РЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к области измерения электрическими методами неэлектрических величин и может быть использовано в качестве преобразователя механического перемещения подвижного органа (или угла поворота) в электрический сигнал.

Известные датчики положения обычно содержат обмотку, расположенную на каркасе, подвижный орган с токосъемником, скользящим по обмотке, и щетки, обеспечивающие электрический контакт с токосъемной лентой (или осью) [1]
Однако эти датчики конструктивно достаточно сложны, их подвижный контакт должен иметь дополнительный вывод и, кроме того, имеют низкую точность, поскольку их выходной сигнал зависит как от напряжения их питания, так и от сопротивления нагрузки.

Наиболее близким по техническому решению и назначению (прототипом) может быть признан резистивный датчик положения, содержащий каркас, две изолированные друг от друга обмотки, и подвижный относительно обмоток контактный элемент, причем выводы первой и второй обмоток связаны с напряжением питания датчика [2]
Однако этот датчик, как и любой потенциометрический датчик, обладает пониженной точностью при работе на нагрузку с конечным сопротивлением, причем, чем сопротивление нагрузки меньше, тем погрешность измерения больше. Точность измерения зависит также от стабильности источника питания, к которому подключается электрический вход датчика. Кроме того этот датчик имеет выходной сигнал в виде постоянного напряжения, что исключает использование его в цифровых системах, т.е. сужает область его использования.

Задача изобретения увеличение точности измерения и расширение области применения путем обеспечения цифрового выхода и полного исключения влияния напряжения питания и сопротивления нагрузки на точность датчика.

Эта задача решается тем, что резистивный датчик положения, содержащий каркас с двумя изолированными друг от друга обмотками, и подвижный относительно обмоток контактный элемент, причем первый вывод первой обмотки и второй вывод второй обмотки связаны с источником напряжения питания датчика, дополнительно снабжен дифференциальным усилителем и связанным с ним счетчиком импульсов, витки второй обмотки размещены между витками первой обмотки, входы дифференциального усилителя связаны со вторым выводом первой обмотки и первым выводом второй обмотки, а контактный элемент выполнен замыкающим не более одного витка обмотки.

Конструкция линейного датчика в части резистивных обмоток и его полная электрическая схема приведены на фиг.1 и на фиг.2.

Первая обмотка датчика с выводами 1 2 и вторая обмотка с выводами 3 4 намотаны на каркас одновременно и за счет изоляции (или принудительного шага намотки) не имеют между собой гальванической связи. Датчик содержит контактный элемент 5, закрепленный на подвижном органе 6 (механический вход датчика) и имеющий электрическую связь с витками обеих обмоток. Ширина электрического контактного элемента 5 такова, что он замыкает не более одного витка обмотки, т. е. замыкает только соседние витки разных обмоток или имеет контакт только с одним витком одной из обмоток (показано на фиг.1 сплошными и пунктирными линиями).

На фиг. 2 приведена схема датчика, где выводы 1 и 4 обмоток связаны с источником напряжения E и общей шиной, датчика, а выход счетчика 8 образует выход устройства. Отдельные резисторы на фиг.2 представляют собой эквивалентные сопротивления каждого витка обмоток 1 2 и 3 4. Выводы 2 и 3 обмоток связаны со входами дифференциального усилителя 7, выход которого связан со счетным входом C счетчика импульсов 8.

Рассмотрим работу датчика.

Подвижный контактный элемент 5 (фиг.1), перемещаясь вдоль обмоток 1 2 и 3 4, одновременно замыкает и размыкает те или иные витки обеих обмоток (фи. 2), начиная с крайних витков, расположенных у выводов 2 и 4, и кончая витками, расположенными у выводов 1 и 3. С выводов 2 и 3 обмоток снимается сигнал на вход дифференциального усилителя, при этом его значение становится равным нулю при замкнутых соседних витках первой и второй обмоток (положение контактного элемента 5 отмечено сплошными линиями на фиг. 1 и фиг.2) или принимает максимальное значение при разомкнутых витках первой и второй обмоток (положение контактного элемента отмечено пунктирными линиями).

Если принять коэффициент усиления дифференциального усилителя равным единице, то его выходное напряжение, в первом случае равное нуля, а во втором напряжению E, может быть принято равным логическому нулю и логической единице соответственно.

Таким образом, по мере перемещения контактного элемента 5 доль обмоток датчика на выходе резистивного элемента (выводы 3 и 2) и выходе дифференциального усилителя формируются логические импульсы, количество которых подсчитывает счетчик 8, причем количество импульсов, подсчитанное счетчиком, строго пропорционально перемещению контактного элемента 5. При этом не имеет значения ни входное сопротивление дифференциального усилителя, ни точность напряжение E питания датчика. Последнее обстоятельство позволяет использовать более простой источник питания.

Перед началом каждого измерения необходимо производить сброс счетчика 8 по входу R.

Признаки, отличающие предположенное устройство от прототипа, позволяют сделать вывод о соответствии предложенного устройства критерию "новизна". Что касается дифференциального усилителя, счетчика, то они, как таковые, известны, однако только их совокупность совместно с признаками известного устройства дают положительный эффект, заключающийся в обеспечении цифрового выхода с точностью, не зависящей от сопротивления нагрузки (входного сопротивления дифференциального усилителя) и стабильности источника питания, к которому подключается датчик, т.е. с предельно возможной точностью, определяемой только точностью изготовления самого датчика. Сказанное безусловно расширяет область применения датчика.

Все это подтверждает существенные отличия предложенного устройства.

Литература
1. К. Кабеш. Прецизионные потенциометры для автоматизации. М. "энергия", 1969 г.

2. Авторское свидетельство N 1359657 (прототип).

Использование: изобретение относится к области измерения неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано в качестве преобразователя механических перемещений в электрический сигнал. Сущность изобретения: устройство содержит дифференциальный усилитель 7 и связанный с ним счетчик импульсов 8, две изолированных обмотки 1 - 2 и 3 - 4, причем витки одной обмотки размещены на каркасе между витками другой обмотки, контактный элемент 5, закрепленный на подвижном органе 6. 2 ил.

Резистивный датчик положения, содержащий каркас с двумя изолированными друг от друга обмотками, и подвижный относительно обмоток контактный элемент, причем первый вывод первой обмотки и второй вывод второй обмотки связаны с источником напряжения, отличающийся тем, что он снабжен дифференциальным усилителем и связанным с ним счетчиком импульсов, витки второй обмотки размещены между витками первой обмотки, входы дифференциального усилителя связаны со вторым выводом первой обмотки и первым выводом второй обмотки, а контактный элемент выполнен замыкающим не более одного витка обмотки.