Емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений
CAPACITIVE ABSOLUTE ANGULAR DISPLACEMENT TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточных абсолютных измерений угловых перемещений.
При типовом построении емкостного преобразователя угловых перемещений, он обычно содержит как минимум одну кольцевую пластину статора - излучателя, неподвижно закрепленную в корпусе, а также установленную параллельно и соосно с ней кольцевую пластину ротора, жестко закрепленную на валу преобразователя. Пластины статора и ротора выполнены из диэлектрического материала с нанесенными на них взаимно перекрывающимися токопроводящими обкладками, образующими между собой емкостные элементы. Степень взаимного перекрытия обкладок емкостных элементов определяется углом поворота ротора, обеспечивая взаимно-однозначное соответствие между положением вала и параметрами информационных сигналов, формируемых на выходе преобразователя.
Известны различные типы емкостных преобразователей угловых перемещений, например, патент US 6492911 B1, обеспечивающие измерение абсолютного угла поворота вала преобразователя, в том числе при статическом начальном положении.
С целью увеличения точности преобразователя у этих преобразователей к абсолютной шкале (шкале грубого отсчета) добавлена инкрементная шкала (шкала точного отсчета), обеспечивающая однозначное определение относительного угла поворота вала преобразователя в пределах a=360°/n, где a - период шкалы точного отсчета, n - целое положительное число, равное количеству полюсов шкалы [US 6492911 В1, RU №2724150,].
Известен также емкостной преобразователь угловых перемещений [RU 67705 U1], содержащий неподвижную пластину статора и подвижную пластину ротора, выполненные из диэлектрического материала, на которых расположены токопроводящие дорожки и обкладки шкал грубого и точного отсчета. На пластине статора преобразователя расположены четыре секционированные дорожки точного отсчета с обкладками, сдвинутыми друг относительно друга на величину, равную четверти периода точного отсчета α/4, и четыре обкладки грубого отсчета, сдвинутые друг относительно друга на 90°. На пластине ротора преобразователя, установленной по отношению к пластине статора в параллельной плоскости и возможностью перемещения в направлении изменения площади взаимного перекрытия обкладок, расположена дорожка грубого отсчета с обкладкой, выполненной в форме полукольца, и секционированная кольцевая дорожка точного отсчета. Выходы всех дорожек соединены с преобразователем емкость-код.
Недостатком указанного преобразователя является необходимость подключения дорожек пластины ротора к внешнему электронному блоку (преобразователю емкость-код), что существенно усложняет конструкцию преобразователя и накладывает ограничения на условия его эксплуатации и срок службы. Кроме того, последовательный опрос текущих значений кодов точного и грубого отсчета ограничивает допустимую скорость вращения вала вследствие большого количества математических операций, необходимых для вычисления текущего значения угла.
Наиболее близким к настоящему изобретению, выбранному в качестве прототипа, по технической сущности является емкостной преобразователь угловых перемещений, описанный в патенте RU №2724150, опубл. 22.06.2020. Известный емкостной преобразователь угловых перемещений содержит две кольцевые пластины статора и кольцевую пластину ротора, расположенную соосно между ними, выполненные из диэлектрического материала, на которых расположены токопроводящие дорожки и обкладки шкал грубого и точного отсчета, причем пластина ротора жестко закреплена на валу преобразователя, соединенного с перемещающимся объектом, также генератор переменного напряжения к которому подключена обкладка, выполненная в виде кольца, одной из пластин статора, и электронный блок преобразования и обработки сигналов, к которому подключены приемные обкладки шкал точного и грубого отсчета, расположенные на другой пластине статора, при этом шкала точного отсчета преобразователя образована из 4⋅n идентичных сегментов четырех приемных обкладок, где n - целое положительное число, равное количеству полюсов точной шкалы отсчета, сдвинутых друг относительно друга на величину, равную четверти периода шкалы точного отсчета, и пары радиально симметричных электрически связанных площадок n-го порядка, зеркально расположенных с двух сторон пластины ротора, шкала грубого отсчета выполнена в виде кодовой псевдослучайной последовательности электрически связанных обкладок, расположенных зеркально с двух сторон пластины ротора, и 2⋅n идентичных приемных обкладок пластины статора, сдвинутых друг относительно друга на величину, кратную половине периода шкалы точного отсчета. Шкала грубого отсчета преобразователя выполнена в виде кодовой псевдослучайной последовательности, образованной серией из 2⋅n идентичных площадок на второй пластине статора, сдвинутых друг относительно друга на величину, кратную половине периода шкалы точного отсчета α/2, и серией попарно электрически соединенных, симметрично расположенных с двух сторон пластины ротора обкладок, сдвинутых друг относительно друга на величину, кратную периоду шкалы точного отсчета а.
Недостатками данного преобразователя являются: высокая сложность повышения разрешающей способности грубого отсчета; отсутствие компенсации осевого и радиального биения ротора, что ограничивает величину возможных отклонений ротора; сложность схемы блока детектирования напрямую зависит от количества разрядов; помехозащищенность при использовании компараторов, и недостаточном контрасте и равномерности сигнала с пластин грубого отсчета, в том числе и при биении ротора, будут приводить к потере координаты (код перестанет быть абсолютным).
Техническим результатом настоящего изобретения является создание абсолютного преобразователя угловых перемещений, характеризующегося повышенной точностью измерений и улучшенной помехозащищенностью в условиях воздействия электромагнитных помех.
Сущность изобретения заключается в том, что емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений, содержит две кольцевые пластины статора и кольцевую пластину ротора, расположенную соосно между ними, Пластины выполнены из диэлектрического материала, на них расположены токопроводящие дорожки и обкладки шкал грубого и точного отсчета, причем пластина ротора жестко закреплена на валу преобразователя, соединенного с перемещающимся объектом. Также преобразователь содержит генератор переменного напряжения к которому подключена обкладка, выполненная в виде кольца, одной из пластин статора, и электронный блок преобразования и обработки сигналов, к которому подключены приемные обкладки шкал точного и грубого отсчета, расположенные на другой пластине статора, при этом приемные обкладки шкал точного и грубого отсчета преобразователя, выполненные идентичными по принципу нониуса, состоят из одинакового целого числа сегментированных обкладок в каждом из четырех секторов кольцевой пластины статора, при этом расстояние между центрами приемных обкладок рассчитывают по формуле 1 описания, а ширину приемных обкладок рассчитывают по формуле 2, причем каждые четыре сегментированные приемные обкладки, расположенные друг за другом, образуют равное целое число считывающих узлов в каждом секторе преобразователя. Соответствующие обкладки приемных узлов электрически соединены между собой.
Новизна заключается в том, что шкала грубого отсчета преобразователя и шкала точного отсчета идентичны, выполнены по принципу нониуса, при этом шкала грубого отсчета может содержать одну или две дорожки, что позволяет повысить точность измерений преобразователя. Кроме того, расположение обкладок шкал с расчетным расстоянием, позволяющим не соприкасаться друг с другом, обеспечивает в условиях воздействия электромагнитных помех улучшение помехозащищенности преобразователя и повышение контраста.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 схематично показаны основные конструкционные элементы преобразователя.
На фиг. 2 показана блок-схема электронного блока преобразователя, при выполненных обкладках шкал точного и грубого отсчета в виде нониуса.
На фиг. 3 показаны обкладки пластины ротора, шкал точного и грубого отсчета преобразователя.
На фиг. 4 показаны приемные обкладки шкал точного и грубого отсчета преобразователя, выполненные в виде нониуса; шкала грубого отсчета имеет две дорожки.
На фиг. 5 показаны обкладки пластины ротора шкал точного и грубого отсчета преобразователя, выполненные в виде нониуса; шкала грубого отсчета имеет две две дорожки.
На фиг. 6 и 7 показан принцип модуляции несущего сигнала ротором преобразователя.
На фиг. 8 показано перекрытие обкладкой синусоидальной формы приемной пластины.
Заявляемый абсолютный емкостной преобразователь угловых перемещений содержит статор, состоящий из двух дискообразных диэлектрических пластин 2 и 4 (пластины статора), ротор, состоящий из дискообразной диэлектрической пластины 3 (пластины ротора) и вала 1 (фиг. 1), электронный блок, содержащий (фиг. 2) генератор переменного напряжения 7, блок буферных усилителей 8, блок детектирования 9 и блок аналого-цифрового преобразования и обработки сигналов 10.
На пластинах статора 2 и 4 и пластине ротора 3, установленных соосно с воздушными зазорами 5 и 6 (фиг. 1) расположены токопроводящие дорожки и обкладки шкал точного и грубого отсчета, выполненные по принципу нониуса идентичными.
На стороне 11 пластины статора 2 (фиг. 3) расположена кольцеобразная обкладка 12, соединенная с генератором напряжения 7 (далее обкладка генератора), напротив которой на стороне 13 пластины статора 4 расположены приемные обкладки 14, подключенные к блоку буферных усилителей 8 электронного блока.
Приемная шкала точного отсчета 17а (фиг. 4) выполнена в виде четырех секторов, с величиной угла каждого сектора 2π/4. Каждый сектор состоит из одинакового целого числа сегментированных приемных обкладок, причем каждые четыре сегментированные приемные обкладки (15а, 15b, 15с и 15d), расположенные друг за другом, образуют равное целое число считывающих узлов в каждом секторе преобразователя, при этом расстояние между центрами приемных обкладок рассчитывают по формуле:
где
n = от 0 до ∞ (при n=0 ширина приемных обкладок должна быть ), для заявляемого преобразователя n=1,
m - число приемных узлов в секторе,
ϕ - угол сектора не содержащий обкладки узлов.
Ширину приемных обкладок преобразователя рассчитывают по формуле:
Приемная шкала грубого отсчета, состоящая, например из двух дорожек 17b и 17с (фиг. 4), с сегментированными приемными обкладами 15e,15f,15g.15h и 15i,15j.15k.15l соответственно, выполнены идентично приемной шкале точного отсчета 17а, и также образуют равное целое число считывающих узлов в каждом секторе преобразователя.
Кроме того, приемные обкладки шкал точного и грубого отсчета, сдвинутые друг относительно друга на величину, равную 4L, идентичны и электрически соединены между собой токопроводящими дорожками 16а, 16b, 16с. (фиг. 4).
Количество периодов на каждой из дорожек точного отсчета и грубого отсчета, различны и должны соответствовать принципу нониуса, а именно в каждом периоде шкалы точного отсчета разность фаз сигналов с приемных пластин точного и грубого отсчетов, не повторяется на всем обороте.
С двух сторон пластины ротора (фиг. 5) преобразователя расположены зеркально симметричные попарно электрически связанные токопроводящие обкладки шкалы точного и шкалы грубого отсчета. Шкала точного отсчета ротора содержит одну пару обкладок 18а и 18b, выполненных в виде радиально симметричных площадок. Шкала грубого отсчета ротора содержит одну или две пары обкладок 18с и 18d, 18е и 18f, выполненных в виде радиально симметричных площадок (на фиг. 5 - две пары обкладок шкалы грубого отсчета).
Обкладка генератора 12 (фиг. 3) с каждой из приемных обкладок 15а..15l объединены по кругу через пластины ротора 3, и образуют емкостной делитель напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных плоских конденсаторов С1 и С2. Величина емкости конденсатора С2, образованного обкладками, расположенными с двух сторон единственной пластины статора 2, постоянна. Величина емкости конденсатора С1 зависит от степени перекрытия приемной обкладки 15a..15d и обкладок пластины ротора 18а, 18b - для шкалы точного отсчета, 15e..15h и 18с, 18d, и 15i..15 и 18е, 18f - для шкалы грубого отсчета, и в первом приближении равна:
где
S - площадь приемной обкладки 18a..18d;
d - расстояние между обкладкой генератора 12 и приемной обкладкой,
rt
d - толщина пластины ротора,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала пластины ротора,
k=S/Smet - степень перекрытия приемной обкладки и обкладок ротора,
Smet - площадь перекрытия обкладок. На приемных обкладках наводится напряжение амплитудой
где
Ugen - амплитуда напряжения генератора 7.
Каждая из приемных обкладок подключена к соответствующему входу блока буферных усилителей 8 электронного блока преобразователя.
В одном из возможных исполнений (фиг. 8), генератор подключен к единственной обкладке 12 пластины статора 2, а приемные обкладки - к буферным усилителям электронного блока преобразователя.
Форма приемных обкладок шкалы точного и грубого отсчета 15a..15d, 15e..15h, 15L.15l (фиг. 4) и соответствующих обкладок пластины ротора 18а и 18b, 18с и 18d, 18f и 18g (фиг. 5) выбрана такой, что зависимость степени перекрытия, а, следовательно, и амплитуды напряжения на приемных обкладках 15a..15d, 15e..15h, 15i..15l, от угла поворота ротора носит гармонический характер. Поскольку приемные обкладки 15a..15d сдвинуты друг относительно друга таким образом, что огибающие амплитудно-модулированных сигналов, наводимых на приемных обкладках шкалы точного отсчета, имеют фазы 0, π/2, и 3π/2, соответственно.
Сигналы огибающих амплитудно-модулированных сигналов каждого из каналов точного и грубого отсчетов подаются, на блок детекторов, на выходе которых формируется две или три группы ортогональных координатно-периодических сигнала +Usin, -Usin, +Ucos, -Ucos, однозначно определяющих угол поворота ротора в пределах одного периода шкалы точного отсчета. Далее, группы сигналов +Usin, -Usin, +Ucos, -Ucos оцифровываются специализированным АЦП (интерполятором) блока аналогово-цифрового преобразования и обработки сигналов 10.
Таким образом, в заявляемом изобретении предложено новое выполнение считывающих узлов, что в свою очередь позволяет:
- укрупнить считывающие узлы;
- повысить разрешение, за счет увеличения количества периодов точного и грубого отсчета, не уменьшая технологические нормы для производства ротора и статоров в данном габарите преобразователя, что в свою очередь повышает точность измерений.
- улучшить помехоустойчивость преобразователя, за счет большего расстояния между соседними приемными обкладками
- повысить контраст, при этом сохранив достаточную общую емкость приемных обкладок (фиг. 8) показано перекрытие обкладкой синусоидальной формы приемной пластины.
Контраст Майкельсона (также известный как видимость) часто используется для моделей, где оба яркие и темные черты являются эквивалентными и занимают подобные участки территории (например, синус-волны решеток). Контраст Майкельсона определяется как
где Imax, и Imin представляют собой наибольшие и наименьшие яркости, K - контраст, С - некое смещение.
где
.