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

HQV час

Изобретение относится к измеритель- технике и может быть использовано, в ности, в сварочном производстве для

оперативного контроля сварочных перемеще

ЛИЙ

авт

ий и деформаций широкого класса изде-, з процессе сварки, а также для создания матизированных систем контроля сварочных деформаций.

Целью изобретения является повышение быстродействия преобразователя перемещения в напряжение.

На фиг; 1 изображена блок-схема преобразователя перемещения в напряжение; на «риг. 2 - выполнение анализатора и связанных с ним блоков; на фиг. 3 - эквивалентная электрическая схема анализатора с

блоком обработки; на фиг. 4 - временная диаграмма работы преобразователя; на фиг. 5 - график зависимости коэффициента передачи дисперсии случайной погрешности от параметра настройки Q.

Преобразователь перемещения в напряжение содержит излучатель 1. модуля- тор 2, коллиматор 3, анализатор 4, генератор 5. анализатор 4 закреплен в ме- .таллической обойме б, которая выполняет функцию ротора двигателя 7, состоящего из статора 8 и блока 9 возбуждения, формирователь 10 начала отсчета, считывающий элемент 11 в виде кольца, усилители 12 и 13, согласующий элемент, выполненный на резисторе 14, демодуляторы 15 и 16, фильтры

оо со

XJ

со о

17 и 18, формирователи 19, 20 и 21 импульсов, триггеры 22 и 23, ключи 24..,29, источник 30 опорного напряжения, программируемые усилители 31 и 32, интеграторы 33 и 34, устройства 35 и 36 выборки-хранения, программируемый делитель 37 частоты, формирователь 38 импульсов, входы 39 усп- равления преобразователя.

Анализатор 4 содержит прозрачный диск 40, с одной стороны которого нанесены прямолинейный 41 и спиралевидный 42 фотоприемники, состоящие из прозрачных металлических электродов 43 и 44 и Фоточувствительного слоя 45„ кольцевую непрозрачную зону 46 с прозрачным окном 47, отверстие 48 под ось, прозрачные кольцевые электроды 49, 50, 51.

Считывающий элемент 11 содержит кольцевые прозрачные электроды 52, 53,54. Формирователь 10 начала отсчета содержит излучатель 55 и фотоприемник 56.

Преобразователь перемещения в напряжение работает следующим образом.

Излучатель 1, в качестве которого может быть использован гелий-неоновый лазер, с закрепленным на нем модулятором 2 и коллиматором 3 устанавливаются на неподвижной базовой оснастке и используются для задания опорного направления. Генератор 5 задает частоту модуляции луча излучателя 1. Анализатор4 устанавливается в контролируемой точке объекта и вращается вокруг своей оси при помощи двигателя 7, ротором которого является металлическая обойма 6, в которую помещен анализатор 4, а статор 8 выполнен в виде Ш-образного сердечника с тремя обмотками. Блок возбуждения 9 генерирует три последовательности импульсов, при подаче которых в обмотке статора 8 возникает бегущее магнитное поле, приводящее в движение анализатор 4.

Один раз за полный оборот анализатор 4 на выходе прямолинейного 41 и спирале- видного42 фочоприемников вырабатываются пачки импульсов, поступающих через проходные емкости С1, С2 и СЗ на входы усилителей 12 и 13. Прямолинейный 41 и спиралевидный 42 фотоприемники представляют собой профилированные фотодиоды, нанесенные на поверхность прозрачного диска 40 анализатора 4, и образованы каждый двумя прозрачными элек- тродами 43 и 44, между которыми расположен фоточувствительный слой 45. При этом прозрачные электроды 43 обоих фотоприемников 41 и 42, непосредственно нанесенные на поверхность анализатора 4, электрически связаны друг с другом (общий электрод) Общий электрод 43 имеет также

электрическую связь с кольцевым электродом 50, нанесенным на обратную сторону диска 40 (например, при помощи переходного металлизированного отверстия). Оставшиеся два кольцевых электрода 49 и 51 связаны, соответственно, со вторыми прозрачными электродами 44 прямолинейного 41 и спиралевидного 42 фотоприемников. Проходные конденсаторы С1, С2 и СЗ образованы, соответственно, кольцевыми электродами 49 и 52, 50 и 53, 51 и 54. Кольцевые электроды 52, 53 и 54 нанесены на поверхность считывающего элемента 11 и идентичны по своим параметрам кольцевым

электродам 49, 50 и 51 (см. фиг. 2). На свободные поверхности всех кольцевых электродов 49...54 наносится тонкое диэлектрическое покрытие для устранения возможности прямого электрического контакта между обкладками проходных конденсаторов из-за возможной непараллельности считывающего элемента 11 и анализатора 4, поскольку для увеличения емкости этих конденсаторов расстояние d между их обкладками следует выбирать минимальным. При d 0,1 мм емкость проходных конденсаторов составляет 150 пФ, При помощи резистора 14 осуществляется привязка плавающих входов усилителей 12 и 13 к общей точке устройства. Сигналы Т Пр и Т-Сп с выходов усилителей 12 и 13 поступают на входы демодуляторов 15 и 16, а с их выходов - на входы соответствующих фильтров 17 и 18. На выходах этих фильтров

формируются сигналы ТПр и ТСп, поступающие в блок обработки. Один раз за полный оборот диска 40 анализатора 4 прозрачное окно 47 открывает путь световому потоку от излучателя 55 к фотоприемнику 56 формирователя 10 начала отсчета. При этом на выходе последнего вырабатывается импульс Тно. Покрытие непрозрачной зоны 46 выполняется диэлектрическим во избежание паразитной связи между проходными конденсаторами С1, С2 и СЗ.

Таким образом, в блок обработки поступают три последовательности импульсов Тно, ТПр, Тсп (фиг. 4а,б,в), период следования которых равен периоду тц (фиг. 4з) вращения анализатора 4. Длительность импульсов Тно пропорциональна 2 , где р- - угол раствора прямолинейного фотоприемника 41, Основной постоянной компонентой в длительности импульсов ТПр является постоянной компонентой в длительности импульсов ТПр является 2п (й , а в длительности импульсов Тсп - 2ri 2 (pi ш. Длительность импульсов ТПр также имеет переменую компоненту тз - уз м , а длительность импульсов ТСп - переменные компоненты Т4 РА о. При этом значения углов (р$ , и эффективного радиуса г

р5 зависят от опорного луча в

плоскости анализатора 4 и полярной коор- ди аты р опорного луча относительно центра анализатора 4 (см. фиг. 2). Под эффективным радиусом топорного луча пони дается максимальное расстояние от центра пятна излучателя до точки, интенсивность излучения в которой равна порогу срабатывания спиралевидного 42 и прямолинейного 41 фотоприемников анализатора 4. Переменные компоненты тз , Г4 и

Т5

являются источником методической погр ниности преобразователя, причем знамени е этой погрешности невозможно определить заранее и скомпенсировать пу- те л введения поправок, поскольку значение фективного радиуса г зависит от многих факторов. Важнейшими из этих факторов являются порог чувствительности фотоприемников 41 и 42 и закон распределения и4тенсивности излучения в лазерном луче,

ый в значительной степени определяется фокусировкой луча в плоскости анализатора 4.

В предлагаемом устройстве компенсация методической погрешности от неизвестного эффективного радиуса г опорного л} ча производится следующим образом.

На фиг. 2 видно, что полярная координата р опорного луча относительно центра анали- з тора 4 пропорциональная длительности HI шульса Тр между центрами импульсов Тпр и ТСп (см. фиг, 4), а полярная координата р- д ительности импульса TV между центрами и шульсов ТПр и Тно (фиг. 4д). Обозначив Tip Тз + Т1 ; ТСп Т4 + Т2 Т5 + Т2, МОЖНО

з; тисать (см. фиг. 4):

Гр - + (Тпр + Гсп)/2 - + Гпр/2 + Тно/2 ,

гдеГно т0/2;

тр- интервал времени между задним фронтом импульса ТПр и передним фронтом импульса ТСп (фиг. 4е);

&р интервал времени между задним 4 ронтом импульса ТПр и передним фронтом импульса Тно (фиг. 4г).

При этом для получения полярных координат необходимо выполнить следующие функциональные преобразования:

p 2 ;Q § const,2)

где Гц - период вращения анализатора 4,

Интервалы времени Тц формируются при помощи триггера 22, который устанавливается по заднему фронту импульса Тпр и

сбрасывается по переднему фронту импульса Тно (импульсы установки и сброса формируются, соответственно, формирователями 20 и 19).

Интервалы времени тр формируются

при помощи триггера 23, устанавливаемого по заднему фронту импульса ТПр и сбрасываемого по переднему фронту импульса ТСп (импульсы установки и сброса формируются, соответственно, формирователями 20 и

21). Для реализации формул преобразования (2) в блоке обработки имеются итерационные функциональные преобразователи: полярной координаты tp (ключи 24, 25, 26. программируемый усилитель 31, интегратор

33 и устройство 35 выборки-хранения) и полярной координаты р (ключи 27, 28, 29, программируемый усилитель 32, интегратор 34 и устройство 36 выборки-хранения).

Итерационный функциональный преобразователь порядной координаты tp работает циклично. При этом длительность каждого цикла итерации составляет N тц, где N - заданный на входах 39 управления код. В каждом цикле осуществляется: N-кратное интегрирование интеграто

ром 33 напряжения с выхода усилителя 31 в течение интервалов времени Т(р, Тпр и Теп

-интегрирование интегратором 33 вы- 35 ходного напряжения устройства 35 выборки-хранения через усилитель 31 в течение времени цикла N Тц,;

-выборка выходного напряжения интегратора 33 устройством 35 выборки-хра4Q нения по сигналу с формирователя 38.

Предположим, что перед началом преобразования напряжение на выходе устройства 35 выборки-хранения равно UH. Тогда, учитывая, что сопротивление усилителя 31

45 по входам ТПр и ТНо, но вдвое больше сопротивления по входу (см. фиг. 1), это напряжение после первого цикла работы станет равным:

tf

.(-Ъ$№

где RI и Ra -сопротивления усилителя 31 по соответствующим входам;

с - емкость интегратора 33; kn - коэффициент передачи устройства 35 выборки-хранения;

Q - 1 - J p Ч- коэффициент сходимости.

Учитывая, что выражение (3) представ-; ляет собой рекуррентное соотношение, то после п-го цикла интегрирования оно примет вид:

г I/ h

U/ i it n ft

°HQ W г i

После несложных преобразований пол,- учим:

.

Последнее выражение состоит из двух частей: геометрической пргрессии, сходящейся при условии |Ql 1 убывающего, при этом же условии, члена UHQH. Используя формулу для СУММЫ членов геометрической

прогрессии 2 (1 - Qn)/ (1 - Q), в устаi - i новившемся режиме ( п-5 °о) получим:

Up Mm Up (0)3

оо

R2 Гц

Таким образом, если EoRi/R2 , то напряжение Up на выходе устройства 35 выборки-хранения будет пропорционально координате контролируемой точки объекта.

Таким образом, в преобразователе производится компенсация методической погрешности от неизвестного эффективного радиуса топорного луча путем интегрирования эталонного напряжения +Eo/N в течение времени тпр и гно, но через удвоенное значение входного сопротивления 2R2 по соответствующим входам усилителя 31. Тем самым в неявном виде находятся середины импульсов ТПр и Тно, позволяя определить значение координаты р без дополнительной методической погрешности, обусловленной эффективным радиусом опорного луча в плоскости анализатора 4.

Аналогичным образом работает итерационный функциональный преобразователь полярной координаты р . При этом сопротивление усилителя 32 по входу интегрирования Тр равно R3, по входам интегрирования Тпр и Теп равно 2Ra. В установившемся режиме напряжение на выходе устройства 36 выборки-хранения определяется выражением:

п F R frp()/2

V4 -ъ-

Ri Rati,1

Таким образом, если Ео

напряжение Jp на выходе устройства 36 будет пропорционально координате р контролируемой точки объекта, причем погрешность от эффективного радиуса опорного луча будет практически полностью скомпенсирована. Остаточная погрешность пропорциональна fa - Тб) для каждого из значений полярной -координаты {см. фиг. 2,

).

Рассмотрим работу преобразователя с учетом влияния случайной погрешности.

Предположим, что (i) - входная последовательность импульсов, длительности () которых пропорциональны полярной координате р опорного луча. При этом Тф(I) Т(р + Дтр (I), где Ат(1)-случайные отклонения от среднего значения .

В соответствии с этим формула (3) при- мет вид:

ЕО k К

V FRTFS Q Q,

После несложных преобразований мож- „опояшь: ц w.EgЈt

г Ui

; iX4t/ W(U«Q „

В установившемся режиме первый член

в (5) равен , второй член стремится к нулю

и случайная погрешность преобразования

координаты р полностью определится

третьим членом:

AlUn.

V- Setie--,

г

(6)

где

JN

Ал Sl l N Atq)(Rb

k(i-i)N

Предположим, что случайные отклонения Ату5(|) некоррелированы между собой,

причем их дисперсия равна о2. При этом отсчеты случайной величины Е (i) будут также некоррелированы, причем ее матожида- ние и дисперсия: М Ј(()- О

DI Ј()- .(7)

С учетом изложенного выражение (6) пблностьЮ эналогично выражению, характерному для работы прототипа. Соответственно, дисперсию случайной погрешности мфжно определить по формуле:

D

)-,

учетом (7): k2o2/N- §,.

Из приведенного видно, что путем над- ;жащего выбора параметров N и Q можно достичь подавления случайной погрешно- в Кпп раз, где:

Knn N

1 -Q

1 +Q

При М- ооиО- 1Кпп- , однако увели- ние Q приводит к увеличению числа ите- р|аций п, необходимого для достижения допустимой величины динамической по- г эешности у, согласно:

п .пО+1,

увеличение N влечет удлинение каждой терации. При этом общее время преобрэ- ования будет: Тпр ггМ-Гц.

Можно показать, что при помощи пред- /jaraeMoro устройства при равных условиях прототипом соответствующим выбором Параметров Q и N можно добиться уменьшения времени преобразования в сравнении с прототипом. При этом зафиксируем значение ТПр и определим соотношение между п N, обеспечивающее максимум коэффици- $нта подавления дисперсии Кпп. Учитывая I) и (9), можно записать:

10

15

20

25

30

35

мени преобразования Nmax и динамической погрешности от сходимости итеративного процесса у.

Таким образом, условие настройки:0 О, при эгом требуемое подавление Кпп N будет достигнуто за минимальное число оборотов анализатора, равное N.

Работа программируемых усилителей (ПУ) 31 и 32, используемых в устройстве, основана на работе операционного усилителя (ОУ) по схеме включения с отрицательной обратной связью (ОС). При этом, как известно, его коэффициент передачи определяется отношением сопротивления ОС к соответствующему входному сопротивлению, взятому с обратным знаком. Для изменения (программирования) коэффициента передачи можно изменять значение сопротивления, стоящего в прямой цепи или в обратной связи. Для получения обратно пропорциональной зависимости коэффци- ента передачи необходимо изменять значение сопротивления в ОС.

В ПУ 31 и 32 в качестве резистора ОС используется цепочка R - 2R с соответствующими управляющими ключами, которая функциональнее полно соответствует стандартным ЦАП.

Коэффициент передачи такого ПУ легко получить, написав выражение для баланса токов на инвертирующем входе ОУ (виртуальная земля):

1 в N

R

ьх

2 )

где Uex - напряжение на соответствующем входе ПУ;

RBX - сопротивление ПУ по соответствующему входу;

п - количество двоичных разрядов ЦАП;

R - номинальное значение резистора R в цепочке R - 2R ЦАП;

N - значение двоичного кода на входах управления ЦАП.

Из этой формулы легко получить коэффициент передачи ПУ:

HOI/ час Изобретение относится к измеритель- технике и может быть использовано, в ности, в сварочном производстве для one ативного контроля сварочных перемеще лий авт ий и деформаций широкого класса изде- в процессе сварки, а также для создания матизированных систем контроля сварочных деформаций. Целью изобретения является повышение быстродействия преобразователя перемещения в напряжение. Цель достигается тем. что в преобразователь перемещения в напряжение, содержащий излучатель, модулятор, коллиматор, генератор, двигатель, в качестве ротора которого используется анализатор, считывающий элемент, формирователь начала отсчета, два усилителя, два демодулятора, два фильтра, три формирователя импульсов, два триггера, источник опорного напряжения, шесть ключей, два интегратора и два устройства выборки-хранения, дополнительно введены два программируемых усилителя, программируемый делитель частоты и формирователь импульсов с соответствующими связями. Применение программиру- емых усилителей позволяет за счет уменьшения количества итераций увеличить быстродействие преобразователя. 5 ил. ё

пп

CnQ

Проведя несложное исследование на жстремум полученного для Кпп выражения, иожно показать, что оно имеет максимум (пп N при 0 0. Это наглядно иллюстри- ювано на фиг. 5, где изображена зависимость коэффициента передачи дисперсии :лучайной погрешности (величины, обратной К„„) от параметра Q при заданном вре

и6ь,х I

в

i.

N

Ко

N

5

Из этого выражения видно, что коэффи-, циент передачи ПУ 31 и 32 обратно пропорционален значению кода N на входах 39 преобразователя.

Формула изобретения Преобразователь перемещения в напряжение, содержащий излучатель, оптически соединенный через модулятор и коллиматор с анализатором, выполненным

в виде прозрачного диска с радиусом RI, на одной стороне которого расположены два активных участка и непрозрачная зона, первый активный участок выполнен в виде радиального сектора с угловым раствором 2 pi, ограниченного дугой окружности радиусом R, где R RI, внутренняя сторона второго активного участка выполнена в виде спирали Архимеда с началом в центре диска, развернутой по радиусу R на угол 2л - ро. где ро р, а внешняя сторона второго активного участка образована сдвигом этой же спирали Архимеда на угол 2 рг без пересе- чения с первым активным участком, при этом оба активных участка являются фотоприемниками, образованными фоточувствительными слоями, размещенными между двумя прозрачными металлическими электродами, непрозрачная зона анализатора выполнена в виде кольца, ограниченного радиусами R и RI и имеющего прозрачный сектор с угловым раствором 2 , сопряженный с первым активным участком, на другой стороне прозрачного диска анализатора в кольцевой зоне, ограниченной радиусами R и RL 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 анализатора, считывающий элемент, выполненный в виде прозрачного кольца, ограниченного радиусами R и RI, на одной из сторон которого размещены три прозрачных кольцевых электрода, образующих с кольцевыми электродами анализатора соответственно три кольцевых конденсатора, выходы кольцевых электродов считывающего элемента, связанные с первым и вторым активными участками анализатора, являются первым и вторым выходами считывающего элемента соответственно, а выход среднего кольцевого электрода считывающего элемента является его третьим выходом, двигатель, статор которого выполнен в виде Ш-образно- го сердечника с тремя обмотками, подключенными к блоку возбуждения, а ротор - в виде металлической обоймы, внутри которой установлен анализатор, генератор, выход которого соединен с управляющим входом модулятора, первый выход считывающего элемента соединен с первым входом первого усилителя, второй выход считывающего элемента соединен с первым входом второго усилителя, третий выход считывающего элемента соединен с вторыми входами

первого и второго усилителей и первым ы водом согласующего элемента, второй ei вод которого соединен с шиной нулевог потенциала, выход первого усилителя сое

динен с входом первого демодулятора, выход которого соединен с входом первого фильтра, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей и входом первого формирователя импульсов,

0 выход которого соединен с первыми входами первого и второго триггеров, выходы которых соединены с управляющими входами соответственно третьего и четвертого ключей, выход второго усилителя соединен с

5 входом второго демодулятора, выход которого соединен с входом второго фильтра, выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа и входом второго формирователя импульсов, выход которого сое0 динен с вторым входом второго триггера, формирователь начала отсчета, выход которого соединен с управляющим входом шестого ключа и входом третьего формирователя импульсов, выход которого

5 соединен с вторым входом первого триггера, источник опорного напряжения, выход которого соединен с информационными входами ключей, первый и второй интеграторы, выходы которых соединены с инфор0 мационными входами соответственно первого и второго устройств выборки-хранения, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами преобразователя, а управляющие входы

5 обоих устройств выборки-хранения объединены, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия преобразователя, в него введены первый и второй программируемые усилители, программируемый

0 делитель частоты и четвертый формирователь импульсов, выход которого соединен с управляющим входом первого устройства выборки-хранения, выходы первого и второго устройств выборки-хранения соединены с

5 первыми информационными входами соответственно первого и второго программируемых усилителей, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго интеграторов, выходы третьего, первого и

0 шестого ключей соединены соответственно с вторым, третьим и четвертом информационными входами первого программируемого усилителя, выходы четвертого, пятого и второго ключей соединены соответственно

5 с вторым, третьим и четвертым информационными входами второго программируемого усилителя, выход третьего формирователя импульсов соединен с тактовым входом программируемого делителя частоты, выход которого соединен с входом

четвертого формирователя импульсов, а уп-и второго программируемых усилителей и

р{ вляющие входы объединены с соответст-являются управляющими входами преобрав ющими управляющими входами первогозователя.

--r f

52 55 11 54

Ј IM Ш.57 ь,г.И. Ж

47

1Dt 561

ij-гПф

риоэ- б

Г

1

i6cz.esi

О

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0.6

Фиг. 5