Дифференциальный емкостной датчик ограниченного угла поворота вала

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована, например, для измерения углов поворота механических устройств, а именно для преобразования ограниченного угла поворота вала в цифровой код при управлении угловым положением подвижных частей объекта регулирования.
Датчики углового положения ограниченного угла поворота вала широко применяются в качестве датчиков обратной связи в следящих электроприводах оптико-электронных систем с ограниченным углом поворота вала, в приборах для измерения углов наклона плоскостей. При переходе от аналоговых принципов построения механотронных систем слежения и регулирования к цифровым появилась необходимость создания и использования в качестве датчиков обратной связи цифровых преобразователей угла.
Известны емкостные дифференциальные датчики углового вращения вала, представляющие собой две последовательно включенные емкости, построенные конструктивно таким образом, что при вращении вала в ту или другую сторону одна из емкостей увеличивается, а другая уменьшается. Эти две емкости включены в мостовую схему измерения рассогласования, в которой напряжение с диагонали моста поступает в схему обработки сигнала датчика преобразователя «Емкость-Угол» (В.А. Ацюковский. Емкостные дифференциальные датчики перемещения. Библиотека по автоматике, выпуск 12. Госэнергоиздат, М., Л., 1960 г. Стр. 20-22.).
Известен емкостнойдатчик угловых перемещений (А.С.SU №872944, МПК G01B 7/00), содержащий многопластинчатый статор и многопластинчатый ротор, выполненный из диэлектрического материала. Ротор закреплен на оси маятникового подвеса. Недостатком датчика является узкий диапазон использования, так как датчик можно использовать только для измерения наклона плоскости.
Известен емкостнойдифференциальный датчик ограниченного угла поворота вала (Патент RU №145255, МПК G01B 7/30), содержащий двухполюсный источник питания переменного синусоидального напряжения, электрически связанный через обмотки трансформатора одним полюсом через постоянные резисторы с двумя неподвижными пластинами, выполненными в форме секторов из токопроводящего материала на диэлектрическом диске первого статора датчика, а другим полюсом - с неподвижной пластиной, выполненной в форме кольца из токопроводящего материала на диэлектрическом диске второго статора датчика, причем две неподвижные пластины первого статора связаны со схемой обработки сигнала датчика, а ротор механически связан с поворотным валом датчика и расположен соосно между первым и вторым статорами датчика с двухсторонним воздушным зазором, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде диска из двухстороннего фольгированного диэлектрика, на одной стороне которого выполнена токопроводящая пластина из фольги в виде сектора, обращенная в сторону двух неподвижных пластин первого статора датчика, а на другой стороне ротора выполнена токопроводящая пластина из фольги в виде кольца, обращенная в сторону неподвижной пластины второго статора датчика, при этом обе пластины ротора электрически связаны между собой.
Недостатком известного устройства является использование в схеме обработки сигнала согласующего трансформатора питания дифференциального емкостного датчика угла, а также необходимость обеспечения относительно высокой точности изготовления и сборки деталей и узлов датчика из-за малого зазора между токопроводящими пластинами статора и ротора. Высокая точность значений параллельности и соосности токопроводящих пластин статора и ротора необходима для обеспечения линейности преобразования датчика угла.
Наиболее близким аналогом по технической сущности, принятым за прототип, является дифференциальный емкостнойдатчик для измерения угловых перемещений (патент RU №2289785, МПК G01B 7/30), содержащий две соосно установленные с зазором и неподвижные пластины статора, между которыми помещен ротор, закрепленный на вращающемся валу, и схему обработки сигнала датчика. На одной пластине статора выполнен сплошной кольцеобразный металлический элемент, а на другой пластине статора выполнен кольцевой металлический элемент в виде, по меньшей мере, трех секторов. Ротор выполнен в виде сектора диска из цельного, предпочтительно диэлектрического, материала.
Данный датчик в результате излишней сложности электронной обработки сигнала в преобразователе «емкость-угол», а также малого порядка значений емкостей, вследствие относительно большого воздушного зазора из-за конструктивной необходимости расположения между пластинами статора сектора диэлектрического диска ротора, не дает преимуществ при использовании его в электромеханических устройствах с ограниченными углами поворота вала (менее ±90°).
Кроме того, общим недостатком всех вышеуказанных известных устройств является отсутствие цифрового выхода данных, что затрудняет их использование в цифровых системах управления приводами оптико-электронных систем
Задачей полезной модели является повышение точности измерений угловых перемещений при работе с ограниченными углами поворота вала, а также расширение функциональных возможностей за счет преобразования измеренных угловых перемещений в цифровой код.
Задача решается следующим образом.
Дифференциальный емкостнойдатчик ограниченного угла поворота вала содержит соосно установленные с зазором и неподвижно закрепленные в корпусе две параллельные пластины статора, между которыми помещен секторный ротор из диэлектрического материала, жестко закрепленный на вращающемся валу, и схема обработки сигнала датчика. Статор содержит не менее двух дифференциальных емкостных измерительных пар, равномерно размещенных на неподвижном статоре, а ротор содержит аналогичное количество секторов. Схема обработки сигнала датчика содержит преобразователь «емкость-напряжение» с встроенным генератором опорного напряжения, управляющий контроллер датчика с встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и последовательным цифровым каналом обмена, например UART или RS-485. Положительный эффект, повышение линейности и точности, достигается за счет усреднения данных нескольких дифференциальных емкостных измерительных элементов, равномерно расположенных на плате статора, и цифровой обработки результатов измерения.
Полезная модель поясняется чертежами фиг. 1 по фиг. 6.
На фиг. 1 приведен общий вид дифференциального емкостного датчика ограниченного угла поворота вала. Дифференциальный емкостнойдатчик содержит две параллельные пластины статора 1 и 2, соосно установленные и неподвижно закрепленные в корпусе 3, между которыми помещен ротор 4, неподвижно закрепленный на вращающемся валу 5, и электронная плата 6 со схемой обработки сигнала датчика.
На чертежах фиг. 2 по фиг. 5 изображены пластины 1 (фиг. 2) и 2 (фиг. 3) неподвижного статора, секторный ротор 4 из диэлектрического материала (фиг. 4) и взаимное расположение нижней пластины статора 1 и подвижного ротора 4 при «нулевом» значении измеряемого угла (фиг. 5). Датчик состоит из диэлектрических статоров 1 и 2, на которых нанесены токопроводящие печатные площадки в виде секторов, и диэлектрического секторного ротора. На приведенных чертежах фиг. 2 по фиг. 5 показан, в качестве примера, вид статоров 1 и 2 с токопроводящими печатными площадками и четырех секторного ротора 4, для диапазона измеряемых углов ϕ=(-25°…+25°). Токопроводящие полоски 7 и 8 на статорах 1 и 2 нанесены на равных расстояниях шириной ϕ° через промежуток β°, а сектора 9 на роторе 4 - шириной (ϕ+β)°. Токопроводящие полоски 7 и 8 на статоре 1 соединены через одну в две параллельные цепи, образующие дифференциальные измерительные пары конденсаторов С1 и С2. Токопроводящие полоски 7 и 8 на статоре 2 соединены между собой в параллельную цепь и предназначены для подачи синусоидального переменного опорного напряжения Uf со схемы обработки сигнала датчика. Угловые размеры каждого многосекторного печатного проводника статоров дифференциального емкостного датчика равны значению рабочего угла ϕ°. Секторный ротор 4 (фиг. 4), жестко закрепленный на оси вала 5, выполнен из диэлектрического материала с повышенной диэлектрической постоянной, например, стеклотекстолита с ε ≈ 4,7. Угловые размеры каждого сектора 9 ротора 4 равны (ϕ+β)°. Исходное положение ротора 4 и статора 1, соответствующей начальной («нулевой») точке отсчета приведено на фиг. 5, значения дифференциальных емкостей С1 и С2 статора 2 в этом положении равны между собой относительно секторов статора 2.
На фиг. 6 приведена обобщенная функциональная схема обработки сигнала дифференциального емкостного датчика ограниченного угла поворота вала с цифровым выходом данных. Она содержит дифференциальный емкостнойизмерительный элемент 7-8, преобразователь «емкость-напряжение» 10 со встроенным генератором синусоидального опорного напряжения Uf, управляющий контроллер датчика 11 со встроенными АЦП и последовательным цифровым каналом 12 обмена UART, драйвер канала RS-485.
Дифференциальный емкостнойдатчик ограниченного угла поворота вала работает следующим образом. Статор 1 содержит чередующиеся токопроводящие сектора 7 и 8, образующие дифференциальные емкостные измерительные элементы С1 и С2, относительно токопроводящих площадок статора 2. Секторный ротор 4, жестко закрепленный на оси вала 5, выполнен из диэлектрического материала с повышенной относительной диэлектрической проницаемостью, например, стеклотекстолита с ε ≈ 4,7. Исходное положение ротора и статора, соответствующей начальной точке отсчета приведено на фиг. 5, значения дифференциальных емкостей С1 и С2 статора 2 относительно секторов статора 3 в исходном положении равны между собой. При вращении ротора 4 значение одной из емкостей С1 или С2 убывает, а другой увеличивается за счет большей диэлектрической проницаемости материала ротора 4 относительно воздуха. На токопроводящие сектора статора 2 подается переменное напряжение Uf с преобразователя «емкость-напряжение» 10 схемы обработки сигнала датчика (фиг. 6), дифференциальная разность емкостей С1 и С2 преобразуется в напряжение, пропорциональное углу поворота вала, которое поступает на АЦП управляющего контроллера датчика 11 и через последовательный цифровой интерфейс 12 на выход датчика углового положения вала.
Токопроводящие сектора статоров и ротора на фольгированном диэлектрическом материале, например фольгированном стеклотекстолите, изготавливаются методом печатного монтажа. Секторный ротор изготавливается методом фрезеровки. Угловые размеры каждого из секторов дифференциального емкостного измерительного емкостного датчика угла определяются диапазонам рабочих углов датчика. Использование чередующихся параллельно соединенных N дифференциальных емкостных пар секторов статора, равномерно расположенных не пластине статора, обеспечивает электрическую редукцию в N раз, и усредняет ошибки преобразования от неточности изготовления топологии печатных плат и механического изготовления элементов статора и ротора за счет их усреднения. Преобразователь «емкость-напряжение» 10 может быть выполнен, например, на микросхеме типа 5201ТК015 (преобразователь емкость в напряжение), или, например, типа 1310НМ01 (преобразователь емкость в цифровой код). Контроллер датчика 11 может быть выполнен, например, на микроконтроллере со встроенным АЦП типа 1915ВА15.
Изготовлены экспериментальные образцы дифференциального емкостного датчика ограниченного угла поворота вала для диапазона рабочих углов от минус 22,5° до плюс 22,5° угла. В экспериментальных образцах преобразователя наружный диаметр статора ≈30 мм, внутренний ≈15 мм, использованы интегральный преобразователь «емкость-напряжение» типа 5201ТК015 и микроконтроллер типа 1913ВА015. За счет электрической редукции (в четыре раза) и цифровой обработки получена цена младшего разряда выходных данных ≈ 10'' угла.