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

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

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - векторные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит подвижную обмотку 1 возбуждения, неподвижную обмотку 2, источник 3 переменного напряжения, первый усилитель- ограничитель 4, избирательный фильтр 5 низкой частоты, фазосдвигающий блок 6. делитель 7 напряжения, первый сумматор 8, второй 9 усилитель-ограничитель, выход которого подключен к второму входу элемента И 10, блок 11 удвоения чувствительности преобразования, вы- полненный в виде последовательно

соединенных фазовращателя 12, делителя 13 напряжения, сумматора 14, усилителя-ограничителя 15, выход которого подключен к первому входу элемента И 10, подключен- ные к выходу элемента И последовательно соединенные фильтр 16 низкой частоты, усилитель 17 постоянного напряжения, блок 18 регистрации, шину 19 нулевого потенциала.

Устройство работает следующим образом.

По подвижной обмотке 1, подключенной к источнику 3 переменного синусоидального напряжения , проходит переменный ток, создающий переменный магнитный поток, который проходит зазор X между подвижной 1 и неподвижной 2 обмотками, пересекает витки последней и на об00

ю

ел

hO ON

мотке 2 появляется синусоидальное напряжение (сигнал)

При перемещении подвижной 1 обмотки, установленной на подвижной части изделия, изменяется величина переменного воздушного зазора X (фиг. 1), вследствие чего изменяется коэффициент взаимоиндуктивной связи между обмотками 1 и 2, а следовательно, и синусоидальный сигнал Up(x) на входе усилителя-ограничителя 4 и на вторых входах сумматоров 8 и 14.

Синусоидальное напряжение Up(x) связано с изменением зазора (перемещением) X зависимостью близкой к экспоненциальной

Up(x) Upo ertx(1)

где Upo - синусоидальное напряжение с второго (сигнального) вывода обмотки 2 при X 0 мм;

х - текущее значение измеряемого перемещения;

а- показатель степени экспоненциальной функции.

С помощью усилителя-ограничителя 4 из синусоидального сигнала Up(x) формируется .периодическая последовательность стабилизированных по амплитуде двухпо- лярных прямоугольных импульсов Uv с частотой следования, равной частоте сигнала ир(х), которая поступает на вход избирательного фильтра 5 низкой частоты. На выходе фильтра 5, из последовательности прямоугольных импульсов, формируется инверсный относительно сигнала Up(x) опорный синусоидальный сигнал U0 такой же частоты, что и сигнал Up(x).

С помощью фазосдвигающего блока б и фазовращателя 12 блока удвоения 11 чувствительности на их выходах формируются сигналы Uoi и Uo2,сдвинутые по фазе относительно сигнала Uo в сторону опережения (сигнал Uoi) и в сторону отставания (сигнал (Uo2) соответственно на углы V;1 и № меньше 45° (фиг. 2).

Синусоидальные сигналы Uoi и Uoa с выхода фазосдвигающего блока 6 и фазовращателя 12 поступают соответственно через делители напряжения 7 и ТЗ на первые входы сумматоров 8 и 14, а на вторые входы сумматоров 8 и 14 поступает сигнал Up(x) с точки соединения сигнального вывода обмотки 2 и входа усилителя-ограничителя 4.

и

На сумматоре 8 происходит геометрическое сложение сигналов Uoi и Up(x) и на выходе сумматора 8 формируется первый суммарный (результирующий) сигнал U 1, вектор которого вращается (на фиг, 2 показано стрелкой м) вследствие изменения по

амплитуде сигнала Up(x) в функции перемещения.

Фаза суммарного синусоидального сигнала ( определяется выражением

15

35

р arctg

(2)

с°8 1+илЬ

где фаза суммарного сигнала с выхода первого сумматора;

Д)1 - сдвиг фаз между синусоидальными сигналами Up(x) и Uoi;

Up(x) - синусоидальный сигнал с точки соединения сигнального вывода Обмотки 2 и входа усилителя-ограничителя 4, промоду- лированный в функции перемещения X;

Uoi - синусоидальный опорный сигнал с выхода избирательного фильтра 5, сдвинутый по фазе фазосдвигающим блоком 6 и подвергнутый масштабированию делите ® лем 7 напряжения.

Одновременно на сумматоре 14 происходит геометрическое сложение гармонических сигналов Uo2 и Up(x) и на выходе сумматора 14 формируется второй суммар ный сигнал Цг вектор которого вращается в противоположном направлении (на фиг. 2 показано стрелкой ад) относительно сигнала Ujf . Вращение вектора сигнала UЈЈ происходит вследствие изменения по амп™ литуде сигнала Up(x) в функции перемещения.

Фаза суммарного синусоидального сигнала определяется выражением

№ arctg - (3)

COS 2+U7t) где - фаза суммарного сигнала Uc с выхода сумматора 14;

4QЦчх - сдвиг фаз между синусоидальными сигналами Up(x) и Uo2,

Uo2 - синусоидальный опорный сигнал с выхода избирательного фильтра 5, сдвинутый по фазе фазовращателем 12 и подеерг- .,. нутый масштабированию делителем 13 напряжения.

Суммарные синусоидальные сигналы 1/Е1и UЈ2c выходов сумматоров 8 и 14 поступают соответственно через усилители-огра- сп ничители 9 и 15 на второй и первый входы схемы И, выполняющей функцию фазового детектора.

В результате одновременного вращения двух суммарных векторов и U$2 в „ разных направлениях разность фаз рвых f(x) + pi между суммарными сигналами на входах фазового детектора 10 изменяется с удвоенной скоростью и определяется выражением (4), которое является функцией преобразования перемещений

рвых (pi

sin bi

arctg

arctg

cos Vt)i + 7-1-77

Up X; Sin TpQ2

cosi/toa+Tjf

На выходе элемента И (фазового детектора) 10 формируется последовательность импульсов, площадь которых пропорциональна изменению разности р + + (pi f(x) между двумя суммарными сигналами ия и иЈ2 на его входах, а следовательно измеряемому перемещению X.

С помощью фильтра 16 низкой частоты и усилителя 17 площадь последовательности импульсов преобразуется в уровень аналогового сигнала, регистрируемого блоком 18.

К усилителям-ограничителям 9 и 15 предъявляются требования по стабильности уровней ограничения. Особенно жестко это требование для усилителя-ограничителя 4, так как изменение уровня на его выходе ведет к изменению амплитудного значения опорного напряжения Uo, а следовательно, и напряжений Uoi и Uo2, т.е. к уменьшению точности измерения перемещений.

Из векторной диаграммы (фиг. 2) и из выражения (4) видно, что у предлагаемого устройства для бесконтактного измерения перемещений диапазон изменения разности фаз на входах фазового детектора 10, между суммарными сигналами Ugi и в 2 раза больше, т.е. устройство обладает повышенной в 2 раза чувствительностью преобразования по сравнению с известным устройством, а следовательно и повышенной точностью измерения перемещений.

Формула изобретения Устройство для бесконтактного измерения перемещений, содержащее подвижную обмотку возбуждения, подключенную к ис- 5 точнику переменного напряжения, неподвижную обмотку, первый вывод которой подключен к шине нулевого потенциала, последовательно соединенные первый усилитель-ограничитель, избирательный фильтр

10 низкой частоты, фазосдвигающий блок, делитель напряжения, выход делителя напряжения подключен к первому входу сумматора, второй вход которого объединен с входом первого усилителя-ограничителя и

15 подключен к второму выводу неподвижной обмотки, вход сумматора через второй усилитель-ограничитель подключен к второму входу элемента И, выход элемента И через последовательно соединенные фильтр низ20 кой частоты, усилитель напряжения постоянного тока подключен к входу блока регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено блоком удвоения чувстви-.

25 тельности преобразования, выполненным в виде последовательно соединенных фазовращателя и делителя напряжения, сумматора и усилителя-ограничителя, вход фазовращателя блока удвоения чувстви30 тельности преобразования подключен к выходу избирательного фильтра низкой частоты, выход делителя напряжения подключен х первому входу сумматора, второй вход которого подключен к точке соедине35 ния второго вывода неподвижной обмотки с входами первого усилителя-ограничителя и второго входа сумматора, выход сумматора блока удвоения чувствительности преобразования через усилитель-ограничитель под40 ключей к первому входу элемента И.

tf

Ф)

л

V,

ut

ffr)

«

ч

«г

Использование: для измерения перемещений. Цель - повышение точности преобразования. Сущность изобретения: устройство для бесконтактного измерения перемещений содержит подвижную обмотку возбуждения, неподвижную обмотку, источник переменного напряжения, первый усилитель-ограничитель, избирательный фильтр низкой частоты, фазосдвигающий блок, делитель напряжения, первый сумматор, второй усилитель-ограничитель, элемент И, блок удвоения чувствительности преобразования, выполненный в виде последовательно соединенных фазовращателя, делителя напряжения, сумматора, усилителя-ограничителя, последовательно соединенные фильтр низкой частоты, усилитель напряжения, блок регистрации и шину нулевого потенциала. 2 ил.

Фиг.2