Устройство для измерения линейных размеров Советский патент 1992 года по МПК G01D5/22 

г Ю

Изобретение относится к измерительной технике машиностроения и предназначено к использованию в электронных приборах для измерения линейных размеров изделий. Цель изобретения .- упрощение конструкции и увеличение то чности измерения. Устройство содержит генератор 1 стабильной амплитуды, индуктивный датчик 2, инвертирующий операционный повторитель 3 напряжения генератора 1, инвертирующий операционный усилитель напряжения переменного тока, два выпрямителя 5 и 6 напряжений противоположного знака, усилитель 7 напряжения постоянного тока, показывающий прибор 8 и потенциометр 9 для смещения показаний прибора 8. 2 ил.

/

9+Щ-й -с1ь

f IZJJLjpl j

f ; 15

4нРча-Цч з

t.« j-ii.i. i i ..

Фиг.1

317

Изобретение относится к измерительной технике машиностроения и может быть использовано в приборах, предназначенных для измерения с помощью индуктивных датчиков отклоне- ним линейных размеров изделий.

Известны различные устройства для измерения отклонений линейных размеров, в которых используются индуктивные датчики перемещений.

Известное устройство содержит соединенные в виде мостовой схемы индуктивный дифференциальный датчик, трансформатор со средним отводом в одной из обмоток и генератор стабильной амплитуды и последовательно соединенные с вторичной обмоткой трансформатора усилитель напряжения переменного тока, фазовый детектор, усилитель напряжения постоянного тока и показывающий прибор.

Недостатками этого устройства являются наличие трансформатора, который является трудоемким в изготовлении, необходимость предварительной балансировки мостовой схемы при среднем положении подвижного звена индуктивного датчика.

В известных устройствах, для измерения линейных размеров не может быть применен взамен дифференциального датчика недифференциальный из-за существенного различия связей и параметров. Но достоинством является то, что так как сигнал дифференциального индуктивного датчика необ- ходимо усиливать не менее чем в 200 раз, то для уменьшения дрейфа усиленного сигнала датчика можно будет усилить сигнал усилителем напряжения переменного тока в 100 pd3, а усилителем напряжения постоянного тока в два раза.

Известно устройство, в котором отсутствует трансформатор в мостовой схеме с дифференциальным индуктивным датчиком. Это устройство содержит амплитудно-фазовый дискриминатор (АФЦ) который заменяет трансформатор и фазовый детеюор, и последовательно соединенные усилитель постоян ного тока и показывающий прибор, причем АФД содержит два дифференциальных усилителя напряжения переменного тока с неодинаковыми коэффициентами усиления по инвертирующему и неинвертирующему входам, между выходами которых вкпючена цепь из

5

55

последовательно соединенных двух диодов в проводящем направлении и двух резисторов, и в нем должен быть генератор стабильной амплитуды для питания дифференциального датчика.

Известное устройство позволяет применить безмостовую схему, благодаря чему расширяется рабочий участок с высокой линейностью характеристики преобразования, упрощается схема устройства, снижается себестоимость и на порядок возрастает точность измерения.

Но в этом описании не указано, как будет выглядеть безмостовая схема, а достоинства ее указаны для безмостовой. Если, например, будет соединен средний вывод датчика с землей,

0 то схема будет мостовой и работоспособной при отсутствии соединения генератора с землей. Если же будет соединен с землей один из крайних выводов датчика, то схема будет не5 работоспособной из-за того, что один из дифференциальных усилителей АФи станет недифференциальным, т.е. неинвертирующим и будет усиливать половину напряжения генератора, а друп той усилитель будет усиливать все напряжение генератора инвертирующим входом и усиливать половину напряжения генератора с коэффициентом усиления больше на один раз неинвертирующим входом. Если, например, коэф5 фициент усиления по неинвертирующему входу обоих усилителей будет два, то на входе УПТ будет при среднем положении подвижного звена датчика

напряжение, равное величине амплитуды п и напряжения генератора.

Если же дифференциальный датчик будет питаться от генератора через трансформатор с заземленной средней точкой во вторичной обмотке, то из- вестное устройство будет иметь мостовую схему и будет работоспособным. В этом случае усилители АФД будут усиливать дифференциально два сигнала: напряжение генератора инвертирующим входом и очень малый сигнал со среднего вывода датчика неинвертирующим входом, т.е. усилители АФД не смогут усилить сигналы датчика более чем в 2 раза. Кроме этого, схема известного устройства является неработоспособной. При отсутствии генератора для питания датчика напряжения переменного

0

и постоянного тока на выходе усилителей АФД должны быть около нуля. Но так как неинвертирующий вход усилителей в АгоД не имеет гальванического соединения с общей шиной питания, то на выходе усилителей будет либо все положительное, либо все отрицательное напряжение источника питания, т.е. усилители будут находить ся в режиме насыщения. Для исключения этого недостатка необходимо соединить средний вывод дифференциального датчика через резистор или дроссель с общей шиной питания.

Известное устройство будет работоспособным только с мостовой схемой и при наличии гальванического соединения с общей шиной питания неинвертирующего входа усилителей АФД.

Но из этого следует, что это устройство не будет обладать теми достоинствами, которые указаны.

Устройство имеет значительно больший дрейф усиленного сигнала дифференциального датчика. Сигнал со среднего вывода датчика может быть усилен усилителями АФД в 2 раза. Цепь и последовательно соединенных пассивны элементов в виде двух диодов и двух резисторов, включенная между выходами усилителей АФД, будет иметь коэффициент передачи сигнала около 0,5. Из этого следует, что для усиления сигнала датчика, например, в 200 раз коэффициент усиления УПТ должен быть 200. Если в качестве усилителей АФД будет применена интегральная микросхема КР ЙОУД2, у которой по ТУ . дрейф напряжения смещения составляет 50 мкВ/К, то при усилении его в 200 раз дрейф усиленного сигнала датчика будет 10 мВ/К от влияния температуры на усилители АФД. Кроме этого в усиленном сигнале датчика будет усиленный в 200 раз дрейф напряжения смещения диодов и самого УПТ.

Таким образом, недостатками устройства являются при мостовой схеме низкая точность измерения из-за высокого дрейфа усиленного сигнала датчика и неработоспособность при безмостовой схеме.

Целью изобретения является упрощение конструкции за счет применения безмостовой схемы и повышение - точности измерения за счет уменьшения дрейфа усиленного сигнала,.а I также возможность преобразования

5

тем же устройством сигнала недифференциального индуктивного датчика с переменным воздушным зазором.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее индуктивный дифференциальный датчик линейных перемещений, генератор стабильной амплитуды и частоты, два

Q выпрямителя напряжений противоположного знака и последовательно соединенные усилитель напряжения постоянного тока и показывающий прибор, при этом выход выпрямителей соединен с вводом усилителя напряжения постоянного тока, введены инвертирующий повторитель и инвертирующий усилитель напряжений переменного тока, вход повторителя соединен с выходом ге0 нератора, вход инвертирующего усилителя соединен с выходом повторителя и со средним выводом дифференциального индуктивного датчика, крайние выводы которого соединены соответст5 венно с нулевой шиной питания и с выходом генератора, а вход выпрямителей соединен соответственно с выходом инвертирующего повторителя и инвертирующего усилителя.

На фиг. 1 приведена схема устройства для измерения линейных размеров, на фиг. 2 - схема устройства для измерения линейных размеров, в котором применен недифференциальный индуктивный датчик с переменным воз5 душным зазором.

Устройство содержит индуктивный дифференциальный датчик 1, подвижное звено 2 которого связано с измеряемым

0 объектом 3, генератор k для питания датчика 1, инвертирующий повторитель 5 и инвертирующий усилитель 6, которые выполнены на операционных усилителях, выпрямители 7 и 8 напряжений

5 противоположного знака, выполненные по схеме удвоения выпрямленного напряжения, усилитель 9 .напряжения постоянного тока, который выполнен на операционном усилителе, и показывающий прибор 10.

Генератор b соединен выходом с крайними выводами дифференциального датчика 1, вход повторителя 5 соединен через резистор 11 с выходом гене5 ратора и выход с входом выпрямителя 7, вход усилителя 6 соединен .через резистор 12 со средним выводом датчика 1 и через резистор 13 с выходе

0

повторителя 5 и выход с входом выпрямителя 8.

Такое соединение дает возможность получения второго плеча мостовой схемы, с которой осуществляется компенсация напряженного генератора на вхо усилителя, усиливающего сигнал датчика.

Вход усилителя 10 соединен через резисторы 1 и 15 с выходом выпрямителей 7 и 8 и через резистор 16 с переменным резистором 17,который предназначен для смещения показаний прибора 10. Напряжение генератора должно быть примерно 1 8, частота 10- 15 кГц.

Сопротивление рзеисторов 1 и 15 и коэффициент передачи выпрямителей 7 и 8 должны быть одинаковы. Коэффициент усиления напряжения с выхода выпрямителей усилителем 9 должен быть два. Выпрямители 7 и 8, выполненные по схеме удвоения выпрямленного напряжения, будут иметь коэффициент передачи около двух.

Если необходимо усилить сигнал со среднего вывода датчика в 200 раз, т усилитель 6 должен будет иметь коэффициент усиления 50 для сигнала, поступающего через резистор 12. Резистор 13 должен иметь такую величину сопротивления, чтобы при среднем положении подвижного звена датчика напряжение на выходе усилителя 6 было равно напряжению на выходе повторителя 5. Из этого следует, что в таком случае сопротивление резистора 13 должно быть больше сопро12 - .50тивления резистора

в

25±1

раз.

Индуктивный недифференциальный датчик с переменным воздушным зазором (фиг.2), состоит из броневого ферромагнитного сердечника 18 с обмоткой и из дискового ярма 19. Ярмо 19 является подвижным звеном датчика и связано с измеряемым объектом 3.

Индуктивный недифференциальный датчик соединен с выходом генератора k через конденсатор 20, реактивное сопротивление которого для-обеспечения линейной характеристики преобразования должно быть равно реактивному сопротивлению индуктивного датчика при полностью отведенном подвижном ярме 19.

С точкой соединения вывода обмотки индуктивности 18 и конденсатора

5

0

5

20 соединен вход усилителя 6 через резистор 12. ЭтоУ недифференциальный датчик, выполненный на броневом сердечнике 518, имеет линейность характеристики преобразования с отклонением не более 2% до величины воздушного зазора 1,2 мм. При этом воздушном зазоре величина .падения на- пряжения на реактивном сопротивлении индуктивного датчика будет в два раза больше.напряжения генератора, а на реактивном сопротивлении конденсатора будет равно напряжению генератора .

При воздушном зазоре датчика около нуля падение напряжения на реактивном сопротивлении индуктивного датчика будет равно напряжению генератора, а на реактивном сопротивле- нии конденсатора около нуля. Так как чувствительность такого недифференциального датчика значительно выше чем у дифференциального при одинаковом напряжении питания, то коэффициент усиления 6 должен быть не более 2. Сопротивление резистора 12 в этом случае должно быть такой величины, чтобы при средней величине воздушного зазор в недифференциальном датчике 0,6 мм напряжение на выходе усилителя 6 было равно напряжению на выходе повторителя 5.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Индуктивный дифференциальный датчик (фиг.1) служит делителем напряжения генератора . При среднем положении подвижного звена 2 датчика напряжение на среднем выводе датчика будет в 2 раза меньше напряжения генератора. Ток этого напряжения поступает через резистор 12 на инвертирующий вход усилителя 6, куда поступает через резистор 13 ток напряжения с выхода повторителя 5 с противоположной фазой. Таким образом, усилитель 6 будет усиливать малой величины разность двух боль- ших напряжений, одно из которых будет изменяться на малую величину пропорционально смещению подвижного звена индуктивного датчика.

0

5

0

S

При среднем положении подвижного звена датчика напряжения на выходе . выпрямителей 7 и 8 будут равны и противоположны по знаку и при среднем положении движка переменного ре91

зистора 17 показания прибора 10 будут равны нулю.

Смещение подвижного эвена индуктивного датчика в ту или иную сторону в зависимости от изменения размера измеряемого объекта приведет к изменению напряжения на выходе выпрямителя 8 и к пропорциональному изменению показаний прибора 10.

Так как сопротивление резисторов и 15 на входе усилителя 10 и коэффициент передачи выпрямителей одинаковы, то -при среднем положении подвижного звена индуктивного датчик и среднем положении движка переменного резистора 17 показания прибора 10 не будут изменяться, как и в мостовой схеме включения дифференциальног датчику при изменении напряжения ге- нератора или изменении температуры окружающей среды.

Дрейф сигнала на выходе усилителя Э не будет больше чем в известны аналогах, так как усилителем Э будет усилен только дрейф выпрямителей в 2 раза. Если же выпрямители будут выполнены по иной схеме, при которой они будут иметь гальваническую связь с выходами повторителя 5 и усилителя 6, то необходимо будет включить последовательно с резисторами 12 и 13 конденсаторы. В этом случае коэффициент усиления усилителя 6 по постоянному току будет равен единице и усилитель 10 усилит и дрейф напряжения смещения операционного усилителя в 2 раза, величина которого на выходе УПТ буде меньше, чем в прототипе, например, в 100 раз.

Достоинством предлагаемого устрой ства являются отсутствие в нем трудоемкого в изготовлении трансформа

5 5

0

0

55Ю

тора, более простая схема при сохра-- нении достоинств мостовой схемы, и в нем может быть применен недиффе- ренциальный индуктивный датчик с переменным воздушным зазором, а по сравнению с известным является работоспособным при безмостовой схеме и имеет на два порядка меньший уровень дрейфа усиленного сигнала индуктивного датчика, т.е. более высокую точность измерения.

Формула изобретения

Устройство для измерения линейных размеров, содержащее индуктивный дифференциальный датчик линейных перемещений, генератор стабильной амплитуды и частоты, последовательно соединенные усилитель постоянного напряжения, вход которого соединен с выходами двух выпрямителей напряжения противоположных знаков, и показывающий прибор, подключенный другим входом к общей шине, отличающееся тем, что, с целью упроще- ния устройства и повышения точности измерения за счет уменьшения дрейфа сигнала датчика, в него введены повторитель и усилитель переменного напряжения, выходы которых подключены к входам соответствующих выпрямителей напряжений противоположных знаков, а инвертирующие входы соединены соответственно с выходом генератора стабильной амплитуды и частоты и выходом повторителя, подключенным к среднему выводу индуктивного дифференциального датчика линейных перемещений, крайние выводы которого соединены соответственно с выходом генератора стабильной амплитуды и частоты и с общей шиной.

-HHfrfrH

Яи.

/

/s

И

Kfl

И:

Чг г У