РАСТРОВЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В КОД Российский патент 2008 года по МПК G01D5/20 

Предлагаемое изобретение относится к области автоматики и информационно-измерительной техники и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений.

Известны растровые трансформаторные датчики перемещения и преобразователи перемещения в код на их основе, в которых реализован амплитудно-логический метод обработки выходных сигналов датчика [1]. Их общим недостатком является дифференциальная нелинейность, вызванная неидентичностью индуктивностей обмоток считывания датчика.

Из известных наиболее близким по технической сущности является преобразователь перемещения в код, использованный в четырехканальном универсальном электронном блоке (Конюхов Н.Е., Медников Ф.М., Нечаевский М.Л. Электромагнитные датчики механических величин - М.: Машиностроение, 1987, стр.228-231). Его схема приведена на фиг.1. На фиг.2 показан общий случай сопряжения двух параллельных растровых решеток для пояснения принципа работы растрового трансформаторного датчика перемещения. На фиг.3 приведена диаграмма изменения амплитуд напряжений на обмотках считывания растрового трансформаторного датчика при перемещении подвижного элемента относительно основания.

Электронный блок (фиг.1) содержит устройство контроля целостности линии связи 1, четыре растровых трансформаторных датчика 2, 3, 4 и 5, обмотки считывания которых подключены, соответственно, к четырем измерительным каналам 6, 7, 8 и 9, устройство диагностики 10, выход которого соединен с входами измерительных каналов, и устройство 11 питания датчиков. В состав каждого из измерительных каналов 6, 7, 8 и 9 входят последовательно включенные амплитудно-логическое устройство 12, дешифратор позиционного кода 13, формирователь импульсов счета 14, реверсивный счетчик 15 и цифроаналоговый преобразователь 16. Устройство диагностики 10 содержит генератор тактовой частоты 17 и ключ 18, соединенные через схему И 19, счетчик 20 и дешифратор 21 соединенный с управляющим входом аналогового ключа 22, коммутирующего выходные сигналы трансформатора 23. Первичная обмотка трансформатора 23 соединена с выходом устройства 11 питания датчиков 2, 3, 4 и 5. Устройство 11 питания датчиков, в свою очередь, состоит из генератора линейно изменяющегося напряжения 24, преобразователя напряжение-ток 25, усилителя-корректора 26, нагруженного на резистор 27, и формирователя импульсов опроса 28.

Работа растровых трансформаторных датчиков основана на сопряжении двух растровых решеток. Штрихи первой решетки (фиг.2) нанесены под углом ϕ₁ к оси абсцисс с шагом, равным λ₁, а штрихи второй - под углом ϕ₂ и имеют шаг λ₂. Точки пересечения решеток формируют комбинационные полосы, которые представляют собой семейство параллельных прямых с шагом τ. Таким образом, формируется шкала с ценой деления τ. В датчике одна из решеток образована неподвижным зубчатым ферромагнитным основанием (статором), а вторая - подвижным зубчатым ферромагнитным элементом (ротором). В пазах основания уложены секции обмоток считывания и возбуждения.

Магнитный поток, развиваемый секциями обмоток возбуждения, замыкается между статором и ротором через зубцовый зазор, пересекает обмотки считывания и наводит в них ЭДС, величина которой пропорциональна магнитной проводимости участков магнитной цепи, образованной основанием, подвижным элементом и воздушным зазором между их зубцами. Магнитная проводимость зависит от площади взаимного перекрытия зубцов. При изменении взаимного расположения зубцов основания и подвижного элемента датчика образуется комбинационное растровое сопряжение, что приводит к изменению выходных сигналов на обмотках считывания. Закон изменения амплитуд выходных сигналов на обмотках считывания при перемещении подвижного элемента относительно основания на величину х - синусоидальный, то есть появляется амплитудная модуляция выходных сигналов, частота которой зависит от скорости изменения взаимного расположения зубцов основания и подвижного элемента датчика.

На фиг.3 показан случай для датчика с четырьмя обмотками считывания и соответственно четырьмя напряжениями на них - U1, U2, U3 и U4. Период Т изменения амплитуды напряжения соответствует одному шагу зубцового сопряжения. Период Т разбивается на ряд зон (на фиг.3 их восемь - З1,..., З8) с шагом растрового сопряжения. Зоны отличаются друг от друга соотношением значений амплитуд напряжений на обмотках считывания. Например, в зоне З3 (на фиг.3 заштрихована) U2>U3>U1>U4.

Электронный блок работает следующим образом. В устройстве 11 питания датчиков генератор 24 вырабатывает линейно изменяющееся напряжение. С помощью преобразователя 25 и усилителя-корректора 26 оно преобразуется в ток треугольной формы для питания обмоток возбуждения датчиков 2, 3, 4 и 5. В обмотках считывания датчиков появляются напряжения прямоугольной формы за счет интегрирования в датчике треугольного тока питания. Амплитуды этих напряжений зависят от взаимного расположения в датчиках неподвижного зубчатого ферромагнитного основания и подвижного зубчатого ферромагнитного элемента, а именно от площади взаимного перекрытия зубцов. Формирователь импульсов опроса 28 формирует импульс в момент ожидаемого максимума напряжений на обмотках считывания датчиков. По этому импульсу устройства сравнения в составе амплитудно-логического устройства 12 производят попарно сравнение амплитуд напряжений на обмотках считывания каждого из датчиков. В результате сравнения на выходах устройств сравнения амплитудно-логического устройства 12 появляются сигналы логического нуля или единицы. Дешифратор позиционного кода 13 преобразует выходную кодовую комбинацию амплитудно-логического устройства 12 в трехразрядный двоичный код, соответствующий взаимному расположению неподвижного зубчатого ферромагнитного основания и подвижного зубчатого ферромагнитного элемента. Формирователь импульсов счета 14 выдает импульсы на реверсивный счетчик 15 при переходе от одной зоны к другой, то есть когда код в дешифраторе 13 изменяется. Реверсивный счетчик 15 осуществляет пересчет импульсов формирователя 14. Цифроаналоговый преобразователь 16 преобразует выходной код счетчика 15 в напряжение постоянного тока для обеспечения возможности работы с аналоговыми регистрирующими системами.

Устройство контроля целостности линии связи 1 проверяет линии связи обмоток датчиков 2, 3, 4 и 5 с измерительными каналами 6, 7, 8 и 9. В случае обрыва одной из линий выдается сигнал «Обрыв». Устройство диагностики 10 периодически подключается для проверки работоспособности измерительных каналов 6-9 при отключении датчиков или в том случае, когда отсутствует возможность задания перемещения (датчики установлены на изделии). С помощью ключа 18 на выходе устройства диагностики 10 можно получить различные комбинации амплитуд напряжений, соответствующие выходным напряжениям датчиков в различных положениях.

Недостатком известного растрового трансформаторного преобразователя перемещения в код является дифференциальная нелинейность, вызванная неидентичностью индуктивностей обмоток считывания датчика, например, вследствие отклонений геометрических размеров зубцов при изготовлении или в силу особенностей конструктивного исполнения датчика. Эта неидентичность приводит к различию глубины модуляции выходных сигналов на обмотках считывания датчика, вследствие чего ширина зон З1,..., З8 оказывается неравной и, следовательно, в каждой зоне соответствует различным значениям перемещения. Особенно остро дифференциальная нелинейность проявляется при изменении рабочей температуры датчика.

Заявляемое изобретение направлено на устранение указанного недостатка.

Это достигается тем, что в растровый трансформаторный преобразователь перемещения в код, содержащий последовательно соединенные амплитудно-логическое устройство, дешифратор позиционного кода и реверсивный счетчик, а также источник тока питания, соединенный с обмоткой возбуждения растрового трансформаторного датчика перемещения и входом формирователя импульсов опроса, выход которого подключен к входу синхронизации амплитудно-логического устройства, согласно предлагаемому изобретению дополнительно введены схема контроля напряжений и масштабирующие преобразователи, входы которых подключены к обмоткам считывания датчика, а выходы параллельно к входам схемы контроля напряжений и амплитудно-логического устройства, причем выходы схемы контроля напряжений соединены с управляющими входами масштабирующих преобразователей.

На фиг.4 представлена структурная схема предлагаемого растрового трансформаторного преобразователя перемещения в код.

Растровый трансформаторный преобразователь перемещения в код содержит источник тока питания 1 растрового трансформаторного датчика перемещения 2, формирователь импульсов опроса 3, масштабирующие преобразователи 4, количество которых равно числу обмоток считывания растрового трансформаторного датчика перемещения 2, схему контроля напряжений 5, амплитудно-логическое устройство 6, дешифратор позиционного кода 7 и реверсивный счетчик 8. Выход источника тока питания 1 соединен с обмоткой возбуждения растрового трансформаторного датчика перемещения 2 и входом формирователя импульсов опроса 3. Выход формирователя импульсов опроса 3 соединен с входом синхронизации амплитудно-логического устройства 6. К каждой из обмоток считывания растрового трансформаторного датчика перемещения 2 подключен соответствующий вход масштабирующих преобразователей 4. Выходы масштабирующих преобразователей 4 соединены с входами схемы контроля напряжений 5 и входами амплитудно-логического устройства 6. Выходы схемы контроля напряжений 5 соединены с управляющими входами масштабирующих преобразователей 4. Выходы амплитудно-логического устройства 6 соединены через дешифратор позиционного кода 7 с входом реверсивного счетчика 8. Все устройства, входящие в преобразователь перемещения в код, могут быть реализованы в виде отдельных функциональных блоков. Возможна также реализация некоторых узлов, например, источника тока питания 1, генератора импульсов опроса 3, схемы контроля напряжений 5, амплитудно-логического устройства 6, дешифратора позиционного кода 7 и реверсивного счетчика 8 программными средствами в составе микропроцессора, оснащенного компараторами или аналого-цифровыми преобразователями. В качестве масштабирующих преобразователей 4 могут быть использованы управляемые делители напряжения, усилители с регулируемым коэффициентом усиления или аналого-цифровые преобразователи с последующим масштабированием и сравнением амплитуд сигналов в цифровом виде. В последнем случае масштабирующие преобразователи также могут быть реализованы программными средствами.

Работает преобразователь перемещения в код следующим образом. Сигнал переменного тока (возможна синусоидальная форма сигнала или иная, например, в виде пилообразных или прямоугольных импульсов) источника тока питания 1 поступает в обмотку возбуждения растрового трансформаторного датчика перемещения 2. На обмотках считывания растрового трансформаторного датчика перемещения 2 появляются напряжения, амплитуды которых зависят от положения штока датчика в данный момент времени. При перемещении штока растрового трансформаторного датчика перемещения 2 амплитуды напряжений на обмотках считывания изменяются по синусоидальному закону, причем изменения огибающей амплитуд в соседних обмотках отличаются по фазе на одинаковый угол. Выходные напряжения обмоток считывания поступают на входы масштабирующих преобразователей 4. Схема контроля напряжений 5 в процессе работы преобразователя оценивает значения глубины модуляции напряжений на выходах масштабирующих преобразователей 4. Если эти значения разнятся, то схема контроля 4 вырабатывает управляющие сигналы, по которым коэффициенты передачи масштабирующих преобразователей 4 изменяются таким образом, чтобы значения глубины модуляции напряжений на выходах масштабирующих преобразователей стали равными. Контроль глубины модуляции напряжений может проводиться как однократно в момент включения и настройки датчика, так и непрерывно в течение всего времени работы. Формирователь импульсов опроса 3 в момент времени, соответствующий максимальному значению напряжений на обмотках считывания датчика 2, вырабатывает импульс, по которому в амплитудно-логическом устройстве 6 производится попарно сравнение амплитуд напряжений на обмотках считывания датчика 2. В результате сравнения на выходах амплитудно-логического устройства 6 появляются сигналы логического нуля или единицы. Дешифратор позиционного кода 7 анализирует выходные сигналы амплитудно-логического устройства 6, производит опознание зон З1, З2, З3, З4, З5, З6, З7, З8 внутри шага зубцового сопряжения (фиг.3) и вырабатывает код номера зоны. Например, зона З3 характеризуется следующим соотношением амплитуд напряжений на обмотках считывания: U1>U2>U4>U3. Реверсивный счетчик 8 фиксирует код номера зоны и в дальнейшем нарастающим итогом увеличивает или уменьшает его на единицу при каждом изменении кода номера зоны.

Введение масштабирующих преобразователей 4 и схемы контроля напряжений 5 с соответствующими связями позволяет выровнять глубину модуляции напряжений на всех обмотках считывания растрового трансформаторного датчика перемещения 2, поддерживая тем самым равенство ширины зон З1, З2, З3, З4, З5, З6, З7, З8 внутри шага зубцового сопряжения, и снижает дифференциальную нелинейность.

Источники информации

1. Конюхов Н.Е., Медников Ф.М., Нечаевский М.Л. Электромагнитные датчики механических величин - М.: Машиностроение, 1987, глава VII.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения линейного и углового перемещения. Согласно изобретению растровый трансформаторный преобразователь перемещения в код содержит последовательно соединенные амплитудно-логическое устройство, дешифратор позиционного кода и реверсивный счетчик, а также источник тока, соединенный с обмоткой возбуждения растрового трансформаторного датчика перемещения и входом формирователя импульсов опроса, выход которого подключен к входу синхронизации амплитудно-логического устройства. Особенность изобретения состоит в том, что растровый трансформаторный преобразователь перемещения в код снабжен схемой контроля напряжений и масштабирующими преобразователями, входы которых подключены к обмоткам считывания датчика, а выходы - параллельно к входам схемы контроля напряжений и амплитудно-логического устройства, причем выходы схемы контроля напряжений соединены с управляющими входами масштабирующих преобразователей. Благодаря этому может быть уменьшена дифференциальная нелинейность преобразования перемещения в код. 4 ил.

Растровый трансформаторный преобразователь перемещения в код, содержащий последовательно соединенные амплитудно-логическое устройство, дешифратор позиционного кода и реверсивный счетчик, а также источник тока, соединенный с обмоткой возбуждения растрового трансформаторного датчика перемещения и входом формирователя импульсов опроса, выход которого подключен к входу синхронизации амплитудно-логического устройства, отличающийся тем, что в него введены схема контроля напряжений и масштабирующие преобразователи, входы которых подключены к обмоткам считывания датчика, а выходы параллельно к входам схемы контроля напряжений и амплитудно-логического устройства, причем выходы схемы контроля напряжений соединены с управляющими входами масштабирующих преобразователей.