Датчик линейных перемещений Советский патент 1982 года по МПК G01B7/00 

(54) датчик ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

1 ,

Изобретение относится к измерительной технике и может бытьиспользовано в устройствах для контроля размеров , изделий, преимуществеино геометрических параметров отверстий .

Известны устройств а преобразования линейных перемещений в электри|ческйй сигнал, предназначенные для измер-енйя нескольких величин.

В этих устройствах возможность измерения нескольких величин реализуется объединением в общем корпусе однотипных датчиков, которые связаны один с другим по цепям питания til .

Датчики не имеют регулировочных средств для получения одинаковых выходных характеристик по всем измерительным входам, позтому использование таких устройств для проведения дифференциальных изменений ограничено системами низкого класса точности.

Известны также многовходовые датчики, которяае имеют общий функциональный элемент., например общую обмотку возбуждения и магнитопровод.

Преимущества таких датчиков состоят в том, что ЭДС.на всех их выходах синфазны, а амплитуды ЭДС на ,

каждом выходе определяются соответствующими перемещениями. Изменение положения какого-либо одного подвижного элемента не изменяет исходных сигналов на да|угих выходах. Эти важные качества чаще всего используются / когда вторичные обмотки соединяются попарно-согласно или встречно, что позволяет получить выходной сиг10нал, пропорциональный сумме или разнести перемещений. В более сложных -.. случаях соединяются последовательно все вторичные обмотки, что позволяет .с помощью одного датчика роиать мно-

15 гопараметрическне задачи t2.

Недостатком таких датчиков также является отсутствие регулировочных элементов для получения идентичности функций преобразования по каждо20му входу. Существование, например, отклонений крутизны функций преобразования по разным входам снижает точность работы датчика в дифференциальном режиме, особенно при раз25ностном включении вторичных обмоток, когда даже незначительная ошибка в одном из сигналов приводит к большой ошибке разности.

Наиболее близким по технической30сущности к предлагаемому является датчик линейных перемещений, содержащий магнитопровод с центральным .стержнем и г/1агнитопроводпщими пласти ;нами,- обмотку возбуждения,. размещенную на центральном стержне, и вторичные обмотки, размещенные на магнй .топроводящик пластинах с возможность перемещения относительно них. Магнитопровод выполнен замкнутым Ш-образным, на центральном укороченном стержне которого закреплены диаметрально противоположно магнитопроводяиие пластины с вторичными обмотками. Датчик.позволяет осуществлять измерениелинейных перемещений в дву диаметрально противоположных направлениях;, т е.„ имеет два входа, так, что он может быть использован для измерения, например, внутреннего диаметра труб ГЗ. Однако точность измерения датчиком двух взаимно противоположных : перемещений недостаточна из-за отсутствия регулировочных элементов для обеспе- 1ения идентичности функций преобразования по его обоим входам. Цель изобретения - повышение точ ности измерения. Эта цель достигается тем,, что в датчике линейных перемещений, содержaщeгv магни.топроЕод с центральным стержнем и магнитопроводящими пластинами обмотку возбуждения, размещенную на центральном стержне, и вторичные обмотки, размещенные на магнитопроводящих пластинах с возможностью перемещения относительно них, магнитопровод выполнен в виде барабана верхнее основание барабан выполнено с отв.ерстием, в котором размещен с зазором центральный стер жень, закрепленный на нижнем основа нки барабана, магнитопроводящие пла тины установлены радиально с возмож ностью поворота относительно оси ба рабана в плоскости, параллельной пл кости его верхнего основания, и раз мещены с зазорами относительно верх него основания барабана и выступаю щим над ним участком цилиндрической боковой поверхности барабана. Кроме того, длина зазоров может быть выполнена одинаковой. На чертеже представлена конструк тивная схема предлагаемого датчика линейных перемещений. Датчик линейных перемещений соде жит магкитопровод 1, выполненный в виде пустотелого барабана с централ ным С7сержнем 2, закрепленным на его нижнем основании 3. Верхнее основанйе 4 барабана выполнено с отверсти еМ; в котором размещен с зазором ве НИИ,; незакрепленный конец центрального стержня 2..Этот конец централь ного стержня, а также боковая цилин рическая поверхность .5 барабана выс пает над его верхним основанием 4, В полости барабана размещена обмот- ка б возбуждения, охватывающая цент-, ральный стержень 2. На выступающем конце централь1ного стержня 2 закреплены магнитопроводящие плстины 7, установленные радиально с возможностью поворота относительно оси 0-0 барабана1 в плоскости, параллельной плоскости его верхнего основания 4. Пластины, их может бызгь больше, размещены диаметрально противоположно с зазорами между их поверхностями и верхним основанием 4 барабана, а гакже выступающим над ним участком цилиндрической боковой поверхности 5 барабана. Плоские воздушные зазоры между продольными поверхностями магнитопроводящих пластин 7 и верхним основанием. 4 барабана являются рабочими. Кольцевые воздушные зазоры между выступающим участком цилиндрической боковой поверхности 5 барабана и торцами магнитопроводящих пластин 7, а также между верхним основанием 4 барабана и его цен-тральным стержнем 2 являются нерабочими. Длина магнитного пути по воздуху в рабочих и нерабочих воздушных зазорах выполнена одинаковой. В каждом рабочем зазоре помещена охватывающая соответствующую пластину 7 вторичная обмотка 8, установленная с возможностью перемещения относительно нее и связываема я в процессе измерения с контроли)уемым объектом (не показан..) . На магнитопроводящих пластинах 7 жестко закреплены вблизи от центрального стержня .2 барабанного магнитопровода 1 компенсационные обмотки 9, каждая из которых соединена встречно-последовательно со вторичной обмоткой 8, размещенной натой же пластине. Каждая магнитопроводящая пластина 7 имеет на одном конце секторный участок, цилиндрическая поверхность 10 которого., входит в цилиндрическую расточку верхнего конца центрального стержня 2. Коническая поверхность секторного участка контактирует c-l конусообразным элементом-И, в котором имеется отверстие под винт 12. С помощью этого винта обеспечивается фиксация пластин 4 в заданном угловом положении oL между их осью сшлметрии, например А-л , и направлением перемещения (X или Y) соответствующей вторичной обмотки 8. Угол |i секторного участка магнитопроводящих пластин 7 в плане не должен превышать значения ,,2il-h l.., а) где h - число магнитопроводящих пластин датчика. Благодаря возможности поворота магнитопроводящих пластин 7 вокруг оси барабана в пределах угла cL отно-.

сительно направления X или Y контролируемого перемещенйя обеспечивается регулировка крутизны функций преобразования независимо по каждому входу (число, входов в данном случае равно числу магнитопрОБОдящих пластин) .

Датчик линейных перемещений работает следующим образом.

При подключении обмотки б возбуждения к источнику напряжения переменного тока (не показан) по ней .протекает ток, создающий магнитный поток, проходящий через центральный стерж,ень 2, магнитопроводящие пластины 7, верхнее основание 4, боковую цилиндрическую поверхность -5 барабана и .его нижнее основание 3. В каждом рабочем воздушном зазоре между пластинами 7 и верхним основанием 4 барабана индукция постоянна вследствие постоянства,длины зазора, поэтому и градиент потока в пластинах вдоль их осей АА также постоянен. В результате величина магнитного потока, пронизывающего вторичные обмбтки 8, определяется их удалением от оси ОО барабана и тем меньше, чем больше расстояние между ними. Благодаря постоянству градиента потока в пластинах 7, ЭДС на выходах вторичных обмоток 8 линейно связана с их перемещением. Компенсационные обмотки 9, соединенные встречнопоследовательно с расположенными на той же пластине вторичными обмотками, пронизываются неизменным по величине магнитным потоком. Подбором отношения числа витков вторичной и компенсационной обмоток 8 и 9 может быть обеспечено нулевое значение суммарной выходной ЭДС по заданному входу в любом начальном положении, соответствующей вторичной обмотке в пределах ее возможного диапазона перемещения, т.е. выбор начала отсчета перемещения по этому входу в зависимости от эксплуатационных требований.

Выходные ЭДС всех вторичных обмоток 8 не зависят одна от другой, так как изменение положения любой из . этих обмоток не изменяет магнитного потока в пластинах 7. Фазы выходных ЭДС всех обмоток не зависят-от перемещения и совпадают одна с другой.

Постоянство индукции вдоль оси рабочих воздушных зазоров сохраняется всюду, кроме областей вблизи от концов магнитопроводящих пластин, где начинают сказываться поля выпучивания и индукция уменьшается за счет увеличения воздушного пути в краевых силовых трубках поля, В данном датчике при переходе рабочих воздушных зазоров в нерабочие (кольцевые) зазоры длина всех силовых трубок поля остается постоянной, поэтому поля выпучивания возникают только на концах нерабочих кольцевых зазоров, а область линейности равна разности между расстоянием от свободного конца пластин 7 до оси барабана и диаметром отверстия верхнего осно-. вания 4 барабана магнитопрбвода. Поэтому равенство воздушных промежутков во всех зазорах обеспечивает расширение области линейной зависи0мости выходной ЭДС вторичных обмоток 8 от измеряемого перемещения.

1Срутизна функцци преобразования по каждой 1-ой вторичной обмотке датчика определяется формулой

.coseccL,(2)

5

где К; - крутизна функции преобразования по i-му входу; (5 - коэффициент пропорциональности по i-му входу; d- - угол между направлением дви0жения вторичной обмотки и осью симметрии i-той пластины.

Формула (2) показывает, что за счет изменения углов d можно изме5нять крутизну функции преобразования по каждоь у входу и тем самым получать идентичность выходных характеристик датчика на этих входах. Практически регулировка осуществляет0ся следующим образом.

Не затягивая окончательно винт 12, все пластины устанавливгиот в положение, соответствующие о.0, и измеряют крутизну функции преобразования

5 по всем входам. Оставляют в этом же положении () ту пластину 4, которая соответствует входу с минимальной крутизной преобразования, а остальные пластины поворачивают и находят такие углы d,-, при которых крутизна преоб0разования по всем входам равна крутизне по первому (минимальному) вхоДУ.

Таким образом, предложенный датчик линейных перемещений обладает

5 синфазностью выходных ЭДС по всем выходам и независимостью этих ЭДС одна от другой, высокой точностью при дифференциальных измерениях за счет обеспечения идентичности крутиз0ны преобразования по всем входам, а расположение всех подвижных обмоток в одной плоскости позволяет измерять перемещения в различных направлениях, векторы которых расположены радиаль5но в одной плоскости с соблюдением принципа Аббе.

Формула изобретения

1. Датчик линейных перемещений, содержащий магнитопровод с центральным стержнем и магнитопроводящими пластинами, обмотку возбуждения, размещенную На центральном стержне, и вторичные обмотки,-размещенные на магнитопроводящих пластинах с возможиостью перемещения относительно них, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, машитопровод выполнен в виде бараба на, верхнее основание барабана выполнено с отверстием, в котором размещен с зазором центральный стержень, закрепленный на нижнем основании барабана, магнитопроводяпцие пластины установлены радиально с возможностью поворота относительно оси барабана в плоскости, параллельно плоскости его верхнего основания и размещены с зазорами относительно верхнего ос Нования барабана и выступающим над

ним участком цилиндрической боковой поверхности барабана.

2. Датчик по П.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что дпина зазоров

одинакова..

Источники информации, принятыево внимание при .экспертизе

1.Патент ОНА 3630778, кл. G 01 D 5/20, 1971. ,

2.Куликовский Л.Ф. Трансформаторные функциональные преобразователи с профилированными вторичными контурами Энергия. М., 1971, С. 93.

3.Авторское свидетельство СССР tto заявке 2617707/28,

кл. G 01 В 7/00, 1979 (прототип).