Емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений Российский патент 2020 года по МПК G01B7/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточных абсолютных измерений угловых перемещений.

Как правило, емкостной преобразователь угловых перемещений содержит как минимум одну кольцевую пластину статора, неподвижно закрепленную в корпусе, и установленную соосно с ней кольцевую пластину ротора, жестко закрепленную на валу преобразователя. Пластина статора и пластина ротора выполнены из диэлектрического материала с нанесенными на них взаимно перекрывающимися токопроводящими обкладками, образующими емкостные элементы. Степень взаимного перекрытия обкладок емкостных элементов определяется углом поворота ротора, обеспечивая взаимно-однозначное соответствие между положением вала и параметрами информационных сигналов, формируемых на выходе преобразователя.

Известны различные типы емкостных преобразователей угловых перемещений [US 6492911 B1, US 6492911 B1, RU 145255 U1, RU 2265800 C1], среди которых наиболее перспективными являются абсолютные преобразователи, обеспечивающие измерение абсолютного угла поворота вала преобразователя, в том числе при статическом начальном положении.

С целью увеличения точности преобразователя к абсолютной шкале (шкале грубого отсчета) может быть добавлена инкрементная шкала (шкала точного отсчета), обеспечивающая однозначное определение относительного угла поворота вала преобразователя в пределах α=360°/n, где α - период шкалы точного отсчета, n - целое положительное число, равное количеству полюсов шкалы [US 6492911 В1].

Известен емкостной преобразователь угловых перемещений [RU 67705 U1], содержащий неподвижную пластину статора и подвижную пластину ротора, выполненные из диэлектрического материала, на которых расположены токопроводящие дорожки и обкладки шкал грубого и точного отсчета. На пластине статора преобразователя расположены четыре секционированные дорожки точного отсчета с обкладками, сдвинутыми друг относительно друга на величину, равную четверти периода точного отсчета α/4, и четыре обкладки грубого отсчета, сдвинутые друг относительно друга на 90°. На пластине ротора преобразователя, установленной по отношению к пластине статора в параллельной плоскости и возможностью перемещения в направлении изменения площади взаимного перекрытия обкладок, расположена дорожка грубого отсчета с обкладкой, выполненной в форме полукольца, и секционированная кольцевая дорожка точного отсчета. Выходы всех дорожек соединены с преобразователем емкость-код.

Недостатком указанного преобразователя является необходимость подключения дорожек пластины ротора к внешнему электронному блоку (преобразователю емкость-код), что существенно усложняет конструкцию преобразователя и накладывает ограничения на условия его эксплуатации и срок службы. Кроме того, последовательный опрос текущих значений кодов точного и грубого отсчета ограничивает допустимую скорость вращения вала вследствие большого количества математических операций, необходимых для вычисления текущего значения угла.

Известен преобразователь угловых перемещений [US 4092579], содержащий две пластины статора и расположенную между ними пластину ротора. Первая пластина статора преобразователя имеет пару плоских концентрических обкладок, подключенных к двухполюсному генератору напряжения. На стороне пластины ротора, обращенной к первой пластине статора преобразователя, расположена ответная пара обкладок, электрически связанных с двумя обкладками на обратной стороне пластины ротора, выполненных в виде симметричных полуколец. Вторая пластина статора имеет 4 обкладки в форме полумесяца, подключенных к двум дифференциальным усилителям, на выходе которых при вращении ротора формируется два амплитудно-модулированных сигнала с гармоническими взаимно ортогональными огибающими.

Недостатком указанного преобразователя является наличие единственного канала отсчета: либо абсолютного, либо инкрементного, что не позволяет одновременно производить измерение угловой координаты с достаточной точностью и однозначно определять угол поворота ротора.

Наиболее близким к настоящему изобретению, выбранному в качестве прототипа по технической сущности является емкостный преобразователь перемещений, описанный в US 4851835.

Этот преобразователь содержит две пластины статора и расположенную между ними пластину ротора, на которых расположены токопроводящие дорожки и обкладки шкал грубого и точного отсчета. Первая пластина статора преобразователя имеет 4⋅n обкладок шкалы точного отсчета (n - целое положительное число, равное количеству полюсов преобразователя), объединенные в n групп по четыре штуки в каждой, подключенные к четырехфазному генератору напряжения несущей частоты. На стороне пластины ротора, обращенной к первой пластине статора преобразователя, расположена ответная серия из 2⋅n обкладок, электрически связанных с двумя кольцеобразными обкладками на обратной стороне пластины ротора, обращенных к приемным кольцеобразным обкладкам второй пластины статора, на которых формируется квадратурно-модулированный сигнал, обрабатываемый электронным блоком преобразователя. Шакала грубого отсчета преобразователя имеет аналогичный вид, но выполнена в однополюсном исполнении.

К недостаткам указанного преобразователя следует отнести ограниченную точность измерений, лимитируемую его габаритами, ввиду ограничений, накладываемых на геометрические размеры обкладок шкалы точного отсчета преобразователя, а также сложность его электронного блока генератора, блока демодуляции и обработки сигналов.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание абсолютного преобразователя угловых перемещений, характеризующегося повышенной точностью измерений и улучшенной помехозащищенностью в условиях воздействия электромагнитных помех.

Сущность изобретения заключается в том, что емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений, содержит две кольцевые пластины статора и кольцевую пластину ротора, расположенную соосно между ними, выполненные из диэлектрического материала, на которых расположены токопроводящие дорожки и обкладки шкал грубого и точного отсчета, причем пластина ротора жестко закреплена на валу преобразователя, соединенного с перемещающимся объектом, также генератор переменного напряжения к которому подключена обкладка, выполненная в виде кольца, одной из пластин статора, и электронный блок преобразования и обработки сигналов, к которому подключены приемные обкладки шкал точного и грубого отсчета, расположенные на другой пластине статора, при этом шкала точного отсчета преобразователя образована из 4⋅n идентичных сегментов четырех приемных обкладок, где n - целое положительное число, равное количеству полюсов точной шкалы отсчета, сдвинутых друг относительно друга на величину, равную четверти периода шкалы точного отсчета, и пары радиально симметричных электрически связанных площадок n-го порядка, зеркально расположенных с двух сторон пластины ротора, шкала грубого отсчета выполнена в виде кодовой псевдослучайной последовательности электрически связанных обкладок, расположенных зеркально с двух сторон пластины ротора, и 2⋅n идентичных приемных обкладок пластины статора, сдвинутых друг относительно друга на величину, кратную половине периода шкалы точного отсчета.

Новизна заключается в том, что шкала грубого отсчета преобразователя выполнена в виде кодовой псевдослучайной последовательности, образованной серией из 2⋅n идентичных площадок на второй пластине статора, сдвинутых друг относительно друга на величину, кратную половине периода шкалы точного отсчета α/2, и серией попарно электрически соединенных, симметрично расположенных с двух сторон пластины ротора обкладок, сдвинутых друг относительно друга на величину, кратную периоду шкалы точного отсчета α.

Кодовый принцип построения абсолютной шкалы преобразователя позволяет

- повысить его потенциальную точность благодаря уменьшению площади обкладок шкалы грубого отсчета и, следовательно, возможности увеличения площади обкладок инкрементной шкалы преобразователя,

- уменьшить габариты преобразователя при сохранении точности измерения,

- улучшить помехозащищенность преобразователя,

- упростить электронный блок преобразователя, повысив его надежность.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

На фиг. 1 схематично показаны основные конструкционные элементы преобразователя.

На фиг. 2 показана блок-схема электронного блока преобразователя.

На фиг. 3 и фиг. 4 показаны обкладки, образующие шкалу точного и шкалу грубого отсчета.

На фиг. 5 показаны приемные обкладки шкал точного и грубого отсчета преобразователя.

На фиг. 6 показаны обкладки пластины ротора шкал точного и грубого отсчета преобразователя.

На фиг. 7 и 8 показан принцип амплитудной модуляции несущего сигнала ротором преобразователя.

Заявляемый абсолютный емкостной преобразователь угловых перемещений содержит статор, состоящий из двух дискообразных диэлектрических пластин 1 и 2 (пластин статора), ротора, состоящего из вала преобразователя 4 и дискообразной диэлектрической пластины 3 (пластины ротора, фиг. 1), электронного блока, содержащего генератор переменного напряжения 7 (фиг. 2), включающий блок буферных усилителей 8, коммутатор 9, блок детектирования 10, блок аналого-цифрового преобразования и обработки сигналов 11.

На пластинах статора 1, 2 и пластине ротора 3, установленных соосно с воздушными зазорами 5 и 6 (фиг. 1), расположены токопроводящие дорожки и обкладки шкал грубого и точного отсчета.

На стороне 12 пластины статора 1 (фиг. 3) и стороне 13 пластины статора 2 расположена пара кольцеобразных обкладок 14 и 15, соединенных с генератором напряжения 7 (далее - обкладок генератора, фиг. 2), между которыми на стороне 16 пластины статора 2 расположены приемные обкладки, подключенные к буферным усилителям 8 электронного блока преобразователя.

Приемная шкала точного отсчета 17 (Фиг. 4, фиг. 5) состоит из четырех одинаковых сегментированных обкладок 18a..18d, сдвинутых друг относительно друга на величину, равную четверти периода шкалы точного отсчета α/4, где

α=360°/n,

n - целое положительное число, равное количеству полюсов точной шкалы преобразователя.

Сегменты каждой из обкладок, сдвинутые друг относительно друга на величину, равную одному периоду шкалы точного отсчета α, идентичны и электрически соединены между собой токопроводящими дорожками 19.

Приемная шкала грубого отсчета 20 состоит из 2n идентичных обкладок, сдвинутых друг относительно друга, на величину, равную половине периода шкалы точного отсчета α/2.

С двух сторон пластины ротора 3 (фиг. 6) преобразователя расположены зеркально симметричные попарно электрически связанные токопроводящие обкладки шкалы точного и шкалы грубого отсчета. Шкала точного отсчета ротора содержит одну пару обкладок 21а и 21b, выполненных в виде радиально симметричных площадок n-го порядка. Обкладки шкалы грубого отсчета пластины ротора 22а и 22b состоят из сегментов с шириной, равной периоду шкалы точного отсчета α, и образуют кодовую n-битную псевдослучайную последовательность, причем логической единице кода соответствуют области двусторонней металлизации ротора 23а, электрически соединенные между собой, а логическому нулю - неметаллизированные области 23b.

Обкладки генератора 14 и 15 (фиг. 7) с каждой из приемных обкладок образуют емкостной делитель напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных плоских конденсаторов С1 и С2. Величина емкости конденсатора С₂, образованного обкладками, расположенными с двух сторон единственной пластины статора 2, постоянна. Величина емкости конденсатора C₁ зависит от степени перекрытия приемной обкладки 18a..18d и обкладок пластины ротора 21а, 21b - для шкалы точного отсчета, 22а, 22b и 23а, 23b - для шкалы грубого отсчета, и в первом приближении равна

где S - площадь приемной обкладки 18a..18d, d - расстояние между обкладкой генератора 15 и приемной обкладкой, d_rt - толщина пластины ротора, ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала пластины ротора, k=S/S_met - степень перекрытия приемной обкладки и обкладок ротора, S_met - площадь перекрытия обкладок.

На приемных обкладках наводится напряжение амплитудой

где U_gen - амплитуда напряжения генератора.

Каждая из приемных обкладок подключена к своему буферному усилителю напряжения электронного блока преобразователя.

В одном из возможных исполнений (фиг. 8), генератор подключен к единственной обкладке 14 пластины статора 1, а приемные обкладки - к трансимпедансным усилителям электронного блока преобразователя, на выходе которых формируется напряжение амплитудой

где R - коэффициент преобразования тока в напряжение.

Форма приемных обкладок шкалы точного отсчета 18a..18d (фиг. 5) и соответствующих обкладок пластины ротора 21а и 21b (фиг. 6) выбрана такой, что зависимость степени перекрытия k, а, следовательно, и амплитуды напряжения на приемных обкладках 18a..18d, от угла поворота ротора носит гармонический характер. Поскольку приемные обкладки 18a..18d сдвинуты друг относительно друга на величину, равную четверти периода инкрементной шкалы преобразователя, огибающие амплитудно-модулированных сигналов U₀, U_π/2, U_π, U_3π/2, наводимых на приемных обкладках шкалы точного отсчета, имеют фазы 0, π/2, π и 3π/2, соответственно.

Сигналы U₀, U_π и U_π/2, U_3π/2 попарно подаются на дифференциальные усилители и, далее, на детекторы, на выходе которых формируется два ортогональных координатно-периодических сигнала U_Sin и U_cos, однозначно определяющих угол поворота ротора в пределах одного периода шкалы точного отсчета. Далее, сигналы U_sin и U_cos оцифровываются специализированным АЦП (интерполятором) блока аналогово-цифрового преобразования и обработки сигналов 11.

Приемная шкала грубого отсчета 20 (фиг. 5) состоит из 2n идентичных обкладок, сдвинутых друг относительно друга, на величину, равную половине периода шкалы точного отсчета α/2, и разбитых на группу четных 22а и группу нечетных 22b обкладок. Для определения абсолютного значения угла поворота при единичном измерении используется одна группа обкладок. Выбор группы зависит от относительного угла поворота ротора в пределах одного периода шкалы точного отсчета и осуществляется коммутатором 9 (фиг. 2) по управляющему сигналу, генерируемому блоком аналогово-цифровой обработки сигналов.

Использование удвоенного количества обкладок абсолютной шкалы преобразователя, расположенных с шагом, равным половине периода шкалы точного отсчета, позволяет исключить неоднозначность считывания абсолютного значения кода при его смене его значения.

Сигналы, снимаемые с приемных обкладок шкалы грубого отсчета 22а или 22b, через блок буферных усилителей 8, коммутатор 9 и блок детектирования 10 подаются на компараторы, на выходе которых формируется цифровой код, соответствующий текущему абсолютному углу поворота ротора разрядностью n.

В блоке аналого-цифровой обработки сигналов осуществляется декодирование псевдослучайной последовательности, считываемой с канала грубого отсчета, с последующей "сшивкой" кода со значением, формируемым каналом точного отсчета.

Заявитель просит рассмотреть представленные материалы заявки «Емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений» на предмет выдачи патента РФ на изобретение.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточных абсолютных измерений угловых перемещений. Техническим результатом является повышение точности измерений и улучшение помехозащищенности в условиях воздействия электромагнитных помех. Для этого шкала точного отсчета преобразователя образована из 4⋅n идентичных сегментов четырех приемных обкладок, где n - целое положительное число, равное количеству полюсов точной шкалы отсчета, сдвинутых друг относительно друга на величину, равную четверти периода шкалы точного отсчета, и пары радиально симметричных электрически связанных площадок n-го порядка, зеркально расположенных с двух сторон пластины ротора, а шкала грубого отсчета выполнена в виде кодовой псевдослучайной последовательности электрически связанных обкладок, расположенных зеркально с двух сторон пластины ротора, и 2⋅n идентичных приемных обкладок пластины статора, сдвинутых друг относительно друга на величину, кратную половине периода шкалы точного отсчета. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений, содержащий две кольцевые пластины статора и кольцевую пластину ротора, расположенную соосно между ними, выполненные из диэлектрического материала, на которых расположены токопроводящие дорожки и обкладки шкал грубого и точного отсчета, причем пластина ротора жестко закреплена на валу преобразователя, соединенного с перемещающимся объектом, также генератор переменного напряжения, к которому подключена обкладка, выполненная в виде кольца, одной из пластин статора, и электронный блок преобразования и обработки сигналов, к которому подключены приемные обкладки шкал точного и грубого отсчета, расположенные на другой пластине статора, отличающийся тем, что шкала точного отсчета преобразователя образована из 4⋅n идентичных сегментов четырех приемных обкладок, где n - целое положительное число, равное количеству полюсов точной шкалы отсчета, сдвинутых друг относительно друга на величину, равную четверти периода шкалы точного отсчета, и пары радиально симметричных электрически связанных площадок n-го порядка, зеркально расположенных с двух сторон пластины ротора, а шкала грубого отсчета выполнена в виде кодовой псевдослучайной последовательности электрически связанных обкладок, расположенных зеркально с двух сторон пластины ротора, и 2⋅n идентичных приемных обкладок пластины статора, сдвинутых друг относительно друга на величину, кратную половине периода шкалы точного отсчета.

2. Емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений по п. 1, в котором электронный блок преобразования и обработки сигналов содержит блок буферных усилителей, коммутатор, блок детектирования, блок аналогово-цифрового преобразования и обработки сигналов.

3. Емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений по п. 1, в котором пластина статора с приемными обкладками дополнительно содержит вторую обкладку генератора в виде кольца, подключенную к его противоположному полюсу.

4. Емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений по п. 1, в котором блок буферных усилителей состоит из трансимпедансных усилителей.

5. Емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений по п. 2, в котором блок буферных усилителей состоит из усилителей напряжения.

6. Емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений по любому из пп. 1-5, дополнительно содержащий реактивное сопротивление в электрической цепи между генератором и одной из его обкладок.

7. Емкостной абсолютный преобразователь угловых перемещений по любому из пп. 1-6, содержащий две или более шкал точного отсчета с различным количеством полюсов.