Преобразователь перемещений Советский патент 1993 года по МПК G01B7/02 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение для измерения перемещения с использованием параметрических датчиков перемещения, например емкостных, индуктивных, пртенциометрических и других типов датчиков перемещения, выходной величиной которых является изменение, их комплексных сопротивления или проводимости.

: Известно емкостное устройство для измерения микроперемеа ний, содержащее .источник питания, дифференциальный емкостный датчик, дифференциальный усилитель и сумматор, принцип работы которого основан на получении выходного сигнала, пропорционального раз ности емкостей конденсаторов датчика, и компенсации температурной погрешности посредством регулирования выходного напряжения источника питания для обеспечения постоянства сигнала,пропорционального сумме емкостей конденсаторов датчика..

Недостатками известного устройства являются ограниченная область применения и получение выходного сигнала в виде переменного напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения перемещения, содержащее параметрический датчик перемещения, генератор переменного напряжения-, подключенный к его входу, два детектора, каждый из которых подключен к соответствующему выводу датчика, первый сумматор, один из входов которого подключен к выходу первого детектора, второй вход сумматора подключен к выходу второго детектора, блок вычитания, входы которого подключены к. выходам первого и второго детекторов, блок деления, входами подключенный к выходам сумматора и блока вычитания, блок.умножения, первый вход которого соединен с блоком деления, а второй-с блоком начального суммарного сигнала;;. -

Недостатками устройства-прототипа являются невысокая точность преобразования перемещения в электрический сигнал и ограниченная об ласть применения. Первый недостаток связан с использованием в устройстве-прототипе операций деления и умножения аналоговых сигналов, результатом которых является налоговый сигнал, и которые не могут быть.выполнены с необходимой точностью. Второй недостаток обусловлен возможностью работы устрой- ства-прототипз только с дифференциальными датчиками. ::.. .: /;

Целью изобретения является повышение точности преобразования комплексных сопротивлений параметрических датчиков в электрический сигнал путем снижения мультипликативной и аддитивной погрешности преобразования, уменьшения влияния паразитных емкостей кабелей связи, соединяющих датчик со схемой преобразователя, и низкочастотной пбмехи, а также возможность применения различных типов датчиков.: ,:...

Поставленная цель достигается тем, что преобразователь перемещения, содержащий параметрический датчик, генератор переменного напряжения, подключенный к его входу, два детектора, каждый из которых подключен к соответствующему выводу датчика, первый сумматор, один .из входов кр- торого подключен к выходу первого детектора, снабжен коммутатором, первым и вторым инвертирующими повторителями, вторым сумматором, двумя блоками балансировки и аналого-цифровым преобразователем, вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя объединен с входом второго инвертирующего повторителя и входом второго блока балансировки и подключен к выходу первого сумматора, второй вход которого подключен к выходу коммутатора, а вход коммутатора объединен с первым входом первого блока балансировки и подключен к выходу второго детектора, первый инвертирующий повторитель входом соединен с выходом первого детектора, а выходом -с вторым входом первого блока балансировки, выход которого подключен к одному из входов второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока балансировки, а выход второго сумматора соединен с информативным входом аналого-цифрового преобразователя, выход вто- р.ого инвертирующего повторителя соединен с вторым входом второго блока балансировки, а кодовые выходы аналого- цифрового преобразователя являются шиной выходного сигнала.

Каждый детектор выполнен в виде операционного усилителя, четырех транзисторов, зеркала вытекающего тока и преобразователя тока в напряжение, неин5 вертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной, инвертирующий вход, являющийся входом детектора, подключен к эмиттеру первого, базе второго и коллектору третьего транзи0 сторов, а выход - к базе первого, эмиттерам третьего и четвертого транзисторов, эмиттер второго транзистора соединен с базами третьего, четвертого транзисторов и коллектором четвертого транзистора, вход зеркала

5 вытекающего тока подключен к коллекторам первого и второго транзисторов, а выход - к входу преобразователя тока в напряжение, выход которого является выходом детектора.

0 На чертеже представлена функциональная схема преобразователя перемещенияч Преобразователь перемещения содержит параметрический датчик 1, генератор 2 переменного напряжения, подключенный к

5 его входу 3, два детектора 4 и 5, каждый из которых подключен к соответствующему выводу б, 7 датчика, первый сумматор 8, один из входов которого подключен к выходу первого детектора 6, коммутатор 9, первый и

0 второй инвертирующие повторители 10 и 11, второй сумматор 12, два блока 13, 14 балансировки и аналого-цифровой преобразователь 15, вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 15

5 объединен с входом второго инвертирующего повторителя 11 и входом второго блока балансировки 14 и подключен к выходу первого сумматора 8, второй вход которого подключен к выходу коммутатора 9. а вход

0 коммутатора 9 объединен с первым входом первого блока 13 балансировки и подключен к выходу второго детектора 5, первый инвертирующий повторитель 10 входом соединен с. выходом первого детектора 4, а

5 выходом - с вторым входом первого блока 13 балансировки, выход которого подключен к одному из входов второго сумматора 12. второй вход которого соединен с выходом второго блока 14 балансировки, а выход

0 второго сумматора 12 соединен с информативным входом аналого-цифрового 15, выход второго инвертирующего повторителя

11 соединен с вторым входом второго блока 14 балансировки, а кодовые выходы анало5 го-цифровото преобразователя 15 являются шиной 16 выходного сигнала.

Детектор 4(5), схема которого представлена на фиг. 2, содержит операционный усилитель 17, четыре транзистора 18, 19, 20 и 21, зеркало 22 вытекающего тока и преобразователь 23 тока в напряжение. Неинаерти- рующий вход операционного усилителя 17 соединен с общей шиной, инвертирующий вход, являющийся входом детектора 4(5), подключен к эмиттеру первого, базе второ- го и коллектору третьего транзисторов 18, 19 и 20, а вход - к базе первого/эмиттерам третьего и четвертого транзисторов 18, 20 и 21, эмиттер второго транзистора 19 соединен с базами третьего, четвертого транзи- стбров 20, 2.1 и коллектором четвертого транзистора 21, вход зеркала 22 вытекающего тока подключен к коллекторам перво- .го и второго транзисторов 18 и 19, а выход к входу преобразователя 23 тока в напряже- ние, выход которого является выходом детектора 4(5).

Преобразователь перемещения на основе дифференциального параметрическо-го датчика 1 работает следующим образом,

Коммутатор 9 в этом случае включен, причем включаться он может вручную. Так как первый и второй детекторы 4, 5 идентичны, то их работу рассмотрим на примере первого детектора 4. Переменное напряжение с выхода генератора 2 поступает на вход 3 дифференциального параметрического датчика 1, схема замещения которого представлена на фиг. 3. Операционный усилитель 17 за счет глубокой отрицатель- ной обратной связи поддерживает на втором выводе 6 дифференциального параметрического датчика 1 потенциал общей шины. При положительной полярности напряжения на выходе генератора 2 ток, протекающий через плечо 24 дифференциального параметрического датчика 1, отражается зеркалом втекающего тока, собранном на втором, третьем и четвертом транзисторах 19, 20 и 21. Ток коллектора второго транзистора 19, являющийся вы- ходным током зеркала втекающего тока, приблизительно равен току, протекающему через плечо 24 дифференциального параметрического датчика 1, и его среднее значение.

... 119 U/Z24.(1)

где 0 - среднее значение напряжения на выходе генератора 2 переменного напряжения за один полупериод;

. 2.2А - модуль комплексного сопротивле- ния первого плеча 24 дифференциального параметрического датчика 1,

При отрицательной полярности напряжения на выходе генератора 2 переменного напряжения в активный режим переводится первый транзистор 18, среднее значение коллекторного тока которого

118 U/Z24.(2)

Коллекторные токи первого и второго транзисторов 18, 19 суммируются зеркалом 22 вытекающего тока, на вход которого они поступают. Выходной ток зеркала 22 вытекающего тока

I22 2U/Z24(3) поступает на вход преобразователя 23 тока в напряжение, напряжение на выходе которого является выходным напряжением первого детектора 4 и определяется выражением

UA 2K23U/Z24, (4) где «23 - коэффициент передачи преобразователя тока в напряжение.

Вследствие идентичности детекторов 4 и 5 выражение для выходного напряжения второго детектора 5 будет иметь вид

U5 2K23U/Z25,(5)

где Z25 - модуль комплексного сопротивления второго плеча 25 дифференциального параметрического датчика 1.

Выходные напряжения первого и второго детекторов 4 и 5 поступают на входы первого сумматора 8, напряжение на выходе которого

Us Ke(U4 + Us) 2KsK23U , (6)

где Ks - коэффициент передачи первого сумматора 9.

Выходное напряжение второго детектора 5 поступает на первый вход первого блока 13 балансировки, на второй вход которого поступает выходное напряжение первого инвертирующего повторителя 10. Первый блок 13 балансировки производит дифференциальное изменение коэффициентов передачи по первому и второму входам и может быть выполнен, например, на основе потенциометра, крайние выводы которого являются входами, средний вывод - выходом первого блока 13 балансировки. При этом выходное напряжение первого блока 13 балансировки определяется выражением.

U13 K13.2U5 K13.1U4 2K23U X Kl3.Z24 -Kl3.lZ25

(7)

. VZ24Z.25....где Ki3.i и Ki3.2 - коэффициенты передачи первого блока 13 балансировки по первому и второму входам соответственно.

При К13.1 - К.13.2 Ki3 выражение (7) принимает вид . .

Z24 - Z25

Ui3 2Ki3K23U

(8)

Z24Z25

f-fa входы второго блока 14 балансировки поступают напряжения с выходов первого сумматора 8 и второго инвертирующего повторителя 11, который преобразует напряжение Us в равное по величине и противоположное по знаку напряжение.

Второй блок 14 балансировки аналогичен первому блоку 13 балансировки и его выходное напряжение

U и iKuUe ±2K8Kl4K23U

Z24 + Z25

(9)

Z24 Z25

где Ki4 - коэффициент, пропорциональный разности коэффициентов передачи по пер вому и второму входам второго блока 14 балансировки.

Напряжения U13 и U14 поступают на входы второго сумматора 12, выходное напряжение которого определяется выражением:

1)12 Z24 + Z25

2Ki2K23U(Kv3 w:4 . i5 tKsKu x

Z24 Z25

(Ю)

:-

(Ю)

AZ24-Z25

где Ki2 - коэффициент передачи второго сумматора 12..

Напряжение с выходов первого и второго сумматоров 8, 12 поступают соответственно на вход опорного напряжения и информативный вход аналого-цифрового преобразователя 15, выходной код которого, поступающий на шину 1 б выходного сигнала, определяется выражением

lira м г K12Ki3(Z24 - Z25)

LИ„Г7 д О- 7г„Л

N15 -

N

+

Щ L K Z2T+Z25) ±Ki2Ki4 Nmax,-.. .(11)

где Nmax максимальный выходной код аналого-цифрового преобразователя 15,

При работе преобразователя с бесконтактным потенциометрическим датчиком 1 коммутатор 9 включен, Переменное напряжение с выхода генератора 2 поступает на вход 3 бесконтактного, потенциометриче- ского датчика 1 и через конденсатор связи 26 прикладывается к первому и второму плечам 27. 28 датчика, образованным положением подвижной обкладки конденсатора 26 связи.

Так как на втором и третьем выходах 6, 7 .бесконтактного потенциометрического датчика 1 поддерживается потенциал общей шины, то конденсатор 26 связи и параллельно соединенные первое и второе плечи 27, 28 образуют делитель, переменное напряжение в средней точке 29 которого

R27R2.8

U2

U29

R27 + R28

Z26 +

R27 R28

(12)

R27 + R28

где U2- переменное напряжение на выходе генератора 2;

R27 и R28 сопротивления соответственно первого и второго плеч 27,28, бесконтактного потенциометрического датчика 1.

Токи, протекающие через первое и второе плечи 27, 28 бесконтактного потенциометрического датчика 1 под воздействием приложенного к ним напряжения U2g. опре- 5 деляются выражением

R27R28

10

U2

l27

I28;

R27 +R28

м.+,й&:.

и2

R27 + R28

D О L R27 R28 ч

MZM + R27 + R28).

(13)

Токи I27 и I2a поступают на входы соот- 5 ветственио первого и второго детекторов 4 и 5, выходные напряжения которых

О- , , R27R28 2K.23U2-j :--Пт- U R27 + R28

20 ;R27(ZM+1|i5|)

5

2K23U

Us

R2 + R2s

о (-, , 27 R28 ч

R27(Z26 + R2TTR28)

(14)

После необходимых преобразований в соответствии с выражениями (6), (8), (9), (10) получим выражения для выходного кода аналого-цифрового преобразователя 15

30

-i &spwn-:™

При работе преобразователя перемещения на основе недифференциального па35 раметрического датчика 1 коммутатор 9 выключен. При использовании в паре с параметрическим датчиком опорного элемента, выполненного по одной технологии с датчиком или образцового элемента, имею40 щего комплексное сопротивление того же вида, что и датчик, схема замещения недиф-. ферециального параметрического датчика будет аналогична схеме замещения дифференциального параметрического датчика 1,

45 представленной на фиг. 3. При этом датчик (плечо 25) подключается к входу второго детектора 5, а опорный (образцовый) элемент (плечо 24) - к входу первого детектора 4.

50 Работа преобразователя перемещения в этом случае аналогична работе с дифференциальным параметрическим датчиком 1 с той лишь разницей, что выходное напряжение первого сумматора 8 определяется

55 выражением

. (16) ,

В соответствии с этим выражение для выходного кода аналого-цифрового преобразователя 15 будет иметь вид

N15 ,

i Ki2MNmax. (17);

Использование предлагаемого преобразователя перемещения позволяет умень- щить влияние на результат преобразования мультипликативной составляющей погрешности, обусловленной разностью коэффициентов передачи плеч дифференциального параметрического датчика 1 и детекторов 4 и 5 за счет изменения коэффициентов передачи по входам первого блока 13 балансировки, а также аддитивной составляющей погрешности, обусловленной начальным смещением разности комплексных сопротивлений плеч датчика и напряжениями смещения детекторов 4 и 5, первого инвертирующего повторителя 10 и второго сумматора 12, за счет изменения коэффициентов передачи по входам второго блока 14 балансировки.

Введение аналого-цифрового преобразователя 15 в предлагаемый преобразователь перемещения позволяет по сравнению с прототипом более точно выполнить функцию отношения аналоговых сигналов.

По сравнению с прототипом предлагаемый преобразователь перемещения имеет более широкую область, применения, так как позволяет работать как с дифференциальными, так и с недифференциальными параметрическими датчиками..

Использование в предлагаемом преобразователе перемещения детектора позволит уменьшить влияние паразитных емкостей кабелей связи и низкочастотной помехи. Уменьшение влияния паразитных: емкостей кабелей связи обусловлено тем, что емкость кабеля по входу датчика 1 не входит в функцию преобразования, а на втором и третьем выводах датчика 1 поддерживается потенциал общей шины, что уменьшает влияния емкостей кабелей связи, соединяющих входы первого и второго детекторов 4, 5 с соответствующими выводами датчика. Уменьшение влияния низкочастотной помехи достигается за счет двухполулериодного выпрямления сигналов, поступающих на входы детекторов 4,5.

Формула изобретения

1. Преобразователь перемещений, содержащий параметрический датчик, генератор переменного напряжения,

подключенный к его входу, два детектора, каждый из которых подключен к соответствующему выводу датчика, первый сумматор, один из входов которого подключен к выхо- ду первого детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен коммутатором, первым и вторым инвертирующими повторителями, вторым сумматором, двумя блоками балансировки и

аналого-цифровым преобразователем, вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя объединен с входом второго инвертирующего повторителя и входом второго блока балансировки и

подключен к выходу первого сумматора, второй вход которого подключен к выходу

коммутатора, а вход коммутатора объединен с первым входом первого блока балансировки и подключен к выходу второго

детектора, первый инвертирующий повторитель входом соединен с выходом первого детектора, а выходом - с вторым входом первого блока балансировки, выход которого подключен к одному из входов второго

сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока балансировки, а выход второго сумматора соединен с инфор- мацио.нным входом аналого-цифрового преобразователя,выход второго

инвертирующего повторителя соединен с вторым входом второго блока балансировки, а кодовые выходы аналого-цифрового преобразователя являются шиной выходного сигнала. .

2. Преобразователь перемещений по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что каждый детектор выполнен в виде операционного усилителя, четырех транзисторов, зеркала вытекающего тока и преобразователя тока в

.напряжение, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной, инвертирующий вход, являющийся входом детектора, подключён к эмиттеру первого, базе второго и коллектору третьего

транзисторов, а выход - к базе первого,

Эмиттерам третьего и четвертого транзисторов, эмиттер второго транзистора соединен

с базам.и третьего, четвертого транзисторов

и коллектором четвертого транзистора, вход

зеркала вытекающего тока подключен к коллекторам первогои второго транзисторов, а выход - к входу преобразователя тока в напряжение, выход которого является выходом.детектора. ... , .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения и других физических величин с использованием дифференциальных датчиков, например емкостных, индуктивных; контактных и бесконтактных потенцио.метрических. Целью изобретения является повышение точности преобразовав .ния .путем снижения мультипликативной и аддитивной погрешности преобразования. Цель достигается за счет введения в известное устройство коммутатора, первого и второго инвертирующих повторителей напряжения, первого и второго блоков балансировки, . второгосумматора, аналого-цифрового преобразователя. 1 згп.ф-лы, 1 ил.