Преобразователь перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения и других физических величин с использованием дифференциальных датчиков, например емкостных, индуктивных; контактных и бесконтактных потенцио.метрических. Целью изобретения является повышение точности преобразовав .ния .путем снижения мультипликативной и аддитивной погрешности преобразования. Цель достигается за счет введения в известное устройство коммутатора, первого и второго инвертирующих повторителей напряжения , первого и второго блоков балансировки , . второгосумматора, аналого-цифрового преобразователя. 1 згп.ф-лы, 1 ил.

СО РОЗ СО Г1 Е ТС К ИХ

СОЦИАЛИС ГИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК т. (s1)s G 01 В 7/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4875302/28 (22) 17.10,90 . (46) 23.02,93. Бюл. Кг 7 (71) Пензенский научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт средств контроля электронной аппаратуры и изделий электронной техники (72) Ю.А. Гневшев и А,Б, Андреев (56) Авторское свидетельство СССР

N - 1193446, кл. G 01 В 7/02, 1984. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕ!ЦЕНИЙ (57) Изобретение относится к измеритель. ной технике и может быть использовано для измерения перемещения и других физичеИзобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение для измерения перемещения с использованием параметрических датчиков перемещения, например емкостных, индуктивных, потенциометрических и других типов датчиков перемещения, выходной величиной которых является изменение их комплексных сопротивления или проводимости.

Известно емкостное устройство для измерения микроперемещений, содержащее источник питания, дифференциальный емкостный датчик, дифференциальный усилитель и сумматор; принцип работы которого основан на получении выходного сигнала, пропорционального разности емкостей конденсаторов датчика, и компенсации температурной погреш.ности посредством регулирования выходного напря>кения источника питания для обеспечения постоянства сигнала, пропорционального сумме емкостей конденсаторов датчика.

5U» 1796883А1 ских величин с использованием дифференциальных датчиков, например емкостных, индуктивных, контактных и бесконтактных потенциометрических. Целью изобретения является повышение точности преобразования путем снижения мультипликативной и аддитивной погрешности преобразования.

Цель достигается за счет введения в известное устройство коммутатора, первого и второго инвертиру1ащих повторителей напряжения, первого и второго блоков балансировки, второго сумматора, аналого-цифрового преобразователя. 1 з.п.ф-лы, 1 ил, Недостатками известного устройства являются ограничейная область применения и получение выходного сигнала в виде переменного напряжения, Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения перемещения, содержащее параметрический датчик перемещения, генератор псременного напряжения, подкл1о-: О ченный к его входу, два детектора, каждый из которых подключен к соответствующему выводу датчика, первый сумматор, один из входов которого подключен к выходу первого детектора, второй вход сумматора подкл1очен к выходу второго детектора, блок вычитания, входы которого подключены к выходам первого и второго детекторов, блок .: деления, входами подключенный к выходам сумматора и блока вычитания, блок умножения; первый вход которого соединен с блоком деления, а второи- с блоком начального суммарного сигнала.

1796883

Недостатками устройства-прототипа являются невысокая точность преобразования перемещения в электрический сигнал и ограниченная область применения. Первый недостаток связан с использованием в уст- 5 ройстве-прототипе операций деления и ум ножения аналоговых сигналов, результатом которых является Ънэлоговый сигнал, и которые не могут быть выполнены с необходимой точностью. Второй недостаток обусловлен возможностью работы устройства-прототипа только с дифференциальными датчиками.

Целью изобретения является повышение точности преобразования комплексных сопротивлений параметрических датчиков в электрический сигнал путем снижения мультипликативной и аддитивной погрешности преобразования, уменьшения влияния паразитных емкостей кабелей связи, 20 соедин я ющих датчик со схемой и рео6разователя, и низкочастотной пбмехи, а также возможность применения различных типов датчиков.

Поставленная цель достигается тем, что 25 и реобразовател ь перемещения, содержащий параметрический датчик, генератор переменного напряжения, подключеннь|й к его входу, два детектора, каждый иэ которых, подключен к соответствующему выводу дат- 30 чика, первый сумматор, один.из входоа которого подключен к выходу первого детектора, снабжен коммутатором, первым и вторым инвертирующими повторителями, вторым сумматором, двумя блоками балан- 35 сировки и аналога-цифровым преобразователем, вход опорного напряжения . аналого-цифрового преобразователя объе- . динен с входом второго инвертирующего повторителя и входом второго блока балан- 40 сироаки и подключен к выходу первогО сумматора, второй вход которого подключен к выходу коммутатора, а вход коммутатора объединен с первым. входом первого блока балансировки и подключен к выходу второ- 45 го детектора, первый инвертирующий повторитель входом соединен с выходом первого детектора, а выходом —. с вторым входом первого блока балансировки, выход которого подключен к одному из входов вто- 50 рого сумматора, второй -вход которого соединен с выходом второго блока балайсировки, а выход второго сумматора соединен с информативным входом аналого-цифрового преобразователя, выход вто- 55 рого инвертирующего повторителя .соединен с вторым входом второго блока балансировки, а кодовые выходы аналогоцифрового преобразователя являются шиной выходного сигнала.

Каждый детектор выполнен в виде операционного усилителя, четырех транзисторов, зеркала вытекающего тока и преобразователя тока в напряжение, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной, инвертирующий вход, являющийся входом детектора. подключен к эмиттеру первого, базе второго и коллектору третьего транзисторов, а выход- к базе первого, эмиттерам третьего и четвертого транзисторов, эмиттер второго транзистора соединен с базами третьего, четвертого транзистороа и коллектором четвертого транзистора, вход зеркала вытекающего тока подключен к коллекторам первого И второго транзисторов, а выход — к входу преобразователя тока в напряжение, выход которого является выходом детектора, На чертеже представлена функциональная схема преобразователя перемещения.

Преобразователь перемещения содержит параметрический датчик 1, генератор 2 переменного напряжения, подключенный к его входу 3, два детектора 4 и 5, каждый иэ которых подключен к соответствующему выводу 6, 7 датчика, первый сумматор 8, один из входов которого подключен к выходу первого детектора 6, коммутатор 9, первый и второй инаертирующие повторители 10 и

11, второй сумматор 12, два блока 13, 14 балансировки и аналого-цифровой преобразователь 15, вход опорного напряжения аналого-цифрово ro и реоб разо вател я 15 объединен с входом второго инвертирующего повторителя 11 и входом второго блока балансировки 14 и подключен к выходу первого сумматора 8, второй вход которого подключен к выходу коммутатора 9, а вход коммутатора 9 объединен с первым входом первого блока 13 балансировки и подключен к выходу второго детектора 5, первый инвертирующий повторитель 10 входом соединен с выходом первого детектора 4, а выходом — с вторым входом первого блока

13 балансировки, выход которого подключен к одному из входов второго сумматора

12, второй вход которого соединен с выходом второго блока 14 балансировки, а выход второго сумматора 12 соединен с информативным входом аналого-цифрового 15, выход второго инвертирующего повторителя

11 соединен с вторым входом второго блока

14 балансировки, а кодовые выходы аналого-цифрового преобразователя 15 являются шиной 16 выходного сигнала.

Детектор 4(5), схема которого представлена на фиг. 2, содержит операционный усилитель 17, четыре транзистора 18, 19, 20 и

21, зеркало 22 вытекающего тока и преобра t796883 (2) зователь 23 тока в напря>кение. Неинвертирующий вход операционного усилителя t7 соединен с общей шиной, инвертирующий вход, являющийся входом детектора 4(5), подключен к эмиттеру первого, базе второ- 5 го и коллектору третьего транзисторов 18, 19 и 20, а вход — к базе первого, эмиттерам третьего и четвертого транзисторов 18, 20 и

21, эмиттер второго транзистора 19 соеди-нен с базами третьего, четвертого транзи- 10 сторов 20, 21 и коллектором четвертого транзистора 21, вход зеркала 22 вытекающего тока подключен к коллекторам перво.го и второго транзисторов 18 и 19, а выход к входу преобразователя 23 тока в напряже- 15 ние, выход которого является выходом детектора 4(5), Преобразователь перемещения на основе дифференциального параметрическо,го датчика 1 работает следующим образом. 20

Коммутатор 9 в этом случае включен, причем включаться он может вручную. Так как первый и второй детекторы 4, 5 идентичны, то их работу рассмотрим на примере первого детектора 4. Переменное напряжение с 25 выхода генератора 2 поступает на вход 3 дифференциального параметрического датчика 1. схема замещения которого представлена на фиг.. 3. Операционный усилитель 17 за счет глубокой отрицатель-. 30 ной обратной связи поддерживает на втором выводе 6 дифференциального параметрического датчика 1 потенциал общей шины. При положительной полярности напряжения на выходе генератора 2 ток, 35 протекающий через плечо 24 дифференциального параметрического датчика 1, отражается зеркалом втекающего тока, собранном на втором, третьем и четвертом транзисторах 19, 20 и.21. Ток коллектора второго транзистора 19, являющийся вы- 40 ходным током зеркала втекающего тока, приблизительно равен току, протекающему через плечо 24 дифференциального параметрического датчика 1, и его среднее зна. чение 45

° . t19 = U/Z24 (1)

-где U — среднее значение напряжения на выходе генератора 2 переменного напряжения за один полупериод: . Z24 — модуль комплексного сопротивле- 50 ния первого плеча 24 дифференциального параметрического датчика 1.

При отрицательной полярности напря-: жения на выходе генератора 2 переменного напряжения в активный режим переводится 55 первый транзистор t8, среднее значение коллекторного тока которого

t18 = U/Z24.

Коллекторные токи первого и второго транзисторов 18, 19 суммируются зеркалом

22 вытекающего тока, на вход которого они поступают, Выходной ток зеркала 22 вытекающего тока

t22 = 21.)/Z24 (3) поступает на вход преобразователя 23 тока в напряжение, напряжение на выходе которого является выходным напряжением первого детектора 4 и определяется выражением

U4 = 2Кгзо/ 24, (4) где Кгз — коэффициент передачи преобразователя 23 тока в напряжение.

Вследствие идентичности детекторов 4 и 5 выражение для выходного напряжения второго детектора 5 будет иметь вид

U5 = 2К230/Z25,, (5) где Z25 — модуль комплексного сопротивления второго плеча 25 дифференциального параметрического датчика .

Выходные напряжения первого и второго детекторов 4 и 5 поступают на входы первого сумматора 8, напря>кение на выходе которого

Us= Ks(Us+ Us) = 2KsKzsU * . (G)

224 225 где Кв — коэффициент передачи первого сумматора 9.

Выходное напряжение второгодетектора 5 поступает на первый вход первого блока 13 балансировки, на второй вход которого поступает выходное напряжение первого инвертирующего повторителя 10, Первый блок 13 балайсировки производит дифференциальное изменение коэффициЕнтов передачи по первому и второму входам и может быть выполнен, например, на основе потенциометра, крайние выводы которого являются входами, средний вывод— выходом первого блока t3 балансировки.

При этом выходное напряжение первого блока 13 балансировки определяется выражением

013 =- K13.2Us К13.1U4 = 2K23U х х

К13.? 24 К13.1Z25

Z24 Z25 где К13.1 и К13.2 — коэффициенты передачи первого блока 13 балансировки по первому и второму входам соответственно.

При К13.1 = К13.2 = К13 выражение (7) принимает вид

Uu=2KnKzsU 22 . (B)

Z24 Z25 24 25

На входы второго блока 14 балансировки поступают напря>кения с выходов первого сумматора 8 и второго инвертирующего повторителя 11, который преобразует на1796883 (13) 05

«+ 30 (15 = (, + К12К14)(ч(пах ° (15) пряжение 08 в равное по величине и противоположное по знаку напряжение.

Второй блок 14 балансировки аналогичен первому блоку 13 балансировки и его вь)ходное напряжение

U74 = 4K74Us = 22KeK74K2sU,, (R)

Z24 + Z25 24 25 где К14 — коэффициент, пропорциональный разности коэффициентов передачи по первому и второму входам второго блока 14 балансировки.

Напря>кения 013 и 014 поступают на входы второго сумматора 12, выходное напряжение которого определяется выражением;

Z24 4 25

U72 -2К72К22ЩК72 " +KBK74 х

Z24 225 (10)

Z24 225 где К12 — коэффициент передачи второго сумматора 12.

Напряжение с выходов первого и второго сумматоров 8, 12 поступают соответственно на вход опорного напряжения и информативный вход аналого-цифрового преобразователя 15, выходной код которого, поступающий на шину 16 выходного сигнала, определяется выражением

- 012 g (К12К13 24 — 4- 25

08 . K8 224 + 4 25

+ К 12 К14)(х7 и) ах, (11) где Nmax — максимальный выходной код аналого-цифрового преобразователя 15, При работе преобразователя с бесконтактным потенциометрическим датчиком 1 коммутатор 9 включен, Переменное напряжение с выхода генератора 2 поступает на вход 3 бесконтактного потенциометрического датчика 1 и через конденсатор связи

26 прикладывается к первому и второму . плечам 27, 28 датчика, образованным положением подвижной обкладки кбнденсатора

26 связи.

Так как на втором и третьем выходах 6, 7 бесконтактного потенцлометрического датчика 1 поддерживается потенциал общей шины, то конденсатор 26 связи и параллельно соединенные первое и второе плечи

27; 28 образуют делитель, переменное напряжение в средней точке 29 которого (72

R27R28

R27 + R28 . (12 27 28

Z2s + (27 + 28 где 02 — переменное напряжение на выходе генератора 2;

R27 и R28- сопротивления соответственно первого и второго плеч 27, 28, бесконтактного потенциометрического датчика 1.

Токи, протекающие через первое и второе плечи 27, 28 бесконтактного потенциометрического датчика 1 под воздействием приложенного к ним напряжения 02g, опре5 деляются выражением (27

R27 4 R26

R27 28 27(226 + )

10 27 28

U2— (27 + R28

R27 R28

R26(Z26 4 ) 27 + R28

Токи I27 и l28 поступают на входы соот-. ветственно первого и второго детекторов 4 и 5, выходные напря>кения которых 27 28

R27 + R28

2K2sU2

04—

20 R27(226 4 )

R27 + 28

2K22U—

R27R28

R27 + R28 (14)

1 27 28

R27(z2s 4 ) 27 + 28

После необходимых преобразований в соответствии с выражениями (6), (8), (9), (10) получим выражения для выходного кода аналого-цифрового преобразователя 15

8(27 28

При работе преобразователя перемещения на основе недифференциального па35 раметрическаго датчика 1 коммутатор 9 выключен. При использовании в паре с параметрическим датчиком опорного элемента, выполненного по одной технологии с датчиком или образцового элемента, имею40 щего комплексное сопротивление того >ке вида, что и датчик, схема замещения недиф-. .ферециального параметрического датчика будет аналогична схеме замещения дифференциального параметрического датчика l, 45 представленной на фиг. 3. При этом датчик (плечо 25) подключается к входу второго детектора 5, а опорный (образцовый) элемент (плечо 24) — к входу первого детектора 4.

50 Работа преобразователя перемещения в этом случае аналогична работе с дифференциальным параметрическим датчиком 1 с той лишь разницей, что выходное напряжение первого сумматора 8 определяется выражением

Us= KaU4= —. (76)

2 К8К23 24

В соответствии с этим выра>кение для выходного кода аналого-цифрового преобразователя 15 будет иметь вид

1796883

10

30

45

50 дом.детектора г K)2K)3(Z24 — 225) + K г 8 -25

K12K)3Z24 12K l3

=(— — + — — + K12K14)Nmax (17}

Кв225 <в

Использование предлагаемого преобразователя перемещения позволяет уменьшить влияние на результат преобразования мультипликативной составляющей погрешности, обусловленной разностью коэффициентов передачи плеч дифференциального параметрического датчика 1 и детекторов 4 и 5 за счет изменения коэффициентов передачи по входам первого блока 13 балансировки, а также аддитивной составляющей погрешности, обусловленной начальным смещением разности комплексных сопротивлений плеч датчика и напряжениями смещения детекторов 4 и 5, первого инвертирующего повторителя 10 и второго сумматора 12, за счет изменения коэффициентов передачи по входам второго блока 14 балансировки.

Введение аналого-цифрового преобразователя 15 в предлагаемый преобразователь перемещения позволяет по сравнению с прототипом более точно выполнить функцию отношения аналоговых сигналов, По сравнению с прототипом предлагаемый преобразователь перемещения имеет более широкую область. применения, так как позволяет работать как с дифференциальными, так и с недифференциальными параметрическими датчиками.

Использование в предлагаемом преобразователе перемещения детектора позволит уменьшить влияние паразитных емкостей кабелей связи и низкочастотной помехи. Уменьшение влияния параэитных емкостей кабелей связи обусловлено тем, что емкость кабеля по входу датчика 1 не входит в функцию преобразования, а на втором и третьем выводах датчика 1 поддерживается потенциал общей шины, что уменьшает влияния емкостей кабелей связи, соединяющих входы первого и второго, детекторов 4, 5 с соответствующими выводами датчика. Уменьшение влияния низко-. частотной помехи достигается за счет двухполупериодного выпрямления сигналов, поступающих на входы детекторов 4,5.

Формула изобретения

1. Преобразователь перемещений, содержащий параметрический датчик, генератор переменного напряжения, подключенный к его входу, два детектора, каждый из которых подключен к соответст- вующему выводу датчика, первый сумматор, один из входов которого подключен к выходу первого детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен коммутатором, первым и вторым инвертирующими повторителями, вторым сумматором, двумя блоками балансировки и аналого-цифровым преобразователем, вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя объединен с входом второго инвертирующего повторителя и входом второго блока балансировки и подключен к выходу первого сумматора, второй вход которого подключен к выходу коммутатора, а вход коммутатора обьединен с первым входом первого блока балансировки и подключен к выходу второго детектора, первый инвертирующий повторитель входом соединен с выходом. первого детектора, а выходом — с вторым входом первого блока балансировки, выход которого подключен к одному из входов второго сумматора, второй вход которого. соединен с выходом второго блока балансировки, а выход второго сумматора соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход . второго инвертирующего повторителя соединен с вторым входом второго блока балансировки, а кодовые выходы айалого-цифрового преобразователя являются шиной выходного сигнала.

2, Преобразователь перемещений по и.

1, отличающийся тем, что каждый детектор выполнен в виде операционного . усилителя, четырех транзисторов, зеркала вытекающеготока и преобразователя тока в напряжение, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной, инвертирующий вход, являющийся входом детектора; подключен к эмиттеру первого, базе второго и коллектору третьего транзисторов, а выход — к базе первого, эмиттерам третьего и четвертого транзисторов, эмиттер второго транзистора соединен с базами третьего, четвертого транзисторов и коллектором четвертого транзистора, вход зеркала вытекающего тока подключен к коллекторам первого и второго транзисторов, а выход — к входу преобразователя тока в напряжение, выход которого является выхо1796883

Составитель Н,Сухор

Техред M.Moðãåíòçë

Корректор М.Петрова

Редактор

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

Заказ 642 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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