Преобразователь линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении линейных и угловых перемещений рабочих органов машин. Преобразователь обеспечивает непрерывное измерение линейных перемещений с дискретностью 1 мкм, а также автоматическую компенсацию теплового расширения шкалы и внутришаговой погрешности. Преобразователь содержит линейку (Л) 1 с двумя параллельными измерительными поверхностями (ИП) 2 и 4. На ИП 2 выполнены прямоугольные площадки с постоянным шагом, кромки которых 3 служат опорными метками для датчиков, измеряющих перемещение, а ИП 4 выполнена гладкой. Индуктивные датчики (ИД) 5 и 6 поочередно измеряют перемещения линейки по меткам 3, а ИД 7 и 8 измеряют воздушный зазор между ИД и ИП линейки. В блоке линеаризации (БЛ) 16 выходные сигналы (ВС) от ИД 5 и 6 преобразуются в непрерывный сигнал пилообразной формы (НС), откорректированный с учетом колебаний величины воздушного зазора, измеренного ИД 7 и 8. В АЦП 22 НС преобразуется в двоичный код, младший разряд которого соответствует перемещению Л на 1 мкм. Блок управления 23 формирует управляющие команды (УК) на переключение пар ИД 5, 7 или ИД 6, 8 через каждые 1000 мкм перемещений Л и УК на БЛ. Информация о количестве пройденных шагов (по 1000 мкм) и долей шага перемещения Л в мкм индицируются на устройство индикации 32. Компенсация погрешностей шкалы обеспечивается путем перекрытия шаговой погрешности рабочим участком ВС ИД 5 и 6. При выполнении Л в форме кольца обеспечивается непрерывное измерение угловых перемещений от 0 до 360^o. 1 з.п. ф-лы. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных системах технологического оборудования для бесконтактных измерений линейных и угловых перемещений рабочих органов, а также в контактных измерительных приборах с цифровой индикацией.

Известно устройство для измерения линейных перемещений, содержащее измерительную головку, каркас из магнитного материала, с выполненными в нем щелями или выемками, расположенными на определенном расстоянии одна от другой, и с направляющими элементами на каркасе, служащими для ввода измерительной головки. Недостатком этого устройства является контактная связь измерительной головки с направляющими, что снижает точность измерения из-за трения держателя головки при его перемещении по направляющим.

Цель изобретения расширение диапазона измерений и повышение информативности преобразователя.

Цель достигается тем, что преобразователь снабжен второй парой индикаторных головок, жестко соединенной с первой, установленной от нее на расстоянии, кратном половине шага нанесенных меток, двумя преобразователями-нормализаторами, соединенными с второй парой индикаторных головок, двумя аналоговыми коммутаторами, входы которых соединены с выходами преобразователей-нормализаторов, блоком линеаризации, выполненным в виде последовательно соединенных сумматора, усилителя, управляемого напряжением, сумматора с масштабным коэффициентом, инвертирующего сумматора, выход первого аналогового коммутатора связан с входом сумматора блока линеаризации, а выход второго аналогового коммутатора с входом сумматора и управляющим входом усилителя блока линеаризации, последовательно соединенными третьим аналоговым коммутатором и аналого-цифровым преобразователем, входы третьего аналогового коммутатора соединены соответственно с выходом сумматора с масштабным коэффициентом и выходом инвертирующего сумматора блока линеаризации, блоком управления, содержащим регистр начального значения, первый цифровой компаратор, цифровой вычитатель, входы которых соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход регистра начального значения соединен с входами первого цифрового компаратора и цифрового вычитателя, второй цифровой компаратор, соединенный входами с цифровым вычитателем, регистр числа, выходы которого соединены с входами второго цифрового компаратора, формирователь счетных импульсов, соединенный входами с выходами цифровых компараторов, реверсивный счетчик циклов, соединенный входами управления режимом работы с выходами первого цифрового компаратора и формирователя счетных импульсов, формирователь сигналов, соединенный двумя входами с выходами реверсивного счетчика циклов и выходом с управляющими входами трех аналоговых коммутаторов и устройством индикации, соединенным одной группой входов с выходами цифрового вычитателя, а второй группой входов с информационным выходом реверсивного счетчика блока управления. Для измерения угловых перемещений измерительная линейка выполнена в форме кольца, а метки расположены на наружной кольцевой поверхности.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема преобразователя; на фиг. 2 - схема преобразования сигналов; на фиг. 3 схема управления работой аналоговых коммутаторов.

Преобразователь линейных перемещений (фиг. 1) содержит измерительную линейку 1 с двумя параллельными рабочими поверхностями, на одной из которых 2 выполнены метки 3, а вторая поверхность 4 выполнена гладкой, индуктивные датчики 5 и 6 поочередно взаимодействующие с метками 3 и служащие для преобразования перемещений линейки 1 в электрический сигнал, индуктивные датчики 7 и 8 взаимодействующие с поверхностью 4 и служащие для преобразования отклонения величины рабочего зазора от номинального в электрический сигнал, корпус 9 в котором попарно установлены датчики 5, 7, 8, 9 с расстоянием между парами, кратном половине шага нанесенных меток, преобразователи-нормализаторы сигналов 10 13, аналоговые коммутаторы 14 и 15, блок линеаризации 16, служащий для коррекции сигналов от датчиков 5 и 6 в случае отклонения величины рабочего зазора от номинального, содержащий последовательно соединенные аналоговый сумматор 17, аналоговый усилитель 18, с коэффициентом усиления управляемым напряжением, аналоговый сумматор 19 с масштабным коэффициентом и аналоговый инвертирующий сумматор 20, аналоговый коммутатор 21, аналого-цифровой преобразователь 22, блок управления 23, служащий ля формирования команд на попарное подключение датчиков 5 8 к блоку линеаризации 16 и линеаризованных сигналов к аналого-цифровому преобразователю 22, содержащий регистр начального значения 24, первый цифровой компаратор 25, цифровой вычитатель 26, второй цифровой компаратор 27, регистр числа 28, формирователь счетных импульсов 29, реверсивный счетчик циклов 30, формирователь сигналов 31 и устройство индикации 32.

Преобразователь работает следующим образом.

Линейку 1 закрепляют на подвижной части контролируемого объекта, а корпус 9 с датчиками 5 8 на неподвижной (части контролируемого объекта на фиг.1 условно не показаны). Датчики 5 8 устанавливают с номинальным рабочим зазором относительно поверхностей 2 и 4. При этом выходные сигналы (напряжение) преобразователей-нормализаторов равны нулю и на табло устройства индикации 32 устанавливаются нулевые показания. При перемещении контролируемого объекта с линейкой 1 относительно датчиков 5 8, установленных с номинальным рабочим зазором, величина выходного сигнала U₁ от датчика 5 (фиг. 2а) будет изменяться пропорционально перемещению ближайшей к нему метки, а выходной сигнал от датчика 7 будет равен нулю. При отклонении величины зазора между датчиком 5 и поверхностью 2 от номинального значения, например, вследствие погрешностей монтажа, в цепи датчика 5 появляется сигнал помехи Δu₁, пропорциональный величине этого отклонения (фиг. 2б). В этом случае выходной сигнал (фиг.2в) в цепи датчика 5 будет равен сумме сигналов U₁ и Δu₁. Так как датчик 5 жестко связан с датчиком 7, то при изменении величины рабочего зазора между датчиком 5 и плоскостью 2 соответственно изменяется величина рабочего зазора между датчиком 7 и плоскостью 4, а в цепи датчика 7 возбуждается сигнал U₂ (фиг.2 г), пропорциональный этому изменению. Сигналы и U₂ подаются на аналоговый сумматор 17, в котором они преобразуются в сигнал U₃ (фиг.2 д), представляющий собой разность сигналов и U₂. Поскольку датчики 5, 6 измеряют перемещение по площади рабочего зазора, то изменение длины рабочего зазора между датчиками 5, 6 и поверхностью 2 приводит к изменению их чувствительности. Для коррекции изменения чувствительности датчиков 5, 6 сигналы U₂ и U₃ подаются на аналоговый усилитель 18 с коэффициентом усиления, управляемым напряжением U₂, где сигнал U₃ преобразуется в сигнал U₄ (фиг. 2 е) по формуле: где R₁, R₂-величина калибровочных сопротивлений в цепи усилителя; R_cu-сопротивление канала сток исток полевого транзистора в цепи усилителя.

В результате этих преобразований восстанавливается линейная зависимость величины сигнала U₄ от величины перемещения метки относительно датчика в диапазоне от N₄ до U₄ В.

С выхода аналогового усилителя 18 сигнал U₄ подается на аналоговый сумматор 19, в котором сигнал U₄ преобразуется в сигнал U₅ (фиг. 2 ж) одной полярности, путем суммирования сигнала U₄ с опорным сигналом. Аналогично преобразуются выходные сигналы с пары датчиков 6, 8 после подключения их к блоку линеаризации 16 аналоговыми коммутаторами 14 и 15. На фиг. 2 ж выходной сигнал датчика 6 показан пунктиром (нелинейная часть сигналов условно не показана). При попарной коммутации датчиков 5, 7 и 6, 8 аналоговыми коммутаторами 14 и 15 на выходе сумматора 19 создается непрерывный аналоговый сигнал (фиг. 2 ж). С выхода сумматора 19 сигнал U₅ подается на вход инвертирующего аналогового сумматора 20, в котором сигнал U₅ преобразуется в сигнал U₆ (фиг.2 з). Аналоговый коммутатор 21 попеременно подает сигналы U₅ и U₆ на вход аналого-цифрового преобразователя 22 в виде непрерывного аналогового сигнала пилообразной формы U₇ (Фиг. 22 и). В аналого-цифровом преобразователе 22 непрерывный сигнал U₇ преобразуется в двоичный код с квантованием напряжения по 0,01 В, которое соответствует перемещению метки относительно датчика на 1 мкм.

Блок управления 23 работает следующим образом.

В момент начала работы очередного датчика информация об уровне его выходного напряжения, поступающая из аналого-цифрового преобразователя 22, в виде двоичного кода N_o записывается в регистр начального значения 24 и поступает на цифровой компаратор 25 и цифровой вычитатель 26. Текущее значение выходного напряжения с этого же датчика в двоичном ходе N_n также поступает из аналого-цифрового преобразователя на цифровой компаратор 25 и цифровой вычитатель 26. В цифровом компараторе 25 производится операция сравнения кодов N_n и N_o, по результатам которой определяется текущее направление движения линейки относительно датчика. Если N_n>N_o линейка движется в прямом направлении, если N_n<N линейка движется в обратном направлении. Результат сравнения в виде управляющего сигнала U_N (логический 0 или 1) с цифрового компаратора 25 подается на реверсивный счетчик 30, который при состоянии сигнала U_N соответствующего N_n>N_o, работает в режиме сложения, а при сигнале U_N, cоответствующем N_n<N, работает в режиме вычитания. В цифровом вычитателе 26 производится операция вычитания по абсолютной величине кодов N_o и N_n и результат вычитания поступает на цифровой компаратор 27. В цифровом компараторе 27 производится сравнение результатов вычитания N_o N_n с двоичным кодом числа 1000, записанным в регистре 28 и соответствующем одному шагу перемещения линейки, равному 1000 мкм. При их совпадении, означающем, что линейка переместилась на величину одного шага или при перепаде управляющего сигнала N_N (логический 0 или 1) формирователь счетных импульсов 29 подает тактовый импульс на реверсивный счетчик циклов 30 (фиг. 3 а). Сигналы состояния двух младших разрядов счетчика циклов 30 (фиг. 3 б, фиг. 3 в) поступают на формирователь сигналов управления 31, который формирует управляющие сигналы для аналоговых коммутаторов 14 и 15 на подключение пар датчиков 5, 7 или 6, 8 к блоку линеаризации 16 (фиг. 3 г, фиг. 3 д) и для аналогового коммутатора 21 на подключение аналоговых сумматоров 19 и 20 к аналого-цифровому преобразователю 22 (фиг. 3 е, фиг. 3 ж). Одновременно от цифрового вычитателя 26 на устройство индикации 32 поступает двоичный код результата вычитания N_o N_n, показывающий величину перемещения линейки в диапазоне от 1 до 999 и двоичный код с информационного выхода реверсивного счетчика циклов 30, показывающий количество пройденных шагов.

Таким образом, диапазон измерения расширяется на всю рабочую поверхность измерительной линейки, а разрешающая способность преобразователя зависит от уровня квантования аналогового сигнала.

Источники информации 1. Патент ФРГ 3321480, кл. G 01 B 7/02, 1982 прототип.

Формула изобретения

1. Преобразователь линейных перемещений, содержащий измерительную линейку с двумя рабочими поверхностями, на одной из которых нанесены метки, а вторая выполнена гладкой, две индикаторных головки, жестко скрепленные между собой, установленные с возможностью взаимодействия с соответствующими рабочими поверхностями, и блок обработки, включающий преобразователи-нормализаторы сигналов, связанные с индикаторными головками, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения и повышения информативности, преобразователь снабжен второй парой индикаторных головок, жестко соединенной с первой парой, установленной от нее на расстоянии, кратном половине шага нанесенных меток, двумя преобразователями-нормализаторами, соединенными с второй парой индикаторных головок, двумя аналоговыми коммутаторами, входы которых соединены с выходами преобразователей нормализаторов, блоком линеаризации, выполненным в виде последовательно соединенных сумматора, усилителя, управляемого напряжением, сумматора с масштабным коэффициентом, инвертирующего сумматора, выход первого аналогового коммутатора связан с входом сумматора блока линеаризации, а выход второго аналогового коммутатора связан с входом сумматора и управляющим входом усилителя блока линеаризации, последовательно соединенными третьим аналоговым коммутатором и аналого-цифровым преобразователем, входы третьего аналогового коммутатора соединены соответственно с выходом сумматора с масштабным коэффициентом и выходом инвертирующего сумматора блока линеаризации, блоком управления, содержащим регистр начального значения, первый цифровой компаратор, цифровой вычитатель, входы которых соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход регистра начального значения соединен с входами первого цифрового компаратора и цифрового вычитателя, второй цифровой компаратор, соединенный входами с цифровым вычитателем, регистр числа, выходы которого соединены с входами второго цифрового компаратора, формирователь счетных импульсов, соединенный входами с выходами цифровых компараторов, реверсивный счетчик циклов, соединенный входами управления режимом работы с выходами первого цифрового компаратора и формирователя счетных импульсов, формирователь сигналов, соединенный двумя входами с выходами реверсивного счетчика циклов и выходом с управляющими входами трех аналоговых коммутаторов и устройством индикации, соединенным одной группой входов с выходами цифрового вычитателя, а второй группой входов с информационным выходом реверсивного счетчика блока управления.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью измерения угловых перемещений, измерительная линейка выполнена в форме кольца, а метки расположены на наружной кольцевой поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3