательный контур соединено с плюсовым выводом 77 питания, а конец 88 плоской спирали катушки индуктивности 35 подкачки энергии в шестой 12 колебательный контур соединен с коллектором шестого 69 транзистора.
Начало 89 плоской спирали катушки индуктивности 36 считывания частоты резонансных колебаний первого 7 колебательного контура соединено с прямым входом первого 70 компаратора, на инверсный вход которого подают опорное напряжение, конец 90 плоской спирали катушки индуктивности 36 считывания частоты резонансных колебаний первого 7 колебательного контура соединен с выводом "общий" питания, начало 91 плоской спирали катушки индуктивности 37 считывания частоты резонансных колебаний второго 8 колебательного контура соединено с прямым входом второго 71 компаратора, на инверсный вход которого подают опорное напряжение, конец 92 плоской спирали катушки индуктивности 37 считывания частоты резонансных колебаний второго 8 колебательного контура соединен с выводом "общий" питания, начало 93 плоской спирали катушки индуктивности 38 считывания частоты резонансных колебаний третьего 9 колебательного контура соединено с прямым входом третьего 72 компаратора, на инверсный вход которого подают опорное напряжение, конец 94 плоской спирали катушки индуктивности 38 считывания частоты резонансных колебаний третьего 9 колебательного контура соединен с выводом "общий" питания, начало 95 плоской спирали катушки индуктивности 39 считывания частоты резонансных колебаний четвертого 10 колебательного контура соединено с прямым входом четвертого 73 компаратора, на инверсный вход которого подают опорное напряжение, конец 96 плоской спирали катушки индуктивности 39 считывания частоты резонансных колебаний четвертого 10 колебательного контура соединен с выводом "общий" питания, начало 97 плоской спирали катушки индуктивности 40 считывания частоты резонансных колебаний пятого 11 колебательного контура соединено с прямым входом пятого 74 компаратора, на инверсный вход которого подают опорное напряжение, конец 98 плоской спирали катушки индуктивности 40 считывания частоты резонансных колебаний пятого 11 колебательного контура соединен с выводом "общий" питания, начало 99 плоской спирали катушки индуктивности 41 считывания частоты резонансных колебаний шестого 12 колебательного контура соединено с прямым входом шестого 75 компаратора, на инверсный вход которого подают опорное напряжение, а конец 100 плоской спирали катушки индуктивности 41 считывания частоты резонансных колебаний шестого 12 колебательного контура соединен с выводом "общий" питания.
Первый вход 101 первого 58 элемента ИЛИ, первый вход 102 второго 59 элемента ИЛИ, первый вход 103 третьего 60 элемента ИЛИ, первый вход 104 четвертого 61 элемента ИЛИ, первый вход 105 пятого 62 элемента ИЛИ и первый вход 106 шестого 63 элемента ИЛИ являются входами запуска непрерывных незатухающих резонансных колебаний соответственно первого 7, второго 8, третьего 9, четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров.
Выход первого 58 элемента ИЛИ, выход второго 59 элемента ИЛИ, выход третьего 60 элемента ИЛИ, выход четвертого 61 элемента ИЛИ, выход пятого 62 элемента ИЛИ и выход шестого 63 элемента ИЛИ соединены соответственно с базой первого 64 транзистора, базой второго 65 транзистора, базой третьего 66 транзистора, базой четвертого 67 транзистора, базой пятого 68 транзистора и базой шестого 69 транзистора.
Эмиттер первого 64 транзистора, эмиттер второго 65 транзистора, эмиттер третьего 66 транзистора, эмиттер четвертого 67 транзистора, эмиттер пятого 68 транзистора и эмиттер шестого 69 транзистора соединены с выводом "общий" питания.
Выход первого 70 компаратора, выход второго 71 компаратора, выход третьего 72 компаратора, выход четвертого 73 компаратора, выход пятого 74 компаратора и выход шестого 75 компаратора соединены соответственно со вторым входом первого 58 элемента ИЛИ, вторым входом второго 59 элемента ИЛИ, вторым входом третьего 60 элемента ИЛИ, вторым входом четвертого 61 элемента ИЛИ, вторым входом пятого 62 элемента ИЛИ и вторым входом шестого 63 элемента ИЛИ.
Выход первого 70 компаратора, выход второго 71 компаратора, выход третьего 72 компаратора, выход четвертого 73 компаратора, выход пятого 74 компаратора и выход шестого 75 компаратора подключены к вычислительному устройству блока преобразования сигналов 6.
Элементы блока преобразования сигналов 6, кроме вычислительного устройства, могут быть размещены на внешней стороне 42 неподвижного 2 диска.
Возможен вариант исполнения инкрементного емкостного датчика угловых перемещений (не показан) с уменьшенными радиальными размерами, который может быть применен, например, в гироскопах летательных аппаратов.
В этом случае подвижный и неподвижный диски непосредственно соприкасаются между собой (на поверхности подвижного диска, обращенной к неподвижному диску, выполняют малое углубление в виде кольца). Между подвижным и неподвижным дисками присутствует смазочный материал.
При этом расстояние между проводниками, выполненными способом печати, на обращенных друг к другу сторонах подвижного и неподвижного дисков может составить от 10 мкм и до 20 мкм. Вследствие этого происходит уменьшение диаметра базовой внутренней окружности меньшего диаметра четырех секций общего электрода трех колебательных контуров на подвижном диске, а следовательно, и радиальных размеров подвижного и неподвижного дисков. При этом радиальная ширина секций, размещенных на обращенных друг к другу сторонах подвижного и неподвижного дисков (зависит от расстояния между подвижным и неподвижным дисками), может составить соответственно 0,2 мм и 0,6 мм.
Шесть плоских спиралей катушек индуктивности шести колебательных контуров могут иметь следующие параметры:
Средний диаметр плоской спирали катушки индуктивности - 5 мм;
Количество витков - 50;
Ширина витка - 20 мкм;
Расстояние между витками - 10 мкм;
Индуктивность - 16 мкГн.
Толщина проводников из меди, выполненных способом печати, на внешней стороне неподвижного диска может составить 15 мкм.
Диаметр подвижного и неподвижного дисков может составить 30 мм.
В общем случае катушки индуктивности шести колебательных контуров, катушки индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров и катушки индуктивности считывания частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров могут быть выполнены путем намотки проводом одинаковым образом на шести диэлектрических каркасах (возможно вплавление провода из серебра в спиральные проточки, выполненные на керамическом каркасе в виде цилиндра) с внешними экранами из проводникового материала и размещены на внешней стороне 42 неподвижного 2 диска. При этом емкости, индуктивности и электрические сопротивления катушек индуктивности шести колебательных контуров будут практически равны между собой.
Вследствие этого возможно повышение добротности шести колебательных контуров и возбуждение резонансных колебаний электромагнитного поля одновременно в шести колебательных контурах при небольших, например при 50 мм или 30 мм, диаметрах подвижного 1 и неподвижного 2 дисков.
Устройство работает следующим образом.
После включения питания из параллельного канала вычислительного устройства (на фиг.2 и фиг.3 не показано) блока преобразования сигналов 6 на первый вход 101 первого 58 элемента ИЛИ, первый вход 102 второго 59 элемента ИЛИ, первый вход 103 третьего 60 элемента ИЛИ, первый вход 104 четвертого 61 элемента ИЛИ, первый вход 105 пятого 62 элемента ИЛИ и первый вход 106 шестого 63 элемента ИЛИ поступают единичные положительные импульсы.
На базу первого 64 транзистора, базу второго 65 транзистора, базу третьего 66 транзистора, базу четвертого 67 транзистора, базу пятого 68 транзистора и базу шестого 69 транзистора поступают положительные импульсы, которые открывают указанные транзисторы. Вследствие этого через плоскую спираль катушки индуктивности 30 подкачки энергии в первый 7 колебательный контур, плоскую спираль катушки индуктивности 31 подкачки энергии во второй 8 колебательный контур, плоскую спираль катушки индуктивности 32 подкачки энергии в третий 9 колебательный контур, плоскую спираль катушки индуктивности 33 подкачки энергии в четвертый 10 колебательный контур, плоскую спираль катушки индуктивности 34 подкачки энергии в пятый 11 колебательный контур и плоскую спираль катушки индуктивности 35 подкачки энергии в шестой 12 колебательный контур начинают протекать токи, которые наводят ЭДС - электродвижущие силы индукции в первом 7, втором 8, третьем 9, четвертом 10, пятом 11 и шестом 12 колебательных контурах, в которых возникают резонансные колебания электромагнитного поля.
Частоты резонансных колебаний первого 7, второго 8, третьего 9, четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров измеряют путем снятия информации с плоской спирали катушки индуктивности 36 считывания частоты резонансных колебаний первого 7 колебательного контура, плоской спирали катушки индуктивности 37 считывания частоты резонансных колебаний второго 8 колебательного контура, плоской спирали катушки индуктивности 38 считывания частоты резонансных колебаний третьего 9 колебательного контура, плоской спирали катушки индуктивности 39 считывания частоты резонансных колебаний четвертого 10 колебательного контура, плоской спирали катушки индуктивности 40 считывания частоты резонансных колебаний пятого 11 колебательного контура и плоской спирали катушки индуктивности 41 считывания частоты резонансных колебаний шестого 12 колебательного контура.
С выхода первого 70 компаратора, выхода второго 71 компаратора, выхода третьего 72 компаратора, выхода четвертого 73 компаратора, выхода пятого 74 компаратора и выхода шестого 75 компаратора положительные сигналы прямоугольной формы поступают соответственно на второй вход первого 58 элемента ИЛИ, второй вход второго 59 элемента ИЛИ, второй вход третьего 60 элемента ИЛИ, второй вход четвертого 61 элемента ИЛИ, второй вход пятого 62 элемента ИЛИ и второй вход шестого 63 элемента ИЛИ (в это время на первые входы указанных элементов ИЛИ подают уровни логического нуля), а также в вычислительное устройство (на фиг. 2 и фиг. 3 не показано) блока преобразования сигналов 6.
С выхода первого 58 элемента ИЛИ, выхода второго 59 элемента ИЛИ, выхода третьего 60 элемента ИЛИ, выхода четвертого 61 элемента ИЛИ, выхода пятого 62 элемента ИЛИ и выхода шестого 63 элемента ИЛИ прямоугольные импульсы поступают соответственно на базу первого 64 транзистора, базу второго 65 транзистора, базу третьего 66 транзистора, базу четвертого 67 транзистора, базу пятого 68 транзистора и базу шестого 69 транзистора.
При открывании указанных транзисторов через плоскую спираль катушки индуктивности 30 подкачки энергии в первый 7 колебательный контур, плоскую спираль катушки индуктивности 31 подкачки энергии во второй 8 колебательный контур, плоскую спираль катушки индуктивности 32 подкачки энергии в третий 9 колебательный контур, плоскую спираль катушки индуктивности 33 подкачки энергии в четвертый 10 колебательный контур, плоскую спираль катушки индуктивности 34 подкачки энергии в пятый 11 колебательный контур и плоскую спираль катушки индуктивности 35 подкачки энергии в шестой 12 колебательный контур протекают токи, при изменении которых в первом 7, втором 8, третьем 9, четвертом 10, пятом 11 и шестом 12 колебательных контурах возникают ЭДС индукции.
Под действием ЭДС индукции в первом 7, втором 8, третьем 9, четвертом 10, пятом 11 и шестом 12 колебательных контурах возникают токи, согласные с направлением токов в плоской спирали катушки индуктивности 30 подкачки энергии в первый 7 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 31 подкачки энергии во второй 8 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 32 подкачки энергии в третий 9 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 33 подкачки энергии в четвертый 10 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 34 подкачки энергии в пятый 11 колебательный контур и плоской спирали катушки индуктивности 35 подкачки энергии в шестой 12 колебательный контур в каждый полупериод колебаний указанных колебательных контуров.
При этом в положительный полупериод колебаний в первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10, пятый 11 и шестой 12 колебательные контуры происходит подкачка энергии во время увеличения тока в плоской спирали катушки индуктивности 30 подкачки энергии в первый 7 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 31 подкачки энергии во второй 8 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 32 подкачки энергии в третий 9 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 33 подкачки энергии в четвертый 10 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 34 подкачки энергии в пятый 11 колебательный контур и плоской спирали катушки индуктивности 35 подкачки энергии в шестой 12 колебательный контур, а в отрицательный полупериод колебаний подкачка энергии происходит во время уменьшения тока.
Так как передача энергии в первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10, пятый 11 и шестой 12 колебательные контуры происходит в моменты изменения тока в плоской спирали катушки индуктивности 30 подкачки энергии в первый 7 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 31 подкачки энергии во второй 8 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 32 подкачки энергии в третий 9 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 33 подкачки энергии в четвертый 10 колебательный контур, плоской спирали катушки индуктивности 34 подкачки энергии в пятый 11 колебательный контур и плоской спирали катушки индуктивности 35 подкачки энергии в шестой 12 колебательный контур.
Таким образом, в первом 7, втором 8, третьем 9, четвертом 10, пятом 11 и шестом 12 колебательных контурах возбуждают непрерывные незатухающие резонансные колебания электромагнитного поля с подкачкой энергии в определенные моменты времени, увеличивают в эти моменты амплитуду колебаний и определяют частоту резонансных колебаний первого 7, второго 8, третьего 9, четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров.
Вышеуказанный вариант одновременного возбуждения резонансных колебаний в шести колебательных контурах используется при электромагнитной совместимости двух любых колебательных контуров между собой, плоские спирали катушек индуктивности которых расположены рядом по окружности на внешней стороне 42 неподвижного 2 диска.
На фиг. 7 и фиг. 8 двойной штриховкой показаны зоны перекрытия диапазонов измерения первого 7, второго 8, третьего 9 колебательных контуров и четвертого 10, пятого 11, шестого 12 колебательных контуров. Внутри зоны перекрытия диапазонов измерения, ширина которой составляет 0,5 градуса, происходит переключение (передача измерения углового перемещения) от первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров к четвертому 10, пятому 11 и шестому 12 колебательным контурам, и наоборот.
В общем случае с целью электромагнитной совместимости шести колебательных контуров между собой предпочтительным (особенно при небольших, например при 50 мм или 30 мм, диаметрах подвижного 1 и неподвижного 2 дисков) является раздельное возбуждение резонансных колебаний сначала в первом 7, втором 8 и третьем 9 колебательных контурах, а затем в четвертом 10, пятом 11 и шестом 12 колебательных контурах, и наоборот. При этом раздельное возбуждение резонансных колебаний производится в зонах перекрытия диапазонов измерения указанных колебательных контуров и за малое время, которое практически не влияет на быстродействие (количество отсчетов углового перемещения в единицу времени) датчика.
При раздельном возбуждении резонансных колебаний электромагнитного поля после включения питания из параллельного канала вычислительного устройства блока преобразования сигналов 6 на первый вход 104 четвертого 61 элемента ИЛИ, первый вход 105 пятого 62 элемента ИЛИ и первый вход 106 шестого 63 элемента ИЛИ подают уровни логической единицы (запрещают возбуждение резонансных колебаний электромагнитного поля в четвертом 10, пятом 11 и шестом 12 колебательных контурах), а на первый вход 101 первого 58 элемента ИЛИ, первый вход 102 второго 59 элемента ИЛИ и первый вход 103 третьего 60 элемента ИЛИ подают уровни логического нуля, а затем единичные положительные импульсы. Вследствие этого происходит возбуждение резонансных колебаний электромагнитного поля в первом 7, втором 8 и третьем 9 колебательных контурах.
При угловом перемещении подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска (направление углового перемещения на фиг.5 показано стрелкой), находящемся в диапазоне от 7,5 до 8 градусов (см. Фиг.7 и фиг.8), из параллельного канала вычислительного устройства блока преобразования сигналов 6 на первый вход 101 первого 58 элемента ИЛИ, первый вход 102 второго 59 элемента ИЛИ и первый вход 103 третьего 60 элемента ИЛИ подают уровни логической единицы (запрещают возбуждение резонансных колебаний электромагнитного поля в первом 7, втором 8 и третьем 9 колебательных контурах), а на первый вход 104 четвертого 61 элемента ИЛИ, первый вход 105 пятого 62 элемента ИЛИ и первый вход 106 шестого 63 элемента ИЛИ подают уровни логического нуля, а затем единичные положительные импульсы. Вследствие этого происходит возбуждение резонансных колебаний электромагнитного поля в четвертом 10, пятом 11 и шестом 12 колебательных контурах.
При угловом перемещении подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска, находящемся в диапазоне от 15 до 15,5 градусов, из параллельного канала вычислительного устройства блока преобразования сигналов 6 на первый вход 104 четвертого 61 элемента ИЛИ, первый вход 105 пятого 62 элемента ИЛИ и первый вход 106 шестого 63 элемента ИЛИ подают уровни логической единицы (запрещают возбуждение резонансных колебаний электромагнитного поля в четвертом 10, пятом 11 и шестом 12 колебательных контурах), а на первый вход 101 первого 58 элемента ИЛИ, первый вход 102 второго 59 элемента ИЛИ и первый вход 103 третьего 60 элемента ИЛИ подают уровни логического нуля, а затем единичные положительные импульсы. Вследствие этого происходит повторное возбуждение резонансных колебаний электромагнитного поля в первом 7, втором 8 и третьем 9 колебательных контурах и так далее.
Известно, что собственную частоту колебаний колебательного контура (см. кн. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1, т.2. - М.: Наука, 1978, в описании указанная книга обозначена как литература {1}) определяют по формуле
, литература {1}, том 2, с.254,
0
где ω - собственная частота колебаний колебательного контура (круговая или циклическая частота);
L - индуктивность колебательного контура;
С - емкость колебательного контура.
Период колебаний колебательного контура равен
, литература {1}, том 1, с.193,
где π= 3,14 ….
, литература {1}, том 1, с.193,
где f - частота колебаний.
С учетом активного (электрического) сопротивления частоту резонансных колебаний реального колебательного контура определяют по формуле
, литература {1}, том 2, с.255,
где ω - частота колебаний реального колебательного контура (круговая или циклическая частота);
R - активное (электрическое) сопротивление колебательного контура.
2
2
При 1/(L·С) намного больше R/(2·L), можно положить
, литература {1}, том 2, с.257.
Период колебаний колебательного контура по формуле Томсона равен
, литература {1}, том 2, с.254.
В дальнейшем период колебаний первого 7, второго 8, третьего 9, четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров будем определять по формуле Томсона.
Период колебаний первого 7 колебательного контура равен
,
1
где L - индуктивность первого 7 колебательного контура;
01
C - постоянная составляющая емкости первого 8 колебательного контура;
1
C - емкость между четырьмя секциями первого 3 электрода первого 7 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров;
4
С - емкость между четырьмя секциями второго 19 электрода первого 7 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров.
Период колебаний второго 8 колебательного контура равен
,
2
где L - индуктивность второго 8 колебательного контура;
02
С - постоянная составляющая емкости второго 8 колебательного контура;
2
С - емкость между четырьмя секциями первого 20 электрода второго 8 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров;
5
С - емкость между четырьмя секциями второго 21 электрода второго 8 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров.
Период колебаний третьего 9 колебательного контура равен
,
3
где L - индуктивность третьего 9 колебательного контура;
03
С - постоянная составляющая емкости третьего 9 колебательного контура;
3
С - емкость между четырьмя секциями первого 22 электрода третьего 9 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров;
6
С - емкость между четырьмя секциями второго 23 электрода третьего 9 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров.
Первый 7, второй 8 и третий 9 колебательные контуры выполнены таким образом, что постоянные составляющие емкостей и индуктивности указанных колебательных контуров практически равны между собой
,
.
При угловом перемещении подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска выполняются следующие равенства
,
1M
где C - максимальная емкость между четырьмя секциями первого 3 электрода первого 7 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров;
2M
C - максимальная емкость между четырьмя секциями первого 20 электрода второго 8 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров;
3M
C - максимальная емкость между четырьмя секциями первого 22 электрода третьего 9 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров;
4M
C - максимальная емкость между четырьмя секциями второго 19 электрода первого 7 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров;
5M
C - максимальная емкость между четырьмя секциями второго 21 электрода второго 8 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров;
6M
C - максимальная емкость между четырьмя секциями второго 23 электрода третьего 9 колебательного контура и общим электродом 4 первого 7, второго 8 и третьего 9 колебательных контуров.
Период колебаний четвертого 10 колебательного контура равен
,
4
где L - индуктивность четвертого 10 колебательного контура;
04
С - постоянная составляющая емкости четвертого 10 колебательного контура;
7
С - емкость между четырьмя секциями первого 24 электрода четвертого 10 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров;
10
С - емкость между четырьмя секциями второго 25 электрода четвертого 10 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров.
Период колебаний пятого 11 колебательного контура равен
,
5
где L - индуктивность пятого 11 колебательного контура;
05
С - постоянная составляющая емкости пятого 11 колебательного контура;
8
C - емкость между четырьмя секциями первого 26 электрода пятого 11 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров;
11
С - емкость между четырьмя секциями второго 27 электрода пятого 11 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров.
Период колебаний шестого 12 колебательного контура равен
,
6
где L - индуктивность шестого 12 колебательного контура;
06
С - постоянная составляющая емкости шестого 12 колебательного контура;
9
С - емкость между четырьмя секциями первого 28 электрода шестого 12 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров;
12
C - емкость между четырьмя секциями второго 29 электрода шестого 12 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров.
Четвертый 10, пятый 11 и шестой 11 колебательные контуры выполнены таким образом, что постоянные составляющие емкостей и индуктивности указанных колебательных контуров практически равны между собой
,
.
При угловом перемещении подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска выполняются следующие равенства
,
7M
где C - максимальная емкость между четырьмя секциями первого 24 электрода четвертого 10 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров;
8M
C - максимальная емкость между четырьмя секциями первого 26 электрода пятого 11 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров;
9M
C - максимальная емкость между четырьмя секциями первого 28 электрода шестого 12 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров;
10M
C - максимальная емкость между четырьмя секциями второго 25 электрода четвертого 10 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров;
11M
C - максимальная емкость между четырьмя секциями второго 27 электрода пятого 11 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров;
12M
C - максимальная емкость между четырьмя секциями второго 29 электрода шестого 12 колебательного контура и общим электродом 5 четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 колебательных контуров.
Введем следующие обозначения в равенства (11), (12), (13), (17), (18) и (19)
,
,
,
,
,
.
Формулы (8), (9) и (10) с учетом равенств (20), (21) и (22) в зависимости от величины углового перемещения подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска (см. фиг. 7) можно представить в виде:
В диапазоне измерения от 0 до 8 градусов
,
,
.
В диапазоне измерения от 15 до 23 градусов
,
,
.
В диапазоне измерения от 30 до 38 градусов
,
,
.
Вычислительное устройство блока преобразования сигналов 6 в зависимости от величины углового перемещения подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска (см. фиг.7) вычисляет следующие выражения:
В диапазоне измерения от 0 до 8 градусов
В диапазоне измерения от 15 до 23 градусов
В диапазоне измерения от 30 до 38 градусов
Выражения (35), (36) и (37) являются мерой измерения углового перемещения в вышеуказанных диапазонах измерения и однозначно определяют угловое перемещение подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска. Функциональную зависимость между угловым перемещением подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска и выражениями (35), (36) и (37) определяют предварительной градуировкой.
Вычислительное устройство блока преобразования сигналов 6 производит вычисление выражений
,
и
через каждые 45 градусов углового перемещения подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска в соответствующем диапазоне измерения.
Формулы (14), (15) и (16) с учетом равенств (23), (24) и (25) в зависимости от величины углового перемещения подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска (см. фиг. 8) можно представить в виде:
В диапазоне измерения от 7,5 до 15,5 градусов
,
,
.
В диапазоне измерения от 22,5 до 30,5 градусов
,
.
В диапазоне измерения от 37,5 до 45,5 градусов
,
,
.
Вычислительное устройство блока преобразования сигналов 7 в зависимости от величины углового перемещения подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска (см. фиг. 8) вычисляет следующие выражения:
В диапазоне измерения от 7,5 до 15,5 градусов
В диапазоне измерения от 22,5 до 30,5 градусов
В диапазоне измерения от 37,5 до 45,5 градусов
Выражения (50), (51) и (52) являются мерой измерения углового перемещения в вышеуказанных диапазонах измерения и однозначно определяют угловое перемещение подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска. Функциональную зависимость между угловым перемещением подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска и выражениями (50), (51) и (52) определяют предварительной градуировкой.
Вычислительное устройство блока преобразования сигналов 7 производит вычисление выражений
,
и
через каждые 45 градусов углового перемещения подвижного 1 диска относительно неподвижного 2 диска в соответствующем диапазоне измерения.
Например, при изменении геометрических размеров проводников первого 7, второго 8 и третьего 9 (или четвертого 10, пятого 11 и шестого 12) колебательных контуров вследствие изменения температуры внешней среды происходит изменение практически пропорционально постоянных составляющих емкостей и практически пропорционально емкостей между электродами указанных колебательных контуров. Вследствие этого происходит уменьшение влияния на результат измерения указанного изменения геометрических размеров проводников первого 7, второго 8 и третьего 9 (или четвертого 10, пятого 11 и шестого 12) колебательных контуров.
Таким образом, в предлагаемом инкрементном емкостном датчике угловых перемещений происходит уменьшение влияния на результат измерения изменений частоты задающего генератора (например, от температуры) вычислительного устройства блока преобразования сигналов 6, геометрических размеров проводников первого 7, второго 8 и третьего 9 (или четвертого 10, пятого 11 и шестого 12) колебательных контуров вследствие изменения температуры внешней среды, диэлектрической проницаемости внешней среды и диэлектрического материала, из которого выполнены подвижный 1 и неподвижный 2 диски, расстояния между подвижным 1 и неподвижным 2 дисками, а также непараллельности плоскостей и несоосности указанных дисков, что повышает точность измерения.
При этом происходит уменьшение влияния погрешностей изготовления проводников первого 7, второго 8 и третьего 9 (или четвертого 10, пятого 11 и шестого 12) колебательных контуров, выполненных способом печати в едином технологическом цикле, на процент выхода годных изделий (подвижный 1 и неподвижный 2 диски), что повышает технологичность изготовления.
Промышленная применимость
Предлагаемый инкрементный емкостный датчик угловых перемещений может быть изготовлен из доступных элементов и материалов в условиях радиотехнического производства. Найдет широкое применение в устройствах применения настоящего изобретения, специалистам будут очевидны и другие частные автоматизации измерения углового перемещения из описания и практические формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.