RU188545U1

RU188545U1 - CAPACITIVE DIFFERENTIAL SENSOR OF ANGLE OF ROTATION OF A SHAFT

Info

Publication number: RU188545U1
Application number: RU2018130963U
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Подлевский; Александр Сергеевич Антонов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс"
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2019-04-16

Abstract

Использование: для измерения угла поворота вала механического устройства. Сущность полезной модели заключается в том, что емкостный дифференциальный датчик угла поворота вала содержит два статора и ротор, механически связанный с поворотным валом датчика и расположенный соосно между первым и вторым статорами через диэлектрические зазоры, причем первый статор содержит две пластины, выполненные в форме секторов из токопроводящего материала на диэлектрическом диске и соединенные с выводами для подключения к схеме обработки сигнала, а ротор выполнен в виде диска из двухстороннего фольгированного диэлектрика, на одной стороне которого выполнена токопроводящая пластина из фольги в виде сектора, обращенная в сторону двух пластин первого статора, а на второй стороне ротора выполнена токопроводящая пластина из фольги в виде кольца, обращенная в сторону кольцевой пластины второго статора, причем пластины ротора электрически связаны между собой, а пластина второго статора соединена с выводом для подключения к схеме обработки сигнала, при этом между тыльными сторонами диэлектрических дисков первого и второго статора и корпусом датчика расположены пружинные элементы, поджимающие диски статоров, имеющих свободу перемещения вдоль оси вращения вала, к диску ротора датчика и обеспечивающие плоскопараллельное, максимальное приближение токопроводящих пластин статоров и ротора друг к другу, при этом диски статоров и ротора датчика выполнены из диэлектрического материала с требуемой точностью методом прессования, на плоскости которых нанесены токопроводящие пластины путем наклеивания металлизированных пленок токопроводящей поверхностью внутрь, а диэлектрической поверхностью наружу, при этом токопроводящие пластины на металлизированных пленках выполнены фоторезистивным способом и расположены на статорах и роторе соосно. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения угла поворота вала. 1 ил.Use: to measure the angle of rotation of the shaft mechanical device. The essence of the utility model is that a capacitive differential angle sensor shaft contains two stator and a rotor, mechanically connected to the rotary shaft of the sensor and located coaxially between the first and second stator through dielectric gaps, the first stator contains two plates made in the form of sectors conductive material on the dielectric disc and connected to the leads for connection to the signal processing circuit, and the rotor is made in the form of a disc of double-sided foil dielectric, one side of which is made of a conductive foil plate in the form of a sector facing the two plates of the first stator, and on the second side of the rotor there is a conductive plate of foil in the form of a ring facing the annular plate of the second stator, the rotor plates being electrically interconnected, and the plate of the second stator is connected to the output for connection to the signal processing circuit, while between the back sides of the dielectric disks of the first and second stator and the sensor housing are located rifle elements, clamping disks of stators with freedom of movement along the axis of rotation of the shaft to the sensor rotor disk and providing a plane-parallel, maximum approximation of the conductive plates of the stators and the rotor to each other, while the disks of the stators and the sensor rotor are made of dielectric material with the required precision by pressing , on whose planes conductive plates are applied by gluing metallized films with a conductive surface inwards, and a dielectric surface outside , Wherein the conductive plate on the metallized films formed photoresist method and disposed on the stator and rotor coaxially. Technical result: providing the possibility of improving the accuracy of measuring the angle of rotation of the shaft. 1 il.

Description

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

Известны емкостные дифференциальные датчики угла поворота вала, представляющие собой две емкости, построенные конструктивно таким образом, что при повороте вала в ту или другую сторону одна из емкостей увеличивается, а другая - уменьшается.Known capacitive differential sensors angle of rotation of the shaft, which are two containers, constructed constructively in such a way that when you turn the shaft in one direction or the other, one of the containers increases and the other decreases.

Эти две емкости включены 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).These two capacities are included in the sensor signal processing circuit (VA Atsyukovsky. Capacitive differential displacement sensors. Automation library, issue 12. Gosenergoizdat, M., L., 1960, pp. 20-22).

Известен емкостный датчик для измерения угловых перемещений (патент РФ на изобретение №2289785, МПК 7, 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 трех секторов. Ротор выполнен в виде сектора диска из цельного, предпочтительно диэлектрического, материала.Known capacitive sensor for measuring angular displacements (RF patent for the invention No. 2289785, IPC 7, G01B 7/30, Minaev IV, Soldatov GB, published 12/20/2006, Byul. 35), containing two coaxially installed and fixed plates of the stator, between which is placed a rotor mounted on a rotating shaft. On one plate of the stator there is a continuous ring-shaped metal element, and on the other plate of the stator an annular metal element is made in the form of three sectors. The rotor is made in the form of a sector of a disk made of solid, preferably 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 due to the excessive complexity of electronic signal processing, as well as a small order of capacitance values, due to the relatively large air gap due to the constructive need to position the rotor dielectric sector between the stator plates of the rotor dielectric disc does not give advantages when used in electromechanical devices with limited angles of rotation of the shaft less than ± 90 °).

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является емкостный дифференциальный датчик угла поворота вала (патент РФ на полезную модель №162923, МПК7, G01B7/30, Подлевский Н.И., Малофиенко С.Г., Антонов А.С., опубликован 27.06.2016, Бюл. №18), выполненный в виде токопроводящих пластин на диэлектрических дисках двух статоров, между которыми соосно расположен ротор, выполненный в виде диска из двустороннего 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 в виде кольца, обращенная в сторону неподвижной кольцеобразной пластины второго статора, при этом между тыльными сторонами диэлектрических дисков первого и второго статора и корпусом датчика расположены пружинные элементы, поджимающие диски статоров к диску ротора через диэлектрические прокладки.The closest to the proposed device to the technical nature is a capacitive differential shaft angle sensor (RF patent for utility model No. 162923, MPK7, G01B7 / 30, Podlevsky N.I., Malofyenko S.G., Antonov A.S., published 27.06 .2016, Bull. No. 18), made in the form of conductive plates on dielectric disks of two stators, between which the rotor is coaxially arranged, made in the form of a disk of double-sided foil dielectric, on one side of which a conductive plate of foil is made in the form of a sector, reversed I on the side of two fixed plates of the first stator of the sensor, and on the other side of the rotor there is a conductive plate in the form of a ring facing the fixed ring-shaped plate of the second stator, while spring elements are located between the back sides of the dielectric disks of the first and second stator and the sensor body Stator discs to rotor disc through dielectric spacers.

Данное техническое решение не дает преимуществ в повышении точности выходного сигнала датчика из-за неравномерности диэлектрического зазора между токопроводящими пластинами статоров и ротора, обусловленной технологическим разбросом толщины и плоскостности дисков, выполненных из листов фольгированного стеклотекстолита.This technical solution does not offer any advantages in increasing the accuracy of the sensor output signal due to the non-uniformity of the dielectric gap between the conductive plates of the stators and the rotor, due to the technological variation of the thickness and flatness of the discs made of sheets of foil fiberglass.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения угла поворота вала механического устройства.The technical result of the proposed utility model is to improve the accuracy of measuring the angle of rotation of the shaft of the mechanical device.

В предлагаемом устройстве технический результат достигается использованием дисков статоров и ротора, изготовленных с требуемой точностью из диэлектрического материала, методом прессования, на плоскости которых нанесены токопроводящие пластины, путем наклеивания металлизированных пленок токопроводящей поверхностью внутрь, а диэлектрической поверхностью наружу, при этом токопроводящие пластины на металлизированных пленках выполнены фоторезистивным способом и расположены на статорах и роторе соосно.In the proposed device, the technical result is achieved by using disks of stators and a rotor, made with the required accuracy of a dielectric material, by pressing, on whose planes conductive plates are applied, by gluing metallized films with a conductive surface inwards, and a dielectric surface outward, while conductive plates on metallized films made in a photoresistive way and are located on the stators and the rotor coaxially.

Устройство емкостного дифференциального датчика угла поворота вала представлено на конструктивной схеме (Фиг. 1а, б, в, г).The device of a capacitive differential sensor for the angle of rotation of the shaft is shown in the design diagram (Fig. 1a, b, c, d).

Емкостный дифференциальный датчик угла поворота вала состоит из первого статора 1, ротора 2, второго статора 3, поворотного вала 4 и корпуса 5, (Фиг. 1а). Статоры 1, 3 расположены в корпусе 5 соосно с осью вращения вала 4 и ротора 2, жестко связанного с валом 4 механического устройства 6. Статоры 1, 3 и ротор 2 выполнены в виде дисков, изготовленных из диэлектрического материала, например, путем прессования с требуемой точностью, в зависимости от решаемой задачи измерения угла.A capacitive differential shaft angle sensor consists of the first stator 1, the rotor 2, the second stator 3, the rotary shaft 4 and the housing 5, (Fig. 1a). The stators 1, 3 are located in the housing 5 coaxially with the axis of rotation of the shaft 4 and the rotor 2 rigidly connected with the shaft 4 of the mechanical device 6. The stators 1, 3 and the rotor 2 are made in the form of discs made of a dielectric material, for example, by pressing with the required accuracy, depending on the problem of measuring the angle.

На плоскость статора 1 (Фиг. 1а), со стороны ротора, наклеена фольгированная пленка 7 (Фиг. 1б) токопроводящей стороной внутрь, на которой, фоторезистивным способом в форме секторов, выполнены токопроводящие пластины 8 и 9 (Фиг. 1б), образующие, через диэлектрический зазор, совместно с токопроводящем пластиной 10, выполненной в форме сектора на фольгированной пленке 11 (Фиг. 1в), которая наклеена токопроводящей стороной внутрь на плоскость ротора 2, конденсаторы С1 и С2 (Фиг. 1а). При нейтральном положении поворотного вала 4 пластинами 8, 9 и 10 образуются равные площади перекрытия токопроводящих секторов, т.е. равные емкости С1 и С2, соотношение которых меняется в ту или другую сторону в зависимости от направления движения вала от нейтрального.On the plane of the stator 1 (Fig. 1a), on the rotor side, the foiled film 7 (Fig. 1b) is pasted with a conductive side inward, on which, in a photoresistive way in the form of sectors, conductive plates 8 and 9 (Fig. 1b) are made, forming, through the dielectric gap, together with the conductive plate 10, made in the form of a sector on the foiled film 11 (Fig. 1c), which is pasted with the conductive side inwards on the plane of the rotor 2, capacitors C1 and C2 (Fig. 1a). In the neutral position of the rotary shaft 4, plates 8, 9 and 10 form equal areas of overlap of the conductive sectors, i.e. equal capacitances C1 and C2, the ratio of which varies in one direction or another, depending on the direction of movement of the shaft from the neutral.

На вторую плоскость ротора 2, обращенную к статору 3, наклеена фольгированная пленка 12 (Фиг. 1в) токопроводящей стороной внутрь, на которой выполнена кольцевая пластина 13, причем токопроводящие пластины 10 и 13 электрически соединены перемычкой 14. Токопроводящая пластина 13 ротора 2 через диэлектрический зазор образует с токопроводящей пластиной 15, выполненной на фольгированной пленке 16 (Фиг. 1в) в форме кольца, которая наклеена токопроводящей стороной внутрь на плоскость статора 3 (Фиг. 1а), обращенную к ротору 2, развязывающий конденсатор С3. Токопроводящие пластины 8, 9, 10, 13 и 15 расположены на статорах и роторе соосно относительно оси вала 4 и максимально приближены друг к другу путем прижатия статоров 1, 3 к ротору 2 с помощью пружин 17, 18 (Фиг. 1а), расположенных между тыльными сторонами статоров 1, 3 и корпусом 5 датчика.On the second plane of the rotor 2, facing the stator 3, the foiled film 12 (Fig. 1c) is pasted with a conductive side inward, on which an annular plate 13 is made, and the conductive plates 10 and 13 are electrically connected by a jumper 14. The conductive plate 13 of the rotor 2 through a dielectric gap forms with a conductive plate 15 made on the foiled film 16 (Fig. 1c) in the form of a ring, which is pasted with a conductive side inwards on the plane of the stator 3 (Fig. 1a), facing the rotor 2, decoupling the capacitor C3. Conductive plates 8, 9, 10, 13 and 15 are located on the stators and the rotor coaxially relative to the axis of the shaft 4 and as close as possible to each other by pressing the stators 1, 3 to the rotor 2 by means of springs 17, 18 (Fig. 1a) located between the backs of the stators 1, 3 and the sensor housing 5.

С неподвижных контактов токопроводящих пластин 8, 9 и 15 (конденсаторов C1, С2 и С3) датчика проводами выполнены выходы сигналов - Вых1, Вых2 и Вых3, подключенные к входам схемы обработки 19, имеющей известное решение, которая преобразует выходные сигналы датчика в удобную форму.From the fixed contacts of the conductive plates 8, 9 and 15 (capacitors C1, C2 and C3) of the sensor, the outputs of signals O 1, O 2 and O 3 are connected to the inputs of the processing circuit 19, which has a known solution that converts the output signals of the sensor into a convenient form.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

При нахождении вала 4 датчика в нейтральном положении ротор 2 и статоры 1, 3 своими токопроводящими пластинами 8, 9, 10, 13 и 15 через диэлектрические зазоры, в результате симметричного взаимного расположения, создают равные емкости С1 и С2, и развязывающую емкость С3 постоянной величины, не зависящей от углового положения ротора 2, что, в свою очередь, создает равновесное состояние на входах схемы обработки 19 выходных сигналов датчика.When the sensor shaft 4 is in the neutral position, the rotor 2 and the stators 1, 3 with their conductive plates 8, 9, 10, 13 and 15 through the dielectric gaps, as a result of a symmetrical mutual arrangement, create equal capacitances C1 and C2, and decoupling capacitance C3 of constant value , independent of the angular position of the rotor 2, which, in turn, creates an equilibrium state at the inputs of the processing circuit 19 of the sensor output signals.

При угловом перемещении вала 4 в ту или другую сторону на угол ±α, токопроводящая пластина 10 ротора 2 переместится относительно пластин 8, 9 статора 1, нарушая их симметричное взаимное расположение, что приведет, например, к увеличению емкости С1 и к уменьшению емкости С2 (или наоборот) и создаст при этом рассогласование сигналов на входах схемы обработки 19, которая преобразует его в сигнал пропорциональный углу перемещения вала.When the angular movement of the shaft 4 in one direction or another at an angle of ± α, the conductive plate 10 of the rotor 2 will move relative to the plates 8, 9 of the stator 1, breaking their symmetrical mutual arrangement, which will lead, for example, to an increase in capacitance C1 and a decrease in capacitance C2 ( or vice versa) and will create a mismatch of signals at the inputs of the processing circuit 19, which converts it into a signal proportional to the angle of the shaft movement.

Выполнение дисков статоров 1, 3 и ротора 2 повышенной точности по толщине и по плоскостности из диэлектрического материала, методом прессования и нанесение на рабочие плоскости дисков токопроводящих пластин 8, 9, 10, 13, 15 с помощью наклеивания металлизированных пленок 7, 11, 12, 16 токопроводящей поверхностью внутрь, а диэлектрической поверхностью наружу позволяет повысить точность преобразования угла перемещения вала 4 датчика.Performing disks of stators 1, 3 and rotor 2 of increased accuracy in thickness and flatness of dielectric material, by pressing and applying conductive plates 8, 9, 10, 13, 15 on the working surfaces of the discs by gluing metallized films 7, 11, 12, 16 with the conductive surface inward, and the dielectric surface outward allows to improve the accuracy of conversion of the angle of movement of the shaft 4 of the sensor.

Claims

A capacitive differential shaft angle sensor containing two stators and a rotor mechanically connected to the sensor rotary shaft and located coaxially between the first and second stators through dielectric gaps, the first stator containing two plates made in the form of sectors of conductive material on the dielectric disk and connected with leads for connection to the signal processing circuit, and the rotor is made in the form of a disk of two-sided foil dielectric, on one side of which an electrical conductor is made Foil plate in the form of a sector facing the two plates of the first stator, and on the second side of the rotor there is a conductive plate made of foil in the form of a ring facing the ring plate of the second stator, the rotor plates being electrically interconnected, and the plate of the second stator connected to the output for connection to the signal processing circuit, while between the back sides of the dielectric disks of the first and second stator and the sensor housing there are spring elements clamping the stator disks in, having freedom of movement along the axis of rotation of the shaft, to the rotor disk of the sensor and providing a plane-parallel, maximum approximation of the conductive plates of the stators and the rotor to each other, characterized in that the disks of the stators and the rotor of the sensor are made of a dielectric material with the required precision by pressing on the plane which conductive plates are applied by gluing metallized films with a conductive surface inwards, and a dielectric surface outwards, while the conductive layer us to metallized films made photoresist method and disposed on the stator and rotor coaxially.