RU202950U1

RU202950U1 - Differential capacitive encoder for limited shaft angle

Info

Publication number: RU202950U1
Application number: RU2020105100U
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Тучкин; Юрий Николаевич Жаров; Алексей Алексеевич Аксенов; Николай Павлович Алхимов; Андрей Игоревич Гришин; Алексей Иванович Чвала; Евгений Дмитриевич Баканов
Original assignee: Акционерное общество "Конструкторское бюро точного машиностроения имени А.Э. Нудельмана"
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2021-03-16

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения углов поворота механических устройств с ограниченного угла поворота вала.Сущность: датчик содержит соосно установленные с зазором и неподвижно закрепленные в корпусе две параллельные пластины статора, между которыми помещен сегментный ротор из диэлектрического материала, жестко закрепленный на вращающемся валу, и преобразователь «емкость-угол». Статор содержит несколько дифференциальных емкостных измерительных пар, равномерно размещенных на неподвижном статоре. Преобразователь «емкость-угол» содержит дифференциальный емкостной элемент, преобразователь «емкость-напряжение» с встроенным генератором опорного напряжения, управляющий микроконтроллер с встроенным АЦП и каналом обмена UART, и драйвер последовательного канала RS-485.Техническим результатом при реализации заявленного решения повышение линейности и точности достигается за счет усреднения данных нескольких дифференциальных емкостных измерительных элементов, равномерно расположенных на одной плате статора, и цифровой обработки результатов измерения. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.The utility model relates to measuring equipment and can be used to measure the angles of rotation of mechanical devices with a limited angle of rotation of the shaft. Essence: the sensor contains two parallel stator plates, coaxially installed with a gap and fixed in the housing, between which a segmented rotor made of dielectric material is placed, rigidly mounted on a rotating shaft, and a capacitance-angle converter. The stator contains several differential capacitive measuring pairs evenly spaced on the stationary stator. The capacitance-angle converter contains a differential capacitive element, a capacitance-voltage converter with a built-in reference voltage generator, a control microcontroller with a built-in ADC and a UART exchange channel, and a driver for the RS-485 serial channel. accuracy is achieved by averaging the data of several differential capacitive measuring elements evenly located on one stator board, and digital processing of the measurement results. 1 wp f-ly, 6 dwg

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована, например, для измерения углов поворота механических устройств, а именно для преобразования ограниченного угла поворота вала в цифровой код при управлении угловым положением подвижных частей объекта регулирования.The utility model relates to measuring technology and can be used, for example, to measure the angles of rotation of mechanical devices, namely, to convert the limited angle of rotation of the shaft into a digital code when controlling the angular position of the moving parts of the control object.

Датчики углового положения ограниченного угла поворота вала широко применяются в качестве датчиков обратной связи в следящих электроприводах оптико-электронных систем с ограниченным углом поворота вала, в приборах для измерения углов наклона плоскостей. При переходе от аналоговых принципов построения механотронных систем слежения и регулирования к цифровым появилась необходимость создания и использования в качестве датчиков обратной связи цифровых преобразователей угла.Angular position sensors of a limited shaft rotation angle are widely used as feedback sensors in servo electric drives of optoelectronic systems with a limited shaft rotation angle, in devices for measuring the angles of inclination of planes. With the transition from analog principles of construction of mechatronic tracking and control systems to digital, it became necessary to create and use digital angle converters as feedback sensors.

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 включены в мостовую схему измерения рассогласования, в которой напряжение с диагонали моста поступает в схему обработки сигнала датчика преобразователя «Емкость-Угол» (В.А. Ацюковский. Емкостные дифференциальные датчики перемещения. Библиотека по автоматике, выпуск 12. Госэнергоиздат, М., Л., 1960 г. Стр. 20-22.).Known capacitive differential sensors for the 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 capacitors are included in the bridge circuit for measuring the misalignment, in which the voltage from the diagonal of the bridge enters the signal processing circuit of the sensor of the "Capacitance-Angle" converter (VA Atsyukovsky. Capacitive differential displacement sensors. Library on automation, issue 12. Gosenergoizdat, M ., L., 1960, pp. 20-22.).

Известен емкостнойдатчик угловых перемещений (А.С.SU №872944, МПК G01B 7/00), содержащий многопластинчатый статор и многопластинчатый ротор, выполненный из диэлектрического материала. Ротор закреплен на оси маятникового подвеса. Недостатком датчика является узкий диапазон использования, так как датчик можно использовать только для измерения наклона плоскости.Known capacitive angular displacement sensor (ACSU No. 872944, IPC G01B 7/00), containing a multi-plate stator and a multi-plate rotor made of dielectric material. The rotor is fixed on the axis of the pendulum suspension. The disadvantage of the sensor is the narrow range of use, since the sensor can only be used to measure the inclination of the plane.

Известен емкостнойдифференциальный датчик ограниченного угла поворота вала (Патент RU №145255, МПК G01B 7/30), содержащий двухполюсный источник питания переменного синусоидального напряжения, электрически связанный через обмотки трансформатора одним полюсом через постоянные резисторы с двумя неподвижными пластинами, выполненными в форме секторов из токопроводящего материала на диэлектрическом диске первого статора датчика, а другим полюсом - с неподвижной пластиной, выполненной 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 связан с поворотным валом датчика и расположен соосно между первым и вторым статорами датчика с двухсторонним воздушным зазором, отличающийся тем, что 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 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.Known is a capacitive differential sensor of a limited shaft rotation angle (Patent RU No. 145255, IPC G01B 7/30), containing a two-pole power supply of alternating sinusoidal voltage, electrically connected through the transformer windings with one pole through constant resistors with 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 with the other pole - with a fixed plate made in the form of a ring of conductive material on the dielectric disk of the second stator of the sensor, and the two fixed plates of the first stator are connected to the sensor signal processing circuit, and the rotor is mechanically connected to the rotary shaft of the sensor and is located coaxially between the first and second stators of the sensor with a double-sided air gap, characterized in that the rotor is made in the form of a disk made of a double-sided foil dielectric, on one side of which a conductive foil plate is made 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 of the sensor, while both rotor plates are electrically connected to each other.

Недостатком известного устройства является использование в схеме обработки сигнала согласующего трансформатора питания дифференциального емкостного датчика угла, а также необходимость обеспечения относительно высокой точности изготовления и сборки деталей и узлов датчика из-за малого зазора между токопроводящими пластинами статора и ротора. Высокая точность значений параллельности и соосности токопроводящих пластин статора и ротора необходима для обеспечения линейности преобразования датчика угла.The disadvantage of the known device is the use of a differential capacitive angle sensor in the signal processing circuit of the matching power transformer, as well as the need to ensure a relatively high precision in the manufacture and assembly of parts and assemblies of the sensor due to the small gap between the conductive plates of the stator and rotor. High accuracy of the values of parallelism and alignment of the conductive plates of the stator and rotor is necessary to ensure the linearity of the conversion of the angle sensor.

Наиболее близким аналогом по технической сущности, принятым за прототип, является дифференциальный емкостнойдатчик для измерения угловых перемещений (патент RU №2289785, МПК G01B 7/30), содержащий две соосно установленные с зазором и неподвижные пластины статора, между которыми помещен ротор, закрепленный на вращающемся валу, и схему обработки сигнала датчика. 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, предпочтительно диэлектрического, материала.The closest analogue in technical essence, taken as a prototype, is a differential capacitive sensor for measuring angular displacements (patent RU No. 2289785, IPC G01B 7/30), containing two coaxially installed with a gap and fixed stator plates, between which a rotor is placed, fixed on a rotating shaft, and the sensor signal processing circuit. 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, preferably dielectric, material.

Данный датчик в результате излишней сложности электронной обработки сигнала в преобразователе «емкость-угол», 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 in the "capacitance-angle" converter, as well as a small order of capacitance values, due to the relatively large air gap due to the constructive need to locate the sector of the rotor dielectric disk between the stator plates, does not provide advantages when used electromechanical devices with limited angles of rotation of the shaft (less than ± 90 °).

Кроме того, общим недостатком всех вышеуказанных известных устройств является отсутствие цифрового выхода данных, что затрудняет их использование в цифровых системах управления приводами оптико-электронных системIn addition, a common disadvantage of all of the above known devices is the lack of a digital data output, which makes it difficult to use them in digital control systems for drives of optoelectronic systems.

Задачей полезной модели является повышение точности измерений угловых перемещений при работе с ограниченными углами поворота вала, а также расширение функциональных возможностей за счет преобразования измеренных угловых перемещений в цифровой код.The task of the utility model is to improve the accuracy of measurements of angular displacements when working with limited angles of rotation of the shaft, as well as to expand the functionality by converting the measured angular displacements into a digital code.

Задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

Дифференциальный емкостнойдатчик ограниченного угла поворота вала содержит соосно установленные с зазором и неподвижно закрепленные в корпусе две параллельные пластины статора, между которыми помещен секторный ротор из диэлектрического материала, жестко закрепленный на вращающемся валу, и схема обработки сигнала датчика. Статор содержит не менее двух дифференциальных емкостных измерительных пар, равномерно размещенных на неподвижном статоре, а ротор содержит аналогичное количество секторов. Схема обработки сигнала датчика содержит преобразователь «емкость-напряжение» с встроенным генератором опорного напряжения, управляющий контроллер датчика с встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и последовательным цифровым каналом обмена, например UART или RS-485. Положительный эффект, повышение линейности и точности, достигается за счет усреднения данных нескольких дифференциальных емкостных измерительных элементов, равномерно расположенных на плате статора, и цифровой обработки результатов измерения. A differential capacitive sensor of a limited shaft rotation angle contains two parallel stator plates coaxially installed with a gap and fixed in the housing, between which a sector rotor made of a dielectric material is placed, rigidly fixed to the rotating shaft, and a sensor signal processing circuit. The stator contains at least two differential capacitive measuring pairs, evenly spaced on the stationary stator, and the rotor contains a similar number of sectors. The sensor signal processing circuit contains a capacitance-voltage converter with a built-in reference voltage generator, a sensor control controller with a built-in analog-to-digital converter (ADC) and a serial digital exchange channel, for example UART or RS-485. The positive effect, increasing linearity and accuracy, is achieved by averaging the data of several differential capacitive measuring elements, evenly located on the stator board, and digital processing of the measurement results.

Полезная модель поясняется чертежами фиг. 1 по фиг. 6.The utility model is illustrated by the drawings of FIG. 1 to FIG. 6.

На фиг. 1 приведен общий вид дифференциального емкостного датчика ограниченного угла поворота вала. Дифференциальный емкостнойдатчик содержит две параллельные пластины статора 1 и 2, соосно установленные и неподвижно закрепленные в корпусе 3, между которыми помещен ротор 4, неподвижно закрепленный на вращающемся валу 5, и электронная плата 6 со схемой обработки сигнала датчика.FIG. 1 shows a general view of a differential capacitive sensor of a limited shaft rotation angle. The differential capacitive sensor contains two parallel stator plates 1 and 2, coaxially mounted and fixed in the housing 3, between which the rotor 4 is placed, fixed on the rotating shaft 5, and the electronic board 6 with the sensor signal processing circuit.

На чертежах фиг. 2 по фиг. 5 изображены пластины 1 (фиг. 2) и 2 (фиг. 3) неподвижного статора, секторный ротор 4 из диэлектрического материала (фиг. 4) и взаимное расположение нижней пластины статора 1 и подвижного ротора 4 при «нулевом» значении измеряемого угла (фиг. 5). Датчик состоит из диэлектрических статоров 1 и 2, на которых нанесены токопроводящие печатные площадки в виде секторов, и диэлектрического секторного ротора. На приведенных чертежах фиг. 2 по фиг. 5 показан, в качестве примера, вид статоров 1 и 2 с токопроводящими печатными площадками и четырех секторного ротора 4, для диапазона измеряемых углов ϕ=(-25°…+25°). Токопроводящие полоски 7 и 8 на статорах 1 и 2 нанесены на равных расстояниях шириной ϕ° через промежуток β°, а сектора 9 на роторе 4 - шириной (ϕ+β)°. Токопроводящие полоски 7 и 8 на статоре 1 соединены через одну в две параллельные цепи, образующие дифференциальные измерительные пары конденсаторов С1 и С2. Токопроводящие полоски 7 и 8 на статоре 2 соединены между собой в параллельную цепь и предназначены для подачи синусоидального переменного опорного напряжения Uf со схемы обработки сигнала датчика. Угловые размеры каждого многосекторного печатного проводника статоров дифференциального емкостного датчика равны значению рабочего угла ϕ°. Секторный ротор 4 (фиг. 4), жестко закрепленный на оси вала 5, выполнен из диэлектрического материала с повышенной диэлектрической постоянной, например, стеклотекстолита с ε ≈ 4,7. Угловые размеры каждого сектора 9 ротора 4 равны (ϕ+β)°. Исходное положение ротора 4 и статора 1, соответствующей начальной («нулевой») точке отсчета приведено на фиг. 5, значения дифференциальных емкостей С1 и С2 статора 2 в этом положении равны между собой относительно секторов статора 2.In the drawings, FIG. 2 to FIG. 5 shows the plates 1 (Fig. 2) and 2 (Fig. 3) of the stationary stator, the sector rotor 4 made of dielectric material (Fig. 4) and the relative position of the lower plate of the stator 1 and the movable rotor 4 at a "zero" value of the measured angle (Fig. . five). The sensor consists of dielectric stators 1 and 2, on which conductive printing pads are applied in the form of sectors, and a dielectric sector rotor. In the accompanying drawings, FIG. 2 to FIG. 5 shows, as an example, the view of stators 1 and 2 with conductive printing pads and a four-sector rotor 4, for a range of measured angles ϕ = (- 25 ° ... + 25 °). Conductive strips 7 and 8 on stators 1 and 2 are applied at equal distances with a width of ϕ ° through a gap of β °, and sectors 9 on the rotor 4 - with a width of (ϕ + β) °. The conductive strips 7 and 8 on the stator 1 are connected through one in two parallel circuits, forming differential measuring pairs of capacitors C1 and C2. The conductive strips 7 and 8 on the stator 2 are connected to each other in a parallel circuit and are designed to supply a sinusoidal alternating reference voltage Uf from the sensor signal processing circuit. The angular dimensions of each multi-sector printed conductor of the stators of the differential capacitive sensor are equal to the value of the operating angle ϕ °. Sector rotor 4 (Fig. 4), rigidly fixed on the axis of the shaft 5, is made of a dielectric material with an increased dielectric constant, for example, fiberglass with ε ≈ 4.7. The angular dimensions of each sector 9 of the rotor 4 are equal to (ϕ + β) °. The initial position of the rotor 4 and stator 1 corresponding to the initial ("zero") reference point is shown in FIG. 5, the values of the differential capacitances C1 and C2 of the stator 2 in this position are equal to each other with respect to the sectors of the stator 2.

На фиг. 6 приведена обобщенная функциональная схема обработки сигнала дифференциального емкостного датчика ограниченного угла поворота вала с цифровым выходом данных. Она содержит дифференциальный емкостнойизмерительный элемент 7-8, преобразователь «емкость-напряжение» 10 со встроенным генератором синусоидального опорного напряжения Uf, управляющий контроллер датчика 11 со встроенными АЦП и последовательным цифровым каналом 12 обмена UART, драйвер канала RS-485.FIG. 6 shows a generalized functional diagram of signal processing of a differential capacitive sensor of a limited shaft rotation angle with a digital data output. It contains a differential capacitive measuring element 7-8, a capacitance-voltage converter 10 with a built-in generator of a sinusoidal reference voltage Uf, a sensor control controller 11 with built-in ADC and a serial digital channel 12 of the UART exchange, an RS-485 channel driver.

Дифференциальный емкостнойдатчик ограниченного угла поворота вала работает следующим образом. Статор 1 содержит чередующиеся токопроводящие сектора 7 и 8, образующие дифференциальные емкостные измерительные элементы С1 и С2, относительно токопроводящих площадок статора 2. Секторный ротор 4, жестко закрепленный на оси вала 5, выполнен из диэлектрического материала с повышенной относительной диэлектрической проницаемостью, например, стеклотекстолита с ε ≈ 4,7. Исходное положение ротора и статора, соответствующей начальной точке отсчета приведено на фиг. 5, значения дифференциальных емкостей С1 и С2 статора 2 относительно секторов статора 3 в исходном положении равны между собой. При вращении ротора 4 значение одной из емкостей С1 или С2 убывает, а другой увеличивается за счет большей диэлектрической проницаемости материала ротора 4 относительно воздуха. На токопроводящие сектора статора 2 подается переменное напряжение Uf с преобразователя «емкость-напряжение» 10 схемы обработки сигнала датчика (фиг. 6), дифференциальная разность емкостей С1 и С2 преобразуется в напряжение, пропорциональное углу поворота вала, которое поступает на АЦП управляющего контроллера датчика 11 и через последовательный цифровой интерфейс 12 на выход датчика углового положения вала.Differential capacitive sensor of limited angle of rotation of the shaft works as follows. The stator 1 contains alternating conductive sectors 7 and 8, forming differential capacitive measuring elements C1 and C2, relative to the conductive pads of the stator 2. Sector rotor 4, rigidly fixed on the axis of the shaft 5, is made of a dielectric material with an increased relative dielectric constant, for example, fiberglass with ε ≈ 4.7. The initial position of the rotor and stator corresponding to the initial reference point is shown in FIG. 5, the values of the differential capacitances C1 and C2 of the stator 2 relative to the sectors of the stator 3 in the initial position are equal to each other. When the rotor 4 rotates, the value of one of the capacities C1 or C2 decreases, while the other increases due to the greater dielectric constant of the material of the rotor 4 relative to air. An alternating voltage Uf is supplied to the conductive sectors of the stator 2 from the capacitance-voltage converter 10 of the sensor signal processing circuit (Fig. 6), the differential difference between the capacitances C1 and C2 is converted into a voltage proportional to the angle of rotation of the shaft, which is fed to the ADC of the sensor control controller 11 and through the serial digital interface 12 to the output of the shaft angular position sensor.

Токопроводящие сектора статоров и ротора на фольгированном диэлектрическом материале, например фольгированном стеклотекстолите, изготавливаются методом печатного монтажа. Секторный ротор изготавливается методом фрезеровки. Угловые размеры каждого из секторов дифференциального емкостного измерительного емкостного датчика угла определяются диапазонам рабочих углов датчика. Использование чередующихся параллельно соединенных N дифференциальных емкостных пар секторов статора, равномерно расположенных не пластине статора, обеспечивает электрическую редукцию в N раз, и усредняет ошибки преобразования от неточности изготовления топологии печатных плат и механического изготовления элементов статора и ротора за счет их усреднения. Преобразователь «емкость-напряжение» 10 может быть выполнен, например, на микросхеме типа 5201ТК015 (преобразователь емкость в напряжение), или, например, типа 1310НМ01 (преобразователь емкость в цифровой код). Контроллер датчика 11 может быть выполнен, например, на микроконтроллере со встроенным АЦП типа 1915ВА15.The conductive sectors of the stators and rotor on a foil-clad dielectric material, for example, foil-clad fiberglass, are manufactured by printed wiring. The sectional rotor is manufactured by milling. The angular dimensions of each of the sectors of the differential capacitive measuring capacitive angle sensor are determined by the operating angle ranges of the sensor. The use of alternating parallel-connected N differential capacitive pairs of stator sectors, evenly located on the stator plate, provides electrical reduction by a factor of N, and averages conversion errors from inaccuracies in the manufacture of printed circuit boards topology and mechanical manufacture of stator and rotor elements by averaging them. The capacitance-voltage converter 10 can be made, for example, on a microcircuit of the 5201TK015 type (capacitance-to-voltage converter), or, for example, of the 1310HM01 type (capacitance-to-digital code converter). The sensor controller 11 can be executed, for example, on a microcontroller with a built-in ADC of the 1915VA15 type.

Изготовлены экспериментальные образцы дифференциального емкостного датчика ограниченного угла поворота вала для диапазона рабочих углов от минус 22,5° до плюс 22,5° угла. В экспериментальных образцах преобразователя наружный диаметр статора ≈30 мм, внутренний ≈15 мм, использованы интегральный преобразователь «емкость-напряжение» типа 5201ТК015 и микроконтроллер типа 1913ВА015. За счет электрической редукции (в четыре раза) и цифровой обработки получена цена младшего разряда выходных данных ≈ 10'' угла.Experimental samples of a differential capacitive sensor with a limited shaft rotation angle for a range of working angles from minus 22.5 ° to plus 22.5 ° of an angle have been manufactured. In the experimental samples of the converter, the outer diameter of the stator is ≈30 mm, the inner diameter is ≈15 mm, an integral capacitance-voltage converter of the 5201TK015 type and a microcontroller of the 1913VA015 type are used. Due to the electrical reduction (four times) and digital processing, the price of the least significant bit of the output data was obtained as ≈ 10 '' of the angle.

Claims

1. A differential capacitive sensor of a limited shaft rotation angle, containing two parallel stator plates coaxially installed with a gap and fixed in the housing, between which a sector rotor made of a dielectric material is placed, rigidly fixed to the rotating shaft, and a sensor signal processing circuit, characterized in that each stator plate contains at least two uniformly installed two-sector differential capacitive elements of the same type, and the size of each sector is equal to the range of measured angles of the sensor, and the sector rotor is made of a dielectric material with an increased value of the relative dielectric constant, for example, fiberglass.

2. Differential capacitive sensor of limited shaft rotation angle according to claim 1, characterized in that the sensor signal processing circuit contains a capacitance-voltage converter with a built-in generator of supply voltage of a differential capacitive element, a sensor control controller with a built-in analog-to-digital converter and a serial digital communication channel, for example UART or RS-485.