Датчик линейных перемещений

 

Изобретение относится к области измерения неэлектрических величин электрическими методами и предназначено для преобразования линейного перемещения в пропорциональное ему напряжение. Датчик содержит информационную линейку с рабочей обмоткой. Активные стороны рабочей обмотки расположены вдоль оси перемещения. Результирующее количество проводников активных сторон рабочей обмотки пропорционально расстоянию от начала отсчета до середины перемещающегося вдоль нее магнитопровода. Магнитопровод перемещается по неподвижным направляющим, которые служат одновременно одновиткой обмоткой съема информации о положении подвижного магнитопровода вдоль информационной линейки. Компенсационная обмотка расположена на информационной линейке вне зоны действия магнитопровода и включена последовательно с рабочей обмоткой. Компенсационная обмотка уменьшает влияние торцевой части рабочей обмотки на обмотку съема информации. Выполнение обмотки съема информации неподвижной уменьшает возможность обрыва ее выводов. 3 ил.

Изобретение относится к области измерения неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано в автоматике и измерительной технике.

Известен датчик, содержащий носитель информации, генератор, магнитную головку и схему обработки сигнала [1]. Однако такой преобразователь имеет низкую точность, так как не может регистрировать перемещение внутри шага меандра. Известен датчик, содержащий генератор, дискретную линейку с бифилярной обмоткой, блок считывания в виде двух магнитных головок и блок обработки измеряемого сигнала [2]. Однако такой датчик имеет накапливающуюся систематическую погрешность и, кроме того, при отключении и последующем восстановлении питания выдает ложную информацию. Известен также преобразователь перемещения, состоящий из генератора, информационной линейки в форме меандра, чувствительного элемента в виде Ш-образной магнитной головки и устройства обработки информации [3]. Однако он обладает низкой надежностью, так как теряет и не восстанавливает информацию при различного рода сбоях. Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению следует считать датчик линейных перемещений [4] (фиг. 1), состоящий из информационной линейки 1, разбитой на n-участков, на каждом из которых вдоль оси измеряемого перемещения уложена обмотка таким образом, что активная сторона 2 параллельна оси линейки, а намагничивающая сила каждого участка линейки пропорциональна расстоянию от начала отсчета до середины этого участка, что достигается использованием соответствующего количества проводников, питаемых переменным током I_пит, трансформатор с разомкнутым сердечником 3, через воздушный зазор которого введена активная сторона обмотки информационной линейки, выполняющей роль первичной обмотки этого трансформатора, обмотки 4 с током I_комп для компенсации магнитного потока сердечника, если последний находится в начале отсчета информационной линейки, вторичной обмотки трансформатора 5, с которой снимается электрическое напряжение U_вых, и гибких проводников 6, которыми трансформатор соединяется со вторичной аппаратурой.

Недостатком данного устройства является то, что две обмотки, расположенные на перемещающемся вдоль линейки трансформаторе, соединены со вторичной аппаратурой гибкими проводниками 6, которые при циклических перемещениях, особенно при динамических нагрузках, быстро ломаются в местах изгиба, вследствие чего снижается надежность работы датчика.

Изобретение направлено на повышение надежности работы датчика за счет изменения конструкции чувствительного элемента. Это достигается тем, что в датчике имеется информационная линейка с рабочей обмоткой и используется магнитопровод с возможностью перемещения по неподвижным направляющим, которые служат для него одновременно и одновитковой обмоткой съема информации о перемещении этого магнитопровода вдоль обмотки информационной линейки, а так же тем, что компенсационная обмотка, расположена на информационной линейке вне зоны действия магнитопровода и включена последовательно с рабочей обмоткой. Замена вторичной обмотки трансформатора неподвижными направляющими позволяет отказаться от подвижного соединения со вторичной аппаратурой. А перенос обмотки компенсации магнитного потока сердечника с трансформатора на информационную линейку позволяет отказаться от дополнительного источника питания. Других технических решений со сходными отличительными признаками не обнаружено, следовательно, предлагаемое решение обладает существенными отличиями.

На фиг. 2 изображена конструкция предлагаемого датчика линейных перемещений. На фиг. 3 изображены зависимости: Ф - магнитного потока, создаваемого витками обмотки, и IW - магнитодвижущей силы соответствующего участка обмотки информационной линейки от перемещения магнитопровода вдоль информационной линейки.

Предлагаемый датчик линейных перемещений содержит обмотку информационной линейки 1, магнитопровод (например, Ш-образный) 2, направляющие магнитопровода 3, служащие одновременно и одновитковой обмоткой съема информации, повышающий трансформатор 4, его обмотки 5 (первичная) и 6 (вторичная), компенсационную обмотку 7 (фиг. 2). В предлагаемом датчике линейных перемещений (фиг. 2) обмотка информационной линейки 1, имеющая n-участков, выполнена таким образом, что количество проводников активных сторон обмотки 8 каждого участка определяется числом W_i = k·i, где i = 0, 1, 2,..., ; k - произвольное число. Активные участки обмотки введены в Ш-образный (или два кольцевых разомкнутых) магнитопровода 2 через воздушные зазоры. Этот Ш-образный магнитопровод помещен на изолированные от него направляющие 3, выполненные из проводящего материала. Эти направляющие, электрически замкнутые с одной стороны, подключены своими концами к первичной маловитковой обмотке 5 повышающего трансформатора 4 с другой стороны. Напряжение, пропорциональное положению сердечника относительно обмотки информационной линейной, снимается со вторичной многовитковой обмотки 6 трансформатора. Толщина Ш-образного сердечника выбирается равной длине активного участка или больше его в целое число раз. В этом случае при ступенчатом изменении намагничивающих сил отдельных участков (фиг. 3), магнитный поток сердечника пропорционален интегралу от намагничивающих сил участков, находящихся в зоне действия магнитопровода. При ширине магнитопровода, равной длине отдельного активного участка ΔX, имеем: где Ф - магнитный поток в сердечнике; I - ток обмотки 1; W_(x) - количество активных сторон обмотки 1, охваченных магнитопроводом 2; x - перемещение сердечника; k - некоторый числовой коэффициент.

При анализе этой формулы можно заметить, что связь между магнитным потоком сердечника и его положением будет следующая: Ф = k·I·W₁·X, где
W₁ - количество активных сторон обмоток информационной линейки на нулевом участке.

Таким образом, на всем диапазоне перемещения магнитопровода магнитный поток прямо пропорционален его перемещению.

Магнитный поток магнитопровода, сцепляясь с направляющей, как со вторичной обмоткой, наводит в ней ЭДС, пропорциональную магнитному потоку, которая, в свою очередь, преобразуется повышающим трансформатором в выходное напряжение.

Магнитная связь между обмоткой информационной линейки и направляющими осуществляется не только через магнитопровод, но и через воздушную среду. Это явление обнаруживается наличием аддитивной составляющей переменного напряжения на выходе датчика при снятом магнитопроводе.

Для компенсации этой составляющей на информационной линейке вне зоны действия магнитопровода, при его перемещении, расположена компенсационная обмотка 7. Количество витков и направление намотки выбраны таким образом, что ЭДС, наводимая в направляющих от действия рабочей обмотки линейки, при снятом магнитопроводе, и компенсационной обмотки равны по амплитуде и противоположны по направлению.

Устройство работает следующим образом. Активные стороны 8 обмотки 1 информационной линейки вследствие прохождения через них переменного тока I_вх, создают в окружающем пространстве переменное во времени магнитное поле, компенсированное обмоткой 7 таким образом, что при положении магнитопровода 2 в начале участка перемещения (X=O) значение магнитного потока сердечника равно нулю. При перемещении магнитопровода вдоль обмотки информационной линейки (вдоль оси X) магнитный поток магнитопровода пропорционален перемещению X. Магнитный поток, сцепляясь с направляющими 3 как со вторичной обмоткой, наводит в ней ЭДС, пропорциональную этому потоку, которая, в свою очередь, вызывает ток в первичной обмотке 5 повышающего трансформатора 4, возбуждающий во вторичной обмотке 6 этого трансформатора ЭДС, о значении которой можно судить по напряжению U_вых.

Таким образом, исключение гибкой проводной связи со вторичной аппаратурой за счет изменения конструкции значительно повышает надежность работы датчика. Кроме того, он более технологичен при изготовлении, так как имеет более простую неподвижную обмоточную часть чувствительного элемента.

Поэтому, в данном случае можно говорить о технико-экономической эффективности изделия по сравнению с прототипом.

Источники информации
1. Авт. свид. СССР N 1044959, G 01 B 7/00, G 08 C 9/04.

2. Авт. свид. СССР N 368482, G 01 B 7/00, G 08 C 9/04.

3. Авт. свид. СССР N 903930, G 01 B 7/00, G 08 C 9/04.

4. Авт. свид. СССР N 453560, G 01 B 7/00, G 08 С 9/04 (прототип).

Формула изобретения

Датчик линейных перемещений, содержащий информационную линейку с рабочей обмоткой, направляющие, с возможностью перемещения по ним магнитопровода, компенсационную обмотку и обмотку съема информации, причем активные стороны рабочей обмотки расположены вдоль оси перемещения, а количество проводников активных сторон рабочей обмотки на каждом из ее участков прямо пропорционально расстоянию от начала информационной линейки до середины магнитопровода, отличающийся тем, что направляющие выполнены из токопроводящего материала, изолированы от магнитопровода и являются одновитковой обмоткой съема информации, а компенсационная обмотка включена последовательно с рабочей обмоткой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3