Цифровой измеритель перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании систем автоматизированного контроля , а также в системах для дистанционных измерений перемещений. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет исключения общей шины источника питания и применения противофазных сигналов по входу и выходу элементов устройства . Измеритель содержит пербый фазовый детектор, состоящий из двух ключей, и первый фильтр низких частот, состоящий из RC-цепи, источник питания моста, дололИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании систем автоматизированного контроля , а также в системах для дистанционных измерений перемещений. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет исключения общей шины источника питания и применения противофазных сигналов по входу и выходу элементов устройства. На чертеже представлена структурная электрическая схема цифрового измерителя перемещений. нительно содержащий источник опорного наг о жения и блок стабилизации амплитуды , преобразователь напряжения в код, дополнительно содержащий преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное , г торой фазовый детектор, состоящий из двух клю . ей, и второй фильтр низких частот , состоящий из RC-цепи. Введение в схему преобразователя напряжения в код первого фазового детектора, первого фильтра низких частот, преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное позволяет исключить погрешность, зызьанную нестабильностью амплитуды напряжения источника питания моста, временным дрейфом источника опорного напряжения, изменением выходного сопротивления усилителей-повторителей . Применение преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное, построенного на двух компараторах , работающих с триггерами, фиксирующими перепады напряжения соответствующих компараторов только из низкого уровня в высокий, позволяет снизить влияние неидеальных характеристик компараторов, получить практически меандр , повысить точность детектирования. 1 ил. Измеритель содержит генератор 1 переменного напряжения, вырабатывающий два противофазных синусоидал&ных сигнала . Генератор 1 имеет вход управления амплитудой выходных сигналов. К выходам 2 и 3 генератора 1 подключенысоответственно усилители-повторители 4 и 5. Между выходами 6 и 7 усилителей-повторителей включен измерительный мост 8, состоящий из индуктивного датчика 9 перемещений и цепи последовательно соединенных резисторов 10-12. В диагональ 13, 14 измерительного моста 8 включен из (Л С о ND О О -N XI

СОВХОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<5ц5 Q 01 R 17/",0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИГАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4213914/21 (22, 23.03.87 (46) 15.01.91,бюл. № 2 (71} Кировский инструментальный завод

"Красный инструментальщик" им. 60-летия

Союза ССР (72) В.В,Вачевских (53) 621.317,733(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1185063, кл. G 01 В 7/00, 1983.

Федотов А.В, Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств. М,;

МС, 1979, с. 20. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительkoA технике и может быть использовано при создании систем автоматизированного контроля, а также в системах для дистанционных измерений перемещений. Цель изобретения — повышение точности измерения за счет исключения общей шины источника питания и применения противофазных сигналов по входу и выходу элементов устройства. Измеритель содержит первый фазовый детектор, состоящий иэ двух ключей, и первый фильтр низких частот, состоящий из RC-цепи, источник питания моста, дополИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании систем автоматизированного контроля, а также в системах для дистанционных измерений перемещений.

Цель изобретения — повышение точности измерения за счет исключения общей шины источника питания и применения противофаэных сигналов по входу и выходу эле ментов устройства ..

На чертежа представлена структурная электрическая схема цифрового измерителя перемещений.

„„5U,,„, 1620947 А1 нительно содержащий источник опорного

ía ояжения и блок стабилизации амплитуды, преобразователь напряжения в код, дополнительно содержащий преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное,в-ороА фаэовь и детектор, состоящий из двух ключей, и BTopGA фильтр низких частот, состоящий из ВС-цепи. Введение в схему преобразователя напряжения в код первого фазового детектора, пеового фильтра низких частот, преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное позволяет исключить погрешность, вызванную нестабильностью амплитуды напряжения источника питания моста, временным дрейфом источника опорного напряжения, изменением выходного сопротивления усилителей-повторителей. Применение преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное, построенного на двух компараторах, работающих с триггерами, фиксирующими перепады напряжения соответствующих компараторов только из низкого уровня в высокий, позволяет снизить влияние неидеальных характеристик компараторов, получить практически меандр, повысить точность детектирования. 1 ил.

Измеритель содержит генератор 1 переменного напряжения, вырабатывающий два противофазных синусоидал ных сигнала, Генератор 1 имеет вход управления амплитудой выходных сигналов. К выходам 2 и 3 генератора 1 подключены соответственно усилители-повторители 4 и 5.

Между выходами 6 и 7 усилителей-повторителей включен измерительный мост 8, состоящий из индуктивного датчика 9 перемещений и цепи последовательно соединенных резисторов 10 — 12. В диагональ

13, 14 измерительного моста 8 включен из20

Ю мерительный усилитель 15 с симметричными выходами 16 и 17. Измерительный усилитель 15 состоит из четырех операционных усилителей 18-21. Выход операционного усилителя 18 соедлнен с неинвертирующим входом (Н-вход) операционного усилителя

19. Операционный усилитель 20 представляет собой усилитель-повторитель, выход которого соединен с Н-входом операционного усилителя 21. Между выходом операционного усилителя 19 и инвертирующим входом (И-вход) включен резистор 22 обратной связи. Аналогично подключен резистор

23 обратной связи операционного усилителя 21. Между И-входами операционных усилителей 19 и 21 подключена цепь последовательно соединенных резисторов

24 и 25, Между выходами операционных усилителей 19 и 21 подключена цепь последовательно соединенных резисторов 26 и

27, к точке соединения этих резисторов подключен И-вход операционного усилителя

18. Между выходом и И-входом операционного усилителя 18 включен конденсатор 28, К выходам 16 и 17 измерительного усилителя 15 подключен фазовый детектор 29, состоящий из ключей 30 и 31. Между выходами 32 и 33 фазового детектора 29 включена RC-цепь 34, 35, представляющая собой фильтр 36 низких частот первого порядка. Конденсатор 35 соединен с дифференциальным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 37.

К выходам 6 и 7 усилителей-повторителей 4 и 5 подключен преобразователь 38 синусоидального напряжения в прямоугольное, Преобразователь 38 состоит из двух компараторов 39 и 40, Н-вход компаратора 39 соединен с И-входом компаратора

40, являющимся первым входом преобразователя. И-вход компаратора 39 соединен с

Н-входом компаратора 4, являющимся вторым входом преобразователя. Выход компаратара 39 соединен со счетным входом

0-триггера 41. Выход компаратора 40 соединен со счетным входом D-триггера 42, Выход D-триггера 41 соединен с S-входом, а выход D-триггера 42 — с R-входом RS-триггера 43.

Прямой выход RS-трлггера соединен с

R-входом D-триггера 41, инверсный выход

RS-триггера — с R-входом D-триггера 42, Между выходами D-триггеров подключен логический элемент ИЛИ 44. Выход логического элемента ИЛИ 44 соединен с тактовым входом АЦП 37, имеющего выход 45

"Готовность данных", а также с блоком 46 обработки информации.

К выходам усилителей 4 и 5 подключен фазовый детектор 47, состоящий из двух ключей 48 и 49, Между выходами 50 и 51 фазового детектора 47 подключен низкочастатный фильтр, состоящий иэ RC-цепи 52, 53.

К выходу 0 фазового детектора 47 подключен вход сравнива ощего блока 54, другой вход которого соединен с источником 55 опорного напряжения. Выход сравнивающего блока 54 соединен с входом управления амплитудой выходных сигналов генератора 1, Выход 56 АЦП соединен с буферным регистром 57, выход которого соединен с дешифратором 58, последовательным передатчиком 59 кода и шинным формирователем 60. Выход 45 "Готовность данных" АЦП 37 подключен к блоку 61 управления. Выход 62 блока 61 управления соединен с буферным регистром 57, вы",îä

63 — с последовательным передатчиком 59 кода, выход 64 — с шинным формлрователем

60, К выходу дешифратора 58 подключен цифровой индикатор 65, служащий для визуального наблюдения величины и знака перемещения. Выход последовательного передатчика 59 кода соединен с приемником 66 последовательного кода. Выход шинного формлрователя 60 соединен с блоком

67 обработки информацил.

Измеритель работает следующим образом, Генератор 1 переменного напряжения вырабатывает два противофазных синусоидальных сип-)ала, одинаковые по амплитуде, которые поступают на входы усилителей-повторителей 4 и 5. Усилители-повторители усиливают сигналы по мощности, и далее они подаются иа питающую диагональ измерительного моста 8, являющегося "плавающей" нагрузкой для повторителей, на преобразователь 38 синусоидального сигнала в прямоугольный и фазовый детектор

47.

Преобразователь 38 осуществляет преобразование синусоидального сигнала в прямоугольный, причем переход прямоугольного сигнала из низкого уровня в высокий и наоборот происходит прл переходе синусоидального сигнала через ноль. Применение данной схемы преобразователя позволяет получить прямоугольный сигнал с практически равными по длительностл импульсами л паузами между ними, т,е, меандр, что невозможно осуществить применением одного компаратора, не обеспечиваюгцего ра-ные скорости нарастания и спада выходного напряжения при повышенной частоте, Переход синусоиды через ноль фиксируется компараторами 39 и 40, Триггеры 41 и 42 фиксируют перепады напряжения соответствующих компараторов только из низкого уровня в высокий. Поочередное переключение триггеров 41 и 42 вызывает переключение триггера 43, сигнал,". выхода которого служит для синхронизации фазовых детекторов 29 и 47. Преобразователь 38 вырабатывает также сигнал, служащий для синхронизации работы АЦП 37 и блока 46 обработки информации.

Измерительный мост Р балансируется изменением сопротивления резистора 11 таким образом„чтобы разность напряжений между входами 13 и 14 измерительного усилителя 15 была близка к нулю. При разбалансировке моста путем перемещения измеряемого объекта измерительный сингл, пропорциональный величине пер;-..мещения и соатвегствующий по знаку направлению перемещения, у иливае.."ся измерительным усилителем i 5. Операцжнный усилитель 18 служит для ослабления синфаэной составляющей в выходном синале измерительного усилителя 15. Повторитель 20 служит для компенсации фазового сдвига, вносимого усилителем 18, а конденсатор 28 повышает устой- ивость усилителя 18. Резистор 25 осуществляет установку масштаба преобразования.

Усиленный сигнал представлен на выходах 16 и 17 и измерительного усилителя

15 в виде двух сигналов, одинаковых по амплитуде, но сдвинутых по фазе относительно друг друга на 180О. Эти сигналы поступают на фазовый детектор 29, в котором детектируются. Фазовый детектор 29 представляет собой ключи, выполненные на полевых транзисторах. Эти ключи под действием управляющего сигнала, поступающего с выхода триггера 43 преобразователя

38, подключают фильтр 36 низких частот к выходам 16 и 17 измерительного усилителя

15, Применение данной схемы фазового детектора 29 позволяет исключить погрешность измерения, вызываемую дрейфом активных элементов детекторов, значительно уменьшить погрешность, вызванную напряжением смещения операционных усилителей, входящих в измерительный усилитель 15, генератор 1 и усилители-повторители 4 и 5.

С помощью фильтра 36 низких частот происходит выделение постоя н ной составляющей из продетектированного сигнала. С конденсатора 35 напряжение поступает на дифференциальный вход АЦП 37. Напря»;ение, поступающее на питающую диагональ моста 8 детектируется фазовым детектором

47 и фильтруется RC-цепью 52, 53 (фильтром низкой частоты). Сигнал, полувоенный с выхода конденсатора 53, поступает на дифференциальный вход опорного напряжения

20 11

АЦП 37. Работа детектора 47 и фильтра 52, 53 низкой частоты аналогична работе де-ектора 29 и фильтра 36 низксй частоты (34, 35), АЦП 37 выполняет функци.о вычислителя отношения и преобразования результата в цифровой код. полученный код пропорционален величине перемещения измеряемого обьек"R.

С выхода 50 детектор 47 сигнал поступает также и на вход сравнивающего блока

54, с помош,ю которого он сравни ается с сигналом, поступающим от источника 55 опорного напряжения. В случае рассогласовчния этих сигналов;срабатывается сигпоступгющий на вход управления амплитудой выходных сигналов генератора

1, производящего коррекцию амплитуды.

Параллельный цифровой код с выхода

56 АЦП 3. згписывается в буферный регистр 57 по сигналу из блока 61 управления, формируемого сигналом Тотовность данных". Данные с выхода буферного регистра

57 поступают на дешиф",атор 58, цифровой индикатор 65, шинный формирователь 60 и записывается в передатчик 59 последовательногс кода, по сигналу с выхода 63 блока

6". управления выходными устройствами.

Последовательнь и код из передатчика

59 поступает в приемник 66 последовательного кода, к которому может быть подключено какое-либо регистрирующее или индициру— ющее устройство. Применение передатчика

59 последовгтельнсга кода позволяет производить дистанционные измерения обьектов, удаленных на большое расстояние.

Цифровой код с выхода формирователя

60 поступает в блок 67 обработки информации.

Введение в схему преобразователя напряжения в код, фазовых детекторов, фильтров низкой частоты, преобразователя синусоидгльного напряжения в прямоугольное позволяет исключить погрешность вызванну з нестабильностью амплитуды напряжения источника питания моста, временным др йфом источника опорного нгпояжения, изменением выходного сопротивления усилителей-повторитеПрименение преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное, построенного на двух компаргторах, работаюших с триггерами, фиксирующими перепады напряжения соответствующих компараторов только иэ низкого уровня в высокий, позволяе- снизить" влияние неидеальных характеристик компараторов.

1620947

Дополнительный эффект выражается в уменьшении количества элементов, снижении потребляемой мощности, уменьшении влияния температуры окружающей среды на работу схемы, а также в упрощении на- 5 стройки схемы. В предлагаемом измерителе одна настройка — установка масштаба пре образования путем изменения коэффициента усиления измерительного усилителя, Формула изобретения 10

Цифровой измеритель перемещений, содержащий последовательно соединенные генератор переменного напряжения, измерительный мост, измерительный усилитель, первый фазовый детектор, первый 15 фильтр низкой частоты, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки информации, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом сравнивающего блока, выход которого сое- 20 динен с управляющим входом генератора переменного напряжения, о т л и ч а ю— шийся тем, чта, с целью повышения точности измерения, в него введены второй фазовый детектор, второй фильтр низкой 25 частоты и преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, состоящий из двух компараторов, двух О-триггеров, RS-триггера и логического элемента ИЛИ, выход которого соединен с тактовым вхо- 30 дом аналого-цифрового преобразователя и с вторым входом блока обработки информации, при этом Н-вход первого компаратора соединен с И-входом второго, являющимся первым входом преобразователя, а И-вход 35 первого компяратора соединен с Н-входом второго, являющимся вторым входом преобразователя, при этом выход первого компаратора соединен с С-входом первого

D-триггера, выход второго компаратора — с 40

С-входом второго 0-триггера, а выход первого D-триггера соединен с S-входом RSтриггера, выход второго 0-триггера — с

R-входом RS-триггера, прямой выход которого, являющийся выходом преобразовате- 45 ля, соединен с R-входом первого

D-триггера, а инверсный выход — с R-входом второго О-триггера, между выходами которых подключен логический элемент ИЛИ, причем выход преобразователя соединен с управляющими входами первого и второго. фазовых детекторов, а выходы второго фазового детектора через второй фильтр низкой частоты соединен с входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, один из выходов второго фазового детектора соединен с вторым входом сравнивающего блока, парафазный выход генератора переменного напряжения соединен с соответствующими входами второго фазового детектора и преобразователя синусоидального напряжения в прямоугольное, при этом выходы измерительного усилителя через первый фазовый детектор и первый фильтр низкой частоты соединены парафазно с измерительным входом аналого-цифрового преобразователя, а измерительный усилитель состоит иэ четырех операционных усилителей, первый из который представляет собой усилитель-повторитель, причем выход второго операционного усилителя соединен с Н-входом третьего операционного усилителя, выход первого операционного усилителя соединен с Н-входом четвертого операционного усилителя, а между выходом третьего операционного усилителя и И-входом этого же усилителя подключен резистор обратной связи, между выходом четвертого операционного усилителя и И-входом этого усилителя включен второй резистор обратной связи, между Ивходами третьего и четвертого операционный усилителей подключена цепь последовательно соединенных резисторов, между выходами третьего и четвертого операционных усилителей подключена цепь из двух последовательно соединенных резисторов, к общему выводу которых подклю- . чен И-вход второго операционного усилителя, а между выходом и И-входом второго операционного усилителя включен конденсатор.

1б20947

Состави епе В.Семен - ук

;ехред M,MîðãåHTàë Корректор С,Щокмар

Редак гор A.Огар

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ух,арод, ул,Гагарина, 101

Заказ 4243 Тираж Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета по изобретенилм и открьпилм при ГКНТ ÑCÐ

113035, Москв" Ж-35, Раушская наб„4/5