Датчик линейных перемещений Советский патент 1990 года по МПК G01B7/00 

СП

ел

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в машиностроении, станкостроении и других отраслях народного хозяйства. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерений. При включении датчика счетчик 16 обнуляется и исходное положение датчика считается начальным. Генератор 6 вырабатывает напряжение опорной частоты, подающееся на пьезоэлемент 5, который приводит в возвратно-поступательное движение магнитоноситель 4 относительно считывающей магнитной головки 3, закрепленной на штоке 2. Магнитная головка 3 воспроизводит сигнал, записанный на магнитоносителе 4, и подает его через усилитель 7 на фильтр 8 выделения первой гармоники и второй фильтр 12 выделения второй гармоники. С выхода фильтра 8 выделения первой гармоники и второй фильтр 12 выделения второй гармоники. С выхода фильтра 8 выделения первой гармоники сигнал, пройдя через фазосдвигающий блок 9 и первый синхронный детектор 13, подается на первый вход вычислителя 15. Сигнал с выхода второго фильтра 12 выделения второй гармоники через второй синхронный детектор поступает на второй вход вычислителя 15. В вычислителе 15 определяется направление перемещения и дробная часть периода, записанного на магнитоносителе, соответствующая положению относительно него магнитной головки 3. Целочисленное значение N периодов, записанных на магнитоносителе 4 сигнала, образуется на выходе счетчика 16, подключенного к вычислителю 15. 3 ил.

Ф(/г/

ложение датчика считается.начальным. Генератор 6 вырабатывает напряжение 011ор юй част.оты, подающееся на пьезо- элемент 5, который приводит в воз- вратно-поступательное движение магни- тоноситель 4 относительно считывающей магнитной головки 3, эакрепленйой на штоке 2. Магнитная головка 3 воспроизводит сигнал, записанный на магнито- носителе 4, и подает его через усилитель 7 на фильтр 8 вьщеления первой гармоники и второй фильтр 12 вьщеления второй гармоники. С выхода.фильтра 8 выделения первой гармоники сигнал,

пройдя через фазосдвигающий блок 9 и I

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения -линейных перемещений в машиностроении,„станкостроении и других отраслях народного хозяйства.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет возможности определения положения магнитной головки внутри одного периода записанного на магнитокосителе сигнала и повышение быстродействия за счет .исключения неЬбходимости циклического подсчета периодов сигнала, записанного на носителе, по сигналу импульса опроса,

Н.а фиг 1 приведена блок-схема датчика; на фиг, 2 - один из вариантов вычислителя; на фиг. 3 - диаграммы, поясняюш11е работу датчика.

Датчик линейных перемещений содержит корпус 1, шток 2 с закрепленной на нем мганитной голрвкой 3, магнито- носитель 4, приводимый в возвратно- поступательное движение пьезоэлементо 3, генератор 6, выход которого соединен с пьезоэлементом 5, усилитель 7v вход которого соединен с магнитной головкой 3, фильтр 8 вьщеления первой гармоники, фазосдвигающий блок. 9,вход которого соединен с выходом фильтра 8 вьщеления первой гармоники, ограничитель 10, вход которого соединен с выходом генератора 6, первый фильтр 11 вьщеления второй гармоники, вход которого соединен с выходом ограничи- теля 10, второй фильтр 12 вьщеления второй гармоники, вход которого соединен с выходом усилителя 7, первый

первый синхрон}1ый детектор 13, подается на первый вход вы числителя 15. Сигнал с выхода второго фильтра 12 выделения второй гармоники через второй синхронный детектор поступает на второй вход вычислителя 15. В вычислителе 15 определяется направление перемещения и дробная часть периода,записанного на магнитоносителе, соответствующая положению относительно него магнитной головки 3. Целочисленное значение N периодов, записанных на магнитоносителе 4 сигнала, образуется на выходе счетчика 16, подключенного к вычислителю 15. 3 ил.

5

0 5

0

|5 Q

синхронный детекто р 13, первый вход которого соединен с выходом фазосдви- гающего блока 9, второй вход - с выходом генератора 6, второй синхронный детектор 14, первый вход которого соединен с выходом второго фильтра 12 вьщеления второй гармоники, второй вхрл - с выходом первого фильтра 11 вьщеления второй гармоники, вычислитель 15, первый вход которого соединен с выходом первого синхронного детектора 13, второй вход - с выходом второго синхрошюго детектора 14,счетчик 16, вход прямого счета которого соединен с первым выходом вычислителя 15, вход обратного счета - с вто- рьтм выходом вычислителя 15, на третьем выходе вычислителя 15 присутствует информация о дробной части X периода записанного сигнала на магнитоносителе 4, на выходе счетчика 16 - ий- - формация о целочисленном значении N периодов записанного на магнитоноси- тель 4 сигнала.

Датчик линейных перемещений работает следующим образом.

При включении датчика счетчик 16 обнуляется и исходное положение датчика считается начальным. Генератор 6 вырабатывает сигнал,опорной частоты

и, Ц sinwt,

1 m

где и,- амплитуда опорного сигнала;

ш - частота опорного сигнала;

t - время.

Это напряжение подается на пьезо- элемент 5, который приводит в возврат 15975- 9 -6

по-1 оступлтелы1ое днижелпе магинтоно-/c.osuJt

сител :-

Л - Л siua;t k. U .sinwt,где k, - коэффициент передачи фильтра

-rti t

5на основной частоте,

где амплитуда перемещения Далее этот сигнал сдвигается по

магнитоносителя А;фазе на 90 с помощью фазосдпигающего

UJ - частота перемещения;блока 9, на выходе которого получают .

t; - время;сигнал

k - коэффициент преобразо- Ю ,. , , ,т г-г /л ч -г /. ч, вания. -k4k3U3mC.osxCl,(A)+Ij(AjJ

Магнитная головка 3 воспроизводит «cos(wt + 90°).osxCl (А) + записа1П1ый сигнал на магнитоносителе 4: +1 (A) J sin cot записанный сигнал на магнитоносителе 4: .

П dt -15 4 коэффициент передачи фазо JT ..- ti «сдвигающего блока 9.

«cos( t + x)cosa)t,Первый синхронный детектор 13 детектирует синусоидальную составляющую

где t - магнитный поток магнитоноси- и, -k..k,k-U, созхГ (А )+1 (А)7 теля 4;20л ззт owiinJ

амплитуда магнитного потока f коэффициент передачи детекмагнитоносителя 4;тора 13.

амплитуда перемеп;ения магни- Вторая гармоника сигнала вьщеляеттоносителя 4; вторым фильтром 12 вьщеления втоX - положение магнитной головки 3; 25Р° гармоники:

п - количество витков магнитной U k U sinxfl-CA ) +

головки 3;J Эы 1 m

(Aj - частота колебания магнитоно- з sin ,

сителя 4;где k - коэффициент передачи фильтt - время.30 ра 12.

Используя преобразование в рядСинхронизирующий сигнал для второФурье-Ьесселя, получают о синхронного детектора 14 образуетUj -п ф xCl(A)cosuJ t + после ограничения опорного сигнала . т ,. ч „„ ,., ,.4, „ т /л ч п ограничителем 10 и фильтрации первым

I,(Ajcosu;t-H()cos3u;t4i(Ajcos3u;t-f фщ ьтром 11 вьщеления второй гармо -...sin x(l,(/ Jsin2cJt+l3(Ajsin2u;t + и:

vl3(Ajsin4wt +l5(A)sin4tJt+...j, Sm

где I(AJ,I(A, .,., где амплитуда второй гармоники

I (А) - функции Бес-на выходе фильтра 11.

селя. выходе вто|)ого синхронного деУсилитель 7 усиливает напряжение тектора .14 получают сигншт с магнитной головки 3 и на его выходе - сигнал имеет вид 9 . sUjmSinxCl (А)+1 j(AjJ,

г/-Г ч / чч -J коэффициент передачи детек- из k,U -Ujc.osx(Io(Aj+I,(Aj).тора 14..

xcosojt + (I,(A)+I(A))cos3Wt +...J- Сигналы и и U подаются на вычисг, ..,,.,.„литель 15, который определяет дробную

-sinxC(I,(Aj+I,(Ajsin2wt +50 ть перемещения внутри одного перио CI CAJ + I(A)) sin4w t +.. .Jl , ДЗ записанного на магнитоносителе 4

сигнала, например реализует после норгде k, - коэффициент усиления усили- мировки сигналов U, и U« функцию теля 7. ь Э -г

Фильтр 8 выделения первой гармони- х arctg()

ки вьщеляет составляющую с опорнойcosx .

частотой и на его выходе сигналВычислитель 15 определяет направле,, U т, ь ,т гт А л -г /л чт перемещения датчика и в соответст- Ил- kjL s- -k3U,(Aj+I(j3, ВИИ с этим выдает импульсы о целом

числе периодов, пройденных датчиком, на прямой или обратный вход счетчика 16 в зависимости от направления перемещения.

Вычислитель 15 (фиг. 2) содержит первый и второй компараторы 17 и 18, входы которых подключены к выходам первого и второго синхронных детекторов 13 и 14, элемент 19 задержки, вход которого соединен с выходом второго компаратора 18, первый и второй элементы ИСКШЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 и 21 , первые входы которых соединены с выходом второго компаратора 18, второй вход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 соединен с выходом первого компаратор 1 7 , второй вход второго элемента ИСКПЮ- ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 соединен с выходом элемента 19 задержки, первьй инвертор 22, вход которого соединен с выходом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, триггер 23, первый, стробиругощий, вход которого соединен с выходом первого инвертора 22, второй, инфор- мационный вход - с выходом первого элемента ИСКЛЮ 1АЮЩЕЕ ИЛИ 20, первый и второй одновибраторы 24 и 25, входы которых соединены с выходом второго компаратора Щ, второй инвертор 26, вход которого соединен с выходом первого одновибратора 24, первый элемент И-НЕ 27, первый вход которого соединен с вторым выходом триггера 23, второй - с выходом второго инвертора 26, второй элемент И-НЕ 28, первый вход которого соединен с первым выходом три1 гера 23, второй - с выходом второго.одновибратора 25, выход первого элемента И-НЕ 27 соединен с вхо- дом прямого счета счетчика 16 (фиг.1) выход второго элемента И-НЕ 28 соединен с входом обратного счета счетчика 16, с выхода второго компаратора. 18 и с выхода первого элемента ИСКПЮ- . ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 снимается информация о дробной части X перемещения датчика

Вычислитель 15 работает следующим образом.

Напряжения U и Ug (фиг. 3) с выходов синхронных детекторов 13 и 14 (фиг. 1) подаются на первый и второй компараторы 17 и 18вьршслителя 15, которые преобразуют двухполярньш сигнал в прямоугольные импульсы положительной полярности и,, первый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ШШ 20 формирует напряжение U, младшего разряда дроб- ной части X перемещения датчика, на

.пряжение 1 является стлригим разрядом дробной части X перемещения. Элемент 19 задержки задерживает напряжение на время 17,, поэтому на выходе второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 формируются импульсы положительной полярности и длительностью С,, которые инвертируются первым инвертором 22, и напряжение и подается на стробиру- ющий вход триггера 23. По фронту сигнала и , т.е. при переходе сигнала из низкого в высокий логический уровень, происходит запись напряжения

о „ с

и

f2

ПОДВОДИМОГО к информационному

входу триггера 23. В зависимости от направления перемещения датчика на фронт сигнала U приходится низкий или высокий логический уровень напряжения Ufj , KOTOpbrii записывается триггером 23 и подается с прямого и инверсного его выходов (U на элементы И-НЕ 27 и 28. При этом разрешается прохождение импульсов U и U:., с вы ходов инвертора 26 и второго одно- вибратора 25 только через один из элементов И-НЕ 27 и 28 на соответствующий вход счетчика 16. Одновибратор 24 запускается по перепаду напряжения и из высокого в низкое логическое состояние на время . 2 , второй одно- вибратор 25 запускается по фронту импульса и , т.е. по переходу сигнала из низкого в высокое логическое , состояние, на время С,. Соответственно счетчик 16 подсчитывает или количество импульсов и„с выхода элемента И-НЕ 27, или количество импульсов Цд с вь1Кода элемента И-НЕ 28. Количество шйтульсов равно количеству периодов записанного сигнала на магни- тоносителе 4 и пройденных магнитной головкой 3 при перемещении штока 2.

i;

Формула изобретения

Датчик линейных перемещений, содер- жащ1п1 корпус, шток, закреШтенн то на штоке магнитн то головку, магнитоноси- тель с записанным на нем сигналом заданной плотности и счетчик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и увеличения быстродействия, он снабжен генератором, ограничителем, вход которого соединен с выходом генератора, усилителем, вход которого соединен с магнитной головк,ой, фильтром выделения первой гармоники, вход которогг

подключен к выходу усилителя,.первым фильтром выделения второй гармоники вход которого соединен с выходом ограничителя, вторым фильтром вьщеле- ния второй гармоники, вход которого соединен с выходом усилителя, фазо- сдвигающим блоком, вход которого соединен с выходом фильтра выделения первой гармоники, первьш синхронным детектором, первый вход которого соединен с выходом фазосдвигающего блока а второй - с выходом генератора, вторым синхронным детектором, первый вход которого соединен с выходом вто-

рого фильтра выделения второй гармоники, второй - с выходом первого фильтра выделения второй гармоники, вычислителем, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго синхронных детекторов, первый и второй выходы вычислителя соединены соответственно с вxoдaмIf прямого и обратного счета счетчика, магнитоноситель выполнен в виде линейки, закрепленной на пьезоэлементе,подключенном к выходу генератора, а маг- -нитная головка выполнена в виде головки считывания.

Фиг. 2.

Пряпой. счет

аг.З

Обратный, счет t