ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ
INDUCTIVE POSITION SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений, с помощью преобразователя перемещения индукционного типа.
Известен «Бесконтактный датчик положения с взаимной индуктивностью» по патенту Франции: FR 2830614 А1 от 11.04.2003 г., МПК G01D 5/22 - [1], содержащий нанесенные печатные прямоугольные обмотки на пластинах из диэлектрического материала, рядом с обмотками находятся пластины из материала с высокой магнитной проницаемостью и ферромагнитные площадки, между которыми находится перемещаемый магнит, положение которого определяется по возмущению электромагнитного поля между ферромагнитными площадками.
Недостатком известного изобретения является то, что печатные обмотки связаны через магнитный контур, магнитная проницаемость материала которого очень сильно зависит от температуры, что требует усложнения конструкции датчика, введением температурной компенсации. Кроме того, наличие магнитного контура позволяет использовать только низкий диапазон рабочих частот, что также снижает точность измерения.
Известен «Индукционный преобразователь линейных перемещений» по а.с. СССР №1516751 от 23.10.1989 г., МПК G01B 7/00 - [2], содержащий подвижную и неподвижную части из диэлектрического материала в виде коаксиальных трубок и продольными разрезами и с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными обмотками, активные проводники которых взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом.
Также известен «Датчик положения» по патенту США US 2942212 от 21.06.1960 г., Кл. 336-30 - [3], содержащий подвижную и неподвижную части из диэлектрического материала с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными обмотками, активные проводники которых взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом.
Направление перемещения подвижной части относительно неподвижной в аналогах [2] и [3] осуществляется перпендикулярно активным длинным проводникам зигзагоподобных прямоугольных катушек. Такое перемещение катушек друг относительно друга существенно усложняет схему обработки сигналов от датчика, снижает ее надежность и повышает стоимость производства.
Прототипом предложенного технического решения является «Катушка индуктивного измерительного преобразователя» по авторскому свидетельству СССР №1552240 от 23.03.1990 года, МПК H01F 15/14, G01B 7/00 - [4], содержащая неподвижное диэлектрическое основание с размещенной на ее поверхности зигзагоподобной обмоткой в виде распределенных на поверхности основания одинаковых четырехугольных разомкнутых ячеек и подвижную часть в виде якоря, который может быть изготовлен из диэлектрика - измеряет емкость обмотки, электропроводника - измеряет добротность обмотки, или ферромагнетика - измеряет индуктивность обмотки.
Недостатком прототипа [4] является выполнение сложного геометрического канала в слое диэлектрика, укладка в него проводника обмотки и ее закрепление, что существенно усложняет технологию производства и ее стоимость. Кроме того, показания прототипа сильно зависят от температуры, при которой происходит его эксплуатация.
Исходя из вышеприведенных недостатков аналогов и прототипа, возникают задачи по расширению диапазона измерений, упрощения конструкции датчика и повышения точности измерений им линейных перемещений.
Поставленная задача решается тем, что
индукционный датчик положения, содержащий неподвижную часть и подвижную часть, установленную с возможностью перемещения относительно неподвижной части с одной степенью свободы, неподвижная и подвижная части датчика выполнены из диэлектрического материала, обращены друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, при этом подвижная часть установлена с возможностью перемещения относительно неподвижной части вдоль активных длинных проводников зигзагоподобных прямоугольных катушек. Неподвижная часть индукционного датчика положения может содержать две идентичные катушки, установленные вдоль направления перемещения подвижной части с катушкой, которая при этом расположена в первоначальном состоянии по центру между неподвижными катушками неподвижной части.
Введение отличительного признака: «подвижная часть установлена с возможностью перемещения относительно неподвижной части вдоль активных длинных проводников зигзагоподобных прямоугольных катушек» необходимо для существенного расширения диапазона измерений, а также для упрощения конструкции датчика. Такое перемещение катушек друг относительно друга существенно упрощает схему обработки сигналов от датчика и позволяет увеличить рабочие частоты датчика и, следовательно, увеличить его точность.
Выполненные на неподвижных и подвижных частях катушки по технологии печатных плат содержат тонкий слой металла, которому навязываются свойства подложки печатной платы. А подложка - пластина из композитного материала, как известно, обладает малыми коэффициентами линейного и объемного теплового расширения, что обеспечивает стабильность измерения в широких диапазонах температур.
Введение отличительного признака: «неподвижная часть индукционного датчика положения содержит две идентичные катушки, установленные вдоль направления перемещения подвижной части с катушкой, которая при этом расположена в первоначальном состоянии по центру между неподвижными катушками неподвижной части» необходимо для повышения точности измерений линейных перемещений заявленным индуктивным датчиком перемещения. Кроме того, существенно повышается температурная стабильность работы датчика, за счет работы на разностном сигнале от двух неподвижных катушек, которые идентичны по температурным характеристикам.
По второму пункту формулы заявляемого технического решения известно выполнение «Схемы с линейно регулируемым дифференциальным трансформатором LVDT в качестве датчика перемещения или датчика силы и способ использования такой схемы» по патенту Германии №10313021 В3 от 02.09.2004 года, МПК G01B 7/02 - [5], с одной первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками, выходы которых через соответственно два интегратора подсоединены к сумматору, выход которого подключен к разъему внешнего электрического устройства.
Однако в известном аналоге [5] и в заявляемом техническом решении имеются существенные отличия. Так, в аналоге [5] из задающего генератора на первичную обмотку подаются «треугольные» сигналы (импульсы) с регулируемыми передними и задними фронтами, а в заявляемом техническом решении из задающего генератора на первичную обмотку подаются синусоидальные сигналы, и между катушками нет сердечника, что позволяет повысить рабочие частоты и соответственного чувствительность индукционного датчика.
На фиг.1 представлены неподвижная и подвижная части индукционного датчика перемещения из диэлектрического материала, с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности (вид на катушки). На фиг.2 - вид неподвижной и подвижной частей индукционного датчика перемещения в рабочем состоянии (неподвижная и подвижная части индукционного датчика перемещения обращены друг к другу катушками). На фиг.3 - неподвижная часть датчика с двумя катушками и подвижная часть датчика с одной катушкой (вид на катушки). На фиг.4 - вид неподвижной и подвижной частей датчика по фиг.3 в рабочем состоянии (неподвижная и подвижная части индукционного датчика перемещения обращены друг к другу катушками). На фиг.5 - вид индукционного датчика перемещения по фиг.3 и по фиг.4, установленного в прибор для испытания датчика. На фиг.6 - эквивалентная схема индукционного датчика перемещения из одной неподвижной и одной подвижной катушек. На фиг.7 - схемотехническое решение для обеспечения работоспособности датчика по фиг.6. На фиг.8 - эквивалентная схема индукционного датчика перемещения из двух неподвижных и одной подвижной катушек. На фиг.9 - схемотехническое решение для обеспечения работоспособности датчика по фиг.8.
Индукционный датчик положения содержит неподвижную 1 и подвижную 2 части с возможностью перемещения подвижной 2 части относительно неподвижной 1 части с одной степенью свободы. Неподвижная 1 и подвижная 2 части датчика выполнены из диэлектрического материала и обращены друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно 3 и 4, с пассивными короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом. При этом подвижная 2 часть установлена с возможностью перемещения относительно неподвижной 1 части вдоль активных длинных проводников зигзагоподобных прямоугольных катушек 3 и 4. Другими словами направление перемещения подвижной части 2 относительно неподвижной 1 осуществляется параллельно активным длинным проводникам зигзагоподобных прямоугольных катушек 3 и 4. Неподвижная часть индукционного датчика положения может содержать две идентичные катушки 3 и 5, установленные вдоль направления перемещения подвижной части 2 с катушкой 4, которая при этом расположена в первоначальном состоянии по центру между неподвижными катушками 3 и 5 неподвижной части 1. Прибор для испытания индукционного датчика перемещения с двумя неподвижными (3 и 5) и одной подвижной катушкой 4 содержит основание 6 и подвижную каретку 7, катушки 3 и 5 соединены с устройством обработки сигналов неподвижными проводами 8, а катушка 4 - гибкими проводами 9.
Для объяснения работы индукционного датчика перемещения могут быть применены эквивалентные схемы в виде трансформатора - фиг.6 или дифференциального трансформатора - фиг.8, с линейно изменяющимся коэффициентом связи между катушками. Для обеспечения работоспособности индуктивных датчиков перемещения по структурным схемам фиг.6 и фиг.8 могут быть использованы типовые схемотехнические решения, представленные соответственно на фиг.7 и фиг.9.
На фиг.7: Г - генератор синусоидального сигнала питания катушки 4 подвижной части 2; ПД - пиковый детектор; У - усилитель масштабный; Uвых - аналоговый выходной сигнал с катушки 3, пропорциональный перемещению подвижной части 2 с катушкой 4.
На фиг.9: Г - генератор синусоидального сигнала питания катушки 4 подвижной части 2; ПД1 - пиковый детектор катушки 3 неподвижной части 1; ПД2 - пиковый детектор катушки 5 неподвижной части 1; У - усилитель масштабный разностного сигнала; Uвых - аналоговый выходной сигнал, пропорциональный перемещению подвижной части 2 с катушкой 4.
Реально для рабочих частот порядка 2-х МГц в габаритных размерах подвижной 2 части 42×22 мм и неподвижной 1 части 84×22 мм, шагом проводников катушек 4, 3 и 5, равным 0,8 мм, при ширине проводников 0,5 мм и воздушном зазоре между подвижной и неподвижной частью 0,2 мм рабочая зона по перемещению подвижной части 2 составляет 30 мм. Диапазон изменения выходного сигнала при этом составляет ±2 В с погрешностью преобразования не хуже ±0,5%.
Современная технология печатных плат позволяет изготавливать печатные катушки с высокой степенью точности, в связи с этим, при необходимости получения более высокой точности преобразования, требования к шагу и ширине проводников, а также к воздушному зазору между катушками могут быть и более жесткими.
Как видно из вышеизложенного, наиболее целесообразно использовать такой индукционный датчик перемещения в системах контроля деформации различных объектов.
Полагаем, что предложенный индукционный датчик положения обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность с ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения по п.1 и по п.2 является новым для конструкций индукционных датчиков положения и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам разработки и конструирования индукционных датчиков положения, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».
Разработка, конструирование и внедрение предложенного индукционного датчика положения не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Литература
1. Патент Франции: FR 2830614 А1 от 11.04.2003 г., МПК G01D 5/22 - «Бесконтактный датчик положения с взаимной индуктивностью».
2. Авторское свидетельство СССР № по А.С. СССР №1516751 от 23.10.1989 г., МПК G01B 7/00 - «Индукционный преобразователь линейных перемещений».
3. Патент США US 2942212 от 21.06.1960 г., Кл. 336-30 - «Датчик положения».
4. Авторское свидетельство СССР №1552240 от 23.03.1990 года, МПК H01F 15/14, G01B 7/00 - «Катушка индуктивного измерительного преобразователя» - прототип.
5. Патент Германии №10313021 В3 от 02.09.2004 года, МПК G01B 7/02 - «Схема с линейно регулируемым дифференциальным трансформатором LVDT в качестве датчика перемещения или датчика силы и способ использования такой схемы».