Преобразователь перемещения в напряжение Советский патент 1991 года по МПК H03M1/24 G06G7/22 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано, в частности, в сварочном производстве для оперативного контроля сварочных перемещений и деформаций крупногабаритных сварных конструкций в процессе сварки, а также для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций.

Целью изобретения является расширение диапазона измерения и области применения путем обеспечения проходного режима работы преобразователя.

На фиг. 1 приведена блок-схема преобразователя перемещения в напряжение; на фиг. 2 - выполнение диска анализатора; на фиг. 3 - временные диаграммы работы преобразователя,

Преобразователь содержит излучатель 1, коллиматор 2, анализатор 3, состоящий из диска с нанесенным на нем фотоприемником 4, формирователь 5 импульсов начала Отсчета, формирователи 6-8 импульсов, триггеры 9 и 10, токосъемники 11 и 12, усилитель-ограничитель 13, одновибратор 14, Элементы И 15, 16, триггеры 17 и 18, источник 19 опорного напряжения, ключи 20 - 24, интеграторы 25 и 26, устройства 27 и 28 Выборки-хранения.

Формирователь 5 импульсов начала отсчета содержит излучатель 29, фотоприемник 30, диафрагму 31. Анализатор 3 состоит из прозрачного диска 32. фотоприемника 33, непрозрачной зоны 34,прозрачного сектора 35, кольцевых контактов 36, 37, прозрачных электродов 38, 39, фоточувствительного слоя 40, соединительных проводников 41, 42, отверстия 43 под ось, зоны 44 нечувствительности. Интегратор 25 содержит резисторы 45, 46, конденсатор 47, операционный усилитель 48. Интегратор 26 содержит резисторы 49, 50, конденсатор 51, операционный усилитель 52.

На временных диаграммах (фиг. 3) обозначены следующие сигналы; 53 - сигнал на выходе формирователя 5 импульсов начала отсчета; 54 - на выходе усилителя 13; 55 - на выходе формирователя 6; 56 - на выходе фррмирователя 7; 57 - на выходе формирователя 8; 58 - на выходе одновибратора 14; 59- на выходе элемента И 15; 60-на выходе триггера 17; 61 - на выходе триггера 18; 62 - на выходе триггера 9; 63 - на выходе триггера 10; 64 - на выходе элемента И 16, Преобразователь работает следующим образом.

Излучатель 1, в качестве которого может быть использован геллий-неоновый лазер, с закрепленным на нем коллиматором 2 устанавливают на неподвижной базовой оснастке и используют для задания опорного направления. Анализатор 3 и связанные с ним двигатель 4 и формирователь 5 начала отсчета, а также токосъемники 11 и 12 расположены в контролируемой точке объекта. При вращении анализатора 3 вокруг своей оси с угловой скоростью « на выходе формирователя Б начала отсчета возникает последовательность 53 импульсов Тно (фиг. 3) длительностью т0 , а на выходе двухсектор- ного фотоприемника 33 после усилителяограничителя 13 вырабатывается последовательность 54 импульсов Тла. За время одного оборота диска вырабатывается два импульса 54 в последовательности ТЛа: первый импульс TggK соответствует пересечению опорного луча радиальным сектором фотоприемника 33, а второй импульс Тсп - сектором, образованным спиралями Архимеда. Причем длительности импульсов Тсек

и ТСп содержат основные постоянные компоненты 2 т0 и т0 соответственно, а также дополнительные компоненты, обусловленные конечным эффективным радиусом г опорного луча в плоскости анализатора. Эта

дополнительная компонента является источником методической погрешности преобразователя, поэтому ее необходимо скомпенсировать. Под эффективным радиусом опорного луча г понимается расстояние

от центра сечения луча до точки, интенсивность излучения в которой равна порогу срабатывания двухсекторного фотоприемника 32 (фиг. 2). Из фиг. 2 видно, что дополнительными компонентами для импульсов ТСек является )y9i, а для импульсов ТСпТ2 +Тз О)((pi +1рз)(точки В, С и D, Е соответствуют точкам вхождения пятна излучателя в двухсекторный фотоприемник при ). Интервалы времени между передними и задними фронтами импульсов ТСек и Тсп определяются выражениями, которые легко могут быть получены из временных диаграмм фиг. 3,

(УР+ 2).

( + ) , (1) где рр- фазовый угол, пропорциональный полярной координате р центра AI опорного луча в плоскости анализатора 3.

Из фиг. 3 видно также, что интервалы времени между лередним и задним фронтами Тсек и задним фронтом Тно определяются выражениями: 51

)((Р(Р + + Р° )

Ф w ( W Р° )

(2)

где (ftp- фазовый угол, пропорциональный полярной координате f.

Из выражений (1) и (2) нетрудно получить следующие соотношения:

rp flp (rp +тр + То)-1(тз-т2)

Ґ ( +V )

учитывая, что ( тз - та ) «О (поскольку спирали Архимеда в точках захода пятна

опорного луча имеют практически равные параметры), получим:

тр(тр +тр +Г0)

гр ±(гу+г/ )(3)

Таким образом, из выражениий (3) видно, что погрешность измерения интервалов времени тр и Tip не зависит от эффективного радиуса г пятна опорного луча в плоско- сти анализатора 3 при реализации данного алгоритма. Интервалы времени иТ« формируются при помощи триггеров 9 и 10, устанавливаемых импульсами Тз и ТБ соответственно и сбрасываемых импульсом Туэ. Интервалы времени 44

и 45 (Тр1 и ) формируются при помощи счетных триггеров 17 и 18, на счетные входы которых подаются импульсы 56, 57, соответствующие передним и задним фронтам Ti и Т2 импульсов Тла двухстаторного фотоприемника 33. Длительность импульсов 58 (Тс) одновибраторэ 14, используемых для временной селекции импульсов ТСек и Теп, выбирается из соотношения

ТЬ+Т 2макс +Г3макс Тс 2 (то + Г 1 макс )

(4) Учитывая (4) и временные диаграммы на

фиг. 3, видно, что импульс из Jp всегда соответствует заднему фронту импульса Тсек. Этот импульс используется для установки триггера 10 и триггеров 17 и 18. Импульс 64 (Тз) всегда соответствует переднему фронту импульса Тсек и используется для установки триггера 9.

Известно, что полярные координаты контролируемой точки объекта при использовании широ/но-фазоимпульсного знали- затора 2 определяются выражениями:

, 2 aS;ip (5)

где а - постоянная спирали Архимеда. Подставляя (3) и (5), получим

Тр1 +гр +TQ тУ +гу)

Т(л) ФТа)

(6)

Канал формирования координаты состоит из источника 19 опорного напряже- ния, ключей 20, 21; интегратора 25 и устройства 27 выборки-хранения. В каждом цикле работы канала осуществляются:

интегрирование интегратором 25 выходного напряжения + Ео источника 19 опорного напряжения в течение интервалов времени импульсов 46 и 47 (Тр1 и Ту ) через ключи 20 и 21 соответственно;

5

0

интегрирование интегратором 25 выходного напряжения устройства 27 выборки-хранения в течение времени цикла импульсов Тно :

выборка выходного напряжения интегратора 25 устройством 27 выборки-хранения в момент времени . соответствующий заднему фронту импульсов ТноПредположим, что перед началом преобразования напряжение на выходе устройства 27 выборки-хранения равно UH- Тогда после первого цикла это напряжение станет

m Е° к - - -И Кп Гц)

R2C Ео Кп

( +ин 1 - (г ) + UH Q ,

R 1 С

(7)

R2 С

где R1 и R2 - номиналы сопротивлений резисторов 45, 46 интегратора 25 по соответствующим входам;

С - емкость конденсатора 47 интегратора 25;

Кп - коэффициент передачи устройства 27 выборки-хранения.

Аналогичным образом после n-го цикла интегрирования

(V +V) +UHO

и 1

(8)

Последнее выражение состоит из двух частей: геометрической прогрессии, сходящейся при условии IQ I 1, и убывающего при этом же условии члена UHQn, Используя формулу для суммы членов геометрической прогрессии

Ј Q J - 1 ( 1 - Qn )/( 1 - Q ) в устано 1 вишемся режиме (п - оо ), получим

R RZ

(Jq lim Un Ео

( 10

аким образом, если Е0

Ј+ж

ГО)

Rl

R2

(9)

2 я , напря5

5

жение на выходе устройства 27 выборки- хранения будет пропорционально полярной координате р контролируемой точки объекта.

Аналогичным образом работает канал формирования полярной координаты р , состоящий из источника опорного напряжения, ключей 27, 23, 24, интегратора 26 и устройства 28 выборки-хранения. В установившемся режиме, напряжение на выходе устройства 28 выборки-хранения определяется выражением

-с Rl ГР +ГР +т°

- to

Up

R3

(Ю)

где ЕО Б7 jr а напряжение Up пропорционально полярной координате р кон.ро- лмруемой точки объекта

MOVHG показать, то необходимое - ло циклов п для достижения заданной Q- но- сительнойпогрешности

преобразования уп определяется из выряжен ия

, Uoo

n

JJeerUjT О

J + 1

fl

1}

где Int - целая часть числа.

Для погрешности преео згочзния Vs - 0,1% реально достижимое «и его равно 4-6. Теоретически при резупьг& - преобразования лопччаете1 г сдчг цго-,

„. . г, , &(

Поскольку Q - 5-т- v- Н 1 L

интеграторов 25 и 26, влияющие ьа показатель сходимости Q, выбираете одпнз - свь - ми(Р1 и С) для устранения чео нозиачност- при получении результата и даеренкя

При проходном режиме работы иэ о ном опорном луче пооледозатечьнс рч положено несколько датчиков, позвпл осуществлять одновременна кснр-рол-. :/- ложения нескольких точек эбъокга вдоль ос,- ной оси без применения дополните п ./ устройств(полупрозрачных пластовок /чэп гапризм и г.п) для рзеще леи /я cncf;jnjr пуча, поскольку диск сэнзляззюой 3

СЯ ГфОЗраЧННМ (фОтОРрйемт«К 3 j можно сделать прозрччньгл длг OT v.uro луча. Проходной ртиим г/сгно з1 ся, например spvi kxsi-проле устйновк п ним вэлопроводоз движителей судов

В описанное vnpoiicree cyj|,.r о сократились габаригм по сравнению с а. Р- стным, поскольку vc ранен бус f п :г конденсором и фоюпр« - j занимавший чнаии рльн.э место , и ция датчика упростилась, он стял

ООПеС уДОбНЫМ ХУЧЯ уС ПНиВКЕ , С ,СЛ

СКУПНЫХ местах контролируеадогс . Ф о р . v л д язо&осте. Поеобразгватепь nepe 3die- t i пряжение, содержащий излучатель, опшч скм соединенный через кспл.чагоо г анализатором, гоещыечнчм с фотоприемник, спт1 ческ1« / аналмзетором, яераый фоомироа ель t. пульсо отсчета, 5ыход | огоог о по1 ключей к управляют/ м чходу леппо(с ключа v, через первый формирователь иг

ПуР.вСОЙ- К уЛрезВлЧЮ М Б. ПГ, С 5

второго устройств выЬорчь л xp net-iir

ЧОДЫ КЛ,ОрЫ ЧВЛЯЮ1С 4 Bf- )jLi /

зовачелч и подключен1-1 ч парвиг /t,

is

0

2е.

31.

|Г

Э 3

первого и второго интеграторов соответственно, первый RS-триггер к,и ход пороге подключен к управляющему входу второго члю«а, выход которого полкпю. н к зторогчу входу первого интегратора, третий вход ко торого подключен к выходу кл--зча, одход - к входу первого уп ройства выборки и хранения, четвертый клю i, информаци- вход KoropvOrc (1 иь Ьормационные входы первого, второго м третьего ключей подчинены с выходом исго ник-г спорного СЧФЯЖРНИЯ, пгпый первого, 11 тертого и п«юго пючей соединены с , Tpe.bVM n 4eitepTbri входами вто- гг го учгеграторя cocTts: 1,сгвенмо, выход ко- lOpuro очон ,y второго ус ро члгьа BwBooKn и лЕ.. ./1загор й1г ол«8н и в/не дпг.к ьа когоооп выпол- ic-iibi чепрОор чная зона иде кэп-да, or paMM i HHOio ,тгм-1 с ч фиусами R и R - /iR и имеюше о по оозчный лектор с «Уловим рзсгвооом ipo основной активный у-нсто, сторон- которого вы- «т ;нвча в спирали,Ар/ , --rta сгполми- - гстэк выполненный в зидо радиального секторя, сопряженного с прозр- чм м секгопим непрозрачной зоны, о т л и чт ш и /, с f rei ro, г цельо

Г. НчЯ /(ИгЗПЗЗСНгсг it J,viyp с-ЧИЛ И ОбЛЗ

с,тг ,i v epeh«y чутрм o6°o« t ени° проход- ;ого oaPoiH nnejSnaacB&Teflfl, в , .ne.ip iy ,IG г кослегчч s, усилитель- sji f ;чсль, дал сп.-,созатепя импуль- г,оь, ь олеиемта И одчтсиооагср, два pwirepe, второй РЗ-трипер, а в сторона осиоьмого о: гивиого уча- ,T4tJ it i asropa на в зиде пирайи Л ., ЭКВМЙМСГ ТНРЙ енуренней сто- DI 9 эс ,озного активного /ЧС-CIKP, SKTHB- | ,й участо имеет начало в центре диска та--/ по радиусу R ija угол 2 л -ф0 у го г . ,е- с нег-рсзйрчной зоной м дсполни- it u г si biff v ac Kotvi, коюры/

- г {,, i °ТО Оба S ri1Bl b X

V-1 v l f - О i Фоттгфием м G.M опразо- 1 vi слоэм, нане , i)1 j , ri п зоач и ь ми .jiuK(poa...-, соединен ьФм ь чоль евыми . и. .и ьнйлизат ра, оле/лричесгси со- почхеь ымс с токосьеммиками, пер- РОГО токоСивмпмкр ГГ8ДИ1 ен с общей 1, з вьхор ыо( -о гокосьемника через Vftlflfl1ire- b-urDd it 4KieArJ {.о хч-нси с входа- мч сдиовиОра 1ире) i второго ретьепэ фор- нмроэ тьпой i.iviivibcoe, TO ход второго р ГК /рооаселя импульс( в ; адинен с од- и входоп первого плс, f HIC 11 и с егным v с.енюю tpi .ара выход f (ОПО О О динеь г, yjippLi ;шчм входом

четвертого ключа и другим входом первого элемента И, выход которого подключен к одному входу первого RS-триггера, другой вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов и к одному входу второго RS-триггера, выход одновибратора подключен к одному входу второго элемента И, другой вход которого подключен к выходу третьего формирователя импульсов, а выход соединен с установочными входами

счетных трш герое и другим входом второгг RS-триггера, выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа, выход третьего формирователя импульсов подключен к счетному входу второго счетного триггера выход котсрых подключен к управляющему входу пятого ключа, информационный вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для контроля перемещений и деформаций. Целью изобретения является расширение диапазона измерений и области применения за счет обеспечения проходного режима работы преобразователя. Для достижения поставленной цели в преобразователь, содержащий излучатель, коллиматор, анализатор, фотоприемник, формирователь импульсов начала отсчета, первый формирователь импульсов, первый RS-триггер, источник опорного напряжения, пять ключей, два интегратора, два устройства выборки и хранения, введены два токосъемника, усилитель-ограничитель, два формирователя, два счетных триггера, вго- рой RS-триггер, активный участок анализатора выполнен в виде двух спиралей Архимеда, дополнительный - в виде сектора. В совокупности активные учзстки образуют фоточувствительный прозрачный слой, заключенный между прозрачными электродами и соединенный с кольцевыми контактами, электрически сопряженными с тохосьемными. При вращении анализатора на выходе первого токосъемника (второй соединен с общей шиной) формируются два импульса, соответствующих основному и дополнительному участкам фотоприемника анализатора, которые селектируются формирователями и одновибратором по каналам и управляют работой соответствующих ключей, посредством которых за время измеряемого перемещения осуществляется интегрирование выходного напряжения источника опорного напряжения. Устройства выборки и хранения формируют выходные напряжения, пропорциональные измеряемому перемещению, в течение п циклов измерения (цикл равен периоду-вращения анализатора). При этом результат не зависит от эффективного радиуса опорного луча Зил. fSsa-v

м

32 38

&

/

29

Фиг

30

з/

Фиг.З