RU200279U1

RU200279U1 - CAPACITIVE DIFFERENTIAL SENSOR OF SHAFT ROTATION ANGLE

Info

Publication number: RU200279U1
Application number: RU2020118644U
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Подлевский; Александр Сергеевич Антонов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс"
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2020-10-15

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения угла поворота вала механического устройства.Сущность заявленного решения заключается в том, что двухполюсный источник питания постоянного тока своими полюсами связан с шинами питания схемы обработки сигнала, двух логических элементов НЕ и R-S триггера, прямой выход которого связан со входом первого элемента НЕ, выход которого связан со входом второго элемента НЕ, выход которого через резистор R2 связан со входом триггера R и анодом диода VD2, катод которого связан с выходом второго элемента НЕ, а выход первого элемента НЕ через резистор R1 связан со входом триггера S и анодом диода VD1, катод которого связан с выходом первого элемента НЕ, при этом входы триггера S и R связаны, соответственно, с секторами токопроводящих пластин первого статора, а кольцевая пластина второго статора связана с минусовой шиной питания двухполюсного источника и инверсный выход R-S триггера связан со входом схемы обработки сигнала.Технический результат при реализации заявленного решения заключается в повышение крутизны выходной характеристики сигнала и достигается за счет включения емкостей датчика, создаваемых токопроводящими пластинами статора и ротора, в схему генератора, реализованного на основе R-S триггера. 2 ил.The utility model relates to measuring equipment and can be used to measure the angle of rotation of the shaft of a mechanical device. The essence of the claimed solution lies in the fact that a two-pole DC power supply is connected with its poles to the power supply buses of the signal processing circuit, two logical elements NOT and RS of the trigger, direct whose output is connected to the input of the first NOT element, the output of which is connected to the input of the second NOT element, the output of which through the resistor R2 is connected to the input of the trigger R and the anode of the diode VD2, the cathode of which is connected to the output of the second NOT element, and the output of the first NOT element through the resistor R1 connected to the input of the trigger S and the anode of the diode VD1, the cathode of which is connected to the output of the first element NOT, while the inputs of the trigger S and R are connected, respectively, to the sectors of the conductive plates of the first stator, and the annular plate of the second stator is connected to the negative power bus of the two-pole source and the inverse output of the RS flip-flop is connected to the input of the processing circuit The technical result in the implementation of the claimed solution is to increase the steepness of the output characteristic of the signal and is achieved by including the capacitances of the sensor, created by the conductive plates of the stator and rotor, in the generator circuit, implemented on the basis of the R-S trigger. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения угла поворота вала механического устройства.The utility model relates to measuring technology and can be used to measure the angle of rotation of the shaft of a mechanical device.

Известны емкостные дифференциальные датчики углового вращения вала, представляющие собой две последовательно включенные емкости, построенные конструктивно таким образом, что при вращении вала в ту или другую сторону одна из емкостей увеличивается, а другая - уменьшается. Эти две емкости с помощью резисторов включены в мостовую схему измерения рассогласования, в которой напряжение с диагонали моста поступает в схему обработки сигнала датчика (В.А. Ацюковский. Емкостные дифференциальные датчики перемещения. Библиотека по автоматике, выпуск 12. Госэнергоиздат, М., Л., 1960 г. Стр. 20-22.).Known capacitive differential sensors of angular rotation of the shaft, which are two series connected containers, constructed structurally in such a way that when the shaft rotates in one direction or the other, one of the containers increases, and the other decreases. These two capacitances with the help of resistors are included in the bridge circuit for measuring the mismatch, in which the voltage from the diagonal of the bridge enters the sensor signal processing circuit (VA Atsyukovskiy. Capacitive differential displacement sensors. Library for automation, issue 12. Gosenergoizdat, M., L ., 1960 pp. 20-22.).

Известен емкостный датчик для измерения угловых перемещений (патент РФ на изобретение №2289785, МПК7, G01B 7/30, Минаев И.В., Солдатов Г.Б., опубликован 20.12.2006, Бюл. №35), содержащий две соосно установленные и неподвижные пластины статора, между которыми помещен ротор, закрепленный на вращающемся валу. На одной пластине статора выполнен сплошной кольцеобразный металлический элемент, а на другой пластине статора выполнен кольцевой металлический элемент в виде, по меньшей мере, трех секторов. Ротор выполнен в виде сектора диска из цельного диэлектрического материала.Known capacitive sensor for measuring angular displacements (RF patent for invention No. 2289785, MPK7, G01B 7/30, Minaev IV, Soldatov GB, published on 20.12.2006, bull. No. 35), containing two coaxially installed and fixed stator plates, between which a rotor is placed, fixed on a rotating shaft. On one stator plate a solid annular metal element is made, and on the other stator plate an annular metal element is made in the form of at least three sectors. The rotor is made in the form of a disk sector made of a solid dielectric material.

Данный датчик в результате излишней сложности электронной обработки сигнала, а также малого порядка значений емкостей, вследствие относительно большого воздушного зазора из-за конструктивной необходимости расположения между пластинами статора сектора диэлектрического диска ротора не дает преимуществ при использовании его в электромеханических устройствах с ограниченными углами поворота вала (менее ±90°).This sensor, as a result of the excessive complexity of electronic signal processing, as well as a small order of capacitance values, due to a relatively large air gap due to the structural need to locate the sector of the rotor dielectric disk between the stator plates, does not provide advantages when used in electromechanical devices with limited shaft rotation angles ( less than ± 90 °).

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является емкостный дифференциальный датчик угла поворота вала (патент РФ на полезную модель №145255, МПК7, G01B 7/30, Подлевский Н.И., Малофиенко С.Г., опубликован 10.09.2014, Бюл. №25), содержащий два соосно установленных неподвижных диска статора из диэлектрического материала, между которыми помещен диск ротора, закрепленный на вращающемся валу. На одном диске статора выполнен сплошной кольцеобразный металлический элемент, а на другом диске статора выполнен кольцевой металлический элемент в виде двух секторов. Ротор выполнен в виде диска из диэлектрического материала, с одной стороны с металлическими элементами виде кольца, а с другой стороны в виде сектора.The closest to the proposed device in technical essence is a capacitive differential shaft rotation angle sensor (RF patent for useful model No. 145255, MPK7, G01B 7/30, Podlevsky N.I., Malofienko S.G., published 09/10/2014, Bul. No. 25), containing two coaxially mounted fixed stator disks made of dielectric material, between which the rotor disk is placed, fixed on the rotating shaft. On one stator disk, a solid annular metal element is made, and on the other stator disk, an annular metal element is made in the form of two sectors. The rotor is made in the form of a disc made of a dielectric material, on the one hand with metal elements in the form of a ring, and on the other hand in the form of a sector.

Данное устройство не дает преимуществ в повышении крутизны выходной характеристики датчика из-за использования мостовой схемы обработки сигнала рассогласования.This device does not offer the advantage of increasing the slope of the output characteristic of the sensor due to the use of a bridge error processing circuit.

Предлагаемая полезная модель направлена на расширение области применения емкостных дифференциальных датчиков.The proposed utility model is aimed at expanding the field of application of capacitive differential sensors.

Технический результат заключается в повышение крутизны выходной характеристики сигнала за счет включения емкостей датчика, создаваемых токопроводящими пластинами статора и ротора, в схему генератора, реализованного на основе R-S триггера.The technical result consists in increasing the steepness of the output characteristic of the signal due to the inclusion of the capacitances of the sensor, created by the conductive plates of the stator and rotor, in the generator circuit, implemented on the basis of the R-S trigger.

Технический результат достигается тем, что двухполюсный источник питания постоянного тока своими полюсами связан с шинами питания схемы обработки сигнала, двух логических элементов НЕ и R-S триггера, прямой выход которого связан с входом первого элемента НЕ, выход которого связан с входом второго элемента НЕ, выход которого через резистор R2 связан с входом триггера R и анодом диода VD2, катод которого связан с выходом второго элемента НЕ, а выход первого элемента НЕ через резистор R1 связан с входом триггера S и анодом диода VD1, катод которого связан с выходом первого элемента НЕ, при этом входы триггера S и R связаны, соответственно, с секторами токопроводящих пластин первого статора, а кольцевая пластина второго статора связана с минусовой шиной питания двухполюсного источника и инверсный выход R-S триггера связан с входом схемы обработки сигнала.The technical result is achieved by the fact that the two-pole DC power supply is connected with its poles to the power buses of the signal processing circuit, two logical elements NOT and RS of the trigger, the direct output of which is connected to the input of the first NOT element, the output of which is connected to the input of the second NOT element, the output of which through the resistor R2 is connected to the trigger input R and the anode of the diode VD2, the cathode of which is connected to the output of the second HE element, and the output of the first HE element through the resistor R1 is connected to the trigger input S and the anode of the diode VD1, the cathode of which is connected to the output of the first HE element, when In this case, the trigger inputs S and R are connected, respectively, to the sectors of the conductive plates of the first stator, and the annular plate of the second stator is connected to the negative power bus of the two-pole source and the inverse output RS of the trigger is connected to the input of the signal processing circuit.

Устройство емкостного дифференциального датчика угла поворота вала представлено на Фиг. 1 (структурно-функциональная схема) и Фиг. 2 (эпюра выходного сигнала).The device of a capacitive differential shaft rotation angle sensor is shown in FIG. 1 (structural and functional diagram) and FIG. 2 (output signal plot).

Емкостной дифференциальный датчик угла поворота вала содержит двухполюсный источник питания 1 постоянного тока (фиг. 1, а), который своими полюсами («+» и «-») подключается к R-S триггеру 2, двум элементам НЕ 17, 18, схеме обработки сигнала 16 и отрицательным полюсом к кольцевой пластине 15 второго статора 6 (вых. 3 электромеханического устройства 3). Выход R-S триггера 2 связан с входом первого элемента НЕ 17, выход которого связан с входом второго элемента НЕ 18, выход которого через резистор R2 связан с входом триггера R и анодом первого диода VD2, катод которого связан с выходом второго элемента НЕ 18, а выход первого элемента НЕ 17 через резистор R1 связан с входом триггера S и анодом второго диода VD1, катод которого связан с выходом первого элемента НЕ 17, при этом входы триггера S и R связаны, соответственно, с секторами токопроводящих пластин 10 и 11 первого статора 4, а инверсный выход R-S триггера 2 связан с входом схемы обработки сигнала 16. При этом конденсаторы C1, С2, С3, образованные токопроводящими пластинами датчика, конструктивно выполнены в электромеханическом устройстве 3, состоящем из первого статора 4, ротора 5, второго статора 6, поворотного вала 7 и корпуса 8. Статоры 4, 6 расположены в корпусе 8 соосно с осью вращения вала 7 и ротора 5, жестко связанного с валом 7 механического устройства 9 (Фиг. 1, а).The capacitive differential shaft rotation angle sensor contains a two-pole DC power supply 1 (Fig. 1, a), which by its poles ("+" and "-") is connected to the RS trigger 2, two elements NOT 17, 18, signal processing circuit 16 and a negative pole to the annular plate 15 of the second stator 6 (out. 3 of the electromechanical device 3). The output RS of trigger 2 is connected to the input of the first element HE 17, the output of which is connected to the input of the second element HE 18, the output of which is connected through the resistor R2 to the input of the trigger R and the anode of the first diode VD2, the cathode of which is connected to the output of the second element HE 18, and the output of the first element NOT 17 through a resistor R1 is connected to the input of the trigger S and the anode of the second diode VD1, the cathode of which is connected to the output of the first element HE 17, while the inputs of the trigger S and R are connected, respectively, to the sectors of conductive plates 10 and 11 of the first stator 4, and the inverse output RS of the flip-flop 2 is connected to the input of the signal processing circuit 16. In this case, the capacitors C1, C2, C3 formed by the conductive plates of the sensor are structurally made in the electromechanical device 3, consisting of the first stator 4, the rotor 5, the second stator 6, the rotary shaft 7 and housing 8. The stators 4, 6 are located in the housing 8 coaxially with the axis of rotation of the shaft 7 and rotor 5, rigidly connected to the shaft 7 of the mechanical device 9 (Fig. 1, a).

На статоре 4, со стороны ротора, выполнены в форме секторов из токопроводящего материала на диэлектрическом диске две пластины 10 и 11 (Фиг. 1, б), образующие, через воздушный зазор, совместно с пластиной 12 ротора 5 (Фиг. 1г) конденсаторы С1 и С2. Пластина 12 ротора 5, выполненного в виде диска из двухстороннего фольгированного диэлектрика, имеет форму сектора и обращена в сторону статора 4 так, что в нейтральном положении поворотного вала 7 образует через зазор с пластинами 10, 11 статора 4 равные площади перекрытия, т.е. равные емкости С1 и С2. При повороте вала в ту или другую сторону (±α) одна из емкостей (С1 или С2) увеличивается, а другая - уменьшается, тем самым формируется рассогласование сигнала.On the stator 4, from the rotor side, two plates 10 and 11 (Fig. 1, b) are made in the form of sectors of conductive material on a dielectric disk, forming capacitors C1 through the air gap, together with the plate 12 of the rotor 5 (Fig. 1d) and C2. The plate 12 of the rotor 5, made in the form of a disk made of a double-sided foil dielectric, has the shape of a sector and faces the stator 4 so that in the neutral position of the rotary shaft 7 it forms equal overlap areas through the gap with the plates 10, 11 of the stator 4, i.e. equal capacities C1 and C2. When the shaft is turned in one direction or the other (± α), one of the capacities (C1 or C2) increases, and the other decreases, thereby forming a signal mismatch.

Для устранения скользящего контакта при передаче сигнала рассогласования, на второй стороне ротора 5 выполнена пластина 13 в форме кольца, обращенная к статору 6. Пластины 12 и 13 ротора электрически связаны друг с другом проводом 14 (Фиг. 1, г).To eliminate sliding contact when transmitting the error signal, a ring-shaped plate 13 is made on the second side of the rotor 5, facing the stator 6. The rotor plates 12 and 13 are electrically connected to each other by a wire 14 (Fig. 1, d).

На стороне статора 6, обращенной к ротору 5, выполнена пластина 15 (Фиг. 2в) в форме кольца из токопроводящего материала на диэлектрическом диске, которая с пластиной 13 ротора 5, через зазор, образует конденсатор С3 постоянной емкости. С неподвижных контактов пластин 10, 11, 15 конденсаторов C1, С2, С3 проводами выполнены выходы сигналов - Вых. 1, Вых. 2 и Вых. 3, при этом Вых. 1 и Вых. 2 подключены к постоянным резисторам R2 и R1 соответственно, а Вых. 3 подключен к минусовой шине (общему проводу) двухполюсного источника питания 1.On the side of the stator 6 facing the rotor 5, there is a plate 15 (Fig. 2c) in the form of a ring made of a conductive material on a dielectric disk, which with the plate 13 of the rotor 5, through a gap, forms a capacitor C3 of constant capacity. From the fixed contacts of the plates 10, 11, 15 of the capacitors C1, C2, C3, the signal outputs are made by wires - Out. 1, Out. 2 and Out. 3, while Out. 1 and Out. 2 are connected to constant resistors R2 and R1, respectively, and Out. 3 is connected to the negative bus (common wire) of a two-pole power supply 1.

Схема обработки 16 преобразует сигнал рассогласования F, который поступает с инверсного выхода R-S триггера 2 и представляет собой меандр (Фиг. 2) с частотой f=1/Т (например, в конкретной реализации датчика частота сигнала рассогласования составила 50 кГц), где t - текущее время, Т-период следования прямоугольных импульсов генератора, в удобную информационную форму сигнала датчика угла поворота вала 7.The processing circuit 16 converts the error signal F, which comes from the inverse output RS of the flip-flop 2 and is a meander (Fig. 2) with a frequency f = 1 / T (for example, in a specific implementation of the sensor, the frequency of the error signal was 50 kHz), where t is current time, T-period of the generator rectangular pulses, into a convenient information form of the signal of the shaft rotation angle sensor 7.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения питания постоянного тока с двухполюсного источника питания 1 на шины питания схемы обработки сигнала 16, двух логических элементов НЕ (17, 18) и R-S триггера 2, запускается работа генератора, реализованного на R-S триггере 2, двух логических элементах НЕ (17, 18), резисторах R1, R2, диодах VD1, VD2, емкостях С1 и С2, в результате на инверсном выходе F триггера 2 формируются прямоугольные импульсы с частотой f, определяемой параметрами R1, R2, С1 и С2 датчика. Длительность импульсов t_н (Фиг. 2) будет равна ¹/₂ Т при нахождении вала 7 в нейтральном положении, когда ротор 5 и статор 4 электромеханического устройства 3 датчика своими пластинами 10, 11 и 12 через зазор, в результате симметричного взаимного расположения, создают равные емкости С1 и С2. При этом формируется сигнал F прямоугольной формы со скважностью Т/t_н равной двум, т.е. длительность импульсов t_н будет равна длительностям пауз сигнала.The device works as follows. When DC supply voltage is applied from a two-pole power supply 1 to the power supply buses of the signal processing circuit 16, two logical elements NOT (17, 18) and RS trigger 2, the operation of the generator, implemented on RS trigger 2, two logical elements NOT (17, 18), resistors R1, R2, diodes VD1, VD2, capacities C1 and C2, as a result, rectangular pulses with a frequency f determined by the parameters R1, R2, C1 and C2 of the sensor are formed at the inverse output F of trigger 2. The pulse duration t _n (FIG. 2) will be equal to ¹ / _2T when the shaft 7 in a neutral position when the rotor 5 and the stator 4 of the electromechanical device 3 sensor their plates 10, 11 and 12 through the gap, resulting in a symmetric mutual arrangement creates equal capacities C1 and C2. In this case, a rectangular signal F is formed with a duty cycle T / t _n equal to two, i.e. the duration of the pulses t _n will be equal to the duration of the signal pauses.

При перемещении вала 7 из нейтрального положения, ротор 5 и статор 4 электромеханического устройства 3 датчика своими пластинами 10, 11 и 12 через зазор, в результате отклонения от симметричного взаимного расположения в ту или другую сторону, создают не равные емкости С1 и С2, пропорционально изменяющиеся (увеличение С1 и уменьшение С2 или наоборот) перемещению вала 7. При этом формируется сигнал F прямоугольной формы (рис. 2) со скважностью, изменяющейся на ±Δt_И пропорционально перемещению вала 7 в пределах ± 45 градусов. Так как емкости С1 и С2 датчика непосредственно участвуют в генерации сигнала рассогласования, в скважности которого заложена информация о положении ротора 5 и вала 7 датчика, крутизна характеристики выходного сигнала возрастает на 25-30%, упрощается схема обработки сигнала и выделения его информационной части в удобную форму регистрации.When the shaft 7 is moved from the neutral position, the rotor 5 and stator 4 of the electromechanical device 3 of the sensor with their plates 10, 11 and 12 through the gap, as a result of deviation from the symmetrical relative position to one side or the other, create unequal capacities C1 and C2, proportionally varying (increase in C1 and decrease in C2 or vice versa) displacement of the shaft 7. This generates a signal F of a rectangular shape (Fig. 2) with a duty cycle varying by ± Δt _And proportional to the displacement of the shaft 7 within ± 45 degrees. Since the capacitances C1 and C2 of the sensor are directly involved in the generation of the mismatch signal, the duty cycle of which contains information about the position of the rotor 5 and shaft 7 of the sensor, the steepness of the output signal characteristic increases by 25-30%, the signal processing scheme is simplified and its information part is separated into a convenient registration form.

Claims

Емкостный дифференциальный датчик угла поворота вала, содержащий двухполюсный источник питания, постоянные резисторы, две неподвижные пластины, выполненные в форме секторов из токопроводящего материала на диэлектрическом диске первого статора датчика и неподвижную пластину, выполненную в форме кольца из токопроводящего материала на диэлектрическом диске второго статора датчика, причем две неподвижные пластины первого статора связаны со схемой обработки сигнала датчика, а ротор, механически связанный с поворотным валом датчика, расположен соосно между первым и вторым статорами датчика с двухсторонним воздушным зазором и выполнен в виде диска из двухстороннего фольгированного диэлектрика, на одной стороне которого выполнена токопроводящая пластина из фольги в виде сектора, обращенная в сторону двух неподвижных пластин первого статора датчика, а на другой стороне ротора выполнена токопроводящая пластина из фольги в виде кольца, обращенная в сторону неподвижной пластины второго статора датчика, при этом обе пластины ротора электрически связаны между собой, отличающийся тем, что двухполюсный источник питания постоянного тока своими полюсами связан с шинами питания схемы обработки сигнала, двух логических элементов НЕ и R-S триггера, прямой выход которого связан со входом первого элемента НЕ, выход которого связан со входом второго элемента НЕ, выход которого через резистор R2 связан со входом триггера R и анодом диода VD2, катод которого связан с выходом второго элемента НЕ, а выход первого элемента НЕ через резистор R1 связан со входом триггера S и анодом диода VD1, катод которого связан с выходом первого элемента НЕ, при этом входы триггера S и R связаны, соответственно, с секторами токопроводящих пластин первого статора, а кольцевая пластина второго статора связана с минусовой шиной питания двухполюсного источника и реверсивный выход R-S триггера связан со входом схемы обработки сигнала.A capacitive differential shaft rotation angle sensor containing a two-pole power supply, fixed resistors, two fixed plates made in the form of sectors made of conductive material on the dielectric disk of the first stator of the sensor and a fixed plate made in the form of a ring of conductive material on the dielectric disk of the second stator of the sensor, moreover, two fixed plates of the first stator are connected to the sensor signal processing circuit, and the rotor, mechanically connected to the rotary shaft of the sensor, is located coaxially between the first and second stators of the sensor with a double-sided air gap and is made in the form of a disk made of a double-sided foil dielectric, on one side of which is made a conductive foil plate in the form of a sector, facing towards the two fixed plates of the first stator of the sensor, and on the other side of the rotor there is a conductive foil plate in the form of a ring, facing towards the fixed plate of the second stator dates chik, while both rotor plates are electrically connected to each other, characterized in that the two-pole DC power supply is connected with its poles to the power buses of the signal processing circuit, two logic elements NOT and RS of the trigger, the direct output of which is connected to the input of the first NOT element, the output which is connected to the input of the second NOT element, the output of which through the resistor R2 is connected to the trigger input R and the anode of the diode VD2, the cathode of which is connected to the output of the second HE element, and the output of the first NOT element through the resistor R1 is connected to the trigger input S and the anode of the diode VD1, the cathode of which is connected to the output of the first element NOT, while the trigger inputs S and R are connected, respectively, to the sectors of the conductive plates of the first stator, and the annular plate of the second stator is connected to the negative power bus of the two-pole source and the reverse output RS of the trigger is connected to the input of the signal processing circuit ...