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.).
Известен емкостный датчик для измерения угловых перемещений (патент РФ на изобретение №2289785, МПК7, G01B 7/30, Минаев И.В., Солдатов Г.Б., опубликован 20.12.2006, Бюл. №35), 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 диэлектрического материала.
Данный датчик 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 не дает преимуществ при использовании его в электромеханических устройствах с ограниченными углами поворота вала (менее ±90°).
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является емкостный дифференциальный датчик угла поворота вала (патент РФ на полезную модель №145255, МПК7, G01B 7/30, Подлевский Н.И., Малофиенко С.Г., опубликован 10.09.2014, Бюл. №25), содержащий два соосно установленных неподвижных диска статора из диэлектрического материала, между которыми помещен диск ротора, закрепленный на вращающемся валу. На одном диске статора выполнен сплошной кольцеобразный металлический элемент, а на другом диске статора выполнен кольцевой металлический элемент в виде двух секторов. Ротор выполнен в виде диска из диэлектрического материала, с одной стороны с металлическими элементами виде кольца, а с другой стороны в виде сектора.
Данное устройство не дает преимуществ в повышении крутизны выходной характеристики датчика из-за использования мостовой схемы обработки сигнала рассогласования.
Предлагаемая полезная модель направлена на расширение области применения емкостных дифференциальных датчиков.
Технический результат заключается в повышение крутизны выходной характеристики сигнала за счет включения емкостей датчика, создаваемых токопроводящими пластинами статора и ротора, в схему генератора, реализованного на основе R-S триггера.
Технический результат достигается тем, что двухполюсный источник питания постоянного тока своими полюсами связан с шинами питания схемы обработки сигнала, двух логических элементов НЕ и R-S триггера, прямой выход которого связан с входом первого элемента НЕ, выход которого связан с входом второго элемента НЕ, выход которого через резистор R2 связан с входом триггера R и анодом диода VD2, катод которого связан с выходом второго элемента НЕ, а выход первого элемента НЕ через резистор R1 связан с входом триггера S и анодом диода VD1, катод которого связан с выходом первого элемента НЕ, при этом входы триггера S и R связаны, соответственно, с секторами токопроводящих пластин первого статора, а кольцевая пластина второго статора связана с минусовой шиной питания двухполюсного источника и инверсный выход R-S триггера связан с входом схемы обработки сигнала.
Устройство емкостного дифференциального датчика угла поворота вала представлено на Фиг. 1 (структурно-функциональная схема) и Фиг. 2 (эпюра выходного сигнала).
Емкостной дифференциальный датчик угла поворота вала содержит двухполюсный источник питания 1 постоянного тока (фиг. 1, а), который своими полюсами («+» и «-») подключается к R-S триггеру 2, двум элементам НЕ 17, 18, схеме обработки сигнала 16 и отрицательным полюсом к кольцевой пластине 15 второго статора 6 (вых. 3 электромеханического устройства 3). Выход R-S триггера 2 связан с входом первого элемента НЕ 17, выход которого связан с входом второго элемента НЕ 18, выход которого через резистор R2 связан с входом триггера R и анодом первого диода VD2, катод которого связан с выходом второго элемента НЕ 18, а выход первого элемента НЕ 17 через резистор R1 связан с входом триггера S и анодом второго диода VD1, катод которого связан с выходом первого элемента НЕ 17, при этом входы триггера S и R связаны, соответственно, с секторами токопроводящих пластин 10 и 11 первого статора 4, а инверсный выход R-S триггера 2 связан с входом схемы обработки сигнала 16. При этом конденсаторы C1, С2, С3, образованные токопроводящими пластинами датчика, 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, а).
На статоре 4, со стороны ротора, выполнены в форме секторов из токопроводящего материала на диэлектрическом диске две пластины 10 и 11 (Фиг. 1, б), образующие, через воздушный зазор, совместно с пластиной 12 ротора 5 (Фиг. 1г) конденсаторы С1 и С2. 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 С1 и С2. При повороте вала в ту или другую сторону (±α) одна из емкостей (С1 или С2) увеличивается, а другая - уменьшается, тем самым формируется рассогласование сигнала.
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 (Фиг. 1, г).
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 С3 постоянной емкости. С неподвижных контактов пластин 10, 11, 15 конденсаторов C1, С2, С3 проводами выполнены выходы сигналов - Вых. 1, Вых. 2 и Вых. 3, при этом Вых. 1 и Вых. 2 подключены к постоянным резисторам R2 и R1 соответственно, а Вых. 3 подключен к минусовой шине (общему проводу) двухполюсного источника питания 1.
Схема обработки 16 преобразует сигнал рассогласования F, который поступает с инверсного выхода R-S триггера 2 и представляет собой меандр (Фиг. 2) с частотой f=1/Т (например, в конкретной реализации датчика частота сигнала рассогласования составила 50 кГц), где t - текущее время, Т-период следования прямоугольных импульсов генератора, в удобную информационную форму сигнала датчика угла поворота вала 7.
н
2
н
н
1
Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения питания постоянного тока с двухполюсного источника питания 1 на шины питания схемы обработки сигнала 16, двух логических элементов НЕ (17, 18) и R-S триггера 2, запускается работа генератора, реализованного на R-S триггере 2, двух логических элементах НЕ (17, 18), резисторах R1, R2, диодах VD1, VD2, емкостях С1 и С2, в результате на инверсном выходе F триггера 2 формируются прямоугольные импульсы с частотой f, определяемой параметрами R1, R2, С1 и С2 датчика. Длительность импульсов t (Фиг. 2) будет равна / Т при нахождении вала 7 в нейтральном положении, когда 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 С1 и С2. При этом формируется сигнал F прямоугольной формы со скважностью Т/t равной двум, т.е. длительность импульсов t будет равна длительностям пауз сигнала.
И
При перемещении вала 7 из нейтрального положения, ротор 5 и статор 4 электромеханического устройства 3 датчика своими пластинами 10, 11 и 12 через зазор, в результате отклонения от симметричного взаимного расположения в ту или другую сторону, создают не равные емкости С1 и С2, пропорционально изменяющиеся (увеличение С1 и уменьшение С2 или наоборот) перемещению вала 7. При этом формируется сигнал F прямоугольной формы (рис. 2) со скважностью, изменяющейся на ±Δt пропорционально перемещению вала 7 в пределах ± 45 градусов. Так как емкости С1 и С2 датчика непосредственно участвуют в генерации сигнала рассогласования, в скважности которого заложена информация о положении ротора 5 и вала 7 датчика, крутизна характеристики выходного сигнала возрастает на 25-30%, упрощается схема обработки сигнала и выделения его информационной части в удобную форму регистрации.