Устройство для измерения перемещений Советский патент 1993 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборостроению, и представляет собой автоматически уравновешивающийся мост с дефференци- альным индуктивным преобразователем перемещений (ДИПП).

Известны измерительные цепи по схеме неравновесного измерительного моста переменного тока, два плеча которого образованы двумя половинами ДИПП. Два других плеча могут иметь активные или комплексные сопротивления Они имеют ряд недостатков, снижающих точность измерений на устройствах, выполненных на их основе, или сужающих область их применения. Это, в частности:

1) зависимость амплитуды аналогового сигнала выхода от напряжения питания;

2) нелинейность (как правило) шкалы выходного прибора устройств на их основе;

3) наличие фазового сдвига выхода и зависимость его вепичины от положения сердечника ДИПП;

4) проблемы стыковки с самописцем, а также с магнитоэлектрическим прибором постоянного тока, решением дополнительными фазочувствительными и (или) выпрямляющими устройствами.

Поэтому эти цепи не позволяют эффективно использовать их для точных измерений и автоматической регистрации перемещений.

Измерительные цепи неравновесных мостов снабжены дополнительными резистивно- емкостными элементами, с помощью которых осуществляется предварительно уравновешивание по двум составляющим, корректиvj Ч

CS О

о

руя тем самым неиндентичность половин реально изготовленною преобразователя.

Цепи предварительного уравновешивания неравновесного моста выполнены таким образом, что не шунтируют преобра- зователь, сохраняя его высокую чувствительность, однако и этой схеме присущи все вышеперечисленные недостатки неравновесных мостов.

Целью изобретения является повыше- ние точностиТл автоматизация процесса не- прерывчьоГйзмерений с ДИПП.

Для достижения цели известная схема включения ДИПП в. неравновесный мост преобразована в равновесный мост пере- менного тока, 50 Гц. с автоматическим уравновешиванием. Элементы новой схемы - это ДИПП (6 и 7), плечи сравнения 1 и 2, (резисторы R i R2;TR). реохорд Rp со скользящим контактом 5, включенный параллельно датчику, и RC uenoMKa (элементы 3 Ra и 4 С) из параллельно соединенных емкости С и сопротивления РЗ, включенная между подвижным контактом реохорда и точкой соединения сравнительных плеч моста, а также фазочувствительный усилитель 8 с реверсивным двигателем 9, кинематически связанный с подвижным контактом реохорда и стрелкой-указателем шкалы. Новая схема для данного конкретного ДИП- Па с определенным значением комплексного сопротивления его половин обеспечивает автоматическое полное уравновешивание по активной и реактивной составляющим в трех точках диапазона измерений - на- чальной. точке середины и конечной изменением соотношения двух активных сопротивлений - частей одного реохорда путем перемещения одного скользящего его контакта. Во всех промежуточных точ- ках достигается практически полное уравновешивание, при этом RP«R.

В процессе работы устройства по мере смещения ферритового сердечника ДИПП возрастает индуктивное сопротивление од- ного плеча ДИПП и соответственно на ту же величину уменьшается индуктивное сопротивление другого. Возникающий небаланс компенсируется, нейтрализуется введением в соответствующее плечо сравнения ем- костной составляющей с помощью автоматического перемещения реверсивным мотором подвижного контакта реохорда. При этом по мере приближения к положению равновесия не меняются фаза сигнала и на входе усилителя 8 (типа УЭ-109) не наблюдается квадратурной составляющей, что обеспечивает сохранность высокой чувствительности его во всем диапазоне измерений. RC-цепочка (элементы 3 и 4) при

соответствующем выборе ее параметров легко обеспечивает переход работы устройства на новый (расширенный или суженный) диапазон регистрируемых перемещений.

В результате приведенного ниже расчета получены аналитические зависимости для введения в схему элементов 3 и 4, составляющих параллельную RC-цепочку. Эквивалентная схема для одной из крайних точек диапазона измерения, когда RC-цепочка шунтирует соответствующее плечо сравнения, будет выглядеть как на фиг.2, где 2.2 - комплексное сопротивление, образованное соединенными в параллель R2, Рз и С.

1-1,1,1

Отсюда

+

+

Z2R2 R3 ХС

гдеХс 1/Ч а) С,

a (по условию).

Итак -- 4-+-сГ- Z2 R Ra

В результате перемещения сердечника ДИПП в крайнее положение диапазона измерения, соответствующее крайнему положению скользящего контакта реохорда Rp, индуктивность одного плеча датчика уменьшилась на A L и стала равна A L, где LO - начальная индуктивность каждой половины ДИПП, а другого плеча увеличилась на AL и стала равной L0+ L

Т.о имеем ш L , L +j2 y A L, где r - активное сопротивление каждой из половин ДИПП.

Из условия равновесия моста имеем

1 Z3 г + J со| L + J 2 (о A L Z2 R ZAR(r+jwL

L + JL Mft AL R R I г + j ro L

J +JL () R R

r2 + Ј L 2

JL + A L . 2 wrAL R ) RCr Wu2)

(2)

Сравнивая почленно выражения (1) и (2), находим

R, - R(r2+&ll-2) R . r2 -fVtio-AL)2

КЗ --- -------- - -- --- ..--i-------г-

2&/L- AL of (to -AL)AL

2r AL

R(r2+ft/2L;2)

2 R

r24V(L0-AL)2

В средней точке диапазона при любых параметрах RC-цепочки достигается полное уравновешивание, поскольку ДИПП не вносит сдвига фаз между напряжением питания и напряжениями на своих половинах, имеющих равные в средней точке комплексные сопротивления и падения напряжения и ток через RC-цепочку в связи с этим не течет.

Датчик выполнен высококачественным и поэтому для некоторой корректировки идентичности полсвин датчика по активной составляющей оказалось достаточным последовательно с соответствующей половиной датчика включить небольшое безреактивное сопротивление. Выравнивание индуктивных сопротивлений производилось коррекцией положения якоря. Качественное изготовление датчика, а также принятый способ предварительного уравновешивания, как не содержащий скользящих контактов, наиболее надежно соответствуют одной из составляющих поставленной цели - повчииению точности измерений.

Устройство для измерения перемещений, выполненное по предложенной измерительной цепи уравновешенного моста с ДИПП, принципиально нечувствительно к изменениям напряжения питания и имеет в связи с применением нулевого метода измерений, одним из которых является метод уравновешенного моста, более высокую

0

5

0

5

0

5

точность в сравнении с усфпйсн-ьчми лн.по гичного назначения по схпмг.м ноурпвнопо шенных мостOR в сходных условиям эксплуатации. Оно эффективно работает не сколько лет в режиме автоматической реги страции перемещений в диапазоне 0-100 мкм и применено в дилатометре для.изучения теплового расширения полупроводниковых материалов.

Формула изобретения Устройство для измерения перемещений, содержащее дифференциальный преобразователь, включенный в измерительные плечи моста, два резистора, включенные в плечи сравнения моста, реохорд, включенный параллельно дифференциальному преобразователю, уравновешивающий конденсатор, соединенный с подвижным контактом реохорда, и уравновешивающий резистор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и автоматизации процесса измерения, оно снабжено последовательно соединенными фазочувствительным усилителем и реверсивным двигателем, один вход фазочувстви- тельного усилителя соединен с общей точкой плеч сравнения моста, второй вход - с общей точкой измерительных плеч моста, уравновешивающий резистор и конденсатор соединены между собой параллельно и подключены между подвижным контактом реохорда и общей точкой плеч сравнения моста, а подвижный контакт реохорда механически связан с реверсивным двигателем.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении перемещений. Цель изобретения - повышение точности и автоматизации измерений перемещения. Устройство является мостовой схемой переменного тока с автоматическим уравновешиванием. Новым является использование дифференциального индуктивного первичного преобразователя в уравновешенном автоматическом мосте, полученном путем преобразования неуравновешенного моста в уравновешенный введением дополнительных элементов, что обеспечивает практически полное уравновешивание по модулю и аргументу во всем диапазоне измеряемых перемещений. 2 ил ел