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 угла поворота вала, представляющие собой две емкости, построенные конструктивно таким образом, что при повороте вала в ту или другую сторону одна из емкостей увеличивается, а другая - уменьшается.
Эти две емкости включены 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, МПК 7, 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 трех секторов. Ротор выполнен в виде сектора диска из цельного, предпочтительно 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 №162923, МПК7, G01B7/30, Подлевский Н.И., Малофиенко С.Г., Антонов А.С., опубликован 27.06.2016, Бюл. №18), выполненный в виде токопроводящих пластин на диэлектрических дисках двух статоров, между которыми соосно расположен ротор, выполненный в виде диска из двустороннего 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 в виде кольца, обращенная в сторону неподвижной кольцеобразной пластины второго статора, при этом между тыльными сторонами диэлектрических дисков первого и второго статора и корпусом датчика расположены пружинные элементы, поджимающие диски статоров к диску ротора через диэлектрические прокладки.
Данное техническое решение не дает преимуществ в повышении точности выходного сигнала датчика из-за неравномерности диэлектрического зазора между токопроводящими пластинами статоров и ротора, обусловленной технологическим разбросом толщины и плоскостности дисков, выполненных из листов фольгированного стеклотекстолита.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения угла поворота вала механического устройства.
В предлагаемом устройстве технический результат достигается использованием дисков статоров и ротора, изготовленных с требуемой точностью из диэлектрического материала, методом прессования, на плоскости которых нанесены токопроводящие пластины, путем наклеивания металлизированных пленок токопроводящей поверхностью внутрь, а диэлектрической поверхностью наружу, при этом токопроводящие пластины на металлизированных пленках выполнены фоторезистивным способом и расположены на статорах и роторе соосно.
Устройство емкостного дифференциального датчика угла поворота вала представлено на конструктивной схеме (Фиг. 1а, б, в, г).
Емкостный дифференциальный датчик угла поворота вала состоит из первого статора 1, ротора 2, второго статора 3, поворотного вала 4 и корпуса 5, (Фиг. 1а). Статоры 1, 3 расположены в корпусе 5 соосно с осью вращения вала 4 и ротора 2, жестко связанного с валом 4 механического устройства 6. Статоры 1, 3 и ротор 2 выполнены в виде дисков, изготовленных из диэлектрического материала, например, путем прессования с требуемой точностью, в зависимости от решаемой задачи измерения угла.
На плоскость статора 1 (Фиг. 1а), со стороны ротора, наклеена фольгированная пленка 7 (Фиг. 1б) токопроводящей стороной внутрь, на которой, фоторезистивным способом в форме секторов, выполнены токопроводящие пластины 8 и 9 (Фиг. 1б), образующие, через диэлектрический зазор, совместно с токопроводящем пластиной 10, выполненной в форме сектора на фольгированной пленке 11 (Фиг. 1в), которая наклеена токопроводящей стороной внутрь на плоскость ротора 2, конденсаторы С1 и С2 (Фиг. 1а). При нейтральном положении поворотного вала 4 пластинами 8, 9 и 10 образуются равные площади перекрытия токопроводящих секторов, т.е. равные емкости С1 и С2, соотношение которых меняется в ту или другую сторону в зависимости от направления движения вала от нейтрального.
На вторую плоскость ротора 2, обращенную к статору 3, наклеена фольгированная пленка 12 (Фиг. 1в) токопроводящей стороной внутрь, на которой выполнена кольцевая пластина 13, причем токопроводящие пластины 10 и 13 электрически соединены перемычкой 14. Токопроводящая пластина 13 ротора 2 через диэлектрический зазор образует с токопроводящей пластиной 15, выполненной на фольгированной пленке 16 (Фиг. 1в) в форме кольца, которая наклеена токопроводящей стороной внутрь на плоскость статора 3 (Фиг. 1а), обращенную к ротору 2, развязывающий конденсатор С3. Токопроводящие пластины 8, 9, 10, 13 и 15 расположены на статорах и роторе соосно относительно оси вала 4 и максимально приближены друг к другу путем прижатия статоров 1, 3 к ротору 2 с помощью пружин 17, 18 (Фиг. 1а), расположенных между тыльными сторонами статоров 1, 3 и корпусом 5 датчика.
С неподвижных контактов токопроводящих пластин 8, 9 и 15 (конденсаторов C1, С2 и С3) датчика проводами выполнены выходы сигналов - Вых1, Вых2 и Вых3, подключенные к входам схемы обработки 19, имеющей известное решение, которая преобразует выходные сигналы датчика в удобную форму.
Устройство работает следующим образом.
При нахождении вала 4 датчика в нейтральном положении ротор 2 и статоры 1, 3 своими токопроводящими пластинами 8, 9, 10, 13 и 15 через диэлектрические зазоры, в результате симметричного взаимного расположения, создают равные емкости С1 и С2, и развязывающую емкость С3 постоянной величины, не зависящей от углового положения ротора 2, что, в свою очередь, создает равновесное состояние на входах схемы обработки 19 выходных сигналов датчика.
При угловом перемещении вала 4 в ту или другую сторону на угол ±α, токопроводящая пластина 10 ротора 2 переместится относительно пластин 8, 9 статора 1, нарушая их симметричное взаимное расположение, что приведет, например, к увеличению емкости С1 и к уменьшению емкости С2 (или наоборот) и создаст при этом рассогласование сигналов на входах схемы обработки 19, которая преобразует его в сигнал пропорциональный углу перемещения вала.
Выполнение дисков статоров 1, 3 и ротора 2 повышенной точности по толщине и по плоскостности из диэлектрического материала, методом прессования и нанесение на рабочие плоскости дисков токопроводящих пластин 8, 9, 10, 13, 15 с помощью наклеивания металлизированных пленок 7, 11, 12, 16 токопроводящей поверхностью внутрь, а диэлектрической поверхностью наружу позволяет повысить точность преобразования угла перемещения вала 4 датчика.