RU2570232C1 - Induction angular position sensor - Google Patents
Induction angular position sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2570232C1 RU2570232C1 RU2014136657/28A RU2014136657A RU2570232C1 RU 2570232 C1 RU2570232 C1 RU 2570232C1 RU 2014136657/28 A RU2014136657/28 A RU 2014136657/28A RU 2014136657 A RU2014136657 A RU 2014136657A RU 2570232 C1 RU2570232 C1 RU 2570232C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plates
- coils
- movable
- sensor
- fixed
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Заявленное техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений (поворотов), с помощью преобразователя перемещения индукционного типа.The claimed technical solution relates to measuring equipment and can be used to measure angular displacements (turns) using an induction type displacement transducer.
Известен «Бесконтактный датчик положения с взаимной индуктивностью» по патенту Франции: FR 2830614 А1 от 11.04.2003 г., МПК G01D 5/22 - [1], содержащий нанесенные печатные прямоугольные обмотки на пластинах из диэлектрического материала, рядом с обмотками находятся пластины из материала с высокой магнитной проницаемостью и ферромагнитные площадки, между которыми находится перемещаемый магнит, положение которого определяется по возмущению электромагнитного поля между ферромагнитными площадками.Known "Non-contact position sensor with mutual inductance" according to the patent of France: FR 2830614 A1 dated 04/11/2003, IPC G01D 5/22 - [1], containing printed rectangular windings on plates of dielectric material, next to the windings are plates of material with high magnetic permeability and ferromagnetic pads, between which there is a moving magnet, the position of which is determined by the perturbation of the electromagnetic field between the ferromagnetic pads.
Недостатком известного изобретения является то, что печатные обмотки связаны через магнитный контур, магнитная проницаемость материала которого очень сильно зависит от температуры, что требует усложнения конструкции датчика, введением температурной компенсации. Кроме того, наличие магнитного контура позволяет использовать только низкий диапазон рабочих частот, что также снижает точность измерения.A disadvantage of the known invention is that the printed windings are connected through a magnetic circuit, the magnetic permeability of the material of which is very dependent on temperature, which requires complicating the design of the sensor by introducing temperature compensation. In addition, the presence of a magnetic circuit allows you to use only a low range of operating frequencies, which also reduces the accuracy of the measurement.
Аналогом предложенного технического решения также является «Индуктивный датчик положения (варианты)» по патенту США: US 6605939 (В1), от 12.08.2003, МПК G01D 5/20 - [2]. Индуктивный датчик [2] в варианте для измерения углового положения содержит плоские неподвижную часть и подвижную части датчика установленные с общей осью вращения относительного друг друга, неподвижная часть выполнена в виде пластины с нанесенной на ее поверхность по дугам окружности и радиусам спиралеобразной печатной плоской катушки индуктивности, а неподвижная часть содержит кольцеобразные ферромагнитные вставки, расположенные потому же радиусу, что печатная плоская катушка индуктивности неподвижной части. При взаимном угловом смещении подвижной и неподвижной частей датчика углового положения изменяется индуктивность катушки, по которой (значению индуктивности) измеряют угловое положение.An analogue of the proposed technical solution is also the "Inductive position sensor (options)" according to US patent: US 6605939 (B1), 08/12/2003, IPC
Недостатком аналога [2] является то, что подвижная часть датчика выполнена из ферромагнитного материала, магнитная проницаемость которого очень сильно зависит от температуры, что требует усложнения конструкции датчика, введением температурной компенсации. Кроме того, наличие магнитного контура в измерительной катушке индуктивности позволяет использовать только низкий диапазон рабочих частот, что также снижает точность измерения.The disadvantage of the analogue [2] is that the moving part of the sensor is made of ferromagnetic material, the magnetic permeability of which is very dependent on temperature, which requires complicating the design of the sensor by introducing temperature compensation. In addition, the presence of a magnetic circuit in the measuring inductor allows you to use only a low range of operating frequencies, which also reduces the accuracy of the measurement.
Известен «Индукционный датчик положения» по патенту РФ: RU 2454625 от 27.06.2012 года, МПК8 G01B 7/00, G01D 5/20 - [3], содержащий неподвижную часть и подвижную часть датчика, выполненные в виде пары плоских катушек из диэлектрического материала, обращенных друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзаго-подобными прямоугольными плоскими катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, подвижная часть, установлена с возможностью перемещения с одной степенью свободы относительно неподвижной части вдоль активных длинных проводников зигзаго-подобных прямоугольных катушек. Причем неподвижная часть индукционного датчика положения может содержать две идентичные катушки, установленные вдоль направления перемещения подвижной части с катушкой, которая при этом расположена в первоначальном состоянии по центру между неподвижными катушками неподвижной части.Known "Induction position sensor" according to the patent of the Russian Federation: RU 2454625 dated June 27, 2012, IPC 8 G01B 7/00, G01D 5/20 - [3] containing the fixed part and the moving part of the sensor, made in the form of a pair of flat coils of dielectric material facing each other with printed zigzag-like rectangular flat inductor coils, respectively, with passive short and active long printed conductors that are mutually parallel and spaced at the same pitch, the movable part is installed with NOSTA movement with one degree of freedom relative to the stationary portion along the active length of the conductor zigzag-like rectangular coils. Moreover, the fixed part of the induction position sensor may contain two identical coils mounted along the direction of movement of the moving part with the coil, which is in this initial state centered between the fixed coils of the fixed part.
Недостатком известного аналога [3] является то, что он может быть использован только для измерения линейных перемещений (положений) объекта и не может быть использован для измерения его угловых положений.A disadvantage of the known analogue [3] is that it can only be used to measure linear displacements (positions) of an object and cannot be used to measure its angular positions.
Также известен «Индукционный датчик положения» по патенту РФ: RU 2507474 от 20.02.2014 года, МПК8 G01B 7/00, G01D 5/20 - [4], содержащий неподвижную и подвижную части из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, подвижная часть установлена с возможностью перемещения относительно неподвижной части с одной степенью свободы вдоль активных длинных проводников зигзагоподобных прямоугольных катушек. Индукционный датчик положения содержит вторую, аналогичную первой, пару плоских катушек с длинной неподвижной и короткой подвижной катушками, при этом длина неподвижной катушки больше длины подвижной катушки для всего диапазона ее перемещения, подвижные плоские катушки обеих пар разделены и жестко связаны между собой, ко второй неподвижной длинной катушке подведено питание от генератора синусоидального сигнала, подвижные катушки обеих пар соединены между собой проводниками.Also known is the "Induction position sensor" according to the patent of the Russian Federation: RU 2507474 from 02.20.2014, IPC 8 G01B 7/00, G01D 5/20 - [4], containing the fixed and moving parts of the dielectric material, facing each other with sides printed on them with printed zigzag rectangular inductors, respectively, with passive short and active long printed conductors, which are mutually parallel and arranged at the same pitch, the movable part is mounted with the possibility of moving relative to the fixed part with one degree of freedom along active long conductors of zigzag rectangular coils. The induction position sensor contains a second, similar to the first, pair of flat coils with a long fixed and short moving coils, while the length of the fixed coil is longer than the length of the moving coil for the entire range of its movement, the moving flat coils of both pairs are separated and rigidly connected to the second fixed the long coil is powered by a sinusoidal signal generator, the moving coils of both pairs are connected by conductors.
Изобретение решает задачи существенного повышения надежности датчика, за счет применения второй пары катушек, используемой как питающий трансформатор.The invention solves the problem of significantly improving the reliability of the sensor, through the use of a second pair of coils used as a supply transformer.
Недостатком аналога [4], как и аналога [3], является то, что с его помощью нельзя мерить угловые величины.The disadvantage of analogue [4], as well as analogue [3], is that it cannot be used to measure angular values.
Прототипом предложенного технического решения является «Индукционный датчик углового положения» по патенту РФ: RU 2502046 от 20.12.2013 года, МПК8 G01B 7/00 - [5]. содержащий установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы плоские неподвижную и подвижные части из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными плоскими катушками индуктивности, при этом печатные плоские катушки выполнены зигзагоподобными, соответственно расположенными по дугам окружности активными длинными проводниками и расположенными по радиусам пассивными короткими проводниками. Подвижная и неподвижная части могут содержать по одной идентичной катушке, которые расположены в секторе с углом, меньшим или равным 180°, причем в первоначальном положении датчика катушки смещены относительно друг друга на угол, равный половине угла сектора расположения катушек. Неподвижная часть датчика может содержать две идентичные катушки, расположенные в секторах с углом, меньшим или равным 180°, а подвижная часть датчика содержит одну аналогичную катушку, которая в первоначальном положении датчика смещена относительно двух катушек неподвижной части датчика на угол, равный половине угла секторов их расположения. Неподвижная часть датчика может содержать четное число N идентичных катушек, расположенных равномерно в равных секторах, а подвижная часть датчика содержит в два раза меньше - N/2 идентичных катушек, расположенных в аналогичных секторах через один, при этом сектора расположения катушек неподвижной и подвижной частей датчика в его первоначальном положении смещены относительно друг друга на угол, равный половине угла секторов, при этом в неподвижной части датчика катушки, расположенные в секторах через один, соединены между собой последовательно с образованием двух катушек индуктивности, а в подвижной части датчика катушки соединены между собой последовательно с образованием одной катушки индуктивности. Изобретение решает задачи расширения диапазона измерений, упрощения конструкции датчика и повышения точности измерений.The prototype of the proposed technical solution is the "Induction sensor of angular position" according to the patent of the Russian Federation: RU 2502046 from 12.20.2013, IPC 8
Недостатком прототипа [5] является то, что он не позволяет отслеживать углы поворота, равные или больше 180°. Это существенно усложняет приборы для считывания информации об угле поворота.The disadvantage of the prototype [5] is that it does not allow tracking angles of rotation equal to or greater than 180 °. This greatly complicates the devices for reading information about the angle of rotation.
Заявленное техническое решение решает задачу расширения диапазона измерения углов поворота прототипа больше 180° (от 0° до 360°).The claimed technical solution solves the problem of expanding the range of measurement of rotation angles of the prototype more than 180 ° (from 0 ° to 360 °).
Сущность изобретения заключается в том, что индукционный датчик углового положения, содержащий установленные с общей осью вращения относительно друг друга с одной степенью свободы неподвижную и подвижную 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, при этом датчик содержит две пары неподвижных и подвижных пластин, содержащих по две идентичные катушки, которые расположены равномерно в равных секторах с углом раскрытия, равным 180°, подвижные пластины жестко установлены на одном валу вращения, в одной паре пластин неподвижная и подвижные катушки расположены симметрично, а в другой паре пластин неподвижная и подвижные катушки смещены на угол, равный 90°, при этом на каждой пластине, соответственно расположенные на них две катушки соединены между собой последовательно и встречно. Все пластины индукционного датчика углового положения с печатными катушками имеют идентичные реперные сквозные отверстия, расположенные по периферии за окружностью печатных катушек. В индукционном датчике углового положения пассивные короткие проводники печатных катушек расположены на обратной стороне пластин и соединены с длинными активными проводниками через толщину пластин при помощи металлизированных отверстий. Индукционный датчик углового положения снабжен вращающимся трансформатором, подвижная обмотка которого закреплена на валу вращения и подсоединена к зигзагоподобным катушкам индуктивности подвижных пластин датчика. Вращающийся трансформатор может быть выполнен в виде неподвижной и подвижной плоских пластины из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными плоскими спиралеобразными катушками.The essence of the invention lies in the fact that the angular position induction sensor, comprising fixed and movable flat plates of dielectric material mounted with a common axis of rotation relative to each other with one degree of freedom, facing each other with printed zigzag-like inductance coils respectively located on them along circular arcs with active long conductors and passive short conductors located along the radii, while the sensor there are two pairs of fixed and movable plates containing two identical coils that are evenly spaced in equal sectors with an opening angle of 180 °, the movable plates are rigidly mounted on one shaft of rotation, the stationary plate and the moving coils are symmetrically in one pair of plates, and the other pair of plates, the fixed and movable coils are offset by an angle equal to 90 °, while on each plate, respectively, two coils located on them are connected in series and counterclockwise. All plates of the induction angular position sensor with printing coils have identical reference through holes located on the periphery beyond the circumference of the printing coils. In the induction angle sensor, the passive short conductors of the printing coils are located on the back of the plates and are connected to the long active conductors through the thickness of the plates by means of metallized holes. The angular position induction sensor is equipped with a rotating transformer, the movable winding of which is fixed to the rotation shaft and connected to the zigzag inductance coils of the moving plates of the sensor. The rotating transformer can be made in the form of a fixed and movable flat plate of dielectric material, facing each other with the sides printed on it with flat spiral coils.
Так, например, два самых простых варианта расположения катушек пластин следующие:So, for example, the two simplest options for the location of the plate coils are as follows:
1. Рисунки катушек неподвижных пластин расположены симметрично (параллельно), а рисунки катушек подвижных пластин смещены относительно друг друга на угол 90° (расположены ортогонально);1. The patterns of the coils of the fixed plates are located symmetrically (parallel), and the patterns of the coils of the movable plates are offset relative to each other by an angle of 90 ° (arranged orthogonally);
2. Рисунки катушек неподвижных пластин смещены относительно друг друга на угол 90° (расположены ортогонально), а рисунки катушек подвижных пластин расположены симметрично (параллельно).2. The patterns of the coils of the fixed plates are offset relative to each other by an angle of 90 ° (located orthogonally), and the patterns of the coils of the movable plates are symmetrically (parallel).
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение диапазона измерения датчика углового положения до 360°.The technical result of the claimed invention is the extension of the measuring range of the angle sensor to 360 °.
Введение отличительных признаков: «датчик содержит две пары неподвижных и подвижных пластин, содержащих по две идентичные катушки, которые расположены равномерно в равных секторах с углом раскрытия, равным 180°, подвижные пластины жестко установлены на одном валу вращения, в одной паре пластин неподвижная и подвижные катушки расположены симметрично, а в другой паре пластин неподвижная и подвижные катушки смещены на угол, равный 90°» необходимо для расширения диапазона измерения датчика углового положения до 360°.Introduction of distinctive features: “the sensor contains two pairs of fixed and movable plates, each containing two identical coils, which are evenly spaced in equal sectors with an opening angle of 180 °, the movable plates are rigidly mounted on one shaft of rotation, in one pair of plates motionless and movable the coils are located symmetrically, and in the other pair of plates the fixed and moving coils are offset by an angle equal to 90 ° ”is necessary to expand the measuring range of the angle sensor to 360 °.
Введение отличительного признака: «на каждой пластине, соответственно расположенные на них две катушки соединены между собой встречно-последовательно» необходимо для обеспечения снятия с каждой пары пластин суммированного (дифференциального) сигнала, соответствующего угловому смещению вала вращения.The introduction of a distinctive feature: “on each plate, respectively, two coils located on them are connected in opposite to each other” is necessary to ensure that a summed (differential) signal corresponding to the angular displacement of the rotation shaft is removed from each pair of plates.
Введение отличительного признака: «все пластины с печатными катушками индукционного датчика углового положения могут иметь идентичные реперные сквозные отверстия, расположенные по периферии за окружностью печатных катушек» необходимо для того, чтобы точно зеркально совместить печатные катушки в неподвижных и подвижных пластинах при их монтаже. Для этого при проектировании печатных катушек с высокой точностью задаются координаты их совмещения, в виде отметок под отверстия. После изготовления пар неподвижных и подвижных пластин и сверления в них реперных отверстий, в процессе изготовления индукционного датчика углового положения добиваются полного совмещения печатных катушек пар пластин оптическим или механическим методом. При механическом методе совмещения используют штифты, диаметр которых соизмерим с диаметром реперных отверстий. Далее при закреплении пластин (их фиксации) пластин штифты снимают.The introduction of the distinguishing feature: “all plates with the printing coils of the induction angle sensor can have identical reference through holes located on the periphery behind the circumference of the printing coils” is necessary in order to precisely mirror the printing coils in the fixed and movable plates during their installation. To do this, when designing printing coils, the coordinates of their combination are set with high accuracy, in the form of marks for the holes. After manufacturing pairs of fixed and movable plates and drilling reference holes in them, in the process of manufacturing an induction angle sensor, they achieve full alignment of the printing coils of the pairs of plates by optical or mechanical method. The mechanical alignment method uses pins whose diameter is comparable to the diameter of the reference holes. Further, when fixing the plates (their fixation) of the plates, the pins are removed.
Введение отличительного признака: «пассивные короткие проводники печатных катушек расположены на обратной стороне пластин и соединены с длинными активными проводниками через толщину пластин при помощи металлизированных отверстий» необходимо для повышения точности преобразования сигналов за счет исключения краевых эффектов от пассивных коротких проводников. То есть, данное конструктивное решение исключает геометрическую асимметрию двух печатных катушек всех пластин и снижает влияние электромагнитного поля коротких проводников с током на длинные проводники, расположенные по окружности.The introduction of the distinguishing feature: “passive short conductors of the printing coils are located on the back side of the plates and connected to long active conductors through the thickness of the plates using metallized holes” is necessary to improve the accuracy of signal conversion by eliminating edge effects from passive short conductors. That is, this design solution eliminates the geometric asymmetry of the two printing coils of all the plates and reduces the influence of the electromagnetic field of short conductors with current on long conductors located around the circumference.
Введение отличительного признака: «Индукционный датчик углового положения… снабжен вращающимся трансформатором, подвижная обмотка которого закреплена на валу вращения и подсоединена к зигзагоподобным катушкам индуктивности подвижных пластин датчика» необходимо для обеспечения функционирования датчика не только при периодических угловых отклонениях 360° его подвижных пластин, но и при их вращении.The introduction of the distinguishing feature: “The induction angle sensor ... is equipped with a rotating transformer, the movable winding of which is mounted on the rotation shaft and connected to the zigzag inductors of the moving plates of the sensor” is necessary to ensure the functioning of the sensor not only with periodic angular deviations of 360 ° of its moving plates, but also during their rotation.
Введение отличительного признака: «вращающийся трансформатор… выполнен в виде неподвижной и подвижной плоских пластины из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными плоскими спиралеобразными катушками индуктивности» необходимо для существенного упрощения вращающегося трансформатора для питания печатных катушек поворотных пластин датчика. Плоские пластины со спиралеобразными катушками индуктивности вращающегося трансформатора могут быть выполнены по технологии изготовления неподвижных и подвижных пластин датчик, что существенно снизит стоимость всего устройства.The introduction of a distinguishing feature: “a rotating transformer ... is made in the form of a fixed and movable flat plate of dielectric material, facing each other with printed flat spiral-shaped inductor coils on them” is necessary to significantly simplify the rotating transformer to power the printed coils of the rotary plates of the sensor. Flat plates with spiral-shaped inductors of a rotating transformer can be made using the technology of manufacturing fixed and moving plates of the sensor, which will significantly reduce the cost of the entire device.
На фиг. 1 представлены чертежи первой пары из подвижной а) и неподвижной б) пластин, а также второй пары из подвижной в) и не подвижных г) пластин, при этом рисунок катушек на неподвижных пластинах б) и г) зеркально симметричен, а на подвижных пластинах а) и в) секторы размещения рисунков катушек расположены ортогонально. На фиг. 2 представлены чертежи, где рисунок катушек на подвижных пластинах а) и б) зеркально симметричен, а на неподвижных катушках б) и г) секторы размещения рисунков катушек расположены ортогонально. На фиг. 3 - фотография двух пар пластин по фиг. 2 (вид на катушки). На фиг. 4 - фотография пар катушек подвижной и неподвижной пластин индукционного датчика углового положения в рабочем состоянии (пары подвижных и неподвижных пластин обращены друг к другу катушками). Фиг. 5 - фотография макета датчика. На фиг. 6 - эквивалентная схема индукционного датчика углового положения из двух пар неподвижных и подвижных катушек с электропитанием от подвижной катушки вращающегося трансформатора. На фиг. 7 - форма огибающих выходных сигналов датчика с частотой fo. На фиг. 8 - схема обработки сигналов датчика, где:In FIG. 1 shows the drawings of the first pair of movable a) and fixed b) plates, as well as the second pair of movable c) and non-movable d) plates, while the pattern of coils on the fixed plates b) and d) is mirror symmetric, and on the movable plates a ) and c) the sectors for placing the patterns of coils are located orthogonally. In FIG. 2 shows the drawings, where the pattern of the coils on the movable plates a) and b) is mirror symmetric, and on the fixed coils b) and d) the sectors for placing the patterns of the coils are arranged orthogonally. In FIG. 3 is a photograph of two pairs of plates of FIG. 2 (view of the coils). In FIG. 4 is a photograph of pairs of coils of the movable and fixed plates of the induction angle sensor in the operating state (pairs of movable and fixed plates face each other by coils). FIG. 5 is a photograph of a sensor layout. In FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of an angular position induction sensor of two pairs of fixed and movable coils powered by a rotating coil of a rotating transformer. In FIG. 7 - the shape of the envelope of the output signals of the sensor with a frequency f o . In FIG. 8 is a diagram of a sensor signal processing, where:
ПУА - предварительный усилитель канала А;PU A - a preliminary amplifier of channel A;
ПУВ - предварительный усилитель канала В;PU B - pre-amplifier channel B;
Г - генератор опорной частоты fo;G - reference frequency generator f o ;
СПДА - синхронный пиковый детектор канала А;SPD A - synchronous peak detector of channel A;
СПДВ - синхронный пиковый детектор канала В;SPD B - synchronous peak detector of channel B;
ВУА - выходной усилитель канала А;VU A - output amplifier of channel A;
ВУВ - выходной усилитель канала В.VU V - output amplifier channel B.
На фиг. 9 представлен характер (зависимости) изменения сигналов UA и UB в зависимости от угла поворота вала α°. На фиг. 10 - рисунок пластины, в которой пассивные короткие проводники печатных катушек расположены на обратной стороне пластин и соединены с длинными активными проводниками через толщину пластин при помощи металлизированных отверстий: а) общий вид сверху, б) увеличенный фрагмент А.In FIG. 9 shows the nature (dependence) of changes in the signals U A and U B depending on the angle of rotation of the shaft α °. In FIG. 10 is a drawing of a plate in which passive short conductors of the printing coils are located on the back of the plates and are connected to long active conductors through the thickness of the plates using metallized holes: a) a general view from above, b) enlarged fragment A.
Индукционный датчик углового положения содержит две пары неподвижных (1), (3) и подвижных (2), (4) пластин, содержащих по две идентичные катушки (соответственно (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12)), которые расположены равномерно в равных секторах с углом раскрытия, равным 180°. Подвижные пластины (2), (4) жестко установлены на одном валу вращения (14). Неподвижные пластины (1), (3) установлены в основании датчика (15) - его корпусе. В одной паре пластин (например, (1) и (2), см. фиг. 1) соответственно неподвижные (5), (6) и подвижные (7), (8) катушки расположены зеркально симметрично, а в другой паре пластин (например, (3) и (4)) неподвижные (9), (10) и подвижные (11), (12) катушки смещены на угол, равный 90°. На фиг. 2 в первой паре пластин (1) и (3) также неподвижные (5), (6) и подвижные (7), (8) катушки расположены зеркально симметрично, а в другой паре пластин (3) и (4) неподвижные (9), (10) и подвижные (11), (12) катушки смещены на угол, равный 90°. Все пластины (1). (2), (3) и (4) с печатными катушками датчика могут иметь идентичные реперные сквозные отверстия (13), расположенные по периферии за окружностью печатных катушек (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11) и (12). Вал вращения (14) установлен в основании датчика (15) с одной степенью свободы, то есть вал (14) может только вращаться. На каждой пластине (1), (2) - (3), (4), соответственно расположенные по две катушки (5), (6) - (7), (8) - (9), (10) - (11), (12) соединены между собой последовательно и встречно. Индукционный датчик углового положения может быть снабжен вращающимся трансформатором, например по книге: Сафонов Л.Н., Волнянский В.Н., Окулов А.И., Прохоров В.Н. Презеционные датчики угла с печатными обмотками. Библиотека приборостроителя. М., «Машиностроение», 1977, 152 с. - рис.77, стр. 114 - [6]. Вращающийся трансформатор также может быть выполнен воздушным индукционным, например, с пластинами, на которые нанесены печатные спиралеобразные катушки индуктивности, например по книге [6]: рис. 9, стр. 15. При этом неподвижная (16) и подвижная (17) плоские пластины вращающегося трансформатора выполнены из диэлектрического материала и обращены друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными плоскими спиралеобразными обмотками (катушками) индуктивности соответственно (18) и (19). Такой вращающийся трансформатор может иметь одну или несколько неподвижных пластин (16) с печатными спиралеобразными обмотками и одну или несколько подвижных пластин (17) с печатными спиралеобразными обмотками (18) и (19). На фиг. 5 вращающийся трансформатор выполнен из двух пар несколько неподвижных (16) и подвижных (17) пластин. Подвижные пластины (16) жестко закреплены на валу вращения (14), а выходы их обмоток (19) подсоединены к зигзагоподобным катушкам (7), (8), (11) и (12) подвижных пластин (2) и (4) датчика. В индукционном датчике углового положения (см. фиг. 10) пассивные короткие проводники (20) печатных катушек могут быть расположены на обратной стороне пластин (2), (2), (3) и (4) и соединены с длинными активными проводниками (21) через толщину пластин при помощи металлизированных отверстий (22).The angular position induction sensor contains two pairs of fixed (1), (3) and movable (2), (4) plates containing two identical coils (respectively (5), (6), (7), (8), ( 9), (10), (11), (12)), which are evenly spaced in equal sectors with an opening angle of 180 °. The movable plates (2), (4) are rigidly mounted on one shaft of rotation (14). Fixed plates (1), (3) are installed in the base of the sensor (15) - its body. In one pair of plates (for example, (1) and (2), see Fig. 1), the motionless (5), (6) and moving (7), (8) coils, respectively, are located mirror symmetrically, and in the other pair of plates ( for example, (3) and (4)) motionless (9), (10) and moving (11), (12) coils are offset by an angle equal to 90 °. In FIG. 2 in the first pair of plates (1) and (3) also fixed (5), (6) and movable (7), (8) coils are located mirror symmetrically, and in the other pair of plates (3) and (4) motionless (9 ), (10) and moving (11), (12) coils are offset by an angle equal to 90 °. All plates (1). (2), (3) and (4) with sensor printing coils can have identical reference through holes (13) located on the periphery behind the circumference of the printing coils (5), (6), (7), (8), (9 ), (10), (11) and (12). A rotation shaft (14) is installed at the base of the sensor (15) with one degree of freedom, that is, the shaft (14) can only rotate. On each plate (1), (2) - (3), (4), respectively, two coils (5), (6) - (7), (8) - (9), (10) - (11 ), (12) are interconnected sequentially and counterclockwise. The angular position induction sensor can be equipped with a rotating transformer, for example, according to the book: Safonov L.N., Volnansky V.N., Okulov A.I., Prokhorov V.N. Presentation angle sensors with printed windings. Instrument Making Library. M., "Engineering", 1977, 152 S. - Fig. 77, p. 114 - [6]. A rotating transformer can also be air induction, for example, with plates on which printed spiral-shaped inductors are applied, for example, according to the book [6]: Fig. 9, p. 15. In this case, the stationary (16) and movable (17) flat plates of a rotating transformer are made of dielectric material and face each other with printed flat spiral-shaped windings (coils) of inductance deposited on them, respectively (18) and (19) ) Such a rotating transformer may have one or more fixed plates (16) with printed spiral-shaped windings and one or more movable plates (17) with printed spiral-shaped windings (18) and (19). In FIG. 5, the rotating transformer is made of two pairs of several fixed (16) and movable (17) plates. The movable plates (16) are rigidly fixed to the rotation shaft (14), and the outputs of their windings (19) are connected to the zigzag coils (7), (8), (11) and (12) of the movable plates (2) and (4) of the sensor . In the induction angle sensor (see FIG. 10), passive short conductors (20) of the printing coils can be located on the back of the plates (2), (2), (3) and (4) and connected to long active conductors (21 ) through the thickness of the plates using metallized holes (22).
Работа индукционного датчика углового положения поясняется следующим. Представленная на фиг. 6 эквивалентная схема индукционного датчика углового положения из двух пар неподвижных и подвижных катушек с электропитанием от подвижной катушки вращающегося трансформатора, по сути, представляет собой вращающийся дифференциальный трансформатор с двумя выходными сигналами, с несущей частотой fo модулированной амплитуды в зависимости от угла поворота вала датчика. Амплитуда выходных сигналов UA и UB меняется прямо пропорционально изменению углового положения вала. При увеличении UA, уменьшается UB и наоборот, а при переходе сигналов UA и UB через «ноль» фаза несущего сигнала fo меняется на 180°. (см. фиг. 7 и фиг. 9). По своей работе предлагаемый датчик аналогичен функционированию синус-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), и для обработки выходных сигналов датчика могут быть использованы такие же методы, как и для СКВТ, например, метод прямого преобразования по журналу «Современная электроника», №5, 2014 г., с.30…33, Ануфриев В., Лужбинин А., Шумилин С. Методы обработки сигналов индуктивных датчиков линейных и угловых перемещений - [7]. Для работы индукционного датчика, как и для СКВТ требуется генератор опорного напряжения частотой fo для питания через вращающийся трансформатор обмоток возбуждения (подвижных печатных катушек датчика). Отличие работы СКВТ от работы предлагаемого датчика заключается в форме огибающей амплитуды выходных сигналов частотой fo СКВТ и индукционного датчика углового положения. Для СКВТ форма огибающих пары выходных сигналов (в зависимости от угла порота вала) имеет синусоидальный и косинусоидальный характер, а для предлагаемого датчика (см. фиг. 7 и фиг. 9) оба выходных сигнала (UA и UB) в зависимости от угла поворота вала имеют линейный характер, и также имеют угловой сдвиг в 90°. На фиг. 8 представлена схема обработки сигналов датчика, где ПУ - предварительный усилитель сигналов датчика по каналам А и В, СПД - синхронные пиковые детекторы сигналов, обеспечивающие одновременную фиксацию текущего значения амплитуд сигналов по каналам А и В синхронно с частотой генератора fo, ВУ - входные усилители сигналов по каналам А и В. График изменения напряжения выходных сигналов UA и UB в зависимости от угла поворота представлен на фиг. 9. Линейный характер изменения UA и UB в зависимости от угла поворота по фиг. 9 позволяет использовать для дальнейшей обработки простые решения (например, аналоговоцифровые преобразователи АЦП).The operation of the induction angle sensor is illustrated as follows. Presented in FIG. 6, the equivalent circuit of an angular position induction sensor of two pairs of fixed and movable coils powered by a rotating coil of a rotating transformer, in fact, is a rotating differential transformer with two output signals with a carrier frequency f o of modulated amplitude depending on the angle of rotation of the sensor shaft. The amplitude of the output signals U A and U B varies in direct proportion to the change in the angular position of the shaft. With an increase in U A , U B decreases and vice versa, and when the signals U A and U B pass through “zero”, the phase of the carrier signal f o changes by 180 °. (see Fig. 7 and Fig. 9). In its work, the proposed sensor is similar to the operation of a sine-cosine rotary transformer (SEC), and the same methods can be used to process the output signals of the sensor as for SEC, for example, the direct conversion method according to the journal "Modern Electronics", No. 5, 2014 30, 33, Anufriev V., Luzhbinin A., Shumilin S. Methods of processing the signals of inductive sensors of linear and angular displacements - [7]. For the operation of the induction sensor, as well as for SCWT, a reference voltage generator with a frequency of f o is required for supplying excitation windings (mobile printed sensor coils) through a rotating transformer. The difference between the operation of the SLE and the operation of the proposed sensor is in the form of an envelope of the amplitude of the output signals with a frequency f o SLE and an induction angle sensor. For SLEF, the shape of the envelope of a pair of output signals (depending on the angle of the shaft's pore) is sinusoidal and cosine in nature, and for the proposed sensor (see Fig. 7 and Fig. 9), both output signals (U A and U B ) depending on the angle The rotation of the shaft is linear and also has an angular shift of 90 °. In FIG. 8 is a diagram of the processing of sensor signals, where PU is the preliminary amplifier of the sensor signals on channels A and B, SPD are synchronous peak signal detectors that simultaneously record the current value of the signal amplitudes on channels A and B in synchronism with the generator frequency f o , and VU are input amplifiers signals along channels A and B. A graph of the voltage variation of the output signals U A and U B depending on the rotation angle is shown in FIG. 9. The linear nature of the change in U A and U B depending on the angle of rotation of FIG. 9 allows you to use simple solutions for further processing (for example, analog-to-digital converters of the ADC).
Реально при рабочих частотах порядка 2-х МГц, диаметрах катушек подвижных пластин (2), (4), и неподвижных пластин (1), (3), равных 40 мм и шаге проводников катушек, шаг проводников катушек (5), (6), (7), (8), (9). (10), (11) и (12) равный 0,6 мм, при ширине проводников 0,3 мм и воздушном зазоре между подвижной и неподвижной частью порядка 0,15 мм. Диапазон изменения выходного сигнала составляет ±2,5 В с погрешностью преобразования не хуже ±1%.Actually, at operating frequencies of the order of 2 MHz, the diameters of the coils of the movable plates (2), (4), and the fixed plates (1), (3) equal to 40 mm and the pitch of the coil conductors, the pitch of the coil conductors (5), (6 ), (7), (8), (9). (10), (11) and (12) equal to 0.6 mm, with a width of conductors of 0.3 mm and an air gap between the movable and fixed part of the order of 0.15 mm. The range of the output signal is ± 2.5 V with a conversion error of at least ± 1%.
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.Modern technology of printed circuit boards allows the manufacture of printed coils with a high degree of accuracy, in this regard, if it is necessary to obtain a higher conversion accuracy, the requirements for the pitch and width of the conductors, as well as the air gap between the coils, can be more rigid.
Как видно из вышеизложенного, наиболее целесообразно использовать такой индукционный датчик углового положения в разнообразных технических системах контроля различных объектов.As can be seen from the above, it is most advisable to use such an induction angle sensor in a variety of technical control systems for various objects.
Полагаем, что предложенный индукционный датчик углового положения обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новым для конструкций индукционных датчиков углового положения, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".We believe that the proposed induction angle sensor has all the criteria of the invention, since the combination of restrictive and distinctive features of the claims is new to the designs of induction angle sensors, and therefore meets the criterion of "novelty."
Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам разработки и конструирования индукционных датчиков углового положения, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".The set of features of the claims of the proposed device is unknown at this level of technology and does not follow well-known rules for the development and construction of induction sensors of angular position, which proves compliance with the criterion of "inventive step".
Разработка, конструирование и внедрение предложенного индукционного датчика углового положения не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".The development, design and implementation of the proposed induction angle sensor does not present any structural, technical and technological difficulties, from which the criterion "industrial applicability" follows.
ЛитератураLiterature
1. Патент Франции: FR 2830614 А1 от 11.04.2003 г., МПК7 G01D 5/22 - «Бесконтактный датчик положения с взаимной индуктивностью».1. French patent: FR 2830614 A1 dated 04/11/2003, IPC 7 G01D 5/22 - “Non-contact position sensor with mutual inductance”.
2. Патент США: US 6605939 (В1), от 12.08.2003, МПК7 G01D 5/20 - «Индуктивный датчик положения (варианты)».2. US patent: US 6605939 (B1), 08/12/2003, IPC 7 G01D 5/20 - "Inductive position sensor (options)."
3. Патент РФ: RU 2454625 от 27.06.2012 года, МПК8 G01B 7/00, G01D 5/20 - «Индукционный датчик положения».3. RF patent: RU 2454625 dated June 27, 2012, IPC 8 G01B 7/00,
4. Патент РФ: RU 2507474 от 20.02.2014 года, МПК8 G01B 7/00, G01D 5/20 - «Индукционный датчик положения».4. RF patent: RU 2507474 dated 02.20.2014, IPC 8 G01B 7/00,
5. Патент РФ: RU 2502046 от 20.12.2013 года, МПК8 G01B 7/00 - «Индукционный датчик углового положения» - прототип.5. RF patent: RU 2502046 dated 12/20/2013, IPC 8 G01B 7/00 - “Induction sensor of angular position” - prototype.
6. Сафонов Л.Н., Волнянский В.Н., Окулов А.И., Прохоров В.Н. Презеционные датчики угла с печатными обмотками. Библиотека приборостроителя. М., «Машиностроение», 1977, 152 с. - рис.77 (стр. 114) и рис.9 (стр. 15).6. Safonov L.N., Volneansky V.N., Okulov A.I., Prokhorov V.N. Presentation angle sensors with printed windings. Instrument Making Library. M., "Engineering", 1977, 152 S. - Fig. 77 (p. 114) and Fig. 9 (p. 15).
7. Ануфриев В., Лужбинин А., Шумилин С. Методы обработки сигналов индуктивных датчиков линейных и угловых перемещений / журнал «Современная электроника», №5, 2014 г., с.30…33.7. Anufriev V., Luzhbinin A., Shumilin S. Methods of signal processing of inductive sensors of linear and angular displacements / journal "Modern Electronics", No. 5, 2014, p.30 ... 33.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014136657/28A RU2570232C1 (en) | 2014-09-09 | 2014-09-09 | Induction angular position sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014136657/28A RU2570232C1 (en) | 2014-09-09 | 2014-09-09 | Induction angular position sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2570232C1 true RU2570232C1 (en) | 2015-12-10 |
Family
ID=54846506
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014136657/28A RU2570232C1 (en) | 2014-09-09 | 2014-09-09 | Induction angular position sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2570232C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2655632C1 (en) * | 2017-03-29 | 2018-05-29 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Induction sensor of angular position |
| RU2689787C2 (en) * | 2017-10-11 | 2019-05-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Rotor position sensor (versions) |
| RU2816167C1 (en) * | 2023-06-13 | 2024-03-26 | Публичное акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" | Rotor position sensor |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU521636A1 (en) * | 1974-06-04 | 1976-07-15 | Предприятие П/Я В-8624 | Induction Angle Sensor |
| RU2148788C1 (en) * | 1998-01-21 | 2000-05-10 | Карманов Михаил Владимирович | Detector of angular movements |
| US6304076B1 (en) * | 1999-09-07 | 2001-10-16 | Bei Sensors & Systems Company, Inc. | Angular position sensor with inductive attenuating coupler |
| US20130127449A1 (en) * | 2011-05-23 | 2013-05-23 | TRW Automotive Electronic & Components GmbH | Position sensor, actuator-sensor device and method for the inductive detection of a position |
| US8570028B2 (en) * | 2007-05-10 | 2013-10-29 | Cambridge Integrated Circuits Limited | Transducer for a position sensor |
| RU2502046C1 (en) * | 2012-08-07 | 2013-12-20 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Induction sensor of angular position |
| US20140117980A1 (en) * | 2012-06-13 | 2014-05-01 | Cambridge Integrated Circuits Limited | Position sensing transducer |
-
2014
- 2014-09-09 RU RU2014136657/28A patent/RU2570232C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU521636A1 (en) * | 1974-06-04 | 1976-07-15 | Предприятие П/Я В-8624 | Induction Angle Sensor |
| RU2148788C1 (en) * | 1998-01-21 | 2000-05-10 | Карманов Михаил Владимирович | Detector of angular movements |
| US6304076B1 (en) * | 1999-09-07 | 2001-10-16 | Bei Sensors & Systems Company, Inc. | Angular position sensor with inductive attenuating coupler |
| US8570028B2 (en) * | 2007-05-10 | 2013-10-29 | Cambridge Integrated Circuits Limited | Transducer for a position sensor |
| US20130127449A1 (en) * | 2011-05-23 | 2013-05-23 | TRW Automotive Electronic & Components GmbH | Position sensor, actuator-sensor device and method for the inductive detection of a position |
| US20140117980A1 (en) * | 2012-06-13 | 2014-05-01 | Cambridge Integrated Circuits Limited | Position sensing transducer |
| RU2502046C1 (en) * | 2012-08-07 | 2013-12-20 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Induction sensor of angular position |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2655632C1 (en) * | 2017-03-29 | 2018-05-29 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Induction sensor of angular position |
| RU2689787C2 (en) * | 2017-10-11 | 2019-05-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Rotor position sensor (versions) |
| RU2816167C1 (en) * | 2023-06-13 | 2024-03-26 | Публичное акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" | Rotor position sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10330498B2 (en) | Sensor arrangement for the contactless sensing of angles of rotation on a rotating part | |
| JP6389001B2 (en) | Sensor device for detecting a rotation angle of a rotating component member in a non-contact manner | |
| US6259249B1 (en) | Induction-type position measuring apparatus | |
| US11796305B2 (en) | Magnetic position sensor system, device, magnet and method | |
| US7135857B2 (en) | Serially connected magnet and hall effect position sensor with air gaps between magnetic poles | |
| US10876861B2 (en) | Inductive position detector | |
| CN107401975B (en) | Linear inductive position sensor for angular measurement of rotating mechanical parts | |
| JP2023103436A (en) | Multi-level rotational resolvers using inductive sensors | |
| US9441990B2 (en) | Capacitive rotary position encoder | |
| US20170115134A1 (en) | Angle Sensor | |
| US9581425B2 (en) | Sensor for indicating a position or a change in position of a coupling element and method for operating the sensor | |
| US20170167893A1 (en) | Electronic absolute position encoder | |
| US20150241248A1 (en) | Brushless linear rotary transformer | |
| RU2570232C1 (en) | Induction angular position sensor | |
| CN112240739A (en) | Sensing of rotational angle | |
| US20170074682A1 (en) | Position measuring apparatus and method for operating the position measuring apparatus | |
| JP6395942B2 (en) | Position sensor | |
| US5072179A (en) | High resolution one and two dimensional position indicating apparatus with plural windings having a common connection and separately energized by signals of different phase | |
| US4463333A (en) | Transformer-type position transducer | |
| US10928223B2 (en) | Inductive sensor device | |
| RU2655632C1 (en) | Induction sensor of angular position | |
| RU2502046C1 (en) | Induction sensor of angular position | |
| US20200300999A1 (en) | Angular sensor for detecting position of rotation using radar technology | |
| RU218474U1 (en) | Inductive angle encoder | |
| KR101891929B1 (en) | Resolver |