Дифференциальный емкостной преобразователь углового перемещения Советский патент 1992 года по МПК G01B7/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования угловых перемещений объекта в электрический сигнал.

Известен преобразователь угловых перемещений, выполненный в виде конденсатора переменной емкости, содержащий диэлектрический корпус, размещенный в нем ротор, выполненный из электропроводящего материала в виде бабочки, изогнутую металлическую крышку для герметизации и создания равномерного давления, прижимающего ротор к основанию корпуса и неподвижный электрод в виде металлизированного слоя на внешней поверхности основания корпуса, выполненный в виде диаметрально противоположно расположенных кольцевых сегментов.

Недостатком этого преобразователя является влияние перекоса между ротором и неподвижным электродом на вид выходной характеристики конденсатора.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является дифференциальный емкостный преобразователь углового перемещения, содержащий два размещенных в общей плоскости одинаковых неподвижных этектро- да, каждый из которых выполнен в виде одной пары электрически соединенных пол- укольцевых сегментов разного диаметра, расположенных диаметрально противоположно относительно оси симметрии преобразователя и образующих два концентрических кольца, и установленный соосно с возможностью вращения в параллельной

VI

О

00 О

ел

им плоскости третий электрод, выполненный идентично одному из неподвижных электродов. Этот преобразователь также чувствителен к перекосам подвижного электрода относительно неподвижных электродов, что оказывает существенное влияние на точность преобразователя.

Целью изобретения является повышение точности преобразования путем уменьшения влияния непараллельности установки электродов и их биения.

Указанная цель достигается тем, что дифференциальный емкостной преобразователь углового перемещения, содержащий два размещенных в общей плоскости одинаковых неподвижных электрода, каждый из которых выполнен в виде одной пары электрически соединенных полукольцевых сегментов равного диаметра, расположенных диаметрально противоположно относительно оси симметрии преобразователя и образующих два концентрических кольца, и установленный соосно с возможностью вращения в параллельной им плоскости третий электрод, выполненный идентично одному из неподвижных электродов, снабжен тремя идентично выполненными парами полукольцевых сегментов другого диаметра, две из которых расположены концентрично в общей плоскости с полукольцевыми сегментами неподвижных электродов, имеют электрические соединения с соответствующим из них и образующих два дополнительных концентрических кольца, третья пара размещена в плоскости третьего электрода напротив дополнительных концентрических колец, концентрические кольца в плоскости неподвижных электродов отделено одно от другого в порядке удаления от центра кольцевыми зазорами шириной hi.ha.hs, при этом величина радиального зазора h2 может быть равна 0, радиальные размеры концентрических колец связаны следующими соотношениями

R2 v(Ri+lт)3 + R-I 3 - Ro 3 , R4 Rs +- ha)3 + R3 3 - R2 3 ,

R - (R3 + h3)3 + Ra - f R2 + h2)4 - -R24 + (Ri+ hi)4-Rr+ , где Ro,Ri,R2,Rs и R - внутренний радиус первого кольца и внешние радиусы соответственно первого, второго, третьего и четвертого концентрических колец, образующих неподвижные электроды.

На фиг. 1 изображены неподвижные и подвижный электроды преобразователя углового перемещения, а также подключенный к ним измерительный блок; на фиг.2 - вариант выполнения преобразователя с другой формой подвижного и неподвижных электродов.

Преобразователь содержит расположенные в одной плоскости два неподвижных электрода, выполненных в виде полукольцевых сегментов, образующих концентрически расположенные кольца 1-4.

Третий электрод 5 установлен соосно с возможностью вращения в параллельной им плоскости и выполнен в виде четырех полукольцевых сегментов, расположенных, соответственно, над кольцами 1-4 неподвижных электродов. Третий электрод 5 образует с неподвижными электродами два переменных конденсатора емкостью соответственно Ci и С2 в функции площади их взаимного перекрытия. Дифференциальная

емкость преобразователя С Сч - С2. (1)

Величины радиусов R2,Rs,R4 получены путем разложения дифференциальной емкости С в ряд Тейлора по углу перекоса между электродами и приравнивания нулю

линейного и квадратичного членов разложения. Радиальные зазоры hi,h2,h3 при этом выбираются произвольно. Все электроды преобразователя подключены на вход измерительного блока 6.

В случае, когда диэлектрическая проницаемость Ј преобразователя постоянна во время его работы, измерительный блок 6 представляет собой устройство, выходное напряжение которого прямо пропорц онально дифференциальной емкости с преобразователя. Если диэлектрическая проницаемость существенно изменяется во время работы, преобразователь снабжаемся дополнительным постоянным конденсатором Сз, физически выполненным так, что его диэлектрическая проницаемость зависит от параметров внешней среды так, как и дифференциальная емкость преобразователя. Измерительная схема в этом случае содержит дополнительный блок деления, выходное напряжение измерительной схемы прямо пропорционально отношению Ci-C2 Сз

Измерительный блок 6 выполняется на базе широко известных преобразователей величины емкости в сигнал переменного или постоянного тока. В качестве Сз целесообразно использовать суммарную емкость

Сч + С2. Однако эта емкость в значительной степени зависит от угла перекоса между электродами, так как ее разложение в ряд Тейлора содержит не равный нулю квадратичный член. Устранение этого недостатка

возможно за счет введения в преобразователь дополнительного кольцевого неподвижного электрода 7 (см. фиг.1 и фиг.2),

соединенного с входом измерительного блока 6, внешний радиус RS которого равен

Изобоетекие относится к измерительной технике. Цель - повышение точности дифференциального емкостного преобразователя углового перемещения за счетумень- шения влияния непараллельности установки его электродов. Неподвижные электроды преобразователя выполнены в виде нескольких пар полукольцевых сегментов, расположенных в одной плоскости и образующих четыре концентрических кольца, радиальные размеры которых связаны определенными математическими соотношениями. Установленный соосно с ними с возможностью вращения в параллельной плоскости третий электрод также выполнен из полукольцевых сегментов разного диаметра, каждый из которых размещен напротив концентрического кольца соответствующего диаметра. Все полукольцевые сегменты третьего электрода электрически соединены между собой. При вращении третьего электрода относительно двух неподвижных обеспечивается дифференциальное изменение емкостей, образованных ими. Отношение разности этих емкостей к их сумме не зависит от перекоса электродов. 2 ил. со с

R5 V(R4 + N)4 + RA - (Нз + пз)4 + Рз 4 - (R2 + h2)4 + Rsr(Ri + hi)4 + Ri 4 - Rc

где h4 - радиальный зазор между электродом 7 и концентрическим кольцом 4.

Величина радиуса RS определяется равенством нулю квадратичного члена разложения в ряд Тейлора по углу перекоса емкости Сз Ci + Са С4, где Сз - емкость, образованная электродом 7 с подвижным электродом 5. Внешний радиус подвижного электрода 5 увеличен так, чтобы он имел полную площадь перекрытия с электродом 7.

Возможно устранение влияния нестабильности емкости Ci + С2 за счет выполнения полукольцевых сегментов подвижных и неподвижных электродов двух внешних конец повернутыми на 90° относительно полукольцевых сегментов внутренних колец, при этом емкость Сз Сч + С2.

Измерительный блок 6 при наличии электрода 7 содержит дополнительный блок вычитания, а его выходное напряжение прямо пропорционально отношению С1-С2

Сз

Преобразователь работает следующим образом.

При угловом перемещении подвижного электрода относительно неподвижных линейно меняется площадь перекрытия между ними. Следовательно, линейно изменяется дифференциальная емкость преобразователя. При возникновении перекосов между подвижным и неподвижным электродами преобразователя емкости конденсаторов Ci и С2 изменяется одинаковым образом и, следовательно, дифференциальная емкость преобразователя не будет зависеть от перекосов между электродами.

Данный преобразователь позволяет уменьшить погрешность, вносимую перекосами электродов, в 3-5 раз или при той же погрешности соответственно уменьшить его габариты по сравнению с известным преобразователем.

Формула изобретения

Дифференциальный емкостной преобразователь углового перемещения, содержащий два размещенных в общей плоскости одинаковых неподвижных электрода, каждый из которых выполнен в виде одной пары электрически соединенных полукольцевых сегментов разного диаметра, расположенных диаметрально противоположно относительно оси симметрии преобразователя и образующих два концентрических кольца одинаковой площади, и установленный соосно с возможностью вращения в параллельной им плоскости третий

электрод, выполненный идентично одному из неподвижных электродов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования путем уменьшения влияния непараллельности установки

электродов и их биения, он снабжен тремя идентично выполненными парами полукольцевых сегментов другого диаметра, две из которых расположены концентрично в общей плоскости с полукольцевыми сегментами неподвижных электродов, имеют электрические соединения с соответствующим из них и образуют два дополнительных концентрических кольца, третья пара размещена в плоскости третьего электрода напротив дополнительных концентричных колец и имеет электрические соединения с ним, концентрические кольца в плоскости неподвижных электродов отделены один от другого кольцевыми зазорами шириной h, a

их радиальные размеры связаны следующими соотношениями;

R2 4Ri + hi)3+Ri3-R03 ,

R4 V(R3 + h3)3 + R3 3 - R2 3 Ru4 - (R3 + h3)3 + Rs - (R2 + h)4 - -R24+ (Ri-f hi)4-Ri4 + R04 0.

где Ro,Ri,R2,R3 и R - внутренний радиус первого кольца и внешние радиусы соответственно первого, второго, третьего и четвертого концентрических колец, образующих

неподвижные электроды,