Датчик угла поворота вала Советский патент 1987 года по МПК G01B7/30 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и автоматике и может быть использовано, в частности, для измерения угловых перемещений, например, угла поворота враща- j од изменения магнитной индукции для

ющегося вала.

Целью изобретения является повышение точности измерения угла поворота путем увеличения коэффициента электрической редукции, благодаря чему обеспечивается более высокая частота изменения информационного сигнала на выходе датчика в функции угла повороКаждая группа состоит из m по- 10 следовательно соединенных магниторезисторов. Принадлежность магниторезистора к данной группе и положение в ней по периферии магнитопрово- да 2 характеризуется двумя индексами

та контролируемого вала.

На фиг. 1 показан датчик угла по- t5 i и j. Значение индекса i (i 4,5) ворота, сечение по его продольной соответствует обозначению группы маг- оси; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1 на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1.

Датчик угла поворота вала содержит два кольцевых магнитопровода 1 и 2,

ниторезисторов на фиг. 3, а значение индекса j (,2,..., m/2) соответствует порядковому номеру в своей груп- 20 пе магниторезистора с данным значением индекса i.

установленные соосно и разделенные зазором. Кольцевые магнитопроводы 1 и 2 имеют П-образное сечение и установлены торцами один к другому. На

ниторезисторов на фиг. 3, а значение индекса j (,2,..., m/2) соответствует порядковому номеру в своей груп- 20 пе магниторезистора с данным значением индекса i.

Поскольку магниторезисторы работают на квадратичном участке своей характеристики, то зависимость сопроодном из торцов магнитопровода 1 ус- тивления R ,j магниторезистора от магтаиовлен кольцевой постоянный Mai- нит 3, а другой торец выполнен зубчатым. На торце магнитопровода 2,сопряженном с зубчатым торцом магнитопровода 1, размещены две группы маг- ниточувствитель,ных элементов 4 и 5, выполненные в в.иде магниторезистив- ной матрицы и установленные на общей магнитомягкой подложке с последовательным соединением между элементами в каждой группе. Магниточувствитель- ные элементы ;расположены по окружности с двумя чередующимися шагами Т и Т2, один из которых например Т, кранитной индукции Bi,j имеет вид

2

м

R.

SBi.i

II

(1)

30

S 35

где RO - сопротивление магниторезистора в отсутствии магнитного поля;крутизна квадратичного участ ка характеристики; магнитная индукция, воздействующая на магниторезистор с индексами i, j. Выбором соответствующей конфигурации зубцов распределение магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре

B,-,j

тем в нечетное число раз половине 40 может быть приближено к синусоидаль- зубцового деления Т первого магнито- ному, поэтому зависимость магнитной

провода, а соседние;магниточувствииндукции (л) от угла Ы- поворота вала имеет вид:

В,

.

тельные элементы 4 и 5, принадлежащие к различным группам, смещены один 2Jr относительно другого на угол, кратный 45 By W)B(,+B, sin (- ci ) (2) в нечетное число раз одной восьмой где В„ - амплитуда постоянной состав- зубцового деления.

Работа датчика основана на использовании магниторезистивного эффекта, Который заключается в увеличении со- 50 противления полупроводникового магниторезистивного элемента при внесении его в магнитное поле. Магнитное поле в датчике создается с помощью кольцевого постоянного магнита 3, при этом 55 в рабочем воздушном зазоре, образованном зубцами магнитопроводаi 1 и магниточувствительными элементами 4

ляющей магнитной индукции

-амплитуда ее переменной составляющей;

-начальная фаза.

Поскольку шаг Т размещения магниторезисторов кратен в нечетное число раз половине зубцового деления Т:

bJ

т, (2К-1) у

(3)

где К - целое 1, 2, 3,..., то Шс1Г Т может быть определен из условия;

и 5, создается определенная индукция магнитного поля, соответствующая работе магниторезисторов на квадратичном участке их характеристики. Перикаждого магниторезистора равен периоду расположения зубцов, т.е. зубцо- вому делению Т.

Каждая группа состоит из m по- следовательно соединенных магниторезисторов. Принадлежность магниторезистора к данной группе и положение в ней по периферии магнитопрово- да 2 характеризуется двумя индексами

i и j. Значение индекса i (i 4,5) соответствует обозначению группы маг-

ниторезисторов на фиг. 3, а значение индекса j (,2,..., m/2) соответствует порядковому номеру в своей груп- пе магниторезистора с данным значением индекса i.

Поскольку магниторезисторы работают на квадратичном участке своей характеристики, то зависимость сопротивления R ,j магниторезистора от магиндукции Bi,j имеет вид

2

R.

SBi.i

II

(1)

0

S 5

где RO - сопротивление магниторезистора в отсутствии магнитного поля;крутизна квадратичного участка характеристики; магнитная индукция, воздействующая на магниторезистор с индексами i, j. Выбором соответствующей конфигурации зубцов распределение магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре

B,-,j

индукции (л) от угла Ы- поворота вала имеет вид:

2Jr By W)B(,+B, sin (- ci ) (2) где В„ - амплитуда постоянной состав-

В,

.

2Jr By W)B(,+B, sin (- ci ) (2) где В„ - амплитуда постоянной состав-

ляющей магнитной индукции

-амплитуда ее переменной составляющей;

-начальная фаза.

Поскольку шаг Т размещения магниторезисторов кратен в нечетное число раз половине зубцового деления Т:

bJ

т, (2К-1) у

(3)

где К - целое 1, 2, 3,..., то Шс1Г Т может быть определен из условия;

m

f(T,+T) 2Jr.

С учетом изложенного можно показать, что сопротивления магниточув- ствительных элементов 4 и 5 изменяют- ся в функции угла ot поворота вала по гармоническому закону:

R.n,-R,.cos(

RjCot)

-(-1) R sinC т

1гт% 1

);

+ v J

де ,5m{2R +2SB,+SB),

4Г Т

sin

R

lin

SB

SLn

ajfg

Tra Ш 8Tf (0,5m-1)

Mm T- m

S - целое число i Из. (5) и (6) видно, что выходные сигналы датчика изменяются в функции .угла et поворота с периодом, в который в два раза меньше зубцового деления Т. Следовательно, коэффициент электрической редукции датчика увеличивается в два раза и становится равным удвоенному числу зубцов кольцевого магнитопровода 1. Благодаря более высокой частоте изменения выходных сигналов датчика угла повышается точность преобразования угла поворота без увеличения числа зубцов датчика, которое связано с увеличением их раз- меров во избежание магнитного насыщения зубцов и ухудшения гармонического состава магнитной индукции в ра

- 5

fO

f5

20

30

. 35 - . бочем воздушном зазоре, влияющего на ТОЧНОСТЬ датчика,

I

Формула изобретения

Датчик угла поворота вала, содержащий установленные соосно, торцами один к другому и разделенные зазором два кольцевых магнитопровода П-образ- ного сечения, кольцевой постоянный магнит, размещенный на одном из торцов первого кольцевого магнитопровода, на торце которого выполнены равномерно расположенные по его окружности зубцы, и размещенные на торце второго кольцевого магнитопровода, сопряженном с зубчатым торцом первого магнитопровода, группы маг- ниточувствительных элементов, выполненные в виде магниторезнстивной матрицы и установленные на общей магни- томягкой подложке с последовательным соединением между элементами в каждой -Группе, отличающийся тем, что, с целью повьапения точности измерения угла поворота путем увеличения коэффициента электрической редукции, магниточувствительные элементы в каждой группе распределены по окружности второго магнитопровода с двумя чередующимися шагами, один из - которых в нечетное число раз кра-Ген половине зубцового деления, а смежные магниточувствительные элементы, принадлежаоще к разным группам, смещены один относительно другого на угол, кратный в нечетное число раз одной восьмой зубцового деления первого магнитопровода.

XI б

Фиг,1

Г

Фиг.1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и автоматике и может быть использовано, в частйЬсти,для измерения угловых перемещений. Целью изобретения является повышение точности датчика угла поворота вала за счет увеличения коэффициента электрической редукции. Датчик угла поворота содержит два кольцевых магнитопровода, установленных соосно с зазором и имеющих П-образное сечение. На одном из них размещен кольцевой постоянный магнит 3 и выполнены зубцы, а на другом размещены группы магниточувствитель- ных элементов 4 и 5, выполненнь е в виде магниторезистивных матриц. Эти элементы распределены в каждой группе с двумя чередующимися шагами,один из которых кратен половине зубцового деления, причем соседние магниточув- ствительные элементы, принадлежащее к разным группам, смещены один отно- . сительно другого на угол, кратный 1/8 зубцового деления первого магнитопровода. При работе датчика обеспечивается изменение магнитной индукции в воздушном зазоре по гармоническому закону с амплитудой, обеспечивающей изменение сопротивления магниторезис- торов в соответствии с квадратичным участком их характеристики преобразования. 3 ил.