Индуктивное устройство для измерения линейных перемещений

 

Идуктивное устройство для измерения линейных перемещений относится к измерительной технике. Устройство содержит в качестве чувствительного материала катушку индуктивности, сопротивление и импульсный диод с большим временем восстановления обратного сопротивления, соединенные параллельно. В чувствительном элементе возбуждаются сильнозатухающие электромагнитные колебания. Изменения формы колебаний, происходящие при перемещении металлического объекта относительно катушки индуктивности, преобразуются в изменение длительности логического импульса с последующим преобразованием длительности в амплитуду импульса. Устройство позволяет сократить время одного измерения, а следовательно, имеет повышенное быстродействие. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной техники и может быть использовано в металлообрабатывающих станках, роботах-манипуляторах, устройствах позиционирования, металлообнаружителях.

Для индуктивных датчиков используются в основном три способа преобразования первичного сигнала: потенциометрический способ; с помощью мостовой схемы; способ на основе генераторной измерительной схемы, когда индуктивный датчик является элементом резонансного контура (Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем. кн.1. Пер. с франц.-М.: Мир, 1992.-480 с.). Последний способ предпочтительнее из-за более высокой чувствительности, что позволяет регистрировать малые перемещения объекта относительно катушки индуктивности, однако преобразование "индуктивность катушки - частота колебаний - выходное напряжение" ограничивает быстродействие индуктивных датчиков на уровне сотен или тысяч измерений в секунду.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа бесконтактный датчик положения (А.с. 1652805 СССР C 01 B 7/00. Бесконтактный датчик положения), содержащий LC-генератор автоколебаний, к выходу которого подключен делитель, усредняющий несколько периодов колебаний и вырабатывающий в результате этого импульс, длительность которого зависит от частоты автоколебаний, которая в свою очередь зависит от положения металлического объекта по отношению к катушке индуктивности. При этом необходимо, чтобы изменение длительности импульса превышало длительность синхронизирующего импульса, переключающего состояние триггеров выходного каскада.

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные признаки: они содержат катушку индуктивности, входящую в состав чувствительного элемента; изменение индуктивности катушки приводит к изменению длительности импульса.

Недостатком прототипа является то, что при использовании его в составе датчика перемещений с удовлетворительной разрешающей способностью время, необходимое для одного измерения, должно по крайней мере на один-два порядка превышать период электромагнитных колебаний контура, что ограничивает быстродействие датчика.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки. Вместо LC-колебательного контура, входящего в состав генератора автоколебаний, в качестве чувствительного элемента используются соединенные параллельно катушке индуктивности параллельно соединенные сопротивление и импульсный диод. Чувствительный элемент подключен к выходу блока формирования импульсов, возбуждающих быстрозатухающие колебания, форма которых зависит от индуктивности катушки. Изменения индуктивности, вызванные перемещением объекта относительно катушки, с помощью компаратора и JK-триггера преобразуются в изменения длительности импульса с последующим преобразованием длительности в амплитуду импульса. Таким образом вместо первичного преобразования сигнала у прототипа по схеме "индуктивность катушки - частота автоколебаний - длительность импульса - состояние выходных триггеров" используется схема "индуктивность катушки - длительность импульса - амплитуда импульса". Это позволило сократить время одного измерения до нескольких периодов электромагнитных колебаний в чувствительном элементе.

Структурная схема устройства для измерения линейных перемещений показана на фиг.1. Устройство содержит блок формирования импульсов 1, чувствительный элемент 2, состоящий из параллельно соединенных катушки индуктивности L, сопротивления R и импульсного диода D, компаратор 3, JK-триггер 4, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, интегратор 6. Кроме этого в состав устройства входит опорный канал 7, включающий в себя те же элементы, что и измерительный канал, а именно, катушку индуктивности, сопротивление и импульсный диод, соединенные параллельно, компаратор, JK-триггер. Выход опорного канала соединен со вторым входом схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

На фиг.2 показаны эпюры, поясняющие работу устройства. Устройство работает следующим образом. Импульс запуска от внешнего генератора или микроЭВМ поступают на вход блока формирования импульсов 1, в результате чего последний формирует два импульса разной длительности U₁ и U₂. Импульс U₁, пройдя через усилитель, поступает на чувствительный элемент, в котором возбуждаются быстрозатухающие электромагнитные колебания. Наличие импульсного диода с большим временем восстановления обратного сопротивления позволяет получить сигнал с выхода чувствительного элемент U₃, показанный на фиг.2в. На форму сигнала U₃ влияет изменение индуктивности измерительной катушки L, которое вызвано перемещением относительно ее металлического объекта. В результате этого длительность импульсов U₄ на выходе компаратора 3 (фиг.2г) изменяется, причем наиболее сильное изменение происходит у первого по времени импульса, который выделяется JK-триггером 4 и поступает на один из входов схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (фиг.2д). Аналогичный сигнал U₆ (фиг.2е) вырабатывается в опорном канале 7, содержащем катушку с фиксированной индуктивностью, который поступает на один из входов схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Наличие канала позволяет устранить влияние изменений температуры окружающей среды и напряжения питания устройства. Схема ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 выделяет импульс (фиг.2ж), длительность которого определяется положением металлического объекта относительно измерительной катушки индуктивности. Интегратор 6 преобразует длительность импульса в амплитуду (фиг.2з). Длительность выходного импульса задается длительностью импульсов U₂ (фиг. 2б) со второго выхода блока формирования импульсов 1.

Положительный эффект данного технического решения состоит в том, что при соответствующем выборе параметров катушки индуктивности, сопротивления и импульсного диода, входящих в состав чувствительного элемента, можно обеспечить небольшую длительность сигнала, снимаемого с выхода чувствительного элемента (фиг.2в), что позволяет существенно сократить время одного измерения по сравнению с устройствами, в которых в качестве чувствительного элемента используется LC-колебательный контур.

Формула изобретения

Индуктивное устройство для измерения линейных перемещений, содержащее чувствительный элемент, включающий катушку индуктивности, блок формирования импульсов для возбуждения быстрозатухающих колебаний в чувствительном элементе, отличающееся тем, что в качестве чувствительного элемента используются соединенные параллельно катушке индуктивности параллельно соединенные импульсный диод и сопротивление, причем к выходу чувствительного элемента последовательно подключены введенные компаратор, JK-триггер, схема исключающее ИЛИ и интегратор, а также в него введен опорный канал, выход которого соединен с вторым входом схемы исключающее ИЛИ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2