ЕМКОСТНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения угла поворота вала механического устройства.
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 с помощью резисторов включены в мостовую схему измерения рассогласования, в которой напряжение с диагонали моста поступает в схему обработки сигнала датчика (В.А. Ацюковский. Емкостные дифференциальные датчики перемещения. Библиотека по автоматике, выпуск 12. Госэнергоиздат, М., Л., 1960 г. Стр. 20-22.).
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является емкостной датчик для измерения угловых перемещений (патент РФ на изобретение №2289785, МПК 7, G01B 7/30, Минаев И.В., Солдатов Г.Б., опубликован 20.12.2006), содержащий две соосно установленные и неподвижные пластины статора, между которыми помещен ротор, закрепленный на вращающемся валу. 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 не дает преимуществ при использовании его в электромеханических устройствах с ограниченными углами поворота вала (менее ±90°) в результате излишней сложности электронной обработки сигнала, а также малого порядка значений емкостей вследствие относительно большого воздушного зазора из-за конструктивной необходимости расположения между пластинами статора сектора диэлектрического диска ротора.
В предлагаемом устройстве указанный технический результат достигается за счет максимального приближения токопроводящих пластин статора и ротора (выполненных в виде дисков из двухстороннего фольгированного диэлектрика) друг к другу и дифференциального включения резистивно-емкостного моста датчика в схему обработки сигнала рассогласования.
Устройство емкостного дифференциального датчика угла поворота вала представлено на Фиг. 1 (структурно-функциональная схема) и Фиг. 2 (конструктивная схема).
Емкостной дифференциальный датчик угла поворота вала содержит двухполюсный источник питания 1 переменного синусоидального напряжения, который через обмотки трансформатора 2 запитывает резистивно-емкостной мост, состоящий из R1, R2, C1, C2, C3. При этом конденсаторы конструктивно выполнены в электромеханическом устройстве 3, состоящем из первого статора 4, ротора 5, второго статора 6, поворотного вала 7 и корпуса 8. Статоры 4, 6 расположены в корпусе 8 соосно с осью вращения вала 7 и ротора 5, жестко связанного с валом 7 механического устройства 9 (Фиг. 1).
На статоре 4 (Фиг.2а), со стороны ротора, выполнены в форме секторов из токопроводящего материала на диэлектрическом диске две пластины 10 и 11 (Фиг.2б), образующие, через воздушный зазор, совместно с пластиной ротора 12 (Фиг.2г) конденсаторы C1 и C2. Пластина 12 ротора 5, выполненного в виде диска из двухстороннего фольгированного диэлектрика, имеет форму сектора и обращена в сторону статора 4 так, что в нейтральном положении поворотного вала 7 образует через зазор с пластинами 10, 11 статора 4 равные площади перекрытия, т.е. равные емкости C1 и C2. При повороте вала в ту или другую сторону (±α) одна из емкостей (C1 или C2) увеличивается, а другая - уменьшается, тем самым формируется рассогласование сигнала на диагонали моста R1, R2, C1, C2.
Для устранения скользящего контакта при передаче сигнала рассогласования, на второй стороне ротора 5 выполнена пластина 13 в форме кольца, обращенная к статору 6. Пластины 12 и 13 ротора электрически связаны друг с другом проводом 14.
На стороне статора 6, обращенной к ротору 5, выполнена пластина 15 (Фиг.2в) в форме кольца из токопроводящего материала на диэлектрическом диске, которая с пластиной 13 ротора 5, через зазор, образует конденсатор C3 постоянной емкости. С неподвижных контактов пластин 10, 11, 15 конденсаторов C1, C2, C3 проводами выполнены выходы сигналов - Вых. 1, Вых. 2 и Вых. 3, при этом Вых. 1 и Вых. 2 подключены к постоянным резисторам R1 и R2 соответственно, а Вых. 3 подключен к обмотке трансформатора 2.
Вых. 1 и Вых. 2 подключены также на вход схемы обработки 16 сигнала рассогласования моста R1, R2, C1, C2, которая преобразует напряжение с диагонали моста в удобную (требуемую) форму сигнала датчика угла поворота вала 7.
Устройство работает следующим образом.
При питании моста R1, R2, C1, C2 переменным синусоидальным током от источника питания 1 через трансформатор 2 и развязывающий конденсатор C3, на диагонали моста формируется синусоидальное напряжение, которое содержит информацию о величине емкостей датчика C1 и C2, величины которых меняются пропорционально углу поворота вала. Диагональ моста по дифференциальной схеме подключена на вход схемы обработки сигнала 16 датчика, в которой измеряются разности фаз напряжений плеч моста и, например, формируется переменный прямоугольный сигнал, частота которого равна частоте источника питания 1, а его длительность (или скважность) пропорциональна углу поворота вала 7.
При нахождении вала 7 в нейтральном положении, ротор 5 и статор 4 электромеханического устройства 3 датчика своими пластинами 10, 11 и 12 через зазор, в результате симметричного взаимного расположения, создают равные емкости C1 и C2. При этом схема обработки сигнала 16 сформирует на выходе переменный прямоугольный сигнал со скважностью равной двум, т.е. его длительность будет равна паузе.
При угловом перемещении вала 7 в ту или другую сторону на угол ±α (в пределах ±90°), пластина 12 ротора 5 переместится относительно пластин 10 и 11 статора 4, нарушая симметричное взаимное расположение пластин и создавая разные величины емкостей C1 и C2. При этом схема обработки сигнала 16 сформирует на выходе переменный прямоугольный сигнал, скважность которого будет или меньше, или больше двух, в зависимости от направления поворота вала 7 от нейтрального положения и будет пропорциональна углу поворота.