Преобразователь перемещения в напряжение Советский патент 1993 года по МПК H03M1/24 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в сварочном производстве для оперативного контроля перемещений и деформаций широкого ю асса изделий в процессе сварки, а также для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций.

изобретения является повышение помехозащищенности и надежности преобразователя,

На фиг. 1 изображена блок-схема преобразователя перемещения в напряжение; на фиг. 2 - выполнение анализатора и связанных с ним блоков; на фиг. 3 - временная диаграмма работы блока возбуждения; на фиг. 4 - эквивалентная электрическая схема анализатора; на фиг. 5 - временная диаграмма формирования измерительной информации; на фиг. 6 - временная диаграмма работы преобразователя.

Преобразователь перемещения в напряжение содержит излучатель 1, коллиматор 2, анализатор 3, закрепленный в обойме 4, двигатель 5, состоящий из статора 6 и блока 7 возбуждения, формирователь 8 им- пульсов начала отсчета, формирователь 9 импульсов, триггер 10, источник 11 опорного напряжения, ключи 12-17, интеграторы 18, 19, устройства 20, 21 выборки-хранения, модулятор 22, генератор 23, считывающий элемент 24, усилители 25 и 26, демодуляторы 27 и 28, фильтры 29 и 30, согласующий элемент, выполненный в виде резистора 31, формирователи 32, 33 импульсов, триггер 34.

Анализатор 3 фиг. 2 выполнен в виде прозрачного диска 35 с наружным радиусом RI, на одной стороне которого нанесены прямолинейный 36 и спиралевидный 37 фотоприемники, каждый из которых состоит из двух прозрачных металлических электродов 38 и 39, между которыми расположен фоточувствительный слой 40. Анализатор 3 имеет также непрозрачную кольцевую зону 41, содержащую прозрачное окно 42. В центре анализатора 3 имеется отверстие 43 под ось, которое разделяет прямолинейный 36 и спиралевидный 37 фотоприемники, на другой стороне диска анализатора 3 нанесены три прозрачных кольцевых электрода 44, 45 и 46, расположенных в зоне, ограниченной радиусами R и RL Считывающий элемент 24 выполнен в виде прозрачного кольца, ограниченного радиусами R и RI, н а которое нанесены три прозрачных кольцевых элект- рода 47, 48 и 49. Формирователь 8 импульсов начала отсчета содержит излучатель 50, фотоприемник 51 и диафрагму 52. Интегратор 18 содержит резисторы 53, 54 и 55, конденсатор 56 и операционный усилитель 57. Интегратор 19 содержит резисторы 58, 59 и 60, конденсатор 61 и операционный усилитель 62. Кольцевые электроды 47-49 считывающего элемента 24 совместно с кольцевыми электродами 44-46 анализато- ра 3 образуют три кольцевых конденсатора 63, 64, 65, обеспечивающих съем информации с прямолинейного 36 и спиралевидного 37 фотоприемников вращающегося анализатора 3.

Преобразователь перемещения в напряжение работает следующим образом, Излучатель 1, в качестве которого может быть использован гелий-неоновый лазер с закрепленным на нем модулятором 22 и кол- лиматором 2 устанавливаются на неподвижной базовой оснастке и используются для задания опорного направления. Генератор 23 задает частоту модуляции fo луча излучателя 1. Анализатор 3 устанавливается в контролируемой точке объекта и вращается вокруг своей оси при помощи двигателя 5, ротором которого является металлическая обойма 4, в которую помещен анализатор 3, а статор 6 выполнен в виде Ш-образного сердечника с тремя обмотками. Блок 7 возбуждения генерирует три последовательности импульсов Fi, F2, Рз(см. фиг. За, б, в), при подаче которых в обмотках статора 6 возникает бегущее магнитное поле, приводящее в движение анализатор 3. Поскольку разомкнутая часть Ш-образного сердечника статора 6 выполнена по дуге окружности, концентричной диску 35 анализатора 3, а статор 6 устанавливается в непосредственной близости от металлической обоймы 4, то мощность, необходимая для обеспечения вращения анализатора 3, в этом случае является минимальной, Угловая частота со вращения анализатора 3 будет определяться частотой следования импульсов на выходе блока 7 возбуждения,

Один раз за полный оборот анализатора 3 на выходе прямолинейного 36 и спиралевидного 37 фотоприемников вырабатываются пачки импульсов, поступающих через кольцевые конденсаторы 63, 64 и 65 (фиг. 4) на входы усилителей 25 и 26. Прямолинейный 36 и спиралевидный 37 фотоприемники представляют собой профилированные фотодиоды, нанесенные на поверхность прозрачного диска 35 анализатора 3, и образованы каждый двумя прозрачными электродами 38 и 39, между которыми расположен фоточувствительный слой 40. При этом прозрачные электроды 38 обоих фотоприемников, непосредственно нанесенные на поверхность анализатора 3, электрически связаны друг с другом. Общий электрод имеет также электрическую связь с кольцевым электродом 45 анализатора 3, нанесен- ным на обратную сторону диска 35 (например, при помощи переходного металлизированного отверстия), Оставшиеся два кольцевых электрода 44 и 46 анализатора 3 связаны, соответственно, со вторыми прозрачными электродами 38, 39 прямолинейного 36 и спиралевидного 37 фотоприемников. Проходные конденсаторы 63, 64 и 65 образованы, соответственно, кольцевыми электродами 44 и 47, 45 и 48, 46 и 49. Кольцевые электроды 47, 48 и 49 нанесены на поверхность считывающего элемента 24 и идентичны по своим параметрам кольцевым электродам 44, 45 и 46 анализатора 3 (фиг. 2). На свободные поверхности всех кольцевых электродов 44-49 наносится тонкое диэлектрическое покрытие для устранения возможности прямого электрического контакта между обкладками образованных ими проходных конденсаторов 63-65 из-за возмож- непараллельности считывающего кольца; 24 и анализатора 3, поскольку для увеличения емкости этих конденсаторов 63, 64; и 65 расстояние d между их обкладками следует выбирать минимальным. При ,5 мм| емкость проходных конденсаторов 63, 64;И 65 составляет 3-5 пФ, В качестве модулятора 22 может быть использован серийно выпускаемый акустооптический модулятор мЛ-5, При модуляции излучения излучателя 1 с частотой 500 кГц, сопротивления проход- ны конденсаторов 63, 64 и 65 составляют окфло 100 кОм, поэтому в качестве усилителе 25 и 26 следует использовать операци- он-ше усилители с большим входным сопротивлением и скоростью нарастания. Пр1 помощи резистора 31 осуществляется привязка плавающих входов усилителей 25 и 2 5 к общей точке преобразователя. Сигналы Тпр (фиг. 5а) и Теп с выходов усилителей 25 J4 26 поступают на входы демодуляторов 27 ft 28, а с их выходов - на входы соответствующих фильтров 29 и 30 (фиг. 56). На вы одах этих фильтров 29 и 30 формируются сиг4алы ТПр (фиг. 5в) и Теп, поступающие в блок обработки. Один раз за полный оборот диска 35 анализатора 3 прозрачное окно 42 отк эывает путь световому потоку по излуча- тел 50 к фотоприемнику 51, входящим в состав формирователя 8 начала отсчета. При этом на выходе последнего вырабатывается импульс Тно (фиг. 6а).

Таким образом, формируются три последовательности импульсов Тно, ТПр и ТСп (фи|. 6а, б, в), период следования которых пропорционален угловой частоте со вращения} анализатора 3. Длительность То им- пул совТно пропорциональна 2 , где р -j- угол раствора прямолинейного фотоприёмника 36. Основной постоянной ком- понрнтой в длительности импульсов Тпр является 2т анр, а в длительности им- Тсп-2 со pi. Длительность им- ТПр имеет также переменную компоненту Тз , а длительность им- Теп - переменные компоненты 74 (t)fp4 75 ох/ъ. При этом значения уг- лов (рз, и (рв зависят от эффективного радиуса топорного луча в плоскости анализатора 3 и полярной координаты р опорного луча относительно центра анализатора 3 (см. |фиг. 2). Под эффективным радиусом г опорного луча понимается максимальное расстояние от центра пятна излучателя 1 до точки, интенсивность излучения в которой равна порогу срабатывания спиралевидного 37

и прямолинейного 36 фотоприемников

анализатора 3, Переменные компоненты

гз, то, и TS являются источником методической погрешности преобразователя, причем значение этой погрешности невозможно определить заранее и скомпенсировать путем

введения поправок, поскольку значение эффективного радиуса г зависит от многих факторов. Важнейшими из этих факторов являются порог чувствительности фотоприемников 36 и 37 и закон распределения интенсивности излучения в луче измерителя 1, который в значительной степени определяется фокусировкой луча в плоскости анализатора 3.

В преобразователе компенсация методической погрешности от неизвестного эффективного радиуса г опорного луча производится следующим образом. Из фиг. 2 видно, что полярная координата /топорного луча относительно центра анализатора

3 пропорциональна длительности импульса т р между центрами импульсов ТПр и ТСп (фиг. 66, в, ж), а полярная координата р про- порциональна длительности импульса Т(р между центрами импульсов ТПр и ТНо

(фиг. 6а, б, д). Обозначив ri, Теп Т4 +Т2 TS +Г2. можно записать

30

тр +гпр +гсп ;

Tip Т (Г) + Гпр + Гно ,

0)

где то;

tp - интервал времени между задним фронтом ипульса ТПр и передним фронтом импульса Тсп (фиг. 6е);

- интервал времени между задним фронтом ипульса ТПр и передним фронтом 0 импульса ТНо (фиг. 6е);

При этом для получения полярных коорди- ( нат р и р необходимо выполнить следующие функциональные преобразования

45

/0 const, (2)

где Гц - период вращения анализатора 3 (фиг. 6з).

Интервалы времени формируются при помощи триггера 10, который устанавливается по заднему фронту импульса ТПр и сбрасывается по переднему фронту импуль- са Тно (импульсы установки и сброса формируются, соответственно, формирователями

32 и 9). Интервалы времени формируются при помощи триггера 34, устанавливаемого по заднему фронту импульса ТПр и

сбрасываемого по переднему фронту импульса ТСп i (импульсы установки и сброса формируются, соответственно, формирователями 32 и 33). Для реализации формул преобразования (2) имеются два итерационных функциональных преобразователя: полярной координаты tp (ключи 12, 13, 14, интегратор 18 и устройство 20 выборки-хранения) и полярной координаты р(ключи 15, 16,17, интегратор 19 и устройство 21 выбор ки-хранения).

Итерационный функциональный преобразователь полярной координаты р работает циклично. В каждом цикле осуществляется:

- интегрирование интегратором 18 выходного напряжения +Ео источника 11 опорного напряжения в течение интервалов

времени , гпр и тно через ключи 12, 13 и 14 соответственно;

- интегрирование интегратором 18 выходного напряжения устройства 20 выборки-хранения в течение времени цикла тц;

- выборка выходного напряжения интегратора 18 устройством 20 выборки-хранения в момент времени Тц, соответствующий переднему фронту импульса Тно,

Предположим, что перед началом преобразования напряжение на выходе устройства 20 выборки-хранения равно UH. Тогда учитывая, что сопротивление интегратора 18 по входу интегрирования ТПр и ТНо вдвое

больше сопротивления по входу Т1 (см. фиг. 1),

это напряжение после первого цикла работы станет .равным

( VrnP+ Ho)

Kn

R2 С Ч

T(o + VH Q,

(3)

Последнее выражение состоит из двух частей: геометрической прогрессии, сходящейся при условии |QI 1, и убывающего при этом же условии члена UH Qn. Используя формулу для суммы членов геометрической

п . ,

прогрессии 2QJ (1-Q )/(1-Q), в устаноj i вившемся режиме (п - оо) получим

V

ю Mm

PI

Un-

тц

(5)

5

0

5

0

5

0

Таким образом, если Eo R1/R2 2тг , то напряжение на выходе устройства 20 выборки-хранения будет пропорционально координате (р контролируемой точки объекта. Таким образом, в описанном преобразователе производится компенсация методической погрешности от неизвестного эффективного радиуса г опорного луча по формуле (1) путем интегрирования эталонного напряжения +Ео в течение времени 2 тПр и 2 Тно, но через удвоенное значение входного сопротивления 2.R2 по соответствующим входам интегратора 18. Тем самым в неявном виде находятся середины импульсов ТПр и Тно, позволяя определить значение координаты р без дополнительной методической погрешности, обусловленной эффективным радиусом г опорного луча в плоскости анализатора 3.

Аналогичным образом работает итерационный функциональный преобразователь полярной координаты р . При этом сопротивление интегратора 19 по входу

интегрирования Тр равно R3 (резистор 58), а по входам интегрирования ТПр и ТСп равно 2 R3 (резистор 59). В установившемся режиме напряжение на выходе устройства 21 выборки-хранения определится выражением

Изобретение относится к измерительной Технике и может быть использовано в сварочном производстве для оперативного контроля перемещений и деформаций широкою класса изделий в процессе сварки, а такж для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций. Целью изобретения является повышение помехозащищенности, а также надежности преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь перемещения в напряжение, содержащий двигатель, излучатель, коллиматор, оптически соединенный с анализатором, на котором нанесены фотоприемники, считывающий элемент, формирователь импульсов начала отсчета, пять ключей, два формирователя импульсов, триггер, источник опорного напряжения, два интегратора, две схемы выборки-хранения, дополнительно введены генератор, модулятор, шестой ключ, второй триггер, два фильтра, два модулятора, два усилителя, резистор с соответствующими связями. За счет модуляции светового потока достигается повышение помехозащиг щенности, Световой поток излучателя модулируется модулятором с частотой генератора и через коллиматор поступает на анализатор. На выходах фотоприемников формируются импульсы, заполненные модулирующей частотой. Считывающий элемент выполнен бесконтактным. Кольцевые электроды считывающего элемента образуют с кольцевыми электродами анализатора кольцевые конденсаторы, через которые осуществляется съем информации с выходов фотоприемников. Применение бесконтактного способа считывания информации с анализатора позволяет повысить надежность преобразователя. 3 з.п. ф-лы, 6 ил. ел С со о OJ |Ю XI ю

где R1 и R2 - сопротивления резисторов 53, 54, 55 интегратора 18 по соответствующим входам;

С- емкость конденсатора 56;

Kn коэффициент передачи устройства

20 выборки-хранения; I/ . -.

; Jf - коэффициент сходимости.

Учитывая, что выражение (3) представляет собой рекуррентное соотношение, то после n-го цикла интегрирования оно примет вид:

QH+UH Qn . (4)

с R1 Тр+Тпр +Тсп

t- Л I

R3Гц

.Р CR3 V

(6)

Таким образом, если Ео- R1/R3 2- -a, то напряжение Up на выходе устройства 21 выборки-хранения будет пропорционально координате р контролируемой точки объекта, причем погрешность от эффективного радиуса г опорного луча будет практически полностью скомпенсирована. Остаточная погрешность пропорциональная (tnp- Тсп)/2 0 для каждого из значений полярной координаты р (см. фиг. 2, ( ръ).

Можно показать, что необходимое число циклов п для достижения заданной относительной погрешности преобразования определится из выражения

In

Уп U оо

U оо-UH

InlQI

(7)

где Int - целая часть числа;

U оо значение напряжения на выходе соответствующего преобразователя в уста- Новившемся режиме (п - оо).

Для погрешности преобразования ,1% реально достижимое число циклов .-.б. Теоретически при результат преобразования получается за один цикл. (Поскольку - Кп (fa/RI С, то пара- (Йетры интеграторов 18 и 19 выбираются Одинаковыми с целью устранения неоднозначности при получении результата измерения.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 1. Преобразователь перемещения в на- Нряжение, содержащий двигатель, излуча- т|зль, коллиматор, оптически соединенный с анализатором, который выполнен в виде прозрачного диска с нанесенными на него ф|отоприемниками, считывающий элемент, формирователь импульсов начала отсчета, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа и с входом первого фэрмирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом первого тригге- р и с управляющими входами первого и второго устройств выборки-хранения, выходы которых являются выходами преобразо- в4теля и соединены с первыми входами соответственно первого и второго йнтегра- TCjpoB, выходы которых соединены с инфор- м&ционными входами соответственно первого и второго устройств выборки-хранения, второй и третий формирователи импульсов, источник опорного напряжения, вЦход которого соединен с информацион- нь)ми входами с первого по пятый ключей, первого триггера соединен с управляющим входом второго ключа, выход которого соединен с вторым входом первого интегратора, третий вход которого подключен к выходу третьего ключа, выходы четвертого и naforo ключей соединены соответственно с вторым и третьим входами второго интегратора, отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности преобра- зов|ателя. в него введены генератор, моду- лятЬр, шестой ключ, второй триггер, первый и второй фильтры, первый и второй демодуляторы, согласующий элемент, первый и второй усилители, а в двигателе статор выполнен в виде Ш-образного сердечника с тремя обмотками, подключенными к блоку возбуждения, а ротор - в виде металлической обоймы, внутри которой установлен

анализатор, выходы первого и второго усилителей соединены с входами соответственно первого и второго демодуляторов, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго фильтров, выход первого фильтра соединен с управляющими входами третьего и четвертого ключей и с входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом первого триггера и с первым

входом второго триггера, выход которого соединен с управляющим входом шестого ключа, информационный вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с четвертым

входом второго интегратора, выход второго фильтра соединен с управляющим входом пятого ключа и со входом третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом второго триггера, выход

первого ключа соединен с четвертым входом первого интегратора, выход генератора соединен с управляющим входом модулятора, который оптически связан по входу с излучателем, з по выходу - с коллиматором,

первый и второй выходы считывающего эле-: мента соединены с первыми входами соответственно первого и второго усилителей, третий выход считывающего элемента соединен с вторыми входами первого и второго

усилителей и с первым выводом согласующего элемента, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала.

надежности, анализатор выполнен в виде прозрачного диска с радиусом R1, на одной стороне которого расположены два активных участка и непрозрачная зона, первый активный участок выполнен в виде радиального сектора с угловым раствором 2 /)-, ограниченного дугой окружности радиусом R, где , внутрення сторона второго активного участка выполнена в виде спирали Архимеда с началом в центре диска,

развернутой по радиусу R на угол 2л- ро, где ро уз1, а внешняя сторона второго активного участка образована сдвигом этой же спирали Архимеда на угол 2 без пересечения с первым активным участком, при этом оба

активных участка являются фотоприемниками, образованными фоточувствительными слоями, размещенными между двумя прозрачными металлическими электродами, непрозрачная зона выполнена в виде кольца,

ограниченного радиусами R и Ri и имеющего прозрачный сектор с угловым раствором 2 р, сопряженный с первым активным участком, на другой стороне диска анализатора в кольцевой зоне, ограниченной радиусами R и Ri, размещены три кольцевых несоприкасающихся прозрачных электрода, средний кольцевой электрод анализатора электрически соединен с одним из прозрачных металлических электродов каждого активного участка, а крайние кольцевые электроды анализатора соединены с другими прозрачными металлическими электродами соответственно первого и второго активных участков.

4, Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что статор двигателя установлен в одной плоскости с. анализатором, а разомкнутая часть Ш-образного сердечника статора выполнена по дуге окружности ротора.

V« Jl

25, 26-усилители; 3 -резистор; Фиг. 4

Г

J1L

Т„

пр

П

«Г

но

,т,

,т

.ТР

т - - 1- - - - оI

.. I

сп

О-

- t