Индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом Советский патент 1992 года по МПК G01B7/00 

о со о

О

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений. Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет повышения чувствительности преобразователя. Напряжение питания от источника 1 переменного напряжения через первичную обмотку трансформатора 2 поступает на индуктивный преобразователь 12. При перемещении объекта 13 контроля изменяющееся напряжение поступает на входы масштабирующих контуров 3 и 4, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных фазовращателя 5 (7) и масштабирующего звена 6 (8) соответственно. С выходов масштабирующих контуров сигналы поступают на входы соответствующих сумматоров 9 и 10, на вторые входы которых поступает сигнал с выхода индуктивного преобразователя 12. С выходов сумматоров сигналы поступают на входы фазометра 11. Путем регулировки амплитуды и фазы сигналов в соответствующих масштабирующих контурах добиваются максимального значения чувствительности датчика. 3 ил. СО

Фиг1

WK -fW

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объектов.

Известно устройство перемещение - фаза, содержащее источник переменного напряжения, преобразователь, масштабирующий контур в виде последовательно включенных фазовращателя и масштабирующего звена, сумматор и фазометр.

Недостатками указанного устройства являются

низкая точность преобразования, обусловленная малой величиной приращения фазы суммарного сигнала на единицу перемещения за счет изменения амплитуды только одного из геометрически суммируемых сигналов,

низкая надежность работы в условиях воздействия дестабилизирующих факторов из-за паразитного изменения фазы результирующего сигнала вследствие непропорционального изменения амплитуд геометрически суммируемых сигналов при воздействии на источник синусоидального напряжения и преобразования разных по величине дестабилизирующих факторов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом, содержащий источник переменного напряжения, индуктивный преобразователь, масштабирующий контур в виде последовательно соединенных фазовращателя и масштабирующего звена, трансформатор, сумматор и фазометр. Первичная обмотка трансформатора включена межДу выходом источника переменного напряжения и сигнальным выводом катушки индуктивного преобразователя. Сигнальный вывод второй обмотки трансформатора соединен с входом фазовращателя масштабирующего контура. Входы сумматора подключены к выходам масштабирующего контура и общей точке первичной обмотки трансформатора с катушкой индуктивного преобразователя. Выходы фазометра соединены с выходами сумматора и масштабирующего контура.

Недостатком известного датчика является недостаточная точность преобразования, обусловленная малой величиной приращения фазы суммарного сигнала на единицу перемещения вследствие того, что максимальный диапазон изменения фазы суммарного сигнала меньше 180°.

Цель изобретения - повышение точности измерений путем увеличения диапазона изменения фазы результирующего сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом снабжен вторым масштабирующим контуром в виде последовательно

соединенных фазовращателя и масштабирующего звена, подключенным входом к сигнальному выводу вторичной обмотки трансформатора, вторым сумматором, первый вход которого подключен к выходу второго масштабирующего контура, второй вход - к второму входу первого сумматора, а выход второго сумматора соединен с вторым входом фазометра.

Введение второго масштабирующего

контура и второго сумматора позволяет повысить точность преобразования вследствие увеличения чувствительности преобразования за счет увеличения приращения фазы суммарного сигнала на единицу перемещения и вследствие увеличения диапазона изменения фазы суммарного сигнала в два раза.

На фиг. 1 приведена электрическая блок-схема индуктивного датчика перемещения с фазовым выходом; на фиг. 2 - схема конструкции индуктивного преобразователя; на фиг, 3 - векторная диаграмма сигналов датчика перемещения с фазовым выходом.

Индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом (фиг. 1) содержит источник 1 переменного напряжения, трансформатор 2, первый масштабирующий контур 3 в виде последовательно включенных фазовращателя 5 и масштабирующего звена 6, второй масштабирующий контур 4 в виде последовательно включенных фазовращателя 7 и масштабирующего звена 8, первый 9 и второй 10 сумматоры, фазометр 11, индуктивный преобразователь 12 и объект 13 контроля.

Конструктивно индуктивный преобразователь (фиг. 2) представляет собой катушку 16 индуктивности, размещенную в ферромагнитной чашке 14 Ш-образного сечения. Со стороны открытого торца ферромагнитной чашки 14 размещен объект 13 контроля, а со стороны закрытого торца трансформатор, состоящий из первичной 18 и вторичной 17 обмоток, размещенных в ферромагнитной чашке 15 Ш-образного сечения, причем открытый торец чашки 15 обращен в сторону закрытого торца чашки 14,

который выполняет функцию замыкающей пластины магнитопровода трансформатора.

Индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом работает следующим образом.

Синусоидальное напряжение выхода источника 1 переменного напряжения, имеющего малое внутреннее сопротивление, через первичную обмотку трансформатора 2 поступает для питания катушки индуктивности преобразователя 12. При перемещении объекта 13 контроля, например, в сторону увеличения зазора X (фиг. 1) уменьшается индуктивность, а также индуктивное и полное сопротивления катушки индуктивности преобразователя.

Так как источник 1 синусоидального напряжения имеет малое внутреннее сопротивление, то при уменьшении полного сопротивления катушки индуктивности преобразователя уменьшается по амплитуде сигнал Ux, снимаемый с сигнального вывода катушки индуктивности преобразователя 12, а сигнал Ux, снимаемый с вторичной обмотки трансформатора 2, возрастает по амплитуде. Сигналы Ux и Ux сдвинуты по фазе на 180° за счет соответствующего включения вторичной обмотки трансформатора 2 и связаны с перемещением X зависимостью, близкой к экспоненционной:

Ux U0 6

±аХ

где U0 - сигнал с сигнального вывода катушки индуктивности преобразователя или с вывода вторичной обмотки трансформатора приХ Омм;

а- показатель степени экспоненциальной функции (берется со знаком Ч для возрастающей функции и со знаком - для убывающей функции).

С помощью фазовращателей 5 и 7 формируются на их выходах сигналы Uxi и Ux2, сдвинутые по фазе относительно сигнала Ux в сторону опережения (сигнал Uxi) и в сторону отставания (сигнал Ux2) соответственно на углы 1 и V-2, меньшие 45° (фиг. 3).

Гармонические сигналы Uxi и UX2 с выходов фазовращателей 5 и 7 через масштабирующие звенья 6 и 8 поступают на первые входы сумматоров 9 и 10, на вторые входы которых подается сигнал Ux с точки соединения первичной обмотки трансформатора

2и катушки индуктивного преобразователя 12.

На сумматоре 9 происходит геометрическое сложение гармонических сигналов UX1 и Ux. На выходе сумматора 9 формируется первый суммарный (результирующий) сигнал Us, вектор которого вращается (на фиг.

3показано стрелкой ) вследствие изменения по амплитуде сигналов UX1 и Ux в функции перемещения по возрастающему и убывающему законам соответственно.

Фаза суммарного гармонического сигнала U определяется выражением

р arctg

sin Vbi

(2)

где р - фаза суммарного сигнала U с выхода первого сумматора 9;

Ю$)i - сдвиг фаз между гармоническими

сигналами Ux и Uxi;

Ux - гармонический сигнал с точки соединения первичной обмотки трансформатора 2 и катушки индуктивного пре15 образователя 12, промодулированный в функции перемещения;

Uxi - гармонический сигнал с сигнального вывода вторичной обмотки трансформатора 2, сдвинутый по фазе первым

20 фазовращателем 5 и промодулированный в функции перемещения.

Одновременно на сумматоре 10 происходит геометрическое сложение гармонических сигналов Ux2 и Ux. На выходе

25 сумматора 10 формируется второй суммарный сигнал Ц,.,, вектор которого вращается в противоположном направлении (на фиг. 3 показано стрелкоййй) относительно вращения вектора сигнала Uf . Вращение вектора

30 сигнала U., происходит вследствие изменения по амплитуде сигналов UX2 м Ux в функции перемещения по возрастающему и убывающему законам соответственно.

Фаза суммарного гармонического сиг35 нала Ц., определяете я выражением

(pi arctg

Sin t/,t)2

cos УЖ +

U,

(3)

U2

где f2 - фаза суммарного сигнала выхода второго сумматора 10;

V-D2 сдвиг фаз между гармоническими сигналами Ux и Ux2;

Ux2 - гармонический сигнал с сигнального вывода вторичной обмотки трансформатора 2, сдвинутый по фазе вторым фазовращателем 7 и промодулированный в функции перемещения.

Суммарные сигналы U, и выходов сумматоров 9 и 10 поступают на входы фазометра 11, с выхода которого снимается зависимость разности фаз между двумя сум- марными сигналами от измеряемого перемещения: рвых f(X). В результате одновременного вращения двух суммарных векторов Uj. и разных направлениях разность фаз между суммарными сигналами

рвых pi + pi изменяется с удвоенной скоростью и определяется выражением

рвых р + рг arctg

sin yoi

+ arctg

Ux cost/oi + -TJЈJsin te

Ux cosVt 2+-rjTj

которое является функцией преобразования индуктивного датчика перемещения с фазовым выходом.

На векторной диаграмме (фиг. 3) с индексом Н обозначены сигналы, соответствующие началу диапазона измерения, а с индексом К - сигналы, соответствующие текущему значению измеряемого перемещения. Из векторной диаграммы (фиг. 3) и выражения (4) видно, что у предлагаемого датчика диапазон измерения разности фаз между суммарными сигналами Ц боль- ше 180° и близок к 360°, т.е. датчик обладает повышенной в два раза чувствительностью преобразования по сравнению с датчиком- прототипом.

Повышение линейности выходной характеристики датчика обеспечивается пу- тем выбора необходимых углов сдвига фаз 1/01 и ipQ2 между сигналами Ux и Uj, Ux и U2x с помощью фазовращателей 5 и 7 (путем подбора элементов фазовращателей) и изменением с помощью масштабирующих звеньев 6 и 8 (например, подбором элементов делителя напряжения на резисторах) ампдитуды сигналов Ui x и U2x таким о.бра- зом, что отношение сигналов Ux/Uix и

10

15

20

25

35

Ux/U2x равны 1 в точке баланса, расположенной в конце диапазона измерения.

Использование предлагаемого датчика по сравнению с датчиком-прототипом позволяет повысить чувствительность преобразования в два раза, а следовательно, и точность преобразования.

Формула изобретения Индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом, содержащий источник переменного напряжения, подключенный к нему первым концом первичной обмотки трансформатор, подключенный к второму концу первичной обмотки трансформатора индуктивный преобразователь, первый масштабирующий контур в виде последовательно соединенных фазовращателя и масштабирующего звена, подключенный входом к сигнальному выводу вторичной обмотки трансформатора, первый сумматор, подключенный первым входом к выходу первого масштабирующего контура, вторым - к точке соединения первичной обмотки трансформатора и индуктивного преобразователя, фазометр, первый вход которого подключен к выходу сумматора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен вторым масштабирующим контуром в виде последовательно соединенных фазовращателя и масштабирующего звена, подключенным входом к сигнальному выводу вторичной обмотки трансформатора, вторым сумматором, первый вход которого подключен к выходу второго масштабирующего контура, второй - к второму входу первого сумматора, а выход второго сумматора соединен с вторым входом фазометра.

Фае. 2

..ПК) Л/

а