Индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений. Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет повышения чувствительности преобразователя. Напряжение питания от источника 1 переменного напряжения через первичную обмотку трансформатора 2 поступает на индуктивный преобразователь 12. При перемещении объекта 13 контроля изменяющееся напряжение поступает на входы масштабирующих контуров 3 и 4, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных фазовращателя 5 (7) и масштабирующего звена 6 (8) соответственно. С выходов масштабирующих контуров сигналы поступают на входы соответствующих сумматоров 9 и 10, на вторые входы которых поступает сигнал с выхода индуктивного преобразователя 12. С выходов сумматоров сигналы поступают на входы фазометра 11. Путем регулировки амплитуды и фазы сигналов в соответствующих масштабирующих контурах добиваются максимального значения чувствительности датчика. 3 ил. СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4802230/28 (22) 14.03.90 (46) 29.02.92. Бюл. М 8 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Н.Д.Конаков, А.Н.Трофимов, В.А.Столяров и Г.С.Лыгина (53) 531.717(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1260664, кл. G 01 В7/00,,1985.

Авторское свидетельство СССР

N1527485,,кл. G 01 В 7/00, 1987. (54) ИНДУКТИВНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ С ФАЗОВЫМ ВЫХОДОМ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений. Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет повышения чувствительности преобразователя. Напряже„„!Ы„„ 1716309 A 1 ние питания от источника 1 переменного напряжения через первичную обмотку трансформатора 2 поступает на индуктивный преобразователь 12. При перемещении объекта 13 контроля изменяющееся напряжение поступает на входы масштабирующих контуров 3 и 4, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных фазовращателя 5 (7) и масштабирующего звена 6 (8) соответственно. С выходов масштабирующих контуров сигналы поступают на входы соответствующих сумматоров 9 и

10, на вторые входы которых поступает сигнал с выхода индуктивного преобразователя 12. С выходов сумматоров сигналы поступают на входы фазометра 11. Путем регулировки амплитуды и фазы сигналов в соответствующих масштабирующих контурах добиваются максимального значения чувствительности датчика. 3 ил.

1716309

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объектов.

Известно устройство перемещение— фаза, содержащее источник переменного напряжения, преобразователь, масштабирующий контур в виде последовательно включенных фазовращателя и масштабирующего звена, сумматор и фазометр.

Недостатками указанного устройства являются низкая точность преобразования, обусловленная малой величиной приращения фазы суммарного сигнала на единицу перемещения за счет изменения амплитуды только одного из геометрически суммируемых сигналов, низкая надежность работы в условиях воздействия дестабилизирующих факторов из-за паразитного изменения фазы результирующего сигнала вследствие непропорционального изменения амплитуд геометрически суммируемых сигналов при воздействии на источник синусоидального напряжения и преобразования разных по величине дестабилизирующих факторов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом, содержащий источник переменного напряжения, индуктивный преобразователь, масштабирующий контур в виде последовательно соединенных фазовращателя и масштабирующего звена, трансформатор, сумматор и фазометр. Первичная обмотка трансформатора включена межДу выходом источника переменного напряжения и сигнальным выводом катушки и ндуктивно го и реоб разо вателя. Сигнал ьный вывод второй обмотки трансформатора соединен с входом фазовращателя масштабирующего контура. Входы сумматора подключены к выходам масштабирующего контура и общей точке первичной обмотки трансформатора с катушкой индуктивного преобразователя, Выходы фазометра соединены с выходами сумматора и масштабирующего контура, Недостатком известного датчика является недостаточная точность преобразования, обусловленная малой величиной приращения фазы суммарного сигнала на единицу перемещения вследствие того, что максимальный диапазон изменения фазы суммарного сигнала меньше 180О.

Цель изобретения — повышение точности измерений путем увеличения диапазона изменения фазы результирующего сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом снабжен вторым масштабирующим контуром в виде последовательно соединенных фазовращателя и масштабирующего звена, подключенным входом к сигнальному выводу вторичной обмотки трансформатора, вторым сумматором, первый вход которого подключен к выходу второго масштабирующего контура, второй вход — к второму входу первого сумматора, а выход второго сумматора соединен с вторым входом фазометра.

Введение второго масштабирующего контура и второго сумматора позволяет повысить точность преобразования вследствие увеличения чувствительности преобразования за счет увеличения приращения фазы суммарного сигнала на единицу перемещения и вследствие увеличения диапазона изменения фазы суммарного сигнала в два раза.

На фиг, 1 приведена электрическая блок-схема индуктивного датчика перемещения с фазовым выходом; на фиг, 2 — схема конструкции индуктивного преобразователя; на фиг, 3 — векторная диаграмма сигналов датчика перемещения с фазовым

ВЫХОДОМ, Индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом (фиг, 1) содержит источник

1 переменного напряжения, трансформатор

2, первый масштабирующий контур 3 в виде последовательно вкл ючен н ых фазовращателя 5 и масштабирующего звена 6, второй масштабирующий контур 4 в виде последовательно включенных фаэовращателя 7 и масштабирующего звена 8, первый 9 и второй 10 сумматоры, фазометр 11, индуктивный преобразователь 12 и объект 13 контроля.

Конструктивно индуктивный преобразователь (фиг. 2) представляет собой катушку 16 индуктивности, размещенную в ферромагнитной чашке 14 Ш-образного сечения, Со стороны открытого торца ферромагнитной чашки 14 размещен объект 13 контроля, а со стороны закрытого торца— трансформатор, состоящий иэ первичной 18 и вторичной 17 обмоток, размещенных в ферромагнитной чашке 15 Ш-образного сечения, причем открытый торец чашки 15 обращен в сторону закрытого торца чашки 14, который выполняет функцию замыкающей пластин ы магнитопровода тра нсформатора, Индуктивный датчик перемещения с фазовым выходом работает следующим образом.

1716309 (2) (3) Синусоидальное напряжение U ñ выхода источника 1 переменного напряжения, имеющего малое внутреннее сопротивление, через первичную обмотку трансформатора 2 поступает для питания катушки индуктивности преобразователя 12. При перемещении объекта 13 контроля, например, в сторону увеличения зазора Х (фиг. 1) уменьшается индуктивность, а также индуктивное и полное сопротивления катушки индуктивности преобразователя.

Так как источник 1 синусоидального напряжения имеет малое внутреннее сопротивление, то при уменьшении полного сопротивления катушки индуктивности преобразователя уменьшается по амплитуде сигнал U», снимаемый с сигнального вывода катушки индуктивности преобразователя

12, а сигнал Ux, снимаемый с вторичной обмотки трансформатора 2, возрастает по

I амплитуде. Сигналы Ux и U» сдвинуты по фазе на 180 за счет соответствующего включения вторичной обмотки трансформатора 2 и связаны с перемещением Х зависимостью, близкой к экспоненционной; аМ

u,-=u. e (1) где U — сигнал с сигнального вывода катушки индуктивности преобразователя или с вывода вторичной обмотки трансформатора при Х=Омм; а- показатель степени экспоненциальной функции (берется со знаком "+" для возрастающей функции и со знаком "-" для убывающей функции).

С помощью фазовращателей 5 и 7 формируются на их выходах сигналы U»1 и Uxz, сдвинутые по фазе относительно сигнала Ux в сторону опережения (сигнал О»1) и в стоI рону отставания (сигнал Uxz) соответственно на углы ф1 и ф, меньшие 450 (фиг. 3).

Гармонические сигналы О»1 и Uxz с выходов фазовращателей 5 и 7 через масштабирующие звенья 6 и 8 поступают на первые входы сумматоров 9 и 10, на вторые входы которых подается сигнал Ux с точки соединения первичной обмотки трансформатора

2 и катушки индуктивного преобразователя 12.

На сумматоре 9 происходит геометриче1 ское сложение гармонических сигналов О»1 и Ux. На выходе сумматора 9 формируется первый суммарный (результирующий) сигнал Ug,, вектор которого вращается (на фиг.

3 показано стрелкой ю1) вследствие измене-! ния по амплитуде сигналов О»1 и О» в функции перемещения по возрастающему и убывающему законам соответственно.

Фаза суммарного гармонического сигнала О,. определяется выражением .!

Р1 =arCtg

ЧЬ1+ О.

Ux

Оx1 где у1 — фаза суммарного сигнала О с ! выхода первого сумматора 9; ф>1 — сдвиг фаз между гармоническими ( сигналами Ux и О»1;

Ux — гармонический сигнал с точки соединения первичной обмотки трансформатора 2 и катушки индуктивного преобразователя 12, промодулированный в функции перемещения;

Ux1 — ГаРМОНИЧЕСКИй СИГНаЛ С СИГНаЛЬного вывода вторичной обмотки трансформатора 2, сдвинутый по фазе первым фазовращателем 5 и промодулированный в функции перемещения.

Одновременно на сумматоре 10 происходит геометрическое сложение гармонических сигналов Uxz u Ux. На выходе сумматора 10 формируется второй суммарный сигнал U... вектор которого вращается в противоположном направлении (на фиг. 3 показано стрелкой а2.) относительно вращения вектора сигнала О, Вращение вектора ! сигнала U>, ïðoèñõoäèò вследствие изменения по амплитуде сигналов Uxz м U» в функции перемещения по возрастающему и убывающему законам соответственно.

Фаза суммарного гармонического сигнала u>,oïðåäåëÿåòñÿ выражением

P2 = arCtg

Ux созМ02+ 01„ где (pe — фаза суммарного сигнала U с выхода второго сумматора 10: ф 2 — сдвиг фаз между гармоническими ! сигналами их и Uxz;

О»2 — гармонический сигнал с сигнального вывода вторичной обмотки трансформатора 2, сдвинутый по фазе вторым фазовращателем 7 и промодулированный в функции перемещения.

Суммарные сигналы U", и U ;c выходов сумматоров 9 и 10 поступают на входы фазометра 11, с выхода которого снимается зависимость разности фаз между двумя суммарными сигналами от измеряемого переме щен ия: p»x — f(X). В резул ьтате одновременного вращения двух суммарных векторов U: и Ugg.в разных направлениях разность фаз между суммарными сигналами

1716309 8 уъ„» = у + у изменяется с удвоенной скоростью и определяется выражением (4) + arctg соз фи +-у"—

»2 которое является функцией преобразования индуктивного датчика перемещения с фазовым выходом.

На векторной диаграмме (фиг. 3) с индексом Н обозначены сигналы, соответствующие началу диапазона измерения, а с индексом К вЂ” сигналы, соответствующие текущему значению измеряемого перемещения. Из векторной диаграммы (фиг. 3) и выражения (4) видно, что у предлагаемого датчика диапазон измерения разности фаз между суммарными сигналами Ц,и U,,áîëüше 180 и близок к 360О, т.е. датчик обладает повышенной в два раза чувствительностью преобразования по сравнению с датчикоми рототипом.

Повышение линейности выходной характеристики датчика обеспечивается путем выбора необходимых углов сдвига фаз

I 1 фц и фц между сигналами Ux и U(,,x, Ux u Uzx с помощью фазовращателей 5 и 7 (путем подбора элементов фазовращателей) и изменением с помощью масштабирующих звеньев 6 и 8 (например, подбором элементов делителя напряжения на резисторах) амплитуды сигналов U1x и U2» таким образом, что отношение сигналов U»/U4 и

1б

15

18 юг. 2 фвы» =ф1 +@2=

= arctg

sin

Ux сов фц + —, Ux1 (О»/U2» равны 1 в точке баланса, расположенной в конце диапазона измерения.

Использование предлагаемого датчика по сравнению с датчиком-прототипом по5 зволяет повысить чувствительность преобразования в два раза, а следовательно, и точность преобразования, Формула изобретения

Индуктивный датчик перемещения с фа10 зовым выходом, содержащий источник переменного напряжения, подключенный к нему первым концом первичной обмотки трансформатор, подключенный к второму концу первичной обмотки трансформатора

15 индуктивный преобразователь, первый масштабирующий контур в виде последовательно соединенных фазовращателя и масштабирующего звена, подключенный входом к сигнальному выводу вторичной об20 мотки трансформатора, первый сумматор, подключенный первым входом к выходу первого масштабирующего контура, вторым — к точке соединения первичной обмотки трансформатора и индуктивного преобразо25 вателя, фазометр, первый вход которого подключен к выходу сумматора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен вторым масштабирующим контуром в виде последо30 вательно соединенных фазовращателя и масштабирующего звена, подключенным входом к сигнальному выводу вторичной обмотки трансформатора, вторым сумматором, первый вход которого подключен к

35 выходу второго масштабирующего контура, второй — к второму входу первого сумматора, а выход второго сумматора соединен с вторым входом фазометра.

1716309

45

Составитель Н,Конаков

Техред M. Ìîðãåíòàë Корректор Т.Малец

Редактор А.Лежнина

Заказ 603 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ц(К) >1

7(к)

Х7 7 (К) Х2