Устройство для измерения перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения перемещений с помощью измерительного устройства, содержащего индуктивный датчик. В уравновешивающих плечах мостовой измерительной схемы используются конденсаторы оптимальной емкости с целью минимизации погрешности измерения перемещений путем уменьшения влияния нестабильности активных сопротивлений обмоток датчика. Индикатор сигнала построен по схеме фазочувствительного демодулятора с подачей опорного напряжения от питающего трансформатора через фазовращатель. Показания фазочувствительного демодулятора пропорциональны реактивной составляющей тока в измерительной диагонали мостовой схемы, которая при оптимальном выборе емкостей конденсаторов в уравновешивающих плечах мостовой схемы пропорциональна разности индуктивных сопротивлений обмоток датчика, т.е. измеряемому перемещению. Таким образом может быть повышена точность измерения индуктивным датчиком, включенным в мостовую схему с большим внутренним сопротивлением индикатора сигнала в измерительной диагонали. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения перемещений с помощью измерительного устройства, содержащего индуктивный датчик.

Известно устройство для измерения перемещений, в котором индуктивный датчик включен в мостовую схему, содержащую в своих плечах кроме обмоток датчика также уравновешивающие активные сопротивления, величина которых выбирается таким образом, чтобы активная составляющая тока в измерительной диагонали мостовой схемы была пропорциональна изменению индуктивных сопротивлений обмоток датчика [1] Это устройство может использоваться с индикатором сигнала, имеющим малое внутреннее сопротивление, которое много меньше выходного сопротивления мостовой схемы со стороны зажимов измерительной диагонали. Индикатором сигнала может быть, например, ваттметр, токовая обмотка которого, имеющая малое сопротивление, включается в измерительную диагональ мостовой схемы, а обмотка напряжения присоединена к источнику питания мостовой схемы. Такая схема неработоспособна с индикатором сигнала, имеющим большое внутреннее сопротивление, т. е. утрачивает свои положительные свойства, обеспечивающие малую погрешность от изменений активных сопротивлений обмоток датчика вследствие их нагрева током в процессе измерений.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения перемещений, содержащее индуктивный датчик, включенный в мостовую схему с активными уравновешивающими сопротивлениями, в котором также реализуется способ уменьшения температурной погрешности [2] С помощью фазовращателя фаза опорного напряжения фазочувствительного детектора регулируется опытным путем таким образом, чтобы уменьшить чувствительность устройства к изменениям активных сопротивлений обмоток датчика в процессе его работы, при этом не упоминается о рациональном выборе уравновешивающих сопротивлений. Однако оптимизация параметров уравновешивающих сопротивлений, а именно применение конденсаторов определенных значений их емкости вместо активных сопротивлений, может иметь решающее значение для дальнейшего уменьшения температурной погрешности.

Для этого в устройстве для измерения перемещений, содержащем питающий трансформатор, подключенные к нему фазовращатель и мостовую измерительную схему, в два плеча которой включены уравновешивающие сопротивления, дифференциальный индуктивный датчик, обмотки которого включены в два других плеча мостовой схемы, подключенный к ее выходной диагонали усилитель, присоединенный к нему одним из входов фазочувствительный демодулятор, к другому входу которого присоединен выход фазовращателя, в качестве уравновешивающих сопротивлений использованы конденсаторы, емкостное сопротивление каждого из которых определяется из приведенного ниже соотношения.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для измерения перемещений.

Устройство содержит индуктивный дифференциальный датчик, обмотки 1 и 2 которого включены в два плеча мостовой схемы, в два других уравновешивающих плеча включены конденсаторы 3 и 4. Трансформатор 5 питается от источника ЭДС и вторичной обмоткой включен в диагональ питания мостовой схемы и фазовращатель 6. В измерительную диагональ мостовой схемы включен усилитель 7, пройдя через который, информативный сигнал подается на фазочувствительный демодулятор 8, получающий опорное напряжение от фазовращателя.

Устройство работает следующим образом.

В равновесном положении якоря датчика, когда сопротивления его обмоток равны, мостовая схема находится в состоянии баланса и величина тока в ее измерительной диагонали равна нулю. Действие датчика основано на преобразовании перемещения якоря в изменение индуктивности обмоток датчика. При этом величина тока J_о в измерительной диагонали мостовой схемы определяется следующим выражением (для случая, если сопротивление приемника информативного сигнала в виде усилителя и фазочувствительного демодулятора много больше, по крайней мере на порядок, выходного сопротивления мостовой схемы): I_o + j , (1) где A X_c² X_c(X₁ + X₂) + (X₁X₂ R₁R₂); (2) B X_c(R₁ + R₂) (R₁X₂ + R₂X₁); (3) U напряжение питания мостовой схемы; Z_д сопротивление приемника сигнала в измерительной диагонали мостовой схемы; Х₁, Х₂ индуктивные сопротивления обмоток датчика; R₁, R₂ активные сопротивления обмоток датчика; Х_с уравновешивающие сопротивления.

Перемещение якоря датчика вызывает в основном изменение индуктивных сопротивлений обмоток Х₁ и Х₂, но имеет место также изменение активных потерь в обмотках датчика, что характеризуется наличием разности (R₁ R₂) в формуле (1) и ведет к погрешности измерения перемещения.

Погрешность может быть уменьшена путем выбора значений уравновешивающих сопротивлений Х_с. При выборе такого значения Х_с, при котором А << В, по крайней мере в 10 раз и более, реактивная составляющая тока в измерительной диагонали мостовой схемы пропорциональна разности (Х₂ Х₁), так как членом (R₂ R₁) можно пренебречь ввиду его малости.

Исходное уравнение для минимизации коэффициента А получаем из выражения (2), приравнивая его нулю X_c² X_c(X₁ + X₂) + (X₁X₂ R₁R₂) 0.

Решая последнее уравнение относительно Х_с для случая среднего положения якоря (положения баланса мостовой схемы), т. е. при Х₁ Х₂ и R₁ R₂, имеем X_c X₁₍₂₎ + R₁₍₂₎.

Для дальнейшего повышения точности измерения при выборе значений уравновешивающих сопротивлений мостовой схемы в целях оптимальной минимизации коэффициента А рекомендуется в формуле (4) использовать значения сопротивлений обмоток датчика не в равновесном режиме, а с учетом их наиболее вероятных температурных изменений в процессе работы.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее питающий трансформатор, подключенные к нему фазовращатель и мостовую измерительную схему, в два плеча которой включены уравновешивающие сопротивления, дифференциальный индуктивный датчик, обмотки которого включены в два других плеча мостовой схемы, подключенный к ее выходной диагонали усилитель, присоединенный к нему одним входом фазочувствительный демодулятор, к другому входу которого присоединен выход фазовращателя, отличающееся тем, что в качестве уравновешивающих сопротивлений использованы конденсаторы, емкостное сопротивление X_с которых выбирается из уравнения
X²_c- X_с(X₁+X₂)+(X₁X₂-R₁R₂) = 0,
где X₁, X₂ индуктивное сопротивление обмоток индуктивного датчика;
R₁, R₂ активное сопротивление этих обмоток.

РИСУНКИ

Рисунок 1