Устройство для измерения перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано в угловых и линейных датчиках перемещения, работающих в режиме фазовращателя, типа индуктосин, применяемых для измерения перемещений, скоростей или положения подвижных элементов исполнительных механизмов различного типа.

Известно устройство преобразования скорости углового перемещения в код, которое содержит последовательно соединенные генератор, делитель частоты, фазорасщепитель, фазовращатель, умножитель частоты и схему сравнения, ко второму входу которой подключен выход генератора.

Недостатком известного устройства преобразования скорости углового перемещения в код является сложность аппаратной реализации его из-за наличия двух каналов преобразования, что требует дополнительных элементов для построения преобразователя и снижает надежность его работы. Кроме того, из-за неидентичности настройки каналов и разброса параметров (фазовые нестабильности фильтров и нуль- органов) и при наличии в измеряемых на00

со о

пряжениях гармоник, ухудшается точность измерения параметра перемещения, а также возможные сбои в режиме реверса.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения перемещений, содержащее фазовращатель (индуктосинный датчик линейных перемещений), обмотки головки которого подключены к формирователю синусоидального напряжения, связанного через делитель частоты с генератором импульсов, усилитель линейки, вход которой подключен к выходным обмоткам линейки фазовращателя, а выход к умножителю частоты, связанного через импульсный преобразователь с опорным каналом.

Недостатком известного устройства для измерения перемещений является невысокая точность измерения, обусловленная инерционностью системы фазовой автоподстройки частоты, частотными и фазовыми искажениями, вносимыми фильтром низких частот, наличием комбинационных частот на выходе фазового детектора, а также сложность схемы пре- образования и ограниченные функциональные возможности.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения погрешности от нестабильности частоты питающего напряжения и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения скорости перемещения.

Это достигается тем, что устройство для измерения перемещений, содержащее фазовращатель, подключенную к его обмотке возбуждения цепь из последовательно соединенных генератора импульсов, делителя частоты, формирователя синусоидального напряжения, усилителя, подключенный к выходу сигнальной обмотки фазовращателя второй усилитель, снабжено счетчиком-таймером, первый вход которого подключен к генератору импульсов, второй - ко второму выходу делителя частоты, регистром, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя, второй - к выходу счетчика-таймера, формирователем логической единицы, первый выход которого подключен к третьему входу регистра, вспомогательным счетчиком, первый вход которого соединен с вторым выходом формирователя логической единицы, сумматором, первый вход которого соединен с первым выходом регистра, второй - с третьим выходом формирова геля логической еди- ницы, третий - с первым выходом вспомогательного счетчика, четырьмя элементами ИЛИ-НЕ, четырьмя элементами ИНЕ, входы первого элемента ИЛ И-НЕ соеди- нены с группой младших разрядов выхода сумматора, входы второго элемента ИЛИ- НЕ соединены с группой старших разрядов

выхода сумматора, выходы первого и второго элементов ИЛИ-НЕ подключены к соответствующим входам первого элемента И-НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, второй вход

которого подключен ко второму выходу генератора импульсов, выход - к входу четвертого элемента ИЛИ-НЕ и первому входу третьего элемента И-НЕ, старший разряд выхода сумматора подключен ко второму

входу третьего элемента И-НЕ и входу третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход четвертого элемента ИЛИ-НЕ подключен к первому входу четвертого элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего

элемента ИЛИ-НЕ, выход - ко второму входу вспомогательного счетчика., третий вход которого подключен к выходу третьего элемента И-НЕ, а вторые выходы вспомогательного счетчика и второго элемента И-НЕ

являются выходами устройства.

Предполагаемое изобретение позволяет применить метод умножения частоты выходного сигнала фазовращателя, основанного на заполнении, например,

счетчика-таймера, работающего в циклическом режиме, частотой синхронизированной с частотой питания, в течение времени, равного периоду .питающего напряжения обмотки возбуждения фазовращателя.

Г1ри этом, если за интервал времени измерения выбрать период частоты выходного сигнала, а в качестве опорного - период питающего обмотки возбуждения напряжения, то величина перемещения головки фазовращателя относительно линейки будет однозначно определяться только изменением периода частоты выходного сигнала фазовращателя:

450

(D

где р - мгновенная фаза выходного сигнала;

(о о - круговая частота питающего фазовращатель тока;

X - координата головки фазовращателя относительно линейки;

А - шаг линейки, в пределах которого составляющая мгновенного значения, зави- сящай от координаты перемещения, изменяется на л ,

При перемещении головки фазовращателя относительно линейки текущая фаза

выходного напряжения линейки изменяется пропорционально скорости ее перемещения, соответственно изменяется и частота выходного сигнала

0)

dff dt

,, , We+TTdt

где о i - мгновенная частота выходного сигнала фазовращателя.

Преобразуя уравнение (2), можно показать, что

Ј-&(.,-.

(3)

где TI - период частоты выходного сигнала фазовращателя,

То - период частоты питающего обмотки возбуждения напряжения фазовращателя.

Поскольку период То питающего напряжения и шаг А линейки величины постоян- ные, следовательно, величина перемещения будет определяться только изменением периода Tj.

Заполняя период Т0 импульсами, количество которых в каждом из периодов принимает значения от 1 до N, то как показано на диаграмме фазового сдвига выходного сигнала Исиг. фазовращателя относительно питающего его обмотки возбуждения напряжения Ивоз. (фиг.2) количество этих импульсов за промежуток времени, равный периоду Т| частоты выходного сигнала будет равно

Т Т0 + ti+1 - tj

где tt, tt-и - количество импульсов сосчитанное, например, со счетчика-таймера в предыдущий и последующий период измерения,

I - порядковый номер периода Ti измерения.

Величина перемещения головки фазовращателя относительно линейки при уело- вии, что

dx dt

ДХ Ti

и учитывая выражения (3,4) будет равно

Я

ДХ

Ti

TiT,

(tl+1 - tl)

(6)

откуда

ДХ A (tH-i-tO (7) i о

Обозначая начальное и конечное положение головки фазовращателя относительно линейки через Xi и Х2 найдем величину перемещения головки за п периодов Ti из- 5 мерения. Согласно уравнения (7) оно будет равно:

X - Х2 - Xi - i- Ј (ti+i - ti) 10T°l 1

(8)

Поскольку -зг- для данного фазовра о

щателя величина постоянная, то 15

4 п

Г

X К 2 (tH-1 - ti) 1 1

(9)

20

где К - постоянная преобразования фазовращателя.

Предполагаемое устройство позволяет в зависимогти от направления перемещения головки фазовращателя относительно линейки довольно простым способом определить знак направления перемещения, а также измерить различ 1ые параметры перемещения. Так перемещения линейки относительно головки в пределах шага линейки или в пределах всей длины линейки можно измерить, например, с помощью известных пересчетных устройств в код. который с помощью также известных отсчегных устройств может индицироваться в желаемых единицах измерения. Положение или перемещение в пределах линейки может опреде- ляться и путем подсчета количества импульсов, снимаемых с выхода второго элемента И-НЕ интегрирующим счетчиком, а скорости перемещения - цифровым частотомером в единицу времени, за счет чего расширяются функциональные возможности устройства.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для измерения перемещений; на фиг.2 - диаграмма фазового сдвига выходного сигнала фазовращателя относительно питающего его обмотки возбуждения напряжения.

Устройство для измерения перемеще° ний содержит фазовращатель 1 (индукто- синный датчик линейных перемещений), состоящий из головки 2 и линейки 3, усилитель 4, формирователь 5 синусоидального напряжения, второй усилитель 6, регистр 7,

сумматор 8, вспомогательный счетчик 9, формирователь 10 логической единицы, первый и второй элементы 11, 12 И Л И-НЕ, первый и второй элемент 13, 14 И-НЕ, третий элемент 15 ИЛИ-НЕ, третий и четвертый

25

30

35

40

элемент 16, 17 И-НЕ, четвертый элемент 18 ИЛИ-НЕ, генератор 19 импульсов, делитель 20 частоты и счетчик-таймер 21.

К обмотке возбуждения фазовращателя 1 подключена цепь из последовательно соединенных генератора 19 импульсов, делителя 20 частоты, формирователя 5 синусоидального напряжения, усилителя 4. К сигнальной обмотке фазовращателя подключен второй 6 усилитель. Первый вход счетчика-таймера 21 подключен к генератору 19, импульсов, а второй ко второму выходу делителя 20 частоты. Первый вход регистра 7 подключен к выходу второго 6 усилителя, а второй к выходу счетчика-таймера 21.

Первый вход формирователя 10 логической единицы подключен к третьему входу регистра 7. Первый вход вспомогательного 9 счетчика соединен со вторым выходом формирователя 10 логической единицы. Первый вход сумматора 8 соединен с первым выходом регистра 7, второй вход с третьим выходом формирователя 10 логической единицы, третий - с первым выходом вспомогательного 9 счетчика. Входы первого элемента 11 ИЛИ-НЕ соединены с группой младших разрядов выхода сумматора 8, входы второго элемента 12 ИЛИ-НЕ соединены с группой старших разрядов выхода сумматора 8, а выходы этих элементов подключены соответственно к первому и второму входу первого элемента 13 И-НЕ; выход этого элемента соединен с первым входом второго элемента 14 И-НЕ, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора 19 импульсов, а выход подключен к входу четвертого элемента 18 ИЛИ-НЕ и первому входу третьего элемента 16 И-НЕ. Старший разряд выхода сумматора 8 соединен со вторым входом третьего элемента 16 И-НЕ и с входом третьего элемента 15 ИЛИ- НЕ. Четвертый элемент 18 ИЛИ-НЁ своим выходом подключен к первому входу четвертого элемента 17 И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента 15 ИЛИ-НЕ, выход - ко второму входу вспомогательного 9 счетчика. Третий вход вспомогательного счетчика 9 соединен с выходом третьего элемента 16 И-НЕ. Вторые выходы вспомогательного 9 счетчика и выход второго элемента 14 И-НЕ являются выходами устройства для измерения перемещений.

Устройство для измерения перемещений работает следующим образом.

Импульсы прямоугольной формы, поступающие на вход формирователя 5 синусоидального напряжения (фиг.1) с делителя 20 частоты преобразуются формирователем 5 в синусоидальное напряжение, которое

после фильтрации (а, если необходимо, фазовращателя для получения двух синусоидальных напряжений равных по амплитуде, но сдвинутых относительно друг друга на 90

эл. град.) подаются через усилитель 4 в обмотки возбуждения головки фазовращателя 1.

При подаче питания в обмотки возбуждения, в сигнальных обмотках линейки 3

0 наведется ЭДС. Напряжение, снимаемое с обмоток линейки, несущее информацию о фазовом сдвиге, между периодом Т0 питающего напряжения и периодом П - выходного сигнала линейки поступает на вход

5 второго усилителя 6, где оно усиливается и преобразуется в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна перемещению головки относительно линейки.

0 Импульсы с выхода коллектора транзисторного ключа (на чертеже не показан) второго усилителя подаются на тактовый счетный вход С2 регистра 7, выполненного на микросхеме К155ИР1. По переднему

5 фронту этих импульсов и при наличии на управляющем входе V2 уровня логической 1, поступающей с формирователя 10 логической единицы, происходит параллельное занесение информации в регистр через па0 раллельные входы Д1...Д4 со счетчикя-тай- мера 21.

Счетчик-таймер 21 представляет собой двоичный n-разрядный счетчик, работающий в циклическом режиме. С приходом с

5 делителя 20 частоты тактирующего импульса, длительность которого равна периоду Т0 питающего обмотки возбуждения напряжения, на выходе счетчика-таймера вырабатывается код, формируемый импульсами,

0 поступающими на счетный вход счетчика- таймера с генератора 19 импульсов. Информация со счетчика-таймера в параллельном коде записывается в триггеры регистра 7 в течение времени, равного периоду Т( часто5 гы выходного сигнала фазовращателя. Код на выходе регистра является временным аналогом кодовой маски положения головки относительно линейки.

Значение кода в регистре 7 будет изме0 няться с приходом каждого следующего импульса с выхода фазовращателя и с подачей нового кода со счетчика-таймера. При перемещении головки длительность импульсов выходного сигнала фазовращателя будет

5 изменяться следующим образом: с увеличением длительности импульсов значение кода регистра будет увеличиваться, а при уменьшении длительности импульса - уменьшаться. При разенстве периодов То питающего напряжения обмотки возбуждения и периода Т| напряжения выходного сиг- кала фазовращателя (головка неподвижна) в регистр будет записываться один и тот же код.

В момент перемещения головки относительно линейки с приходом импульса измеряемого сигнала между регистром 7 и вспомогательным счетчиком 9 устанавливается равновесие записанных в них ранее кодов. Содержимое регистра в четырехразрядном параллельном коде поступает на входы А1...А4 сумматора 8, выполненного на микросхеме К155ИМЗ, на входы В1...В4 этого сумматора подается проинвертиро- ванный четырехразрядный код с выхода вспомогательного счетчика. Поскольку эти коды равны по модулю, то суммарное их значение на выходе сумматора равно О, т.е. на выходе сумматора во всех его разрядах будут О, соответственно и на входе второго элемента 14 И-НЕ будет нулевой уровень, блокирующий прохождение импульсов с генератора 19 импульсов через третий и четвертый элемент 16,17 И-НЕ на вход вспомогательного счетчика,

С приходом следующего импульса измеряемого сигнала в зависимости от направления перемещения головки относительно линейки в регистр 7 запишется больший (меньший) код. При превышении (уменьшении) кода регистра над кодом вспомогательного счетчика на выходе сумматора 8 в старшем разряде будет соответственно О или 1. При наличии на выходе старшего разряда сумматора 1, на выходе второго и третьего элемента 12, 15 ИЛИ-НЕ будет О, соответственно, на выходе первого элемента 13 И-НЕ будет 1. При этом через открытый ключ второго элемента 14 И-НЕ на вход четвертого элемента 18 ИЛИ- НЕ и на вход третьего элемента 16 И-НЕ будет поступать последовательность импульсов с генератора 19 импульсов. Так как открыт третий элемент 16 И-НЕ с выходом на вычитание, код вспомогательного счетчика будет уменьшаться до равенства с кодом регистра.

При наличии на выходе старшего разряда сумматора О, на выходе первого элемента 11 ИЛ И-НЕ будет 1, которая разрешит прохождение импульсов через четвертый элемент 17 И-НЕ с выходом на сложение, увеличивая код вспомогательного счетчика до .равенства с кодом регистра. Следовательно, в зависимости от того, какой вход элементов 16, 17 И-НЕ открыт, будет определяться в знак направления перемещения головки относительно линейки.

Таким образом, при перемещении головки относительно линейки фазовращателя

вспомогательный счетчик 9 как бы догоняет регистр 7 и в зависимости от направления перемещения и величины фазового сдвига между питающим напряжением Т0 обмоток возбуждения и напряжением выходного сигнала Т| фазовращателя на выходе вспомогательного счетчика будет формироваться код, пропорциональный перемещению головки относительно линейки.

Работу регистра, сумматора и вспомогательного счетчика-о совокупности со счетчиком-таймером можно представить на конкретном примере следующим образом. При приходе тактового импульса со второго

6 усилителя в регистр 7 со счетчика-таймера

21 запишется какой-то код, например, 0110

(десятичное число 6). При этом на выходе

вспомогательного счетчика 9 должен установиться инверсный код равный коду регистра 7, а именно - 1001 (6), в противном случае в выходном коде сумматора 8 будет присутствовать хотя бы одна логическая 1. А это означает, что на выходе второго элемента 14 И-НЕ (фиг.1) также будет логичеекая 1, которая разрешит прохождение импульсов на вход вспомогательного счетчика с генератора импульсов 19. Прохождение импульсов через элемент 14 И-НЕ прекратится при условии установления нулевого кода на выходе сумматора. Это произойдет тогда и только тогда, пока на его входах не установится инверсный код вспомогательного счетчика, равный коду регистра (вообще-то на выходе вспомогательного

счетчика инверсный код установится равным выходному коду регистра уже при подаче питания на схему).

Действительно, при сложении кода регистра 0110 и кода вспомогательного счетчика 1001 (6) получим код равный 1111, и единицей переноса, поступающей на вход Ро сумматора с формирователя 10 логической единицы (микросхема К155ЛАЗ), получим на выходе сумматора код 0000.

Если с приходом следующего тактового

импульса в регистр запишется большой код,

например, 0111 (7), то при сложении этого

кода с ранее записанным кодом 1001 (6)

вспомогательного счетчика и, учитывая единицу переноса, код на выходе сумматора будет равен 0001. Для того, чтобы код на выходе сумматора был нулевой, необходимо код вспомогательного счетчика в данном случае уменьшить на единицу. Если в регистр запишется меньший код, например, 0101 (5), на выходе сумматора код будет равен:„

0101 + 1001 + 1 1111

В этом случае, чтобы на выходе сумматора был нулевой код, нужно к выходному коду вспомогательного счетчика прибавить логическую Г, т.е. в зависимости от направления перемещения головки относительно линейки фазовращатели код вспомогательного счетчика будет, либо уменьшаться, либо увеличиваться. Причем, за положительное перемещение принимается превышение кода регистра над кодом вспомогательного счетчика. В этом случае в старшем разряде выходного кода сумматора будет логический О, а на выходе вычитание элемента 16 И-НЕ (фиг.1) будет логическая 1, которая при подаче ее на счетный вход +1 вспомогательного счетчика, выполненного на микросхеме К155ИК7, работающего в режиме суммирования и вычитания, вызовет переход из состояния логического О в состояние логической 1 на счетном входе -1 этого счетчика, т.е. вспомогательный счетчик перейдет из режима суммирования в режим вычитания. И, наоборот, при наличии логической 1 в старшем разряде выходного кода сумматора на выходе вычитание элемента 16 И-НЕ появится логический О, а на выходе сложение элемента 17 И-НЕ - логическая 1, которая будет подана на инвертирующий счетный вход -Г вспомогательного счетчика и переведет его из режима вычитания в режим сложения.

Из выше сказанного видно, что в зависимости от того, по какому счетному входу н-1 или -1 производится запись информации s счетчик, инвертирование кода на выходе вспомогательного счетчика осуществляется автоматически.

Формула изобрет ения

Устройство для измерения перемещений, содержащее фазовращатель, подключенную к его обмотке возбуждения цепь из последовательно соединенных генератора импульсов, делителя частоты, формирователя синусоидального напряжения усилителя, подключенный к выходу сигнальной обмотки фазовращателя второй усилитель, отличающееся тем, что, с целью

повышения точности измерений за счет исключения погрешности от нестабильности частоты питающего напряжения и расширения функциональных возможностей за счет

обеспечения возможности измерения скорости перемещения, оно снабжено счетчиком-таймером, первый вход которого подключен к генератору импульсов, второй - к второму выходу делителя частоты, регистром, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя, второй - к выходу счетчика-таймера, формирователем логической единицы, первый выход которого подключен к третьему входу регистра.

вспомогательным счетчиком, первый вход которого соединен с вторым выходом формирователя логической единицы, сумматором, первый вход которого соединен с первым выходом регистра, второй - с третьим выходом формирователя логической еди- ницы, третий - с первым выходом вспомогательного счетчика, четырьмя элементами ИЛИ-НЕ, четырьмя элементами И- НЕ, входы первого элемента ИЛИ-НЕ

соединены с группой младших разрядов выхода сумматора, входы второго элемента ИЛИ-НЕ соединены с группой старших разрядов выхода сумматора, выходы первого и второго элементов ИЛИ-НЕ подключены к

соответствующим входам первого элемента И-НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к второму выходу генератора, выход - к четвертому входу четвертого элемента ИЛИ-НЕ и первому входу третьего элемента И-НЕ, старший разряд выхода сумматора подключен к второму входу третьего элемента И-НЕ и входу третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход четвертого элемента ИЛИ-НЕ подключен к первому входу четвертого элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход - к второму входу вспомогательного счетчика, третий вход которого подключен к выходу третьего элемента И-НЕ, а вторые выходы вспомогательного счетчика и второго элемента И-НЁ являются выходами устройства.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано в угловых и линейных датчиках перемещений, работающих в режиме фазовращателя при измерении перемещений, скоростей и положения подвижных элементов исполнительных механизмов различного типа. Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей. При перемещении головки фазовращателя сигналы с его выхода поступают на вход усилителя и преобразуются в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна перемещению головки относительно линеек. Указанные сигналы подаются на счетный вход регистра, на другой вход которого поступают сигналы со счетчика-таймера. Значение кода в регистре будет изменяться с приходом каждого следующего импульса с выхода фазовращателя. В результате последующей обработки сигнала на выходе вспомогательного счетчика будет формироваться код, пропорциональный перемещению головки относительно линейки. 2 ил. (Л С