Устройство для измерения перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B7/14 

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

Известен преобразователь линейных перемещений, содержащий подвижный якорь, два соосно расположенных ферромагнитных сердечника с размещенными в i них измерительной и компенсационной обмотками.

Недостаток указанного устройства заключается в значительной нелинейности выходной характеристики, обусловленной резким изменением пространственных характеристик электромагнитного поля.

Известно устройство для измерения перемещений, содержащее источник питания, дифференциально-трансформаторный преобразователь перемещений с первичными последовательно включенными обмотками, подключенными к выходу блока питания, и вторичными обмотками, включенными встречно, фазосдвигающую цепь, вход которой подключен к одному из сигнальных выводов вторичной обмотки, например компенсационной, блок формирования сигналов, входы которого соединены с выходом фазосдвигающей цепи и вторым сигнальным выводом вторичных обмоток.

Недостатками этого преобразователя являются большие габаритно-весовые параметры, обусловленные тем, что дифферен- циально-трансформаторный преобразователь перемещений (чувствительный элемент) содержит две первичные обмотки (рабочую и компенсационную), включенные последовательно, и две вторичные обмотки (рабочую и компенсационную), а также тем, что в состав преобразователя входит отдельный узел (фазосдвигающая цепь), осуществляющий дополнительный сдвиг синусоидального сигнала с выхода вторичной рабочей обмотки относительно сигнала с выхода вторичной компенсационной обмотки; большая температурная погрешность измерений, обусловленная

(Л

С

XI

со х| ISD ел ю

асимметричными условиями работы рабочей и компенсационной частей вследствие шунтирующего действия на секцию вторичной обмотки рабочей части параллельно подключенной фазосдвигающей цепи (на- пример, типа R-C или R-L), что приводит к паразитному изменению фазы суммарного сигнала за счет непропорционального изменения по величине геометрически суммиру- емых сигналов при воздействии температуры.

Цель изобретения -уменьшение температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения перемещений введены первый и второй резисторы, выход блока питания через, соответственно, первый и второй резисторы подключен к началам соответственно рабочей и компенсационной обмоток, концы которых подключены к шине нулевого потенциала, начала компенсационной и рабочей обмотки подключены соответственно к прямому и инверсному входам дифференциального усилителя, выход которого является выхо- дом устройства.

Использование изобретения позволяет уменьшить габаритно-весовые характеристики вследствие того, что в чувствительном элементе используются две обмотки (вме- сто четырех обмоток, используемых в устройстве-прототипе), а также вследствие использования последовательно соединенных обмоток и подборных резисторов в качестве фазосдвигающей цепи, т. е. исключить специальный фазосдвигающий узел (цепь), входящий в состав устройства- прототипа; уменьшить температурную погрешность измерения, обусловленную температурной нестабильностью датчика ввиду асимметрии условий работы рабочей и компенсационной частей вследствие шунтирующего действия на вторичную рабочую обмотку рабочей части чувствительного элемента фазосдвигающей цепи, которая в ус- тройстве-прототипеподключена

параллельно вторичной обмотке рабочей части и приводит к паразитному изменению фазы суммарного сигнала за счет непропорционального изменения по величине гео- метрически суммируемых сигналов при воздействии температуры.

В предлагаемом датчике шунтирующее действие фазосдвигающего контура на вторичную обмотку рабочей части исключено, так как необходимый сдвиг по фазе между суммируемыми напряжениями устанавливается за счет использования последовательно соединенных обмоток и подборных резисторов.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - схема индуктивного датчика; на фиг. 3 - векторная диаграмма работы устройства.

Устройство для измерения перемещений содержит блок 1 питания, индуктивный датчик 2 перемещений (чувствительный элемент), выполненный в виде рабочей обмотки

6и компенсационной обмотки 7, последовательно с которыми включены подборные резисторы R 1 и R 2, рабочий 4 и компенсационный 3 якори и дифференциальный усилитель (сумматор) 8, первый вход которого подключен к точке соединения подборного резистора R 1 с компенсационной обмоткой 7, второй вход сумматора подключен кточке соединения подборного резистора R 2 с рабочей обмоткой 6, свободные выводы резисторов R 1 и R 2 соединены с выходом блока 1 питания, шина нулевого потенциала подключена к общей точке соединения свободных выводов рабочей 6 и компенсационной 7 обмоток и к общим выводам блока 1 питания и дифференциального усилителя 8.

Индуктивный датчик 2 перемещений представляет собой (фиг. 2) ферромагнитный корпус 9, внутри которого размещен ферромагнитный сердечник 5, на котором расположены рабочая 6 и компенсационная

7обмотки. В компенсационной половине преобразователя (на фиг. 2 вверху) расположен компенсационный якорь 3, Измерение перемещения ведется относительно рабочего якоря 4.

Устройство работает следующим образом.

Синусоидальное напряжение Un с выхода блока 1 питания, переменного напряжения (см. фиг. 1), имеющего малое внутреннее сопротивление, через подборные резисторы R 1 , R 2 поступает для питания рабочей 6 и компенсационной 7 обмоток датчика 2. При перемещении рабочего якоря 4, например, в сторону увеличения зазора Хр уменьшается индуктивность, а также индуктивное и полное сопротивление рабочей обмотки 6 датчика. Так как блок 1 питания имеет малое внутреннее сопротивление, то при уменьшении полного сопротивления обмотки 6 уменьшается по амплитуде сигнал Up(x), снимаемый с точки соединения подборного резистора R 2 с обмоткой 6, по закону, близкому к экспоненциальному. Между компенсационным напряжением (снимаемым с точки соединения подборного резистора R 1 и компенсационной обмотки 7) ик и рабочим напряжением 1)р(х) jryTCM подбора резисторов R 1, R 2 устанавливается угол сдвига фаз ро более 0°, но менее 10° Напряжение UK и UP(x), изменяющееся в функции перемещения X, поступают соответственно на прямой и инверсный входы сумматора 8.

На инверсном входе дифференциального усилителя 8 производится инверсия напряжения Up(x) по фазе на 180°, и сдвиг фаз to между напряжением UK и инвертированным напряжением U P(X) определяется выражением

180-рь . И)

Напряжения UK и U P(X), сдвинутые по фазе на угол (fa , геометрически суммируются на дифференциальном усилителе 8, с выхода которого снимается суммарное напряжение Ц; с изменяющейся фазой рвык в функции перемещения, т. е. выходным сигналом датчика 2 является угол рвых суммарного напряжения относительно напряжения UK, снимаемого с компенсационной обмотки.

Функция преобразования устройства определяется выражением

рвьк arctg

COS o-hUk

, (2)

Up/x)

где фаза суммарного напряжения U-относительно фазы напряжения UK компенсационной обмотки;

Ф0 - угол сдвига фаз между геометрически суммируемыми напряжениями UK и U p(x).

При изменении напряжения U р(х) в функции перемещения меняются величина и направление вектора суммарного напряжения Ц, т. е. меняется угол вых, что поясняет векторная диаграмма на фиг. 3, где индексом н обозначены сигналы устройства в начале диапазона измерения, а индексом к - в конце диапазона измерения.

Отношение

Uk

в выражении (2)

Up(x)

является функцией зазора Хр между рабочим торцом датчика 2 и рабочим якорем 4, причем указанное отношение в диапазоне измерения меняется по закону, близкому к экспоненциальному, в то время как зависимость фазы суммарного напряжения вых

Uk

от отношения

UP(X)

изменяется по закону арктангенса, причем максимальную крутизну эта зависимость имеет при

Uk 1. Кроме того, крутизна характеир(х)

Uk

-) за висит от вы бо

ристикирвых f(,

Up(x)

pa угла fo между геометрически суммируемыми напряжениями UK и U P(X). Чем ближе угол W0 к 180°, тем больше крутизна завиUk

СИМОСТИ (рвы f (

Up(x)

) Поэтому, выбирая соответствующий угол между

10 напряжениями UK и U р(х) и обеспечивая их

равенство в точке диапазона измерения, где

Uk

крутизна зависимости (p) неUp(x)

значительна, а крутизна зависимости . 15Uk

f () максимальна, можно добитьир(х)

ся значительной линеаризации функции р (Xp).

2Q Для индуктивных (трансформаторных) датчиков экспериментально установлено, что максимальная линейность выходной характеристики р вых -f(Xp) обеспечивается при Фо в начале диапазона измерения

25 (170-179)° и при балансировке напряжений UK и и р(х) в точке, расположенной ближе к концу диапазона измерения.

Для получения максимальной линейности выходной характеристики датчика проЗо изводят его регулировку следующим образом.

С помощью подборных резисторов R 1 или R 2 фазосдвигающих цепей (элементы R 1 - L1 или R 2 - L2) задают угол р0 (в

35 рекомендуемом варианте 1-10°). Компенсационный якорь 3 располагают относительно обмотки 7 с зазором , где Хр - максимальное значение диапазона измерения. Снимают предварительную градуировоч40 ную характеристику, относительно которой ведется дальнейшая регулировка. При регулировке перемещением компенсационного якоря 3 вдоль корпуса 9 датчика меняют крутизну характеристики (x) в конце

45 диапазона измерения, а изменением угла р о с помощью фазосдвигающих цепей R1 - L1 (или R2 -L2) изменяют крутизну характеристики в начале диапазона измерения. Таким образом, изменением угла

50 и перемещением компенсационного якоря 3 вдоль корпуса 9 добиваются необходимой линейности устройства.

Уменьшение температурной погрешности достигается тем, что в предлагаемом уст55 ройстве необходимый угол сдвига фаз о между сигналами U« и Up(x) устанавливается с гюмощью подборного резистора R 1 (или R , который включен последовательно с обмоткой 7 (или обмоткой 6), т. е. в качестве фазосдвигающей цепи типа L-R используется индуктивность обмотки (элемент конструкции датчика 2 перемещений) и резистор R . При этом параллельно рабочей 6 и компенсационной 7 обмоткам, с которых снимаются сигналы Up(x) и UK, подключены входы дифференциального усилителя 8 с большим входным импедансом (2Вых1 1 2вых1-2« « 2вх..2), которые не оказывают шунтирующего действия на обмотки. При воздействии температуры на датчик 2 перемещений обмотки 6 и 7 находятся в одинаковых условиях электрического на- гружения, так как входные импедансы входов дифференциального усилителя 8 имеют величину одного порядка

(Zex..ycMfl.vZBx2 ZBbix.KaT.KiHfl). ПОЭТОМУ

одинаковые изменения от воздействия температуры выходных сопротивлений рабочей и компенсационной обмоток ( AZBbix.pa6 AZebix.KOMn.), имеющих одинаковое количество витков, обусловливают одинаковые изменения напряжений Up(x) и UK, а вследствие того, что эти напряжения геометрически

суммируются, то фаза выходного 1 напряжения р вых не изменяется, т. е. уменьшается температурная погрешность.

Ф о р м у л а и з о б р ете н и я

Устройство для измерения перемещений, содержащее блок питания, дифференциальный усилитель, индуктивный датчик перемещения с магнитопроводом, рабочей

и компенсационной обмотками и шину нулевого потенциала, отличающееся тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности измерения, в него введены первый и второй резисторы, выход блока

питания через соответственно первый и второй резисторы подключен к началам соответственно рабочей и компенсационной обмоток, концы которых подключены к шине нулевого потенциала, начала компенсационной и рабочей обмотки подключены соответственно к прямому и инверсному входам дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений. С целью уменьшения температурной погрешности измерения устройство выполнено в виде рабочей и компенсационной обмоток, размещенных на магнитопроводе и двух подборных резисторов, через которые блок питания запитывает рабочую и компенсационную обмотки, разность сигналов на которых усиливается дифференциальным усилителем. Сигнал на выходе усилителя в некотором диапазоне пропорционален перемещению. 3 ил.

Шина нулевого потенциала

Ик

Iffffai.

UK

Ъш.№

х

Фм.г

№

Фиг.З