ДАТЧИК УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01B7/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в качестве датчика угловых перемещений, например вала дроссельной или воздушной заслонки в двигателе внутреннего сгорания, а также в качестве задатчика электронной педали.

Из патента США 5027067 (опубл. 25.06.1991 г.) известен датчик угла поворота вала, состоящий из статора и ротора, связанного с контролируемым валом. Статор выполнен в виде стакана, внутри которого на дне образован выступ с обмотками индуктивности. Ротор также выполнен стаканообразным, при этом его дно своей наружной частью закреплено на контролируемом вале, а сам ротор утоплен в полость статора так, что выступ статора расположен в полости ротора. При этом сквозной вырез на боковой поверхности ротора установлен напротив обмоток выступа статора.

При вращении контролируемого вала ротор поворачивается вокруг выступа статора с обмотками, положение выреза ротора изменяется, изменяя потокосцепление и индуктивность обмоток.

Описанное устройство требует большой точности установки ротора относительно статора как в осевом, так и в радиальном направлениях.

В патенте США 5365168 (опубл. 15.11.1994 г.) описан датчик для бесконтактного измерения угла поворота вала, взятый за прототип. Датчик содержит корпус с основанием, установленные в корпусе статор и возвратную цилиндрическую пружину и ротор, связанный с основанием. Статор образован цилиндрическим каркасом, на наружной поверхности которого расположены рядом друг с другом две петлеобразные обмотки. Внутри каркаса вплотную к его внутренней поверхности установлен экран, выполненный в виде разомкнутого цилиндра. Экран установлен с возможностью поворота вдоль внутренней поверхности каркаса и снабжен выступом, на который воздействуют, с одной стороны, паз ротора, а с другой стороны - отогнутый конец возвратной цилиндрической пружины. Второй конец пружины закреплен на корпусе датчика. Ротор установлен в основании с возможностью поворота и снабжен наружным глухим отверстием для установки на контролируемый вал. Возвратная пружина установлена между ротором и корпусом датчика, поджимая ротор через его фланец к основанию.

Вращение вала через ротор передается на экран, перемещение которого приводит к изменению потокосцепления и индуктивности обмоток.

Недостатком описанного датчика является его сложность и большая трудоемкость, в частности трудоемкость выполнения петлевых обмоток. Кроме того, описанный привод экрана недостаточно надежен в отношении обеспечения плотного прилегания экрана к внутренней поверхности статора при всех режимах работы датчика.

Задачей изобретения является упрощение конструкции датчика угловых перемещений, снижение трудоемкости его изготовления и повышение надежности работы.

Указанная задача в датчике угловых перемещений, содержащем выполненные заедино основание и корпус, в котором установлены статор с диэлектрическим каркасом обмоток, обмотки, ротор, приводящий во вращение подвижный экран, и возвратная цилиндрическая пружина, решается тем, что статор снабжен неподвижным экраном в виде расположенного перпендикулярно оси поворота ротора плоского кольца с двумя дугообразными разноудаленными от оси поворота ротора сквозными вырезами, каждый из которых установлен в направлении оси поворота ротора против одной из обмоток, подвижный экран расположен смежно неподвижному экрану и выполнен в виде плоского кольца, расположенного на неподвижном экране концентрично оси поворота ротора, подвижный экран снабжен двумя дугообразными разноудаленными от оси поворота ротора сквозными вырезами, по крайней мере частично перекрывающими вырезы неподвижного экрана, при этом подвижный экран подпружинен в осевом направлении к статору относительно основания датчика путем упора в кольцо подвижного экрана.

Каркас обмоток может быть выполнен составным, например, первая часть каркаса образована втулкой с фланцем, вторая часть каркаса представлена втулкой, расположенной концентрично втулке первой части.

Обмотки установлены преимущественно в кольцевых пазах, образованных на боковых поверхностях втулок первой и второй частей каркаса, причем пазы расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси поворота ротора.

Плоское кольцо неподвижного экрана установлено предпочтительно на торцевых поверхностях втулок первой и второй частей каркаса обмоток.

Втулка первой части каркаса обмоток снабжена, как правило, выступом, расположенным в вырезе плоского кольца неподвижного экрана и фиксирующим неподвижный экран относительно каркаса обмоток.

Втулка первой части каркаса обмоток может быть снабжена ограничителем, расположенным в вырезах равноудаленных пазов подвижного и неподвижного экранов.

Каждый край каждого выреза неподвижного и подвижного экранов расположен предпочтительно в плоскости, содержащей ось поворота ротора.

Вырезы плоского кольца неподвижного экрана и плоского кольца подвижного экрана, как правило, попарно равноудалены от оси поворота ротора.

Плоское кольцо неподвижного экрана может быть снабжено втулкой, на которой концентрично установлен каркас обмоток, а подвижный экран снабжен двумя соосными втулками, расположенными в центре плоского кольца по обе его стороны.

Втулка неподвижного экрана выполнена преимущественно заедино с его плоским кольцом.

Первая втулка подвижного экрана установлена предпочтительно во втулке неподвижного экрана.

Вторая втулка подвижного экрана может быть снабжена радиальным отверстием для закрепления конца возвратной пружины.

Первый конец пружины установлен, как правило, в пазу основания, а второй конец пружины расположен в радиальном отверстии второй втулки подвижного экрана.

Каждый вырез подвижного и неподвижного экранов может быть расположен своими краями относительно оси поворота ротора в секторе, составляющем 110^o, при этом сектора вырезов в каждом из экранов удалены друг от друга.

Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию "новизна". В то же время, совокупность отличительных признаков, приводящая к решению поставленной задачи, явным образом не следует из уровня техники, поэтому заявляемое техническое решение соответствует условию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется следующими чертежами: на фиг.1 изображен датчик угловых перемещений в разрезе вдоль оси поворота ротора; на фиг.2 показан датчик угловых перемещений в поперечном разрезе по неподвижному экрану; на фиг.3 представлен датчик угловых перемещений в поперечном разрезе по подвижному экрану.

Датчик угловых перемещений содержит основание 1 и выполненный с ним заедино корпус 2, в котором установлены статор с диэлектрическим каркасом обмоток 3, 4, ротор 5, приводящий во вращение подвижный экран, и возвратная цилиндрическая пружина 6. Каркас обмоток 3, 4 выполнен преимущественно составным, первая часть каркаса образована втулкой 7 с фланцем 8, вторая часть каркаса представлена втулкой 9, расположенной концентрично втулке 7 первой части. Обмотки 3, 4 могут быть установлены в кольцевых пазах 10, 11, образованных на боковых поверхностях втулок 7, 9 первой и второй частей каркаса, причем пазы 10, 11 расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси поворота ротора 5. Статор снабжен неподвижным экраном в виде плоского кольца 12 с двумя дугообразными сквозными вырезами 13, 14, разноудаленными от оси поворота ротора, причем каждый край каждого выреза 13, 14 расположен в плоскости, содержащей ось поворота ротора 5. Кольцо 12 расположено перпендикулярно оси поворота ротора 5 и установлено преимущественно на торцевых поверхностях втулок 7, 9 первой и второй частей каркаса обмоток 3, 4 таким образом, что вырез 13 располагается напротив обмотки 3 второй части каркаса, а вырез 14 - напротив обмотки 4 первой части каркаса (фиг.2, обмотки показаны условно). Втулка 7 первой части каркаса обмоток может быть снабжена выступом 15, расположенным в вырезе 14 плоского кольца 12 неподвижного экрана и фиксирующим неподвижный экран относительно каркаса обмоток. Плоское кольцо 12 неподвижного экрана может быть снабжено выполненной заедино с ним втулкой 16, на которой концентрично установлен каркас обмоток 3, 4. Подвижный экран расположен смежно неподвижному экрану и выполнен в виде плоского кольца 17 с двумя дугообразными сквозными вырезами 18, 19, по крайней мере частично перекрывающими вырезы 13, 14 кольца 12 неподвижного экрана (фиг.3, обмотки показаны условно). Плоское кольцо 17 снабжено двумя соосными втулками 20, 21, расположенными в его центре по обе стороны от кольца. Втулка 20 установлена во втулке 16 неподвижного экрана. Вырезы 18, 19 разноудалены от оси поворота ротора 5, причем каждый край каждого выреза 18, 19 расположен в плоскости, содержащей ось поворота ротора 5. Вырезы 13, 14 плоского кольца 12 неподвижного экрана и вырезы 18, 19 плоского кольца 17 подвижного экрана попарно равноудалены от оси поворота ротора 5. В вырезе 19 расположен ограничитель 22, выполненный заедино с втулкой 7 первой части каркаса обмоток и выступом 15, который задает исходное положение вырезов кольца 17 относительно вырезов кольца 12. Каждый вырез 13, 14, 18, 19 расположен своими краями относительно оси поворота ротора 5 в секторе, составляющем 110^o, при этом сектора вырезов в каждом из экранов удалены друг от друга. Плоское кольцо 17 подвижного экрана расположено на плоском кольце 12 неподвижного экрана с подпружиниванием относительно основания 1 датчика. При этом плоское кольцо 17 подпружинено в осевом направлении к статору относительно основания 1 датчика путем воздействия цилиндрической пружины 6 на плоское кольцо 17 подвижного экрана. Первый конец 23 пружины 6 установлен в пазу основания 1, а второй конец 24 пружины 6 расположен в радиальном отверстии втулки 21 подвижного экрана. Экраны изготовлены из электропроводящего материала, преимущественно из меди, медных сплавов, алюминия или алюминиевых сплавов.

Статор закреплен на концентричном выступе 25 и продольных пазах 26 (показаны условно), выполненных в корпусе 2 датчика с помощью крышки 27.

Корпус 2 датчика может быть дополнен отделением 28 для установки формирователя сигнала 29 и штыревым разъемом 30.

Датчик устанавливается основанием 1 на стенке, через которую проходит контролируемый вал (не показано), например, на стенке дроссельного патрубка системы подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания [1]. Вал своим концом устанавливается в осевом отверстии 31 ротора 5, которое имеет форму, соответствующую форме конца вала.

Датчик работает следующим образом. В исходном состоянии напротив выреза 13 плоского кольца 12 неподвижного экрана устанавливают вырез 18 плоского кольца 17 подвижного экрана, в этом случае напротив выреза 14 кольца 12 располагается часть кольца 17, не содержащая вырезов, а напротив выреза 19 кольца 17, в свою очередь, располагается часть кольца 12, не содержащая вырезов. При этом обмотка 3 второй части каркаса максимально открыта в направлении, параллельном оси ротора 5, а обмотка 4 первой части каркаса максимально закрыта в том же направлении. Поворот контролируемого вала приводит к изменению положения плоского кольца 17 подвижного экрана относительно плоского кольца 12 неподвижного экрана: вырез 13 плоского кольца 12 неподвижного экрана закрывается, а вырез 14 открывается, открывая обмотку 4 первой части каркаса в направлении, параллельном оси ротора 5. Таким образом происходит изменение индуктивностей обмоток 3, 4, а также величины вихревых токов, создаваемых обмотками 3, 4 в экранах датчика. В результате сопротивление переменному току одной обмотки увеличивается, а другой уменьшается. Это приводит к разбалансу мостовой измерительной цепи переменного тока и генерации сигнала, величина которого пропорциональна углу поворота контролируемого вала.

В предложенном техническом решении плотное прилегание экрана со статором осуществляется на плоской поверхности подвижного и неподвижного экранов, что упрощает конструкцию датчика.

Источники информации
1. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту автомобилей ВАЗ-2110, ВАЗ-2111, ВАЗ-2112. М.: Ливр, 1998 г., с. 163.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в качестве датчика угловых перемещений. Технический результат: упрощение конструкции датчика, снижение трудоемкости его изготовления и повышение надежности в работе. Сущность: датчик содержит основание и выполненный с ним заедино корпус, в котором установлены статор с диэлектрическим каркасом обмоток, ротор, приводящий во вращение подвижный экран, и возвратная цилиндрическая пружина. Каркас обмоток выполнен составным: первая часть образована втулкой с фланцем, вторая часть представлена втулкой, расположенной концентрично втулке первой части. Обмотки установлены в кольцевых пазах, образованных на боковых поверхностях втулок первой и второй частей каркаса. Статор снабжен неподвижным экраном в виде плоского кольца с двумя дугообразными сквозными вырезами, разноудаленными от оси поворота ротора. Кольцо расположено перпендикулярно оси поворота ротора и установлено на торцевых поверхностях втулок первой и второй частей каркаса обмоток. Подвижный экран расположен смежно с неподвижным экраном и выполнен в виде плоского кольца с двумя дугообразными сквозными вырезами, по крайней мере частично перекрывающими вырезы кольца неподвижного экрана. Вырезы неподвижного и подвижного экранов попарно равноудалены от оси поворота ротора. Каждый вырез расположен своими краями относительно оси поворота ротора в секторе, составляющем 110^o, при этом сектора вырезов в каждом из экранов удалены друг от друга. Плоское кольцо подвижного экрана расположено на плоском кольце неподвижного экрана с подпружиниванием относительно основания датчика. 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик угловых перемещений, содержащий выполненные заедино основание и корпус, в котором установлены статор с диэлектрическим каркасом обмоток, обмотки, ротор, приводящий во вращение подвижный экран, и возвратная цилиндрическая пружина, отличающийся тем, что статор снабжен неподвижным экраном в виде расположенного перпендикулярно оси поворота ротора плоского кольца с двумя дугообразными разноудаленными от оси поворота ротора сквозными вырезами, каждый из которых установлен напротив одной из обмоток, подвижный экран расположен смежно с неподвижным экраном и выполнен в виде плоского кольца, расположенного на неподвижном экране концентрично оси поворота ротора, подвижный экран снабжен двумя дугообразными разноудаленными от оси поворота ротора сквозными вырезами, по крайней мере частично перекрывающими вырезы неподвижного экрана, при этом подвижный экран подпружинен в осевом направлении к статору относительно основания датчика путем упора в кольцо подвижного экрана. 2. Датчик угловых перемещений по п. 1, отличающийся тем, что каркас обмоток выполнен составным, первая часть каркаса образована втулкой с фланцем, вторая часть каркаса представлена втулкой, расположенной концентрично втулке первой части. 3. Датчик угловых перемещений по п. 2, отличающийся тем, что обмотки установлены в кольцевых пазах, образованных на боковых поверхностях втулок первой и второй частей каркаса, причем пазы расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси поворота ротора. 4. Датчик угловых перемещений по п. 2, отличающийся тем, что плоское кольцо неподвижного экрана установлено на торцевых поверхностях втулок первой и второй частей каркаса обмоток. 5. Датчик угловых перемещений по п. 4, отличающийся тем, что втулка первой части каркаса обмоток снабжена выступом, расположенным в вырезе плоского кольца неподвижного экрана и фиксирующим неподвижный экран относительно каркаса обмоток. 6. Датчик угловых перемещений по п. 5, отличающийся тем, что втулка первой части каркаса обмоток снабжена ограничителем, расположенным в вырезах равноудаленных пазов подвижного и неподвижного экранов. 7. Датчик угловых перемещений по п. 1, отличающийся тем, что каждый край каждого выреза неподвижного и подвижного экранов расположен в плоскости, содержащей ось поворота ротора. 8. Датчик угловых перемещений по п. 1, отличающийся тем, что вырезы плоского кольца неподвижного экрана и плоского кольца подвижного экрана попарно равноудалены от оси поворота ротора. 9. Датчик угловых перемещений по п. 1, отличающийся тем, что плоское кольцо неподвижного экрана снабжено втулкой, на которой концентрично установлен каркас обмоток, а подвижный экран снабжен двумя соосными втулками, расположенными в центре плоского кольца по обе его стороны. 10. Датчик угловых перемещений по п. 9, отличающийся тем, что втулка неподвижного экрана выполнена заедино с его плоским кольцом. 11. Датчик угловых перемещений по п. 9, отличающийся тем, что первая втулка подвижного экрана установлена во втулке неподвижного экрана. 12. Датчик угловых перемещений по п. 9, отличающийся тем, что вторая втулка подвижного экрана снабжена радиальным отверстием для закрепления конца возвратной пружины. 13. Датчик угловых перемещений по п. 9, отличающийся тем, что первый конец пружины установлен в пазу основания, а второй конец пружины расположен в радиальном отверстии второй втулки подвижного экрана. 14. Датчик угловых перемещений по п. 1, отличающийся тем, что каждый вырез подвижного и неподвижного экранов расположен своими краями относительно оси поворота ротора в секторе, составляющем 110^o, при этом сектора вырезов в каждом из экранов удалены друг от друга.