Емкостный преобразователь перемещений

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения перемещений и угловых разворотов узлов и деталей машин, механизмов и измерительных приборов. Сущность: преобразователь содержит систему изолированных статорных обкладок с самостоятельными выводами, расположенных на одной поверхности, и роторную обкладку, установленную на параллельной поверхности с малым зазором и жестко связанную с перемещающимся объектом. Система статорных обкладок включает обкладки, расположенные в два параллельных ряда с относительным смещением на половину продольных размеров обкладок, и две решетчатые статорные обкладки. Каждая решетчатая статорная обкладка выполнена в виде двух рядов перпендикулярных направлению измеряемого перемещения полосок заданной ширины из электропроводящего материала, разделенных друг от друга промежутками, равными ширине полоски. Полоски двух статорных обкладок сдвинуты на половину ширины полоски. Роторная обкладка содержит решетчатую часть. По системе изолированных статорных и роторных обкладок производится грубый отсчет измеряемых перемещений. По решетчатым статорным обкладкам и общей для них решетчатой роторной обкладке производится тонкий отсчет. Технический результат: повышение точности. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях техники для прецизионного измерения перемещений и угловых разворотов узлов и деталей машин, механизмов и измерительных приборов.

Известен емкостный преобразователь перемещений с изменяемым зазором, в котором роторная обкладка конденсатора расположена с малым зазором между двумя параллельными статорными обкладками и образует с последними два плоских конденсатора, соединенных между собой по дифференциальной схеме. Перемещение роторной обкладки происходит в направлении, перпендикулярном ее плоскости, и приводит к перераспределению емкостей этих конденсаторов, а дифференциальная схема вырабатывает сигнал, пропорциональный разности емкостей этих конденсаторов (Осика В.И., Чувиков Г.Б. Стабильный емкостный преобразователь перемещений // Долговременная стабильность гравиинерциальных приборов. М.: Наука, 1979, с.58-66).

Недостатками этого преобразователя являются малый диапазон измерений, ограничиваемый зазором между обкладками, и динамическое воздействие самого преобразователя на перемещающийся объект, приводящее к ошибкам измерений.

Известен также емкостный преобразователь перемещений с изменяемой площадью перекрытия обкладок, в котором роторная обкладка, жестко связанная с перемещающимся объектом, установлена с малым зазором параллельно двум статорным обкладкам, расположенным в одной плоскости и образующим с роторной обкладкой два переменных конденсатора, включенных в дифференциальную схему (Кузнецов П.Н., Васютинский И.Ю., Ямбаев Х.К. Геодезическое инструментоведение. М.: Недра, 1984, с.170).

К недостаткам этого преобразователя относятся малая точность измерений, обусловленная малым относительным изменением рабочей площади при заданном перемещении ΔL и практически приемлемых продольных размерах обкладок L, и ограниченный диапазон измерений, определяемый размерами обкладок.

Наиболее близким к заявляемому является емкостный преобразователь перемещений с изменяемой площадью перекрытия обкладок (А.с. СССР №1640544. Двухкоординатный деформограф Таймазова. БИ, 1991, №13), в котором система изолированных статорных обкладок с самостоятельными выводами, расположенных на одной поверхности в два параллельных ряда с относительным смещением на половину продольных размеров обкладок, и установленные параллельно статорным обкладкам с малым зазором и возможностью продольного перемещения две роторные обкладки с теми же продольными размерами и самостоятельными выводами соединены в общую цепь с возможностью автоматического включения в схему дифференциального емкостного преобразователя той из двух смежных пар статорных обкладок, которые образуют с перекрывающей их роторной обкладкой более близкие по значению емкости.

Недостатком этого преобразователя является малая точность измерений, обусловленная малым относительным изменением рабочей площади при заданном перемещении ΔL и практически приемлемых продольных размерах обкладок L. Точность измерений можно повысить уменьшением продольных размеров обкладок, но при этом пришлось бы увеличить поперечные размеры обкладок (для сохранения минимально измеримой емкости) и при заданном диапазоне измерений увеличить число статорных обкладок. Такое решение задачи неприемлемо, так как неоправданно увеличило бы габариты преобразователя и усложнило бы измерительную схему.

В предлагаемый емкостной преобразователь, в котором система изолированных статорных обкладок с самостоятельными выводами, расположенных на одной поверхности в два параллельных ряда с относительным смещением на половину продольных размеров обкладок, и установленная параллельно статорным обкладкам с малым зазором и возможностью продольного перемещения общая для обоих рядов роторная обкладка с теми же продольными размерами и самостоятельным выводом, жестко связанная с перемещающимся объектом, соединены в общую цепь с возможностью автоматического включения в схему дифференциального емкостного преобразователя той из двух смежных пар статорных обкладок, которые образуют с перекрывающей их роторной обкладкой более близкие по значению емкости, дополнительно введены расположенные на той же поверхности две пары решетчатых статорных обкладок и жестко связанная с перемещающимся объектом решетчатая роторная обкладка, перекрывающая по ширине обе пары. Решетчатые обкладки представляют собой ряд перпендикулярных направлению измеряемого перемещения полосок заданной ширины из электропроводящего материала, разделенных друг от друга промежутками, равными ширине полоски. Каждая статорная обкладка разделена на два параллельных ряда. При этом полоски смежных рядов сдвинуты друг относительно друга на ширину полоски, а полоски двух статорных обкладок - на половину ширины полоски, причем предусмотрена возможность автоматического подбора числа полосок каждого из рядов, включаемых в плечи дифференциальной схемы исходя из требования максимальной близости их емкостей.

На чертеже показана кинематическая схема датчика емкостного преобразователя.

Статорные обкладки преобразователя образуют три дорожки I, II (дорожки тонкого отсчета) и III (дорожка грубого отсчета), каждая из которых состоит в свою очередь из двух рядов прямоугольных полосок а и б. Число полосок в каждом ряду дорожек тонкого отсчета равно 200. Они объединены в 9 запараллеленных пакетов с числом полосок 1, 2, 2, 5, 10, 10, 20, 50, 100. Предпоследний пакет полосок каждого ряда задействованной в данный момент дорожки постоянно включен в схему, остальные управляются микропроцессором, который в свою очередь управляется сигналами обратной связи от измерителя емкости и обеспечивает возможность включения в плечи дифференциальной схемы любого числа полосок от 50 до 200, выполняя условие минимума измеряемой разности емкостей.

Промежутки между полосками равны ширине полосок, а смежные ряды сдвинуты друг относительно друга на ширину полосок. Дорожки I и II, сдвинутые друг относительно друга на половину ширины полоски, могут быть автоматически подключены к схеме поочередно с таким расчетом, чтобы фаза перекрытия задействованных полосок идентичными полосками роторной обкладки, перекрывающими по ширине обе дорожки, в относительных единицах не выходила за пределы интервала 0,25-0,75 (во избежание краевых эффектов). Электрическая изоляция смежных статорных обкладок, включаемых в дифференциальную схему, осуществляется путем их разноса по одной из поперечных координат.

Дорожка III, состоящая из двух рядов а и б обкладок с самостоятельными выводами, служит для предварительной индикации положения роторной обкладки с точностью до ширины полоски, т.е. для грубого отсчета. В плечи дифференциальной схемы включается та пара смежных обкладок из ряда а или б, которая образует с перекрывающей их роторной обкладкой более близкие по значению емкости. Таким образом, ряды а и б включаются в схему поочередно, а в позиции, изображенной на чертеже, включен ряд а.

Преобразователь работает следующим образом.

По разности емкостей, образованных включенными в схему обкладками дорожки грубого отсчета III с перекрывающей их роторной обкладкой (в данном случае это две смежные обкладки ряда а), определяется номер полоски статорных обкладок дорожек точного отсчета, против которого находится некоторая условная метка-индекс на роторной обкладке, т.е. определяется его положение с точностью до ширины полоски l (первое приближение). Более точное положение метки внутри данной полоски определяется соотношением чисел полос из рядов а и б используемой в данный момент дорожки точного отсчета, автоматически включаемых в плечи дифференциальной схемы исходя из требования максимальной близости их суммарных емкостей (второе приближение). По измеряемой разности емкостей, включенных в плечи дифференциальной схемы, осуществляется тонкий отсчет положения метки-индекса (третье приближение).

Геометрические размеры преобразователя удовлетворяют условию

L≫l≫d,

где L - продольные размеры обкладок дорожки грубого отсчета преобразователя III, l - ширина полосок дорожек тонкого отсчета I и II, d - величина зазора между статорными и роторными обкладками. Условие L≫l продиктовано необходимостью существенного повышения чувствительности преобразователя к линейным перемещениям Δl, которая определяется отношением Δl/l, а условие l≫d необходимо для обеспечения линейности зависимости емкости, образуемой перекрывающимися полосками статорной и роторной обкладок, от перемещений Δl (для уменьшения краевых эффектов). В противном случае, если d больше или сравнима с l, емкость, образованная каждой полоской роторной обкладки с противолежащей полоской статорной обкладки, была бы сравнима с емкостью, образуемой ею с соседними полосками статорной обкладки, в результате чего нарушилась бы линейность зависимости емкости от Δl.

Если ширина полосок статорной и роторной обкладок 0.5 мм, длина ряда статорных обкладок 200 мм, а минимальное число задействованных полосок 50, то расчетная погрешность измерений перемещений при относительной погрешности измерения емкости ±10^-7 составит ±5·10^-5 мкм в диапазоне ±100 мм.

При измерении угловых разворотов, например, в теодолитах погрешность преобразователя при диаметре лимба 10 см составит ±1''·10^-5 против ±1'' в известных кодовых теодолитах. Конструктивно теодолит с вышеописанным емкостным преобразователем несравненно проще существующих кодовых теодолитов.

Из других областей использования преобразователя следует назвать гравиметры, наклономеры, крутильные весы, гравиградиентометры, гидронивелиры, экстензометры, пьезометры, установки для эталонирования гравиметров наклоном, астрометрические приборы, прецизионные станки и т.п. В частности, при использовании в предложенном нами поплавковом варианте газожидкостного гравиметра вклад преобразователя в погрешность измерений гравиметра не превышает ±0.1 мкГал в диапазоне 200 Гал, что позволяет отказаться от других видов преобразователей.

Емкостный преобразователь перемещений, содержащий систему изолированных статорных обкладок с самостоятельными выводами, расположенных на одной поверхности в два параллельных ряда с относительным смещением на половину продольных размеров обкладок, и установленную на параллельной поверхности с малым зазором и возможностью продольного перемещения роторную обкладку с теми же продольными размерами и самостоятельным выводом, жестко связанную с перемещающимся объектом, соединенные в общую цепь с возможностью автоматического включения в схему дифференциального емкостного преобразователя той из двух смежных пар статорных обкладок, которые образуют с перекрывающей их роторной обкладкой более близкие по значению емкости, отличающийся тем, что в него дополнительно введены расположенные на той же поверхности две решетчатые статорные обкладки, каждая из которых выполнена в виде двух рядов перпендикулярных направлению измеряемого перемещения полосок заданной ширины из электропроводящего материала, разделенных друг от друга промежутками, равными ширине полоски, и жестко связанная с перемещающимся объектом решетчатая роторная обкладка, перекрывающая по ширине обе статорные обкладки, при этом полоски смежных рядов статорных обкладок включены в противоположные плечи дифференциальной схемы и сдвинуты друг относительно друга на ширину полоски, а полоски двух статорных обкладок - на половину ширины полоски, причем все обкладки соединены в общую цепь с возможностью подгонки друг к другу значений емкостей плеч путем автоматического подбора числа включенных в них статорных полосок.