ПОЗИЦИОННЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК УГЛА

Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в различных областях промышленности для прецизионного измерения угловых перемещений.
Основным недостатком известных емкостных датчиков является невысокая точность измерений, вызванная инструментальной погрешностью (неравномерностью и нестабильностью зазора между обкладками).
Известен емкостный позиционный датчик угла, имеющий секционированные подвижный и неподвижный электроды (Россия, изобретение, патент №2265800, публ. 10.12.2005 г.).
Недостатком этого преобразователя является методическая погрешность, обусловленная дискретностью, следствием которой является низкая точность.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является емкостный преобразователь перемещений, имеющий систему грубого и точного отсчета. Этот преобразователь выбран в качестве прототипа (Россия, патент №2281457, публ. 27.10.2005 г.).
Прототип содержит статорную обкладку и роторную обкладку с системой полосок (в дальнейшем площадок), выполненных из электропроводящего материала. Роторная обкладка установлена в параллельной плоскости с малым зазором и возможностью перемещения в направлении изменения площади взаимного перекрытия обкладок. Грубый отсчет преобразователя осуществляется двумя рядами (в дальнейшем дорожками) изолированных статорных площадок с самостоятельными выводами, при этом площадки второй дорожки сдвинуты относительно первой на половину ширины площадки, т.е. на половину периода. Точный отсчет осуществляют четыре ряда (в дальнейшем дорожки) изолированных
статорных площадок, выполненных из электропроводящего материала. Статорные площадки каждой дорожки в различных сочетаниях (1, 2, 2, 5, 10, 10, 20, 50, 100) соединены между собой и имеют отводы. Каждая площадка дорожки точного отсчета статорной обкладки сдвинута относительно соседней на половину ширины площадки, т.е. на 1/4 периода точного отсчета. Роторная обкладка преобразователя имеет одну общую (для всех четырех дорожек точного отсчета статорной обкладки) дорожку точного отсчета и одну ответную дорожку грубого отсчета (для дорожек грубого отсчета статорной обкладки). Все отводы от статорных площадок через схему коммутации, управляемую микропроцессором, замыкаются на входы дифференциального емкостного преобразователя.
Основным недостатком этого преобразователя перемещений является большое количество отводов от площадок статорных обкладок (116 в авторском варианте) и связанная с этим сложность схемы коммутации и управления. Кроме того, входные и выходные емкости ключей коммутатора искажают величины суммарных выходных емкостей дорожек, что ухудшает конечный результат.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является исключение влияния на точность измерений инструментальной погрешности без усложнения конструкции.
Технический результат использования заявляемой полезной модели: упрощение электрической схемы и повышение точности.
Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что позиционный емкостный датчик угла, содержит неподвижную обкладку и подвижную обкладку с площадками, выполненными из электропроводящего материала. Подвижная обкладка установлена в параллельной плоскости с малым зазором и возможностью перемещения в направлении изменения площади взаимного перекрытия обеих обкладок. На неподвижной обкладке расположены четыре дорожки точного отсчета с пространственным сдвигом друг относительно друга на величину равную
четверти периода точного отсчета. На подвижной обкладке расположена общая дорожка точного отсчета и ответная дорожка грубого отсчета. Выходы дорожек соединены с преобразователем емкость - код.
Новизна заключается в том, что неподвижная и подвижная обкладки выполнены в виде диска. При этом у неподвижного диска площадки каждой дорожки точного отсчета соединены друг с другом. Дорожка грубого отсчета неподвижного диска отсчета разделена на четыре равных сектора с самостоятельными выводами. Ответная дорожка грубого отсчета подвижного диска выполнена в виде полукольца.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами позиционного емкостного датчика угла тахеометра.
11
21
31
41
12
23
33
42
На фиг.1 изображена принципиальная схема выполнения позиционного емкостного датчика угла, где С, С, С и С - выходные емкости дорожек точного отсчета. С, С, С и С емкости секторов дорожки грубого отсчета;
На фиг.2 - графики зависимости выходных емкостей дорожек точного отсчета от угла поворота и разностные функции;
На фиг.3 - графики зависимости выходных емкостей дорожек грубого отсчета от угла поворота и разностные функции.
Датчик содержит подвижный лимб 1, неподвижный лимб 2, и преобразователь угол-код 3. Оба лимба выполнены в виде дисков. На лимбах расположены дорожки грубого и точного отсчета с металлизированными площадками. Подвижный лимб 1 установлен в параллельной плоскости с малым зазором и возможностью перемещения в направлении изменения площади взаимного перекрытия обеих лимбов. На подвижном лимбе 1 расположена дорожка грубого отсчета 4 с площадкой, выполненной в форме полукольца с углом 180°, и секционированная кольцевой дорожки точного отсчета 5. На неподвижном лимбе 2 расположены четыре отдельных дорожки точного отсчета 6 с площадками, пространственно сдвинутыми друг относительно друга на величину равную
четверти периода точного отсчета. Дорожки грубого отсчета 7 на неподвижном лимбе 2 разделены на четыре сектора по 90°. Площадки (секции) каждой кольцевой дорожки точного отсчета нанесены с шагом равным периоду точного отсчета Т. Угловой размер каждой секции равен Т/2. Все площадки каждой дорожки точного отсчета неподвижного лимба 2 соединены друг с другом. Выходы дорожек соединены с входами преобразователя емкость-код 3, интерфейсный выход которого является выходом датчика угла (фиг.1-3).
Позиционный емкостный датчик угла работает следующим образом. Подключенный к интерфейсному выходу преобразователя емкость - код вычислитель производит последовательный опрос всех текущих значений кодов точного и грубого отсчета, после чего вычисляют промежуточные значения фаз по формулам:
для точного отсчета
для грубого отсчета
11
21
31
41
11
31
11
41
21
31
21
41
ТО
12
32
12
42
22
32
22
42
ГО
т.е. каждым четырем текущим значениям емкостей С, С, С, С точного отсчета соответствует четыре значения фазы. Для исключения неоднозначности вычисляют разности в парах φ-φ, φ-φ, φ-φ, φ-φ и находят пару с минимальной разностью. Окончательное значение выходной фазы φ находят как полу сумму двух значений в этой паре. Таким же образом по разностям в парах φ-φ, φ-φ, φ-φ, φ-φ находят фазу грубого отсчета φ.
Угол поворота датчика вычисляют в виде суммы:
ТО
φ=nТ+φ,
где Т - период точного отсчета;
n - целая часть числа ;
ТО
φ - фаза точного отсчета;
ГО
φ - фаза грубого отсчета.
Площади дорожек и величина зазора между лимбами выбираются таким образом, чтобы выходные емкости дорожек не превышали входного диапазона преобразователя емкость - код.
Заявляемый позиционный емкостный датчик угла имеет простую схему включения ввиду малого количества отводов от неподвижного лимба и повышенную точность ввиду отсутствия методических погрешностей.