RU218474U1

RU218474U1 - Inductive angle encoder

Info

Publication number: RU218474U1
Application number: RU2022112989U
Authority: RU
Original assignee: Желтышев Олег Иванович
Filing date: 2022-05-15
Publication date: 2023-05-29

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам измерения углового положения, основанным на изменении индуктивности. Техническим результатом является абсолютная зависимость выходного сигнала индуктивного датчика углового положения от углового положения объекта измерения. Индуктивный датчик углового положения состоит из статора, содержащего неподвижную пластину в виде круглой многослойной печатной платы, на которой расположены катушка – генератор электромагнитного поля, катушка – приемник электромагнитного поля, катушка опорного сигнала, блок генерации и обработки сигналов, и ротора, содержащего измерительную пластину. Катушка – генератор электромагнитного поля, катушка – приемник электромагнитного поля, катушка опорного сигнала выполнены печатным проводником в виде одинаковых многовитковых спиралей, расположенных соосно. Катушка – приемник электромагнитного поля, блок генерации и обработки сигналов размещены на внешних слоях печатной платы. Катушка – генератор электромагнитного поля и катушка опорного сигнала размещены на внутренних слоях печатной платы. Катушка – приемник электромагнитного поля и катушка опорного сигнала расположены на одинаковом расстоянии от катушки – генератора электромагнитного поля. Измерительная пластина представляет собой круглую печатную плату с нанесенным слоем медного проводника, выполненным в форме несимметричного рисунка, который имеет вид прямоугольного треугольника с гипотенузой и большим катетом, развернутыми по внешнему и внутреннему диаметру соответственно печатной платы измерительной пластины, расположенным с осевым смещением относительно центра неподвижной пластины.The utility model relates to electrical engineering, in particular to devices for measuring angular position based on a change in inductance. The technical result is the absolute dependence of the output signal of the inductive angular position sensor on the angular position of the measurement object. An inductive angular position sensor consists of a stator containing a fixed plate in the form of a round multilayer printed circuit board, on which there is an electromagnetic field generator coil, an electromagnetic field receiver coil, a reference signal coil, a signal generation and processing unit, and a rotor containing a measuring plate. Coil - generator of electromagnetic field, coil - receiver of electromagnetic field, coil of reference signal are made by printed conductor in the form of identical multi-turn spirals arranged coaxially. The coil - the receiver of the electromagnetic field, the signal generation and processing unit are placed on the outer layers of the printed circuit board. The coil - the generator of the electromagnetic field and the coil of the reference signal are placed on the inner layers of the printed circuit board. The coil - the receiver of the electromagnetic field and the coil of the reference signal are located at the same distance from the coil - the generator of the electromagnetic field. The measuring plate is a round printed circuit board with a coated copper conductor layer, made in the form of an asymmetric pattern, which has the form of a right triangle with a hypotenuse and a large leg deployed along the outer and inner diameters, respectively, of the printed circuit board of the measuring plate, located with an axial offset relative to the center of the fixed plate .

Description

Заявляемая полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения углового положения, основанным на изменении индуктивности, предназначенным для работы в условиях открытого космоса.The claimed utility model relates to measuring technology, in particular to devices for measuring the angular position, based on the change in inductance, designed to operate in outer space.

Известен трансформаторный преобразователь угловых перемещений, патент РФ 2480710 С2, содержащий цилиндрический корпус, ферромагнитный статор с размещёнными в нем обмоткой возбуждения и двумя секциями измерительной обмотки, расположенными вокруг двух полюсов статора, имеющих форму секторов и соединенных последовательно встречно, и ферромагнитный ротор, выполненный в виде полудиска и расположенный со статором, отличающийся тем, что обмотка возбуждения в нем выполнена в виде кольца и размещена в кольцевом пазу статора, обращенном к ротору. Датчик предназначен для измерения угловых перемещений в авиационной технике.A transformer converter of angular displacements is known, RF patent 2480710 C2, containing a cylindrical housing, a ferromagnetic stator with an excitation winding placed in it and two sections of a measuring winding located around two stator poles, having the shape of sectors and connected in series in opposite directions, and a ferromagnetic rotor made in the form half-disk and located with the stator, characterized in that the excitation winding in it is made in the form of a ring and is placed in the annular groove of the stator facing the rotor. The sensor is designed to measure angular displacements in aviation technology.

Следует отметить, что необходимость использования ферромагнитных материалов для статора и ротора увеличивает массу датчика, ограничивает простоту интеграции датчика в механизмы, а также ограничивает температурный рабочий диапазон, не позволяя использовать датчик в условиях с повышенной рабочей температурой вследствие изменения магнитных свойств ферромагнетиков под воздействием высоких температур. Датчик не может быть применен для работы в условиях открытого космоса вследствие широкого диапазона изменения рабочих температур.It should be noted that the need to use ferromagnetic materials for the stator and rotor increases the mass of the sensor, limits the ease of integration of the sensor into mechanisms, and also limits the temperature operating range, preventing the use of the sensor in conditions with elevated operating temperatures due to changes in the magnetic properties of ferromagnets under the influence of high temperatures. The sensor cannot be used for operation in outer space due to a wide range of operating temperatures.

Известен индуктивный датчик положения с обмоткой подавления помех общего типа и с упрощенным формированием сигнала, патент РФ №2007141166, содержащий передающую катушку, генерирующую электромагнитное излучение при возбуждении возбуждающим сигналом, множество приемных катушек, расположенных рядом с передающей катушкой, соединительный элемент, опорную катушку, формирователь сигнала. Датчик предназначен для измерения углового положения с помощью передающих и приемных катушек, а также опорной катушки, в результате взаимодействия которых формируется выходной сигнал, коррелирующий с угловым положением подвижной детали.Known inductive position sensor with a winding suppression of interference of a general type and with simplified signal generation signal. The sensor is designed to measure the angular position using transmitting and receiving coils, as well as a reference coil, as a result of the interaction of which an output signal is generated that correlates with the angular position of the moving part.

Следует отметить, что датчик не оснащен системой компенсации температурной погрешности под действием самонагрева катушки индуктивности и внешних источников тепла, что снижает точность измерения углового положения при работе в условиях открытого космоса.It should be noted that the sensor is not equipped with a temperature error compensation system under the action of self-heating of the inductor coil and external heat sources, which reduces the accuracy of measuring the angular position when operating in outer space.

Известен индукционный датчик углового положения, патент РФ 2655632 С1, принятый в качестве ближайшего аналога, содержащий вращающийся трансформатор и установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы неподвижные и подвижные плоские пластины из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными плоскими зигзагоподобными катушками индуктивности, соответственно расположенными по дугам окружности активными длинными проводниками и расположенными по радиусам пассивными короткими проводниками. Датчик предназначен для измерения угловых перемещений.Known induction sensor of the angular position, RF patent 2655632 C1, adopted as the closest analogue, containing a rotating transformer and installed with a common axis of rotation relative to each other with one degree of freedom fixed and movable flat plates of dielectric material facing each other with sides coated on them with printed flat zigzag-like inductors, respectively, active long conductors located along the arcs of a circle and passive short conductors located along the radii. The sensor is designed to measure angular displacements.

Следует отметить, что катушки передатчика расположены на подвижной пластине, катушки приемника расположены на неподвижной пластине, вследствие чего для возбуждения сигнала передатчика необходимо использование вращающегося трансформатора, что увеличивает габаритные размеры датчика.It should be noted that the transmitter coils are located on a movable plate, the receiver coils are located on a fixed plate, as a result of which a rotating transformer is required to excite the transmitter signal, which increases the overall dimensions of the sensor.

Технической задачей заявляемой полезной модели является измерение углового положения вращающегося элемента объекта измерения с абсолютной зависимостью выходного сигнала измерительного устройства от угла поворота вращающегося элемента.The technical task of the claimed utility model is to measure the angular position of the rotating element of the measurement object with the absolute dependence of the output signal of the measuring device on the angle of rotation of the rotating element.

Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем.The essence of the claimed utility model is as follows.

Индуктивный датчик углового положения состоит из статора и ротора, статор содержит неподвижную пластину, на которой расположены катушки индуктивности, выполненные печатным проводником: катушка – генератор электромагнитного поля, катушка – приемник электромагнитного поля, катушка опорного сигнала; блок генерации и обработки сигналов, ротор содержит измерительную пластину. Ротор устанавливается соосно непосредственно на вращающийся элемент объекта измерения. Статор устанавливается на неподвижный элемент объекта измерения соосно ротору. Катушка – генератор, катушка – приемник и катушка опорного сигнала выполняются в виде одинаковых многовитковых спиралей, расположенных соосно. Неподвижная пластина выполняется в виде многослойной круглой печатной платы с отверстием в центре, на разных слоях которой расположены катушки индуктивности, блок генерации и обработки сигналов. Катушка – приемник и блок генерации и обработки сигналов размещаются на внешних слоях пластины. На внутренних слоях располагаются катушка – генератор и катушка опорного сигнала. Катушка – приемник и катушка опорного сигнала расположены на одинаковом расстоянии от катушки – генератора. Статор устанавливается на неподвижный элемент объекта измерения таким образом, чтобы слой печатной платы с катушкой – приемником электромагнитного поля располагался ближе к ротору.The inductive angular position sensor consists of a stator and a rotor, the stator contains a fixed plate on which inductance coils are located, made of a printed conductor: a coil - an electromagnetic field generator, a coil - an electromagnetic field receiver, a reference signal coil; signal generation and processing unit, the rotor contains a measuring plate. The rotor is installed coaxially directly on the rotating element of the measurement object. The stator is mounted on a fixed element of the measurement object coaxially with the rotor. The generator coil, the receiver coil and the reference signal coil are made in the form of identical multi-turn spirals arranged coaxially. The fixed plate is made in the form of a multilayer round printed circuit board with a hole in the center, on different layers of which there are inductors, a signal generation and processing unit. The receiver coil and signal generation and processing unit are placed on the outer layers of the plate. On the inner layers are located the coil - the generator and the coil of the reference signal. The receiver coil and the reference signal coil are located at the same distance from the generator coil. The stator is mounted on a fixed element of the measurement object in such a way that the printed circuit board layer with the coil - the electromagnetic field receiver is located closer to the rotor.

К каждой катушке подключены электрически параллельно конденсаторы, образующие совместно параллельный колебательный контур. Величина индуктивности определяется таким образом, чтобы магнитный поток катушки – генератора взаимодействовал с измерительной пластиной. Генерируемое электромагнитное поле возбуждает электрические колебания в измерительной пластине, катушке – приемнике, катушка опорного сигнала. Катушка – генератор, катушка – приемник и катушка опорного сигнала могут быть выполнены многослойными для увеличения индуктивности. Величина номинальной емкости конденсаторов подбирается таким образом, чтобы частота колебаний образованного параллельного колебательного контура была равна или кратна резонансной частоте колебательного контура. Частота возбуждающего сигнала определяется следующим образом: для катушки индуктивности определяется резонансная частота, затем определяется частота из диапазона 20–120 кГц, кратная резонансной частоте колебательного контура.Capacitors are connected electrically in parallel to each coil, forming together a parallel oscillatory circuit. The value of the inductance is determined in such a way that the magnetic flux of the coil-generator interacts with the measuring plate. The generated electromagnetic field excites electrical oscillations in the measuring plate, the receiver coil, the reference signal coil. The oscillator coil, the receiver coil and the reference signal coil can be made multilayer to increase the inductance. The value of the nominal capacitance of the capacitors is selected in such a way that the oscillation frequency of the formed parallel oscillatory circuit is equal to or a multiple of the resonant frequency of the oscillatory circuit. The frequency of the excitation signal is determined as follows: the resonant frequency is determined for the inductor, then the frequency is determined from the range of 20–120 kHz, which is a multiple of the resonant frequency of the oscillatory circuit.

Блок генерации и обработки сигналов состоит из генератора импульсов, предназначенного для возбуждения электромагнитного поля катушки – генератора, аналого-цифрового преобразователя, предназначенного для регистрации и дискретизации выходных сигналов катушки – приемника и катушки опорного сигнала, контроллера, предназначенного для записи и сравнения импульсов, полученных от катушки – приемника и катушки опорного сигнала.The signal generation and processing unit consists of a pulse generator designed to excite the electromagnetic field of the coil - a generator, an analog-to-digital converter designed to record and sample the output signals of the coil - a receiver and a reference signal coil, a controller designed to record and compare pulses received from coils - the receiver and the coil of the reference signal.

Измерительная пластина представляет собой круглую печатную плату с отверстием в центре, с нанесенным слоем медного проводника, выполненным в форме несимметричного рисунка – прямоугольного треугольника с гипотенузой и большим катетом, развернутыми по внешнему и внутреннему диаметру соответственно печатной платы измерительной пластины, расположенным с осевым смещением относительно центра неподвижной пластины.The measuring plate is a round printed circuit board with a hole in the center, with a deposited copper conductor layer, made in the form of an asymmetric pattern - a right triangle with a hypotenuse and a large leg, deployed along the outer and inner diameters, respectively, of the printed circuit board of the measuring plate, located with an axial offset relative to the center fixed plate.

Работа индуктивного датчика углового положения поясняется следующим.The operation of the inductive angle encoder is explained as follows.

На катушку – генератор от блока генерации подаётся сигнал переменного тока определенной частоты, возбуждающий переменное электромагнитное поле. Под действием электромагнитного поля катушки – генератора, на проводниках катушки – приемника, катушки опорного сигнала, измерительной пластины наводятся вихревые токи. Вследствие протекания вихревых токов в проводниках катушки – приемника, катушки опорного сигнала, измерительной пластины, генерируются собственные переменные электромагнитные поля. Электромагнитное поле измерительной пластины воздействует на электромагнитное поле катушки – приемника, изменяя амплитуду выходного сигнала колебательного контура, образованного катушкой – приемником и параллельно подключенным конденсатором. Вследствие несимметричной формы и расположения измерительной пластины, величина изменения амплитуды сигнала катушки – приемника зависит от углового положения измерительной пластины относительно катушки – приемника. Катушка опорного сигнала и измерительная пластина размещаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы их электромагнитные поля не взаимодействовали.An alternating current signal of a certain frequency is supplied to the generator coil from the generation unit, which excites an alternating electromagnetic field. Under the influence of the electromagnetic field of the generator coil, eddy currents are induced on the conductors of the receiver coil, the reference signal coil, and the measuring plate. Due to the flow of eddy currents in the conductors of the coil - the receiver, the coil of the reference signal, the measuring plate, its own alternating electromagnetic fields are generated. The electromagnetic field of the measuring plate affects the electromagnetic field of the receiver coil, changing the amplitude of the output signal of the oscillatory circuit formed by the receiver coil and a capacitor connected in parallel. Due to the asymmetric shape and location of the measuring plate, the magnitude of the change in the amplitude of the signal of the coil-receiver depends on the angular position of the measuring plate relative to the coil-receiver. The reference signal coil and the measuring plate are placed at such a distance from each other that their electromagnetic fields do not interact.

На входы аналого-цифрового преобразователя блока генерации и обработки сигналов поступают выходные сигналы от катушки – приемника и катушки опорного сигнала. В контроллере блока генерации и обработки сигналов полученные сигналы синхронизируются по фазе и измеренное значение амплитуды выходного сигнала катушки – приемника вычитается из измеренного значения амплитуды выходного сигнала катушки опорного сигнала. Полученное значение амплитуды выходного сигнала соответствует текущему угловому положению ротора.The inputs of the analog-to-digital converter of the signal generation and processing unit receive output signals from the coil - the receiver and the reference signal coil. In the controller of the signal generation and processing unit, the received signals are synchronized in phase and the measured value of the amplitude of the output signal of the receiver coil is subtracted from the measured value of the amplitude of the output signal of the reference signal coil. The resulting value of the output signal amplitude corresponds to the current angular position of the rotor.

При первой установке индуктивного датчика углового положения в объект измерения, выполняется калибровка датчика, для этого ротор поворачивается на фиксированный угол, регистрируется значение выходного сигнала, соответствующее угловому положению, затем ротор снова поворачивается на фиксированный угол, регистрация значения повторяется до совершения полного оборота ротора на 360°. Полученные значения выходного сигнала, соответствующего угловому положению ротора формируются в калибровочную таблицу. При дальнейшем функционировании индуктивного датчика углового положения, полученные результаты измерения корректируются с учетом калибровочной таблицы. Калибровка производится при нормальной температуре 15-30°С.When the inductive angle sensor is first installed in the measurement object, the sensor is calibrated, for this the rotor rotates by a fixed angle, the value of the output signal corresponding to the angular position is recorded, then the rotor rotates again by a fixed angle, the registration of the value is repeated until the rotor completes a full rotation of 360 °. The obtained values of the output signal corresponding to the angular position of the rotor are formed into a calibration table. With the further functioning of the inductive angle position sensor, the obtained measurement results are corrected taking into account the calibration table. Calibration is carried out at a normal temperature of 15-30°C.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является абсолютная зависимость выходного сигнала индуктивного датчика углового положения от углового положения объекта измерения. Технический результат достигается за счет использования измерительной пластины с рисунком несимметричной формы и осевым смещением.The technical result of the claimed utility model is the absolute dependence of the output signal of the inductive angular position sensor on the angular position of the measurement object. The technical result is achieved through the use of a measuring plate with an asymmetrical pattern and axial displacement.

Достигаемый технический эффект заключается в использовании индуктивного датчика для измерения углового положения объекта измерения с однозначным соответствием углового положения выходному сигналу.The achieved technical effect is to use an inductive sensor to measure the angular position of the measurement object with an unambiguous correspondence of the angular position to the output signal.

Claims

Inductive angular position sensor, consisting of a stator containing a fixed plate in the form of a round multilayer printed circuit board, on which a coil - an electromagnetic field generator, a coil - an electromagnetic field receiver, a reference signal coil, a signal generation and processing unit, and a rotor containing a measuring plate are located , while the coil is an electromagnetic field generator, the coil is an electromagnetic field receiver, the reference signal coil is made by a printed conductor in the form of identical multi-turn spirals located coaxially, the coil is an electromagnetic field receiver, the signal generation and processing unit is located on the outer layers of the printed circuit board, the coil is the electromagnetic field generator and the reference signal coil are placed on the inner layers of the printed circuit board, while the electromagnetic field receiver coil and the reference signal coil are located at the same distance from the electromagnetic field generator coil, characterized in that the measuring plate is a round printed circuit board with a deposited layer copper conductor, made in the form of an asymmetric pattern - a right-angled triangle with a hypotenuse and a large leg, deployed along the outer and inner diameters, respectively, of the printed circuit board of the measuring plate, located with an axial offset relative to the center of the fixed plate.