RU210943U1 - Индукционный датчик положения - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения линейных перемещений, с помощью преобразователя перемещения индукционного типа.

Технический результат: упрощение конструкции датчика, а также повышение диапазона его измерений.

Содержит неподвижную (1) и подвижную (2) пластины, выполненные из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности с пассивными короткими и активными длинными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом. На подвижной пластине (2) нанесена одна катушка (3), а на неподвижной пластине (1), выполненной большей длиной, нанесены две идентичные катушки (4) и (5) рядом вдоль длинных проводников. Подвижная пластина (2) установлена с одной степенью свободы перемещения вдоль активных длинных проводников и расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками (4) и (5) неподвижной пластины (1). Неподвижная пластина закреплена в каркасе, образованном двумя продольными стойками каркаса (6) и (7) и торцевыми панелями (8) и (9), а подвижная пластина (2) закреплена на каретке (15), которая установлена с возможностью перемещения вдоль продольных стоек каркаса (6) и (7), подвижная каретка (15) соединена поводком со штоком (12). Одна торцевая панель (9) имеет центральное отверстие (14) с резьбовой вставкой (11), в которой ее осевое центральное отверстие (вставки (11)) является направляющим для штока (12). Другая торцевая панель (8) с центральным отверстием (14) имеет резьбовую вставку (10) с осевым центральным отверстием для установки кабеля (18). В каркасе установлены плата индуктора для питания катушки подвижной пластины и плата приемников катушек неподвижной пластины, а сам каркас датчика закрыт кожухом (17) прямоугольного сечения. В каждой из продольных стоек (6) и (7) каркаса, по всей их длине, выполнена проточка (20) с двумя контактными поверхностями для цилиндрических подшипников скольжения (16), при этом в каркасе стойки (6) и (7) закреплены проточками, повернутыми навстречу друг к другу. В каретке (15) по ее боковым поверхностям выполнены ответные проточки (21) с двумя контактными поверхностями, на которых установлены (закреплены) цилиндрические подшипники скольжения (16). 10 ил.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения линейных перемещений, с помощью преобразователя перемещения индукционного типа.

Аналогом предложенного технического решения является «Индукционный датчик положения» по патенту на изобретение РФ: RU 2454625 С1 от 27.06.2012, MTIKG01B7/00, GO ID 5/20 - [1], содержащий неподвижную и подвижную пластины, выполненные из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, на подвижной пластине нанесена одна катушка, а на неподвижной, выполненной большей длиной, нанесены две идентичные катушки рядом вдоль длинных проводников, подвижная пластина установлена с одной степенью свободы перемещения вдоль активных длинных проводников и расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками неподвижной пластины.

Недостатком известного аналога является трудность практической реализации индукционного датчика положения из-за недостаточной его конструкционной проработки, представленной в материалах патента [1].

Прототипом предложенного технического решения является «Индукционный датчик положения» по патенту полезную модель РФ: RU 159522 U1 от 10.02.2016, МПК G01B 7/00 - [2], содержащий неподвижную и подвижную пластины, выполненные из диэлектрического материала и установленные с зазором друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, на подвижной пластине нанесена одна катушка, а на неподвижной, выполненной большей длинной нанесены две идентичные катушки рядом вдоль длинных проводников, подвижная пластина установлена одной степенью свободы перемещения вдоль активных длинных проводников и расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками неподвижной пластины, неподвижная пластина закреплена в каркасе, образованном двумя продольными стойками каркаса и торцевыми панелями, а подвижная пластина закреплена на каретке, которая установлена с возможностью перемещения вдоль продольных стоек каркаса, подвижная каретка соединена поводком со штоком, одна торцевая панель имеет центральное отверстие и направляющую для штока, а другая -центральное отверстие для кабеля, в каркасе установлены плата индуктора для питания катушки подвижной пластины и плата приемников катушек неподвижной пластины, каркас датчика закрыт кожухом прямоугольного сечения. На продольных стойках каркаса закреплена дополнительная прямоугольная неподвижная пластина - направляющая рама с продольным пазом для подвижной каретки, которая установлена с возможностью перемещения вдоль продольного паза направляющей рамы. Недостатками прототипа [2] являются:

- избыточная сложность конструкции каркаса датчика, образованного двумя продольными стойками каркаса, двумя торцевыми панелями, а также дополнительной прямоугольной неподвижной пластиной - направляющей рамой с продольным пазом для подвижной каретки;

- низкий ход подвижной каретки, который определяет диапазон измерений индукционного датчика положения (линейного).

Недостатки аналога и прототипа ставят задачи упрощения конструкции прототипа - «индукционного датчика положения», а также повышения диапазона измерений датчика, в размерах устройства - прототипа.

Сущность заявленного технического решения полезной модели состоит в том, что индукционный датчик положения содержит неподвижную и подвижную пластины, выполненные из диэлектрического материала и установленные с зазором друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом. На подвижной пластине нанесена одна катушка, а на неподвижной, выполненной большей длинной нанесены две идентичные катушки рядом вдоль длинных проводников, подвижная пластина установлена одной степенью свободы перемещения вдоль активных длинных проводников и расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками неподвижной пластины. Неподвижная пластина закреплена в каркасе, образованном двумя продольными стойками каркаса и торцевыми панелями, а подвижная пластина закреплена на каретке, которая установлена с возможностью перемещения вдоль продольных стоек каркаса. Подвижная каретка соединена поводком со штоком. Одна торцевая панель имеет центральное отверстие и направляющую для штока, а другая - центральное отверстие для кабеля. В каркасе установлены плата индуктора для питания катушки подвижной пластины и плата приемников катушек неподвижной пластины, а каркас датчика закрыт кожухом прямоугольного сечения. В каждой из продольных стоек каркаса, по всей их длине выполнена проточка с двумя контактными поверхностями для цилиндрических подшипников скольжения, при этом в каркасе стойки закреплены проточками друг к другу, а в каретке по её боковым поверхностям выполнены ответные проточки с двумя контактными поверхностями в которых установлены (закреплены) цилиндрические подшипники скольжения.

Техническим результатом является упрощение конструкции датчика, а также повышения диапазона его измерений.

Ограничительные признаки формулы полезной модели описывают конструкцию датчика - прототипа, а именно общие существенные признаки прототипа и заявленного устройства.

Отличительные конструктивные признаки: «в каждой из продольных стоек каркаса, по всей их длине выполнена проточка с двумя контактными поверхностями для цилиндрических подшипников скольжения, при этом в каркасе стойки закреплены проточками друг к другу», необходимы для обеспечения перемещения с одной степенью свободы каретки с подвижной пластиной (с катушкой) вдоль продольных стоек каркаса, и этим же достигается упрощение конструкции датчика, так как в конструкции его каркаса отсутствует прямоугольная неподвижная пластина - направляющая рама с продольным пазом для подвижной каретки. Кроме того, отсутствие направляющей рамы позволяет увеличить ход подвижной каретки вплоть до торцевых панелей каркаса, и тем самим увеличить диапазон измерений заявленного датчика по сравнению с прототипом.

Отличительные конструктивные признаки: «в каретке по её боковым поверхностям выполнены ответные проточки с двумя контактными поверхностями (ответные проточкам, выполненным в продольных стойках каркаса) в которых установлены (закреплены) цилиндрические подшипники скольжения» необходимы для обеспечения прямого и обратного поступательного движения каретки в датчике, то есть для создания подвижной пары поверхностей скольжения для каретки датчика.

Сущность заявленного технического решения поясняется графическими материалами, на которых представлены:

На фиг. 1 - фотография пары неподвижной и подвижной пластин датчика, выполненных из диэлектрического материала с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности (вид на катушки сверху).

На фиг. 2 - фотография катушек по фиг. 1, расположенных в рабочем состоянии.

На фиг. 3 - фотография датчика в разобранном виде: вид сзади на неподвижную пластину.

На фиг. 4 - фотография каркаса индукционного датчика положения, образованного двумя продольными стойками и двумя торцевыми панелями каркаса (каркас в собранном виде).

На фиг. 5 - индукционный датчик положения в собранном виде.

На фиг. 6 - чертеж датчика в трех проекциях: а) вид сбоку, б) вид сверху, г) вид спереди.

На фиг. 7 - схемотехническое решение датчика для обеспечения его работоспособности.

На фиг. 8 - фотография полного комплекта элементов каркаса индукционного датчика положения со снятой одной торцевой панелью.

На фиг. 9 - фотография разобранного каркаса со снятой подвижной кареткой - вид на проточки двух продольных стоек и установленных в боковых поверхностях подвижной каретки подшипников скольжения.

На фиг. 10 - фотография установленной между двух продольных стоек подвижной кареткой - вид спереди на подшипники скольжения.

На фигурах 1-10 позициями обозначены: 1 - неподвижная пластина; 2 - подвижная пластина; 3 - печатная катушка на неподвижной пластине; 4 и 5 - две идентичные печатные катушки на неподвижной пластине; 6 и 7 - идентичные друг другу продольные стойки каркаса; 8 и 9 - идентичные друг другу торцевые панели каркаса; 10 - вставка с внешней резьбой торцевой панели (8) каркаса для электрического кабеля (18); 11 - вставка с внешней резьбой торцевой панели (9) каркаса для подвижного штока (12), при этом вставка (11), а именно её центральное осевое отверстие является направляющей для штока подвижного штока (12); 12 - подвижный шток; 13 и 14 - резьбовые центральные отверстия соответственно торцевых панелей (8) и (9) каркаса для установки в них резьбовых вставок (10) и (11) (электрического кабеля (18) и подвижного штока (12)); 15 - подвижная каретка, установленная с возможностью продольного перемещения вдоль продольных стоек каркаса (6) и (7); 16 - подшипники скольжения подвижной каретки (15), выполненные в виде цилиндрических стержней; 17 - короб прямоугольного сечения, закрепляемый на каркасе индукционного датчика; 18 - электрический кабель подключения индукционного датчика положения в внешнему устройству; 19 - разъем электрического кабеля (18) для подключения индукционного датчика положения в внешнему устройству; 20 - проточки с двумя контактными поверхностями выполненные в продольных стойках каркаса для подшипников скольжения; 21 -проточки с двумя контактными поверхностями выполненные на двух боковых поверхностях подвижной каретки для установки в них подшипников скольжения.

Индукционный датчик положения содержит неподвижную (1) и подвижную (2) пластины, выполненные из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности с пассивными короткими и активными длинными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом. На подвижной пластине (2) нанесена одна катушка (3), а на неподвижной пластине (1) выполненной большей длинной нанесены две идентичные катушки (4) и (5) рядом вдоль длинных проводников. Подвижная пластина (2) установлена одной степенью свободы перемещения вдоль активных длинных проводников и расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками (4) и (5) неподвижной пластины (1). Неподвижная пластина (1) закреплена с зазором (снизу) на идентичные друг другу продольных стойках (6) и (7) каркаса, которые вместе с идентичными друг другу торцевыми панелями (8) и (9) образуют каркас заявленного устройства. В торцевых панелях (8) и (9) каркаса соответственно в их резьбовых центральных отверстиях (13) и (14) установлены ответные резьбовые вставки (10) и (11) соответственно для электрического кабеля (18) и подвижного штока (12), которым при помощи поводка (на фигурах не показан) приводится в возвратно-поступательное движения подвижная каретка (15). Центральное осевое отверстие в резьбовой вставке (11) является направляющей для подвижного штока (12). На подвижной каретке (15) закреплена подвижная пластина (2), а сама подвижная каретка (15) установлена между продольными стойками каркаса (6) и (7) в подшипниках скольжения (16), выполненные в виде цилиндрических стержней (цилиндрических роликов). Подшипники скольжения (16) в виде цилиндрических стержней. Подшипники скольжения (16) могут быть установлены, например при помощи ограничивающих штифтов, пайки, клея и т.д. в боковых проточках (21) с двумя контактными поверхностями, выполненных на двух боковых поверхностях подвижной каретки (15). Подвижная каретка (15) своими подшипники скольжения (16) установлена в боковых проточках (20) с двумя контактными поверхностями, выполненными в продольных стойках (6) и (7) каркаса. Снаружи индукционный датчик положения, между торцевыми панелями (8) и (9) закрыт кожухом (17) прямоугольного сечения. Через резьбовые вставки (10) в датчик подведен электрический кабель (18), на другом конце которого находится разъем (19) электрического кабеля (18) для подключения индукционного датчика положения к внешнему устройству. В центральное осевое отверстие вставки (11) установлен в подвижный шток (12) с возможностью возвратно-поступательного движения. Работает индукционный датчик положения следующим образом: Первоначально датчик устанавливают для измерений как, чтобы его шток (12) находился в среднем положении, то есть так, чтобы подвижная пластина (2) датчика была расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками (4) и (5) неподвижной пластины (1). Из платы индуктора (на фигурах не показана) для питания катушки (3) подвижной пластины (2) подают переменное напряжение, возбуждающее вокруг катушки (3) переменное электромагнитное поле, которое наводит электродвижущую силу (ЭДС) в катушках (4) и (5) неподвижной пластины (1). Значения наведенной ЭДС в каждой из катушек (4) и (5), которая зависит от расположения над ними возбуждающей подвижной катушки (3), далее подают в плату (на фигурах не показана) приемников катушек (4) и (5) неподвижной пластины (1). Обработанный сигнал из платы приемников подают по кабелю (18) через электрический разъем (19) потребителю. При измерении перемещений внешним механическим усилием сдвигают шток (12), связанный поводком с подвижной кареткой (15). При этом расположенная в подшипниках (16) каретка (15) смещается в ту или иную сторону вместе с закрепленной на ней катушкой (3) и изменяет значения выходного сигнала. Каркас датчика образованный двумя продольных стойках (6) и (7) каркаса, и двумя торцевыми панелями (8) и (9) закрытый кожухом (15) обеспечивает жесткость конструкции, и как следствие, точность измерения датчика и его надежность.

Отсутствие конструктивного элемента прототипа - прямоугольной неподвижной пластины (направляющей рамы) с продольным пазом для подвижной каретки (15) не снижает прочность конструкции и надежность её работы при эксплуатации заявленного устройства. При этом существенно упрощена конструкция прототипа и его металлоёмкость, что в конечном итоге снижает стоимость датчика. Также отсутствие направляющей рамы с продольным пазом для подвижной каретки (15) облегчает возможность увеличения хода подвижной каретки (15), и, следовательно, увеличения диапазона измерений индукционного датчика линейного положения.

Для обеспечения работоспособности заявленного индуктивного датчика перемещения, также как и в прототипе, может быть использовано типовое схемотехнические решение, представленное на фиг. 7. На фигуре 7 пиковые детекторы (А и В) используют для определения амплитуды переменных сигналов снимаемых от (приемных) неподвижных катушек (4) и (5), усилитель суммарного сигнала (А+В) используют для стабилизации режимов работы устройства, а усилитель разностного сигнала (А-В) используют для выделения полезного сигнала. В зависимости от положения излучающей подвижной катушки (3) относительно приемных неподвижных катушек (4) и (5) в них наводится ЭДС, значение которой прямо пропорционально перемещению, а знак разностного сигнала наведенной ЭДС (А-В) указывает на направление перемещения.

Также как и в прототипе, для рабочих частот порядка 2-х МГц в габаритных размерах подвижной пластины (2) 42 х 22 мм, и неподвижной пластины (1) 84 х 22 мм, шагом проводников катушек (3), (4) и (5) равным 0,8 мм, при ширине проводников 0,3 мм и воздушном зазоре между подвижной и неподвижной частью 0,2 мм рабочая зона по перемещению подвижной пластины (2) составляет 40 мм. Диапазон изменения выходного сигнала при этом составляет ±2 В с погрешностью преобразования не хуже ± 0,5%.

Современная технология печатных плат позволяет изготавливать печатные катушки с высокой степенью точности, в связи с этим, при необходимости получения более высокой точности преобразования, требования к шагу и ширине проводников, а также к воздушному зазору между катушками могут быть и более жесткими, и позволяет увеличить диапазон измерений индукционного датчика линейного положения. Как видно из вышеизложенного, наиболее целесообразно использовать такой индукционный датчик перемещения в системах контроля, в том числе для постоянного и автоматизированного мониторинга деформации различных объектов, например при контроле деформаций строительных конструкций (зданий и сооружений).

Полагаем, что предложенный индукционный датчик положения обладает всеми критериями полезной модели, так как совокупность с ограничительных и отличительных признаков формулы полезной модели является новым для конструкций индукционных датчиков положения, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Разработка, конструирование и внедрение предложенного индукционного датчика положения не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

1. Патент РФ на изобретение: RU 2454625 С1 от 27.06.2012, МПК G01B7/00, G01D5/20, «Индукционный датчик положения», авторы: Большаков А.А., Яковлев А.В., Балашов А.В., Михайлов Е.А.

2. Патент РФ на полезную модель: RU 159522 U1 от 10.02.2016, МПК G01B7/00, «Индукционный датчик положения», авторы: Яковлев А.В., Козырев С.Д., Молев Ф.В., Шварцман А.И. - прототип.

Claims (1)

1. Индукционный датчик положения, содержащий неподвижную и подвижную пластины, выполненные из диэлектрического материала и установленные с зазором друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, на подвижной пластине нанесена одна катушка, а на неподвижной, выполненной большей длиной, нанесены две идентичные катушки рядом вдоль длинных проводников, подвижная пластина установлена одной степенью свободы перемещения вдоль активных длинных проводников и расположена в первоначальном состоянии по центру между катушками неподвижной пластины, неподвижная пластина закреплена в каркасе, образованном двумя продольными стойками каркаса и торцевыми панелями, а подвижная пластина закреплена на каретке, которая установлена с возможностью перемещения вдоль продольных стоек каркаса, подвижная каретка соединена поводком со штоком, одна торцевая панель имеет центральное отверстие и направляющую для штока, а другая - центральное отверстие для кабеля, в каркасе установлены плата индуктора для питания катушки подвижной пластины и плата приемников катушек неподвижной пластины, каркас датчика закрыт кожухом прямоугольного сечения, отличающийся тем, что в каждой из продольных стоек каркаса, по всей их длине, выполнена проточка с двумя контактными поверхностями для цилиндрических подшипников скольжения, при этом в каркасе стойки закреплены проточками друг к другу, в каретке по ее боковым поверхностям выполнены ответные проточки с двумя контактными поверхностями, на которых установлены цилиндрические подшипники скольжения.

Images