Дифференциальный емкостный преобразователь углового перемещения Советский патент 1993 года по МПК G01B7/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений различ- ны объектов в приборостроении или автоматике.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемого углового пере- меиения до 360° и повышения точности уменьшения влияния перекоса электродов.

На чертеже изображены в одной плоскости неподвижные и подвижный электроды имкостного преобразователя и схеыа их подключения к измерительному блоку.

Дифференциальный емкостной преобразователь углового перемещения содержит два, размещенных в одной плоскости, неподвижных электрода, образованных четырьмя концентрическими кольцами 1-4 разного диаметра. Площадь каждого из колец разделена на две электрически изолированные части с помощью спиралей 5-8, при этом все спирали возрастают в одном направлении. Начала спиралей первого и четвертого колец расположены на одной линии, проходящей через ось вращения третьего электрода, совпадающую с геометрическим центром колец. Начала спиралей второго и третьего колец находятся на этой

00 СА) 00

ч

СЛ СЛ

СО

же линии с противоположной стороны от центра.

Первый неподвижный электрод образован электрически соединенными между собой участками колец 1 и 2, ограниченных их внутренними кольцевыми сторонами с радиусами RO и RI и разделяющими эти кольца спиралями 5 и 6, а также участками колец 3 и 4, ограниченных спиралями 7 и 8 и внешними сторонами этих колец с радиусами RS и R4. Второй неподвижный электрод образован остальными электрически соединенными участками четырех колец.

Параллельно двум неподвижным электродам установлен с возможностью вращения третий электрод 9. Эти электроды образуют дифференциальный конденсатор с емкостями Ci и С2, изменяющимися в функции углового положения третьего;электроДЭ- . . . : . :;-.; .: ;; .. : .... . - .. ,

Третий электрод 9 состоит из двух проводящих кольцевых секторов 10 и 11, размещенных напротив колец 1 и 4, неподвижных электродов и третьего проводящего кольцевого сектора 12, расположенного диамет- ральнр противоположно относительно первых двух и размещенного напротив колец 2 и 3 неподвижных электродов.

Угловая величина а секторов электрода 9 (фиг.1} может быть.выбрана произвольной, при этом надо учитывать, что при малой величине а мала абсолютная емкость преобразователя, с другой стороны, увеличение а приводит к уменьшению диапазона измеряемых углов, равного (360°- и). ;

Текущие радиусы.п спиралей определяются из условия компенсации перекосов электродов и требуемой зависимости результирующей емкости преобразователя С отугла поворота подвижного электрода9 относительно неподвижных электродов. Значения текущих радиусов п спиралей получены путем разложения в ряд Тейлора результирующей емкости преобразователя и приравнивания нулю линейного и квадратичного членов разложения. Последнее уравнение для нахождения п получается за счет выбора требуемой зависимости результирующей емкости С от угла поворота р электрода 9 и выражения этой зависимости . через текущие радиусы п спиралей. При составлении уравнений учтено небольшое радиальное расстояние между кольцами неподвижных электродов, необходимое для их изоляции друг от друга.

В случае, когда диэлектрическая проницаемость Ј преобразователя постоянна во время его работы, измерительный блок 13 представляет собой устройство, выходное

напряжение которого прямопропорцио- нально результирующей емкости С Ci-C2. Если диэлектрическая проницаемость к существенно изменяется во время работы,

преобразователь снабжается дополнительным постоянным конденсатором с емкостью Сз, диэлектрическая проницаемость которого зависит от параметров внешней среды так же, как и у результирующей емкости преобразователя. Измерительный блок 13 содержит в этом случае дополнительный блок деления. Выходное напряжение измерительного блока при этом прямопропорци f

онально отношению ,

В качестве емкости Сз целесообразно использовать суммарную емкость Сч + €2. Однако эта емкость в значительной степени зависит от угла перекоса между электрода- ми, так как ее разложение в ряд Тейлора включает не равный нулю квадратичный

Член. ; л./.- :. . ...: ;

Для. устранения этого недостатка преобразователь снабжен двумя дополнитель.ными кольцевыми электродами 14 и 15, которые расположены в одной плоскости с неподвижными электродами, а также двумя дополнительными кольцевыми секторами 16 и 17, которые расположены в одной плоскости с подвижным электродом 9. Электроды 14 и 15 электрически связаны между собой, подключены к измерительному блоку 13 и расположены концентрично с двумя неподвижными электродами, охватывая их

снаружи.

Кольцевые секторы 16 и 17 расположены напротив колец 14 и 15 соответственно и при этом диаметрально противоположно друг другу, а также электрически соединены

с подвижным электродом 9. Кольцевые сектора 16 и 17 образуют с кольцевыми электродами 14 и 15 два параллельно включенных конденсатора суммарной емкостью GI. Геометрические размеры электродов 14 и 15 и секторов 16 и 17 выбираются таким образом, чтобы в разложении в ряд Тейлора С4 по углу перекоса электродов линейный член разложения был равен 0, а квадратичный член разложения был равен

аналогичному члену разложения Ci + €2- В случае, если кольцевые сектора 16 и 17 расположены по одной линии с секторами по- . движногр электрода 9, емкость Сз Ci + С - С4 не зависит от перекоса электродов с

5 точностью до квадратичного члена разложения. В случае, если кольцевые сектора 16 и 17 расположены перпендикулярно секторам подвижного электрода 9, емкость Сз Ci + С2 + Сз также не зависит от перекоса

ектродов с точностью до квадратичного ена разложения.

В том случае, если спирали 5, 6, 7, 8, образующие неподвижные электроды, имеют значительную толщину и нарушается условие Ci + С2 const, кольцевые электроды til и 15 необходимо незначительно спрофи- фовать из условия Сз const, Если метал- 1зация неподвижных электродов нанесена HiJ их внутреннюю поверхность, то в кольцах электродов 14 и 15 необходимо сделать уз- ie прорези для выводов неподвижных э ектродов за пределы преобразователя. Г эй металлизации неподвижных электро- дэв на наружной поверхности этого делать ;з требуется. Измерительный блок 13 при наличии конденсатора С4 содержит допол- лтёльный блок суммирования, а его выход- be напряжение прямопропорционально следующему соотношению: С|-С2

Сз ; ..

Устройство работает следующим обра- зЬм. При угловом перемещении подвижного электрода 9 относительно неподвижных электродов меняется площадь перекрытия ежду ними, следовательно, меняется ре- льтирующая емкость преобразователя. Г ри возникновении перекоса между подвижными и неподвижными электродами, емкости Ci и С2 изменяются одинаковым образом. Следовательно, результирующая емкость Ci-Сз не будет зависит от перекоса электродов.

Данный преобразователь позволяет уменьшить погрешность, вносимую перекосами электродов, в 3-5 раз или при исход- кой погрешности - соответственно уменьшить габариты устройства.

Формула изобретения

1. Дифференциальный емкостный пре- сбразователь углового перемещения, со- ржащий два неподвижных, электрически (изолированных электрода, которые выпол- ь ены в виде расположенных в одной плоскости концентрических колец, установленный соосно с возможностью вращения в парал- гельной плоскости электрод, выполненный Е виде проводящих, электрически соединен- ных между собой кольцевых секторов, за- k эепленных на общем диэлектрическом С сновании и расположенных по обе сторо- и ы относительно оси вращения этого элект- рода, и подключенный к этим электродам измерительный блок, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона v змеряемого углового перемещения до 360° vi повышения точности путем уменьшения ЕЛИЯНИЯ перекоса электродов, он снабжен

третьим и четвертым неподвижными кольцами, установленными концентрично с первыми двумя в общей с ними плоскости, площадь каждого из четырех колец рэзделе- 5 на на две части изоляционной спиралью, начало каждой из которых расположено на внутренней стороне соответствующего кольца, текущие радиусы всех спиралей возрастают в одинаковом угловом направле0 нии, начала спиралей на первом и четвертом кольцах, имеющих соответственно наименьший и наибольший диаметры, рэсполо- - жены на одной линии, проходящей через геометрический центр колец по одну сторо5 ну от оси вращения, а начала спиралей на втором и третьем кольцах, размещенных между упомянутыми, расположены диаметрально противоположно относительно начал соответствующих спиралей на первом и

0 четвертом кольцах, один из неподвижных электродов образован электрически соединенными между собой участками первого и второго колец, ограниченными их внутренними кольцевыми сторонами и разделяю5 Щими эти кольца спиралями, а также участками третьего и четвертого колец, ограниченными соответствующими спиралями и внешними сторонами этих колец, второй неподвижный электрод образован

0 остальными электрически соединенными . участками четырех колец два проводящих кольцевых сектора третьего электрода раз- . мещены напротив первого и четвертого колец .неподвижных электродов, а

5 расположенный диаметрально противоположно относительно них третий кольцевой сектор этого электрода размещен напротив второго и третьего колец неподвижных электродов, причем текущие значения ради0 усов п спиралей, где i - порядковый номер спирали{ I, II, III, IV), связаны следующими соотношениями:

Аи и А

nv + пи - гп - ri const, riv3 - гш3 const,

5 ru3- П3 const,

2. Преобразователь г т п. 1, о т л и ч а JO- щи и с я тем, что он снабжен двумя подключенными к измерительному блоку дополни- тельными неподвижными кольцевыми

0 электродами, которые электрически связаны между собой, расположены концентрично в одной плоскости с двумя .неподвижными электродами и охватывают их снаружи, а также двумя дополнительны5 ми кольцевыми секторами, которые расположены в одной плоскости с кольцевыми секторами третьего электрода, электрически соединены с ним, расположены напротив соответствующих дополнительных колец и диаметрально противоположно

один другому, а их радиусы RK, где к 5,6,7,8,связаны следующими соотношениями:

Re4 - + Re4 - Rs - const,

Re3 - - Re3 + Rs3 О,

где Rs и R - внутренние, a Re и Re - внешние радиусы дополнительных колец и дополни- 5 тельных кольцевых секторов.

HOI an Изобретение относится к измеритель- технике и имеет целью расширение дизона измеряемого углового перемещения до 360 и повышение точности путем уменьшения влияния перекоса элехтродов дифференциального емкостного преобразователя углового перемещения, кот )рый содержит два неподвижных электрода, образованных четырьмя кольцами, лежащими в общей плоскости и разделенными изоляционными спиралями на участки, соединенные между собой определенным образом, Текущие радиусы спиралей связаны между собой заданными математическими соотношениями. Подвижный электрод, установленный с возможностью вращения в параллельной плоскости, состоит из кольцевых секторов, размещенных диаметрально противоположно в общей плоскости и образующих с неподвижными электродами два конденсатора переменной емкости с дифференциально изменяющимися емкостями. Имеются также защитные кольцевые электроды. Измерительная схема, к которой подключены электроды преобразователя, реализуют логометрический метод измере- ния. 1 з.п.ф-лы, 1 ил. СЛ

Л

Ъ

fj