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, МПК7 G01B 7/30, Минаев И.В., Солдатов Г.Б., опубл. 20.12.2006 г.), 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 №145255, МПК7, G01B 7/30, Подлевский Н.И., Малофиенко С.Г., опубликован 10.09.2014 г.), 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.
Данный датчик не дает преимуществ в повышении крутизны выходной характеристики датчика при использовании развязывающего конденсатора, образованного кольцеобразными пластинами ротора и второго статора, так как величина такого развязывающего конденсатора не зависит от угла поворота вала.
В предлагаемом устройстве указанный технический результат (повышение крутизны выходной характеристики датчика) достигается за счет использования развязывающего конденсатора. Он образован при помощи второго статора, содержащего две пластины, выполненные в форме секторов из токопроводящего материала на диэлектрическом диске и соединенные с выводами для подключения к измерительной схеме, и стороны ротора, обращенной ко второму статору и выполненной в виде токопроводящей пластины из фольги в форме сектора, причем токопроводящие сектора на обеих сторонах ротора соединены между собой перемычкой. При такой конструкции развязывающего конденсатора его величина тоже будет зависеть от угла поворота вала, что позволит существенно повысить крутизну выходной характеристики датчика.
Устройство емкостного дифференциального датчика угла поворота вала представлено на фигуре.
Емкостный дифференциальный датчик угла поворота вала состоит из первого статора 1, ротора 2, второго статора 3, поворотного вала 4 и корпуса 5, (фиг. а). Статоры 1, 3 расположены в корпусе 5 соосно с осью вращения вала 4 и ротора 2, жестко связанного с валом 4 механического устройства 6.
На статоре 1 (фиг. а), со стороны ротора, выполнены в форме секторов из токопроводящего материала на диэлектрическом диске две пластины 7 и 8 (фиг. б), образующие, через диэлектрический зазор, совместно с пластиной ротора 9 (фиг. в) конденсаторы С1 и С2 (фиг. г). Пластина 9 ротора 2, выполненного в виде диска из двухстороннего фольгированного диэлектрика, имеет форму сектора и обращена в сторону статора 1 так, что в нейтральном положении поворотного вала 4 образует через диэлектрический зазор с пластинами 7, 8 статора 1 равные площади перекрытия, т.е. равные емкости С1 и С2 (фиг. г).
На второй стороне ротора 2 выполнена пластина 10 из фольги в форме сектора, аналогичного сектору 9, обращенная к статору 3. Пластины 9 и 10 ротора электрически связаны друг с другом перемычкой 11.
На стороне статора 3, обращенной к ротору 2, выполнены пластины 12, 13 (фиг. д) в форме двух секторов, аналогичных пластинам 7, 8 из токопроводящего материала на диэлектрическом диске, которые с пластиной 10 ротора 2 через диэлектрический зазор в нейтральном положении поворотного вала 4 образуют равные площади перекрытия, то есть равные развязывающие емкости С3 и С4, причем развязывающая емкость С3 последовательно соединяется с емкостью С1, а развязывающая емкость С4 - с емкостью С2, обеспечивая равновесие емкостей. При повороте вала в ту или другую сторону (±α) от нейтрального положения одни из емкостей (например С1, С3) увеличиваются, а две другие (С2, С4) - уменьшаются (или наоборот), тем самым формируя изменение сигналов, имеющее большую крутизну (чувствительность датчика), чем при неизменной величине развязывающей емкости.
С неподвижных контактов пластин 7, 8, 12, 13 конденсаторов C1, С2, С3 и С4 проводами выполнены выходы сигналов - Вых. 1, Вых. 2, Вых. 3 и Вых. 4, предназначенные для подключения к входам схемы обработки сигналов, которая преобразует выходные сигналы датчика угла поворота вала в удобную (требуемую) форму.
Устройство работает следующим образом.
При нахождении вала 4 в нейтральном положении, ротор 2 и статоры 1, 3 своими пластинами 7, 8, 9, 10, 12 и 13 через диэлектрический зазор, в результате симметричного взаимного расположения создают равные емкости C1, С2, С3, С4, что, в свою очередь, создает равновесное состояние на входах схемы обработки сигналов.
При угловом перемещении вала 4 в ту или другую сторону на угол ±α, пластины 9 и 10 ротора 2 переместятся относительно пластин 7, 8, 12 и 13 статоров 1 и 3, нарушая симметричное взаимное расположение пластин, что приведет, например, к увеличению С1, С3 и к уменьшению С2, С4 (или наоборот), создавая при этом рассогласование сигналов на входах схемы обработки сигналов.