Преобразователь линейного перемещения

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений. Преобразователь линейных перемещений содержит электронный блок и первичный датчик индукционного типа. Датчик состоит из двух магнитопроводов: цилиндрической линейки и сигнальной головки в виде втулки, на сопрягаемых цилиндрических поверхностях которых образованы пазы. Пазы могут быть винтовыми или на одном из них параллельными образующей цилиндрической поверхности, либо расположенными со скосом в пределах одного пазового деления. В пазах уложены обмотки грубого и точного отсчета. Выходные сигналы изменяются в функции линейного перемещения с периодичностью, равной ходу винтовых пазов. Преобразователь позволяет исключить неоднозначность при преобразовании электронным блоком выходных сигналов в цифровой код. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к устройствам автоматического контроля и регулирования и может быть применено в станкостроении, робототехнике и в других отраслях.

Известны преобразователи линейных перемещений, состоящие из электронного блока и первичного датчика. Электронный блок содержит схему измерения выходного сигнала первичного датчика и регистр, с выхода которого выдается выходной сигнал в цифровом коде. Первичный датчик содержит магнитопроводящий цилиндрический шток с двухзаходными винтовыми пазами, в которые уложены проводники входной обмотки, и коаксиально охватывающую его с зазором цилиндрическую втулку из ферромагнитного материала. Сигнальным элементом является цилиндрическая втулка из электропроводящего немагнитного материала, имеющая винтовые вырезы, соединенная с подвижным объектом, перемещающим ее в осевом направлении в зазоре между штоком и ферромагнитной цилиндрической втулкой [1] При подаче на входную обмотку переменного напряжения, проходящий через нее ток изменяется от некоторого минимального значения до максимальной величины в функции линейного перемещения подвижного объекта.

Недостатком такого преобразователя является малая точность при преобразовании изменения тока в цифровой код.

Известны преобразователи, также состоящие из первичного датчика и электронного блока, у которых электронный блок содержит дополнительную схему, фиксирующую число периодов выходного сигнала первичного датчика. Первичный датчик содержит цилиндрический шток, аналогичный описанной выше конструкции и имеющий сигнальную головку в виде магнитопроводящей цилиндрической втулки с двухзаходными винтовыми пазами на внутренней поверхности, в которые уложена выходная обмотка [2] При подаче напряжения на входную обмотку цилиндрического штока в выходной обмотке цилиндрической втулки индуцируется ЭДС в функции линейного перемещения втулки относительно цилиндрического штока. Изменение амплитуды происходит с периодичностью, равной ходу винтового паза.

В данном преобразователе повышена точность преобразования линейного перемещения в цифровой код, однако этой конструкции присущ недостаток, заключающийся в неоднозначности определения величины линейного перемещения внутри полупериода, так как любому положению втулки в пределах одной четверти периода соответствует положение втулки в другой четверти периода, в которых выходные ЭДС равны. Эти точки расположены симметрично относительно точки с максимальной величиной выходной ЭДС. Другими недостатками этой конструкции являются: потеря информации о линейном положении в случае перерыва питания преобразователя, малая точность и малая величина выходного сигнала первичного датчика.

Целью изобретения является исключение неоднозначности определения величины линейного перемещения в пределах полупериода. Это достигается тем, что на обращенных одна к другой цилиндрических поверхностях штока или головки первичного датчика образовано не менее одной пары дополнительных пазов, выполненных симметрично относительно основных пазов, и в этих дополнительных пазах размещена хотя бы одна дополнительная выходная обмотка, а в электронный блок введен логический коммутатор, на входы которого подключены выводы основной и дополнительной выходных обмоток и второй выход фомрирователя управляющих сигналов, а его выход соединен со схемой измерения.

С целью повышения точности в преобразователе, имеющем на цилиндрическом штоке и в сигнальной головке винтовые пазы одного направления, число витков винтовых пазов в сигнальной головке выполняют отличным не более, чем на 1/2 от числа витков винтовых пазов штока на участке, равном осевой длине сигнальной головки.

С целью повышения точности пазы на внутренней поверхности сигнальной головки могут быть выполнены параллельно образующей внутренней цилиндрической поверхности или со скосом в пределах одного пазового деления, при этом осевая длина сигнальной головки равняется или меньше половины хода винтового паза на поверхности цилиндрического штока.

С целью увеличения сигнала первичного датчика и повышения точности преобразователя коаксиально с цилиндрическим штоком может быть размещено несколько идентичных сигнальных головок, выходные обмотки головок соединены последовательно согласно, головки между собою соединены механически с относительным разворотом осей их обмоток вокруг продольной оси датчика на угол в пределах ± 180^о, при этом осевое расстояние между серединами соседних головок определяется следующим выражением l 2pk + ± δ, где р линейная величина, равная половине хода винтовых пазов на цилиндрическом штоке; k целое положительное число; α угол разворота (в градусах) вокруг продольной оси датчика одной головки относительно другой; β линейная величина, не превышающая 1/4 величины хода винтовой линии пазов на штоке.

С целью исключения потери информации о линейном положении в случае перерыва питания применяют преобразователь с системой грубого отсчета, включающей в себя сигнальную головку грубого отсчета, в которой пазы расположены параллельно образующей цилиндрической поверхности и число пазов равно 2m, где m целое число, одну или несколько расположенных в этих пазах выходных обмоток грубого отсчета и одну входную обмотку грубого отсчета, расположенную в дополнительно выполненных на поверхности штока двухзаходных пазах, имеющих величину хода винтовой линии, равную или превышающую величину рабочего перемещения сигнальной головки. Осевая длина сигнальной головки в системе грубого отсчета равна или кратна ходу винтовой линии пазов в системе точного отчета. Осевая длина L магнитопровода сигнальной головки точного отсчета определяется по формуле L , где d внутренний диаметр отверстия сигнальной головки точного отсчета; ϑ_о угол подъема винтовых пазов в сигнальной головке точного отсчета; ϑ _г угол подъема винтовых пазов грубого отсчета на цилиндрическом штоке.

В электронный блок введены дополнительные входы в логическом коммутаторе, на которые подключены выходные обмотки грубого отсчета, и введена схема согласования грубого и точного отсчетов, вход которой соединен с выходом схемы измерения, а ее выход соединен с входом регистра.

На фиг.1 изображено конструктивное исполнение первичного датчика с сигнальной головкой, имеющей винтовые пазы, продольное сечение; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 функциональная схема одноотсчетного преобразователя; на фиг. 4 конструктивное исполнение первичного датчика с сигнальной головкой, имеющей пазы, параллельные образующей цилиндрической поверхности, продольное сечение; на фиг.5 сечение Б-Б на фиг.4; на фиг.6 функциональная схема двухотсчетного преобразователя.

Преобразователь состоит из первичного датчика и электронного блока. Первичный датчик (фиг.1 и фиг.2) содержит цилиндрический шток 1 и расположенную соосно с ним с равномерным воздушным зазором сигнальную головку 2 в виде втулки. Сигнальная головка может центроваться относительно оси цилиндрического штока с помощью установленных по бокам головки втулок из немагнитного материала с малым коэффициентом трения, обеспечивающих перемещение со скольжением по поверхности цилиндрического штока. Поверхность штока для защиты от повреждений может быть закрыта немагнитной тонкостенной трубкой. Для упрощения изображения эти конструкционные элементы на фиг.1 и фиг.2 не показаны. На сопрягаемых цилиндрических поверхностях штока и головки образованы пазы, число которых кратно 2. При этом хотя бы на одной из сопрягаемых цилиндрических поверхностей число пазов должно быть не менее 4. В рассматриваемом примере на поверхности цилиндрического штока созданы с ходом, равным 2р, двухзаходные винтовые пазы 3 и 4, в которые уложена входная обмотка 5 (для упрощения изображения на фиг.1 обмотки не показаны). Проводники обмотки 5 имеют направление укладки в одну сторону по одному пазу и в противоположную сторону по второму пазу, что условно показано точкой и крестиком на фиг.2. Переходы проводников из одного паза в другой осуществляются в торцовых частях цилиндрического штока, с одной из торцовых частей выведены начало и конец входной обмотки. Для изображенного на фиг.2 поперечного сечения А-А осью входной обмотки цилиндрического штока является линия 6. На внутренней поверхности сигнальной головки выполнены винтовые пазы, число которых равняется 2n, где n целое число. В рассматриваемом примере принято n=2, т.е. число пазов в сигнальной головке равно 4. Направление углов подъема винтовых пазов на цилиндрическом штоке и в сигнальной головке выполняют в одну сторону. В рассматриваемом примере направления винтовых пазов правые. Число витков винтовых пазов в сигнальной головке не должно отличаться больше, чем на 1/2 от числа витков винтовых пазов цилиндрического штока на участке, равном осевой длине сигнальной головки. Этим методом можно исключить одну из высших гармонических составляющих в выходных сигналах первичного датчика. Для подавления конкретной гармоники при расчете необходимой разницы углов подъема винтовых пазов можно воспользоваться методикой выбора скоса пазов, применяемого в электрических машинах типа многополюсных вращающихся траснформаторов. Осевая длина сигнальной головки выбирается методом оптимизации по заданному максимальному выходному напряжению, величина которого пропорциональна длине головки, и по ограничениям осевого размера первичного датчика и диапазона линейных перемещений. По аналогии с обмоткой 5 в диаметрально противоположных пазах 7 и 8 сигнальной головки 2 уложена основная выходная обмотка 9. В двух других пазах 10 и 11 уложена идентичная дополнительная выходная обмотка 12. Оси обмоток 9 и 12 в поперечном сечении А-А на фиг.2 изображены линиями 13 и 14 соответственно. Для рассматриваемого случая с двумя выходными обмотками в сигнальной головке пространственный угол между их осями равняется 90^о. Выводные концы обмоток 9 и 12 подключены на вход логического коммутатора 15 в электронном блоке (фиг.3). Выход логического коммутатора 15 соединен с входом схемы измерения 16, выходы которой соединены с входами регистра 17. Формирователь управляющих сигналов 18 своими выходами соединен с управляющими входами логического коммутатора 15 и схемы измерения 16.

В преобразователе может также применяться сигнальная головка, у которой пазы выполнены не винтовыми, а расположенными параллельно образующей цилиндрической поверхности внутреннего отверстия или со скосом в пределах одного пазового деления. В таком преобразователе (см. фиг.4 и фиг.5) цилиндрической шток 1 имеет то же устройство, что и на фиг.1 и фиг.2. Сигнальная головка 2 имеет осевую длину магнитопроводящей втулки, равную или несколько меньше р половины хода винтовых пазов на цилиндрическом штоке 1. Внутренняя цилиндрическая поверхность содержит 2n продольных пазов 19. В рассматриваемом примере принято n=6, т.е. число пазов 2n=12. В пазах уложены проводники основной выходной обмотки 9. Осью обмотки является линия 13. Проводники обмотки имеют направление укладки в одну сторону по одному пазу и в противоположную сторону по другому пазу, расположенному симметрично относительно оси 13. Направления укладки проводников на фиг.5 условно обозначены точками и крестиками. Числа проводников в каждом пазу принимаются пропорциональными синусу угла, образованного осью 13 и линией, проходящей из центра сигнальной головки 2 в направлении середины соответствующего паза. Переходы 20 проводников из паза в паз осуществляются по торцовым частям сигнальной головки 2. С одной из торцовых частей выведены начало и конец выходной обмотки. Такие обмотки в теории электрических машин получили название концентрических синусоидально-распределенных обмоток 4. Применение в первичном датчике сигнальной головки с синусоидально-распределенными обмотками позволяет повысить точность за счет меньшей чувствительности этих обмоток к высшим гармоническим составляющим распределения индукции в воздушном зазоре между цилиндрическим штоком 1 и сигнальной головкой 2. Если не требуется высокая точность, возможно применение в сигнальной головке и других, более простых типов, например, двухслойных распределенных обмоток с укороченным шагом 4. Равенство осевой длины сигнальной головки 2 половине хода р винтовых пазов на цилиндрическом штоке обеспечивает максимальную величину выходных сигналов. При большой величине хода винтовых пазов (например, при ходе, равном диапазону перемещения сигнальной головки) нецелесообразно применение сигнальной головки с осевой длиной магнитопровода, равной половине хода, из-за увеличения осевой длины всего первичного датчика. В этом случае осевая длина сигнальной головки может быть уменьшена. Кроме указанной обмотки 9 в тех же пазах расположена аналогичная дополнительная выходная обмотка с ориентированием ее оси в пространстве под углом 90^о к оси 13. Для упрощения на фиг.5 дополнительная выходная обмотка не показана, изображена только ее ось 14. Возможны варианты применения в сигнальной головке более двух выходных обмоток для уменьшения диапазона обработки выходных сигналов схемой измерения 16 в электронном блоке.

В преобразователе вместо одной сигнальной головки возможно также применение нескольких идентичных сигнальных головок, соединенных между собою механически и расположенных соосно друг с другом. Как пример на фиг.4 пунктирным контуром показано расположение второй сигнальной головки 25. Расстояние l между серединами двух соседних головок устанавливают в соответствии с формулой l 2pk + ± δ, где р линейная величина, равная половине хода винтовой линии пазов штока; k целое положительное число;
α угол разворота (в градусах) одной головки относительно другой вокруг продольной оси датчика;
δ линейная величина, не превышающая 1/4 величины хода винтовой линии пазов на штоке.

При α0, δ 0 и k=1 расстояние между серединами двух соседних головок равняется 2р ходу винтовой линии пазов штока, а оси соответствующих обмоток на головках ориентируются параллельно. Применяя разворот одной головки относительно другой на угол α в пределах ±180^о, можно оптимизировать всю систему сигнальных головок в минимальную по осевому размеру конструкцию при необходимости получения максимального диапазона линейного перемещения. Применением нескольких сигнальных головок можно подавлять некоторые гармонические составляющие погрешности. Для этого расстояние между двумя сигнальными головками увеличивают или уменьшают на величину
δ , где ν порядок гармоники, входящей в зависимость погрешности преобразователя от линейного перемещения, которую требуется скомпенсировать.

Если применено две пары сигнальных головок, расстояние между головками в каждой паре изменяют на величину
δ₁= а расстояние между этими парами изменяют на величину δ₂= где ν₁ и ν₂ порядок гармоник, которые подлежат подавлению.

При применении нескольких сигнальных головок их выходные обмотки соединяют последовательно согласно. Эти соединения возможны двумя способами.

По первому способу концы обмоток каждой предыдущей головки соединяют с началами соответствующих обмоток каждой последующей головки, на вход логического коммутатора 15 включают начала обмоток первой головки и концы обмоток последней головки. По второму способу последовательно согласное соединение осуществляют в отдельности для каждого проводника всех обмоток. Практически это может быть выполнено путем укладки проводников общей обмотки по пазам магнитопроводов вдоль всех сигнальных головок, заранее механически соединенных друг с другом на расчетных расстояниях.

Если диапазон рабочего перемещения сигнальной головки превышает величину ходу 2р винтовых пазов цилиндрического штока, тогда данную сигнальную головку с этими винтовыми пазами цилиндрического штока следует считать точным отсчетом первичного датчика. В этом случае на цилиндрическом штоке дополнительно выполняют двухзаходные винтовые пазы грубого отсчета с ходом 2р_г, равным или несколько превышающим диапазон перемещения сигнальной головки. В этих пазах размещают входную обмотку грубого отсчета, уложенную по принципу обмотки точного отсчета. Соосно с цилиндрическим штоком кроме сигнальной головки точного отсчета с 2n винтовыми пазами, имеющей устройство, приведенное на фиг.1 и фиг.2, устанавливают и соединяют с ней механически дополнительно сигнальную головку грубого отсчета с расположенными параллельно образующим цилиндрической поверхности 2m пазами, где m целое число. В общем случае m может не равняться n.

Сигнальная головка грубого отсчета имеет устройство, приведенное на фиг. 4 и фиг.5, осевая длина ее магнитопровода должна равняться ходу 2р пазов точного отсчета цилиндрического штока. Сигнальная головка точного отсчета должна иметь осевую длину L магнитопровода, определяемую по формуле
L , где d внутренний диаметр отверстия сигнальной головки точного отсчета;
ϑ_о угол подъема винтовых пазов в сигнальной головке точного отсчета;
ϑ_г угол подъема винтовых пазов грубого отсчета на цилиндрическом штоке.

Для уменьшения осевой длины L можно винтовые пазы грубого и точного отсчетов на штоке выполнять в разные стороны (левого и правого направлений). При этом в знаменателе расчетной формулы знак перед ctg ϑ_г меняется на противоположный.

В преобразователе с двухотсчетным первичным датчиком электронный блок (см. фиг.6) в логическом коммутаторе 15 дополнительно содержит входы для подключения выходных обмоток 21 и 22 грубого отсчета, индуктивно связанных с входной обмоткой возбуждения 24 грубого отсчета и схему согласования 23 грубого и точного отсчетов, на вход которой подключены выходы схемы измерения 16. Выходы схемы согласования 23 соединены с входами регистра 17.

В рассмотренных конструкциях элементы первичного датчика могут иметь некоторые особенности. Например, магнитопроводящая часть сигнальной головки в датчике, приведенном на фиг.4 и фиг.5, может шихтоваться из штампованных листов. Кроме уменьшения влияния вихревых токов такая конструкция позволяет заимоствовать технологические процессы производства электрических машин. Сигнальная головка, приведенная на фиг.1 и фиг.2, может иметь продольные разрезы вдоль плоскости, проходящей через ось головки. Отдельные части головки в местах разреза могут соединяться не встык, а с промежутком. Такая конструкция облегчает укладку обмоток в винтовые пазы сигнальной головки. Аналогично и цилидрический шток также может составляться из отдельных фрагментов, получаемых при продольном разрезе цилиндрической поверхности. В некоторых случаях это упрощает технологический процесс формирования винтовых пазов штока и укладки в них обмотки.

Преобразователь, выполненный по схеме фиг.3 с первичным датчиком, изображенным на фиг.1 и фиг.2, при условии рабочего перемещения сигнальной головки в пределах, не превышающих 2р, работает следующим образом.

На входную обмотку 5, являющуюся обмоткой возбуждения первичного датчика, подается переменное напряжение U, которое при начальном фазовом сдвиге, равном нулю, опишется формулой
U=U_m ˙ sin(2π ft), (1) где U_m амплитудное значение напряжения;
f частота питающего напряжения;
t текущее время.

Протекающий по обмотке 5 ток создает вокруг цилиндрического штока переменное магнитное поле. При этом соседние участки наружной поверхности цилиндрического штока 1, разделенные винтовыми пазами 3 и 4, в каждое мгновение можно рассматривать как двухполюсную магнитную систему с разноименными полюсами. Если пренебречь потоками рассеяния, замыкающимися вокруг цилиндрического штока по воздуху, можно считать, что весь магнитный поток проходит в зоне сопряжения поверхностей сигнальной головки 2 и цилиндрического штока 1. В этом случае магнитный поток проходит внутри цилиндрического штока 1 и через воздушный зазор входит в сигнальную головку 2 по направлению оси 6. В сигнальной головке магнитный поток разветвляется на две части, обходит по противолежащим половинам головки и через воздушный зазор с противоположной стороны по направлению оси 6 возвращается в цилиндрический шток. При прохождении магнитного потока по указанному пути в выходных обмотках 9 и 12 наводятся переменные ЭДС. Амплитуды этих ЭДС являются функциями угла, образованного осью 6 обмотки возбуждения 5 и осями 13 и 14 выходных обмоток 9 и 12 в среднем поперечном сечении сигнальной головки 2. При осевом перемещении сигнальной головки 2 вдоль цилиндрического штока 1, т.е. при изменении величины на фиг.1, ось 6 на фиг.2 будет поворачиваться вокруг центра штока 1 в соответствии с изменением положения винтовых пазов 3 и 4. В результате в обмотках 9 и 12 будут изменяться и амплитуды ЭДС. При совмещении оси 6 с осью 13 в обмотке 9 будет наведена ЭДС с максимальной амплитудой, при повороте оси 6 на угол ±90^о по отношению к оси 13 ЭДС в обмотке 9 будет равна нулю. При переходе через эти точки фаза переменной ЭДС будет изменяться на 180 эл. град. При изменении координаты χ значения ЭДС будут повторяться через промежутки, равные ходу винтовых пазов 2р на цилиндрическом штоке. Так как ось 13 обмотки 9 расположена под углом 90^о к оси 14 обмотки 12, в последней изменение амплитуды ЭДС будет повторяться аналогичным образом со сдвигом в отсчете коор- динаты χ на величину, равную Такой характер изменения ЭДС в обмотках 9 и 12 с определенной степенью точности может быть описан следующими синусной и косинусной функциями:
U_a= UK sin (χ + l_н),
(2)
U_b= UK cos (χ + l_н),
(3) где U_a, U_b амплитуды ЭДС в обмотках 9 и 12;
U напряжение возбуждения, изменяющееся во времени в соответствии с формулой (1);
K конструктивный коэффициент пропорциональности;
p половина хода винтовых пазов цилиндрического штока;
χ координата линейного перемещения сигнальной головки;
l_н начальный сдвиг по координате χ, зависящий от выбора начального положения сигнальной головки.

Выходные сигналы с обмоток 9 и 12 поступают в электронный блок (фиг.3) на вход логического коммутатора 15. В формирователь управляющих сигналов 18 в качестве опорного напряжения подается напряжение U, которым запитана также входная обмотка 5 первичного датчика и которое изменяется во времени по формуле (1). После прохождения напряжения U через ноль формирователь 18 вырабатывает и подает на вход логического коммутатора 15 управляющий сигнал с временным сдвигом, учитывающим фазовый сдвиг сигналов с выходных обмоток 9 и 12 по отношению к питающему напряжению. Второй управляющий сигнал из формирователя 18 подается на управляющий вход схемы измерения 16, которая приводится в состояние готовности к измерению. В логическом коммутаторе 15 по сигналу формирователя 18 напряжения с выходных обмоток 9 и 12 сравниваются по фазе между собой и с опорным напряжением U. В результате этого сравнения определяется октант синусно-косинусных функций (2) и (3) в зависимости от линейного перемещения χ сигнальной головки 2. Этой логической операцией определяется порядок и полярность коммутации при передаче выходных сигналов первичного датчика через коммутатор 15 в схему измерения 16, где сигналы преобразуются из аналоговой формы в цифровой код N, который передается в регистр 17 для выдачи его внешним пользователям. Код в регистре 17 сохраняется до следующего измерения. Если окончание очередного преобразования аналоговых сигналов в цифровой код совпадает с моментом считывания информации из регистра 17, во избежание ошибки новое значение кода задерживается в схеме измерения 16 и передается в регистр 17 только после окончания считывания предыдущего значения кода N.

Наличие двух выходных обмоток 9 и 12 в сочетании с логическим коммутатором 15 обеспечивает выдачу однозначного цифрового кода N без неопределенности в пределах полупериода выходного сигнала первичного датчика.

При увеличении числа пазов и обмоток в сигнальной головке 2 соответственно уменьшатся углы между осями выходных обмоток и увеличится число выходных сигналов. Это позволит формирователь выходной код N схемой измерения 16 не по октантам, а в меньших диапазонах, что также может дать увеличение точности преобразования.

Первичный датчик может функционировать также при обращенной схеме по отношению к рассмотренной конструкции с размещением обмотки возбуждения в сигнальной головке, а выходных обмоток на цилиндрическом штоке. Число обмоток возбуждения также может быть больше одной. Например, при двух обмотках возбуждения можно применить их запитку двухфазным напряжением.

Преобразователь с первичным датчиком, приведенным на фиг.4 и фиг.5 работает по тому же принципу, который описан выше и пояснен фиг.1 фиг.3, т.е. при подаче питающего напряжения на входную обмотку 5 первичного датчика в выходных обмотках 9 и 12 индуцируются сигналы, описываемые формулами (2) и (3), которые после обработки в электронном блоке выдаются в виде кода N.

Если в первичном датчике на цилиндрическом штоке установлены две или больше одинаковые сигнальные головки на расстоянии между их серединами, равном 2p, работа преобразователя по схеме фиг.3 становится более устойчивой, так как последовательное соединение выходных обмоток позволяет максимальные выходные сигналы (2) и (3) увеличить пропорционально числу головок. Двумя сигнальными головками подавляется одна из высших гармоник порядка ν, если расстояние между серединами сигнальных головок уменьшено или увели- чено на величину δ В этом случае высшие гармоники будут в противофазе и скомпенсируются. При этом результирующее значение максимального выходного сигнала увеличится не в 2 раза, а несколько меньше. Например, для компенсации второй гармонической составляющей расстояние между серединами двух сигнальных головок уменьшено или увеличено на длину δ что составляет 1/4 часть от величины хода 2p винтовых пазов цилиндрического штока. Величина максимального выходного сигнала при этом возрастет не в 2 раза, а пропорционально . При компенсации других гармоник более высокого порядка величина, на которую изменено расстояние между головками, меньше 1/4 части от величины хода винтовых пазов, а максимальное выходное напряжение возрастет при этом в пределах от до 2. Указанным методом возможно подавление не одной, а, например, двух гармонических составляющих, если применено две пары сигнальных головок.

Если диапазон линейного перемещения сигнальной головки превышает величину хода 2p винтовых пазов на цилиндрическом штоке, должен применяться двухотсчетный преобразователь с первичным датчиком, у которого на цилиндрическом штоке расположены дополнительно пазы и входная обмотка грубого отсчета, а также имеются сигнальные головки грубого и точного отсчетов.

При работе данного преобразователя на входные обмотки возбуждения точного и грубого отсчетов подается переменное напряжение в соответствии с формулой (1). При этом вокруг цилиндрического штока создаются переменные поля двух наложенных друг на друга двухполюсных магнитных систем. Одна из них магнитная система точного отсчета, у которой разноименными полюсами являются части наружной поверхности цилиндрического штока, разделенные двумя винтовыми пазами точного отсчета, витки которых многократно обходят вокруг цилиндрического штока в пределах диапазона линейного перемещения сигнальных головок. Другая магнитная система грубого отсчета, у которой разноименными полюсами являются части наружной поверхности цилиндрического штока, разделенные двумя винтовыми пазами грубого отсчета, витки которых делают не более одного оборота вокруг цилиндрического штока в пределах диапазона линейного перемещения сигнальных головок. Указанным выше выбором осевых длин магнитопроводов сигнальных головок достигаются нечувствительность выходных обмоток сигнальной головки точного отсчета к потоку магнитной системы грубого отсчета и нечувствительность выходных обмоток сигнальной головки грубого отсчета к потоку магнитной системы точного отсчета. Это обеспечивается тем, что при заданных осевых размерах сигнальных головок в каждой из них при любом значении координаты перемещения с каждой из выходных обмоток будут сцеплены равные между собой, но противоположные по направлению переменные потоки той магнитной системы, взаимодействие с которой должно устраняться. В результате, для случая, когда обе сигнальные головки содержат по паре взаимно перпендикулярных выходных обмоток, на вход логического коммутатора 15 (см. фиг. 6) с обмоток 9 и 12 точного отсчета будут поданы сигналы, соответствующие формулам (2) и (3), а с обмоток 21 и 22 грубого отсчета сигналы.

U_dг UK_гsin (χ + l_г),
(4)
U_вг= UK_гcos (χ + l_г),
(5) где K_г конструктивный коэффициент пропорциональности для обмоток грубого отсчета;
p половина хода винтовых пазов грубого отсчета на цилиндрическом штоке;
l_г начальный сдвиг по координате χ, зависящий от выбора начального положения сигнальной головки грубого отсчета.

В логическом коммутаторе 15 и в схеме измерения 16 по управляющим сигналам формирователя 18 выходные сигналы обмоток 9 и 12 точного отсчета обрабатываются в соответствии с приведенным выше описанием работы электронного блока. Аналогично обрабатываются и сигналы обмоток 21 и 22 грубого отсчета. Сформированные в схеме измерения 16 отдельно коды точного и грубого отсчетов обрабатываются в схеме согласования отсчетов 23 и передаются в регистр 17.

Так как период изменения сигналов по формулам (4) и (5) составляет 2p, что соответствует диапазону изменения координаты χ, то при обработке кодов грубого и точного отсчетов в схеме согласования 23 исключается неоднозначность выходного кода N при переходе сигнальной головки точного отсчета с одного периода, равного 2p, на другой. В этом случае даже после перерыва питания преобразователя полностью восстанавливается информация о линейном перемещении χ объекта, связанного с сигнальными головками.

Если в грубом отсчете первичного датчика применена только одна выходная обмотка, тогда в схеме измерения 16 при формировании кода сигнал грубого отсчета сравнивается с опорным напряжением U, в качестве которого используется напряжение возбуждения первичного датчика.

У всех рассмотренных вариантов преобразователей сохраняются принципы их работы и в том случае, если первичные датчики будут иметь обращенную конструкцию, т. е. если пазы с обмотками возбуждения будут расположены на сигнальной головке, а пазы с выходными обмотками на цилиндрическом штоке.

Формула изобретения

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, содержащий первичный датчик перемещения трансформаторного типа, состоящий из выполненных из магнитопроводящего материала цилиндрического штока с винтовой зубчатой поверхностью и охватывающей ее коаксиально сигнальной головки, установленной с возможностью линейного перемещения вдоль штока и выполненной в виде втулки с пазами на ее внутренней поверхности, а также входной и выходной обмоток, размещенных соответственно в пазах штока и головки, и электронный блок обработки сигналов, включающий в себя соединенные последовательно схему измерения и регистр, а также подключенный к управляющему входу этой схемы - формирователь управляющих сигналов, отличающийся тем, что снабжен хотя бы одной дополнительной выходной обмоткой, а на обращенных одна к другой цилиндрических поверхностях штока или головки выполнена хотя бы одна пара дополнительных пазов, расположенных симметрично относительно основных пазов и предназначенных для размещения в них дополнительной обмотки, а также логическим коммутатором, к входам которого подключены выводы основной и дополнительной обмоток и второй выход формирователя управляющих сигналов, а выход присоединен к входу схемы измерения.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пазы на внутренней поверхности сигнальной головки выполнены винтовыми, имеющими одинаковое направление нарезки с винтовыми пазами на штоке, а число витков винтовых пазов в головке отличается не более чем на 1/2 числа витков винтовых пазов на участке штока, равном осевой длине сигнальной головки.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что пазы на внутренней поверхности сигнальной головки выполнены параллельно образующей цилиндрической поверхности или со скосами в пределах одного пазового деления, а осевая длина головки равна или меньше половины хода винтовой линии пазов на поверхности штока.

4. Преобразователь по пп.1 3, отличающийся тем, что он снабжен хотя бы одной дополнительной сигнальной головкой, идентичной первой, расположенной соосно с относительным разворотом осей их обмоток на угол α в пределах ± 180^o и связанной с ней механически на расстоянии l между серединами двух соседних головок, определяемом следующим выражением:

где p линейная величина, равная половине хода винтовой линии пазов штока;
k целое положительное число;
α угол разворота одной головки относительно другой вокруг продольной оси датчика, град.

d линейная величина, не превышающая 1/4 величины хода винтовой линии пазов на штоке.

5. Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен системой грубого отсчета, включающей в себя сигнальную головку грубого отсчета, в которой пазы расположены параллельно образующей цилиндрической поверхности и число пазов равно 2m, где m целое число, одну или несколько расположенных в этих пазах выходных обмоток грубого отсчета и одну входную обмотку грубого отсчета, расположенную в дополнительно выполненных на поверхности штока двухзаходных пазах, имеющих величину хода винтовой линии, равную или превышающую величину рабочего перемещения сигнальной головки, система точного отсчета образована сигнальной головкой с винтовыми пазами на ее внутренней поверхности, ход которых меньше диапазона линейного перемещения сигнальной головки, а осевая длина L определяется по формуле

где d внутренний диаметр отверстия сигнальной головки в системе точного отсчета;
Ψ_o угол подъема винтовых линий пазов в сигнальной головке системы точного отсчета;
Ψ_г угол подъема винтовой линии пазов на штоке в системе грубого отсчета,
осевая длина сигнальной головки в системе грубого отсчета равна или кратна ходу винтовой линии пазов в системе точного отсчета присоединены к дополнительным входам логического коммутатора, а электронный блок обработки сигналов снабжен схемой согласования грубого и точного отсчета, включенной между выходами схемы измерения и входами регистра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6