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 1.

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

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дифференци- альный емкостный преобразователь углового перемещения, содержащий два размещенных в одной плоскости неподвижных электрода, каждый из которых выполнен в виде одной пары электрически соединенных участков кольцевых сегментов

ч VI ел о со VI

СА

разного диаметра, расположенных диаметрально противоположно относительно оси симметрии преобразователя, разделенных радиальными зазорами и образующих два концентрически расположенных плоских кольца, в которых кольцевые сегменты одной пары чередуются с кольцевыми сегментами другой пары в окружном и радиальном направлениях, и установленный соосно с концентрическими кольцами в параллельной плоскости с возможностью вращения относительно них третий электрод, состоящий из четного числа электрически соединенных участков кольцевых сегментов 2. Этот преобразователь также чувствителен к перекосам подвижного электрода относительно неподвижных электродов, что оказывает существенное влияние на точность преобразователя.

Цель изобретения - повышение точности преобразователя в диапазоне измерения до 90° за счет минимизации влияния взаимного перекоса электродов.

Цель достигается тем. что дифференциальный емкостной преобразователь углового перемещения, содержащий два размещенных в одной плоскости неподвижных электрода, каждый из которых выполнен в виде одной пары электрически соединенных участков кольцевых сегментов разного диаметра, расположенных диаметрально противоположно относительно оси симметрии преобразователя, разделенных радиальными зазорами и образующих два концентрически расположенных плоских кольца, в которых кольцевые сегменты одной пары чередуются с кольцевыми сегментами другой пары в окружном и радиальном направлениях, и установленный соосно с концентрическими кольцами в параллельной плоскости с возможностью вращения относительно них третий электрод, состоящий из четного числа электрически соединенных участков кольцевых сегментов, снабжен дополнительными парами участков кольцевых сегментов, которые выполнены идентично сегментам первых двух пар и размещены в плоскости тех же концентрических колец, общее количество N пар сегментов каждого неподвижного электрода четное, а их радиальные размеры связаны соотношением

R2 V(Ri + h)4+Ri4-Ro4 (1)

где Ro, RI и Ra - внутренний радиус первого кольца и внешние радиусы первого и второго колец соответственно; h - изоляционный зазор между концентрическими кольцами. Участки кольцевых сегментов третьего электроДа имеют радиальные размеры, превышающие радиальные размеры концентрических колец неподвижных электродов, а их общее количество равно 2N.

На фиг. 1 изображены неподвижные и

подвижный электроды преобразователя углового перемещения, имеющего диапазон измерения от 0 до 90°; на фиг. 2 изображены неподвижные и подвижный электроды преобразователя углового перемещения, имеющего диапазон измерения от 0 до 45°.

Дифференциальный емкостной преобразователь углового перемещения содержит два неподвижных электрода 1 и 2,

размещенных в одной плоскости и выполненных в виде кольцевых сегментов разного диаметра, установленного параллельно и соосно с ним подвижного электрода 3, который присоединены к входам измерительной

схемы 4. Все кольцевые сегменты, образующие каждый из электродов, электрически связаны между собой. Неподвижный электрод 1 образует с подвижным электродом 3 конденсатор емкостью Ci, а неподвижный

электрод 2 образует с подвижным электродом 3 конденсатор емкостью Си. Дифференциальная емкость преобразователя С Ci - Си. Величины радиусов R0 и RI могут быть выбраны произвольно. Величина радиуса R2

находится путем разложения дифференциальной емкости С в ряд Тейлора по углу перекоса между электродами и приравнивания нулю линейного и квадратичного членов разложения.

8 случае, когда диэлектрическая проницаемость е преобразователя постоянна во время его работы, измерительная схема 4 представляет собой устройство, выходное напряжение которого прямо пропорционально дифференциальной емкости преобразователя С. Если диэлектрическая проницаемость существенно изменяется во время работы, преобразователь снабжается дополнительным постоянным конденсатором CNI, физически выполненным таким образом, что его диэлектрическая проницаемость зависит от параметров внешней среды так же, как и дифференциальная емкость преобразователя. Измерительная схема 4 в этом случае содержит дополнительный блок деления, выходное напряжение измерительной схемы прямо пропорционально отношению

55

Ci - Си

(2 )

Измерительная схема 4 выполняется на базе широко известных преобразователей

величины емкости в сигнал переменного или постоянного тока. В качестве Cm целесообразно использовать суммарную емкость Ci + Си. 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. Для устранения этого недостатка преобразователь снабжается дополнительным кольцевым неподвижным электродом 5 (см. фиг, 1 и 2), соединенным с входом измерительной схемы 4, внешний радиус которого равен

Рз

.

цКа +

М4 + R24 - (Ri + h)4 + Ri4 - Ro. (3)

где hi - радиальный зазор между электродом 5 и электродами 1 и 2. Величина радиуса Вз определяется равенством нулю квадратичного члена разложения в ряд Тейлора по углу перекоса разности

Cm Ci + Си - Civ,

где Civ емкость, образованная электродом 5 и электродом 3. Внешний радиус подвижного электрода 3 увеличен таким образом, чтобы подвижный электрод 3 имел полную площадь перекрытия с электродом 5.

Измерительная схема 4 при наличии электрода 5 содержит дополнительный блок вычитания, а ее выходное напряжение прямо пропорционально (4).

Устранить недостаток суммарной емкости Ci + Си можно также путем сдвига на 90° кольцевых сегментов подвижного электрода, расположенных над внешним концентрическим кольцом относительно кольцевых сегментов подвижного электрода, расположенных над внутренним концентрическим кольцом.

Устройство работает следующим образом.

При угловом перемещении подвижного электрода относительно неподвижных линейно меняется площадь перекрытия между ними. При возникновении перекосов между подвижным и неподвижными электродами преобразователя емкости конденсаторов Ci и Си изменятся одинаковым образом и, следовательно, дифференциальная емкость преобразователя не будет зависеть от перекосов между электродами и выходное напряжение измерительной схе

мы 4 будет прямо пропорционально величине углового перемещения.

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

Формула изобретения

10 Дифференциальный емкостной преобразователь углового перемещения, содержащий два размещенных в одной плоскости неподвижных электрода, каждый из которых выполнен в виде одной пары электриче15 ски соединенных участков кольцевых сегментов разного диаметра, расположенных диаметрально противоположно относительно оси симметрии преобразователя, разделенных радиальными зазорами и об20 разующих два концентрически расположенных плоских кольца одинаковой площади, в которых кольцевые сегменты одной пары чередуются с кольцевыми сегментами другой пары, и установленный соосно с концен25 трическими кольцами в параллельной плоскости с возможностью вращения относительно них третий электрод, состоящий из четного числа электрически соединенных участков кольцевых сегментов, отличаю30 щ и и с я тем, что, с целью повышения его точности в диапазоне измерения до 90° за счет минимизации влияния взаимного перекоса электродов, он снабжен дополнительными парами участков кольцевых

35 сегментов, которые выполнены идентично сегментами первых двух пар и размещены в плоскости тех же концентрических колец, общее количество N пар сегментов каждого неподвижного электрода четное, а их ради40 альные размеры связаны соотношением:

R2 V(Ri + h)4 + Ri4 - R047

где RO, Ri и R2 - внутренний радиус первого кольца и внешние радиусы первого и второго колец соответственно;

h - изоляционный зазор между концентрическими кольцами, участки кольцевых сегментов третьего электрода выполнены идентичными один другому по форме и имеют радиальные размеры, превышающие радиальные размеры концентрических колец неподвижных электродов, причем их количество равно N/2,

Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью повышение точности дифференциального емкостного преобразователя углового перемещения за счет минимизации влияния взаимного перекоса электродов в диапазоне измерения до 90°. Преобразователь содержит два уста - новленных водной плоскости неподвижных электрода, каждый из которых выполнен в виде нескольких пар участков кольцевых сегментов разного диаметра, размещенных диаметрально противоположно и электрически соединенных между собой. Количество пар этих сегментов выполнено четным, а их радиальные размеры выбираются на основании заданных математических соотношений. Третий электрод этого преобразователя установлен с возможностью вращения в параллельной плоскости и выполнен из четного числа участков кольцевых сегментов, которые имеют одинаковую форму и размеры, превышающие радиальные размеры неподвижных электродов. Количество кольцевых сегментов третьего электрода вдвое меньше количества пар кольцевых сегментов одного из неподвижных электродов. Отношение разности емкостей, образованных подвижным и неподвижными электродами, к их полусумме практически не зависит от их непараллельности благодаря симметричному распределению участков кольцевых сегментов по окружности преобразователя. 2 ил. (Л С

QutJ