ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ

Заявленное техническое решение 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 A1 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 авторскому свидетельству 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 зигзаго-подобными 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 зигзаго-подобными 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 зигзаго-подобных прямоугольных катушек. Такое перемещение катушек друг, относительно друга существенно усложняет схему обработки сигналов от датчика, снижает ее надежность и повышает стоимость производства.
Известна «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 ферромагнетик - измеряет индуктивность обмотки.
Недостатком аналога [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.
8
Прототипом предложенного технического решения является «Индукционный датчик положения» по патенту РФ: RU 2454625 от 27.06.2012 года, МПК G01B 7/00, G01D 5/20 - [5], содержащий неподвижную и подвижную пластины выполненные из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными проводниками, которые взаимно параллельны и  расположены с одинаковым шагом, на подвижной пластине нанесена одна катушка, а на неподвижной, выполненной большей длинной нанесены две идентичные катушки рядом вдоль длинных проводников, подвижная пластина установлена с одной степенью свободы перемещения вдоль активных длинных проводников и расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками неподвижной пластины.
Недостатком прототипа является трудность практической реализации индукционного датчика положения из-за недостаточной его конструкционной проработки, представленной в материалах патента [5]. В представленном виде прототип обладает низкой надежностью.
Недостаток прототипа ставит задачи детальной конструктивной проработки индукционного датчика и повышения его надежности с упрощением элементов конструкции, унификацией и оптимизацией размеров его деталей.
Указанная задача (сущность полезной модели) решается тем, что индукционный датчик положения, содержит неподвижную и подвижную пластины выполненные из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, на подвижной пластине нанесена одна катушка, а на неподвижной, выполненной большей длинной нанесены две идентичные катушки рядом вдоль длинных проводников, подвижная пластина установлена одной степенью свободы перемещения вдоль активных длинных проводников и расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками неподвижной пластины. При этом неподвижная пластина закреплена с зазором на прямоугольной плоской направляющей раме, а подвижная пластина закреплена на подвижной каретке, которая установлена с возможностью перемещения по продольному пазу направляющей раме, при этом подвижная каретка соединена поводком со штоком, направляющая рама закреплена на двух стойкахкаркаса, который дополнительно содержит две торцевые панели, одна торцевая панель имеет центральное отверстие и направляющую для штока, а другая - центральное отверстие для кабеля, на каркасе выше направляющей рамы установлены плата индуктора для питания катушки подвижной пластины и плата приемников катушек неподвижной пластины, а каркас датчика закрыт кожухом прямоугольного сечения.
Технический результат полезной модели: повышение надежности индукционного датчика.
Повышение надежности индукционного датчика достигается его детальной его конструктивной проработкой, унификацией и оптимизацией размеров его деталей, узлов и упрощением элементов конструкции, а также обеспечения сохранности датчика и его защиты от внешних воздействий.
Ограничительные признаки формулы полезной модели: «индукционный датчик положения, содержит неподвижную и подвижную пластины выполненные из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом» и «на подвижной пластине нанесена одна катушка, а на неподвижной, выполненной большей длинной нанесены две идентичные катушки рядом вдоль длинных проводников, подвижная пластина установлена с одной степенью свободы перемещения вдоль активных длинных проводников и расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками неподвижной пластины» позволяют обеспечить функционирования устройства по техническому решению, представленному в прототипе - патенте [5].
Отличительные признаки: «неподвижная пластина закреплена с зазором на прямоугольной плоской направляющей раме, а подвижная пластина закреплена на подвижной каретке, которая установлена с возможностью перемещения по продольному пазу направляющей раме, при этом подвижная каретка
соединена поводком со штоком, направляющая рама закреплена на двух стойках каркаса, который дополнительно содержит две торцевые панели, одна торцевая панель имеет центральное отверстие и направляющую для штока, а другая - центральное отверстие для кабеля, на каркасе выше направляющей рамы установлены плата индуктора для питания катушки подвижной пластины и плата приемников катушек неподвижной пластины, а каркас датчика закрыт кожухом прямоугольного сечения» позволяют повысить надежность заявленного индукционного датчика.
Другими словами повышение надежности индукционного датчика положения происходит за счет его детальной конструктивной проработки, чем достигаются перемещения с требуемой (необходимой) точностью подвижной пластины (с катушкой) с одной степенью свободы вдоль активных длинных проводников неподвижных катушек индуктивности.
Повышению надежности также способствует жесткость конструкции индукционного датчика и защита внутри расположенных его элементов от внешних воздействий.
На фиг. 1 представлена фотография пары неподвижной и подвижной пластин датчика, выполненных из диэлектрического материала с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности (вид на катушки сверху). На фиг. 2 - фотография катушек по фиг. 1, расположенных в рабочем состоянии. На фиг. 3 - датчик в разобранном виде: вид на прямоугольную плоскую направляющую раму, с подвижной кареткой и подвижной пластиной. На фиг. 4 - фотография датчика в разобранном виде: вид на неподвижную пластину. На фиг. 5 - индукционный датчик положения в собранном виде. На фиг. 6 - схемотехническое решение для обеспечения работоспособности датчика. На фиг. 7 - чертеж датчика в трех проекциях: а) вид сбоку, б) вид сверху, г) вид спереди. На фиг. 8 - разрез А-А датчика по фиг. 7. На фиг. 9 - разрез Б-Б датчика по фиг. 7. На фиг. 10 - разрез В-В датчика по фиг. 8. На фиг. 11 - разрез Г-Г датчика по фиг.8. На фиг. 12 - разрез Д-Д датчика по фиг. 8. На фиг. 13 - увеличенный вид Л датчика по фиг. 8.
Индукционный датчик положения, содержит неподвижную (1) и подвижную (2) пластины, выполненные из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности с пассивными короткими и активными длинными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом. На подвижной пластине (2) нанесена одна катушка (3), а на неподвижной пластине (1) выполненной большей длинной нанесены две идентичные катушки (4) и (5) рядом вдоль длинных проводников. Подвижная пластина (2) установлена одной степенью свободы перемещения вдоль активных длинных проводников и расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками (4) и (5) неподвижной пластины (1). Неподвижная пластина (1) закреплена с зазором (снизу) на прямоугольной плоской направляющей раме (6), а подвижная пластина закреплена на подвижной каретке (7), которая установлена с возможностью перемещения по продольному пазу (8) направляющей рамы (6), при этом подвижная каретка соединена поводком (9) со штоком (10). Направляющая рама (6) закреплена на двух стойках (11), которые дополнительно содержат две торцевые панели (12) и (13). Две стойки (11), направляющая рама (6) и две торцевые панели (12) и (13) образуют каркас датчика. Одна торцевая панель (12) имеет центральное отверстие и направляющую для штока (10), а другая (13) - центральное отверстие для кабеля (14). Снаружи индукционный датчик положения, между торцевыми панелями (12) и (13) закрыт кожухом 15 прямоугольного сечения. На стойках (11) выше направляющей рамы (6) установлены плата (16) индуктора для питания катушки (3) подвижной пластины (2) и плата (17) приемников катушек (4) и (5) неподвижной пластины (1). Детальная конструктивная проработка заявляемого устройства представлена на чертежах: фиг. 7…13.
Работает индукционный датчик положения следующим образом:
Первоначально датчик устанавливают для измерений как, чтобы его шток (10) находился в среднем положении, то есть так, чтобы подвижная пластина (2) датчика была расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками (4) и (5) неподвижной пластины (1). Из платы (16) индуктора для питания катушки (3) подвижной пластины (2) подают переменное напряжение, возбуждающее вокруг катушки (3) переменное электромагнитное поле, которое наводит электродвижущую силу (ЭДС) в катушках (4) и (5) неподвижной пластины (1). Значения наведенной ЭДС в каждой из катушек (4) и (5), которая зависит от расположения над ними возбуждающей подвижной катушки (3), далее подают в плату (17) приемников катушек (4) и (5) неподвижной пластины (1). Обработанный сигнал из платы (17) подают по кабелю (14) потребителю. При измерении перемещений внешним механическим усилием сдвигают шток (10), связанный поводком (9) с подвижной кареткой (7). При этом расположенная в продольном пазу (8) направляющей рамы (6) каретка (7) смещается в ту или иную сторону вместе с закрепленной на ней катушкой (3) и изменяет значения выходного сигнала. Каркас датчика образованный двумя стойками (11), направляющей плитой (6) и двумя торцевыми панелями (12) и (13) закрытый кожухом 15 обеспечивает жесткость конструкции, и как следствие, точность измерения датчика и его надежность.
Для обеспечения работоспособности заявленного индуктивного датчика перемещения может быть использовано типовое схемотехнические решение, представленное на фиг. 6. На фигуре 6 пиковые детекторы (A и B) используют для определения амплитуды переменных сигналов снимаемых от (приемных) неподвижных катушек (4) и (5), усилитель суммарного сигнала (A+B) используют для стабилизации режимов работы устройства, а усилитель разностного сигнала (A-B) используют для выделения полезного сигнала. В зависимости от положения излучающей подвижной катушки (3) относительно приемных неподвижных катушек (4) и (5) в них наводится ЭДС, значение которой прямо пропорционально перемещению, а знак разностного сигнала наведенной ЭДС (A-B) указывает на направление перемещения.
Детальная конструктивная проработка заявляемого устройства представлена на чертежах (фиг. 7…13).
Реально для рабочих частот порядка 2-х МГц в габаритных размерах подвижной пластины (2) 42×22 мм, и неподвижной пластины (1) 84×22 мм, шагом проводников катушек (3), (4) и (5) равным 0,8 мм, при ширине проводников 0,3 мм и воздушном зазоре между подвижной и неподвижной частью 0,2 мм рабочая зона по перемещению подвижной пластины (2) составляет 40 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 полезной модели, так как совокупность с ограничительных и отличительных признаков формулы полезной модели является новым для конструкций индукционных датчиков положения, и, следовательно, соответствует критерию “новизна”.
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 A1 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».
8
5. Патент РФ: RU 2454625 от 27.06.2012 года, МПК G01B 7/00, G01D 5/20 - «Индукционный датчик положения» - прототип.