Устройство для бесконтактного измерения перемещения

 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в машиностроении для бесконтактного измерения перемещения (положения) роторов различных механизмов. Устройство для бесконтактного измерения перемещения содержит индуктивный дифференциальный датчик, состоящий из двух катушек индуктивности, четырех резисторов и двух диодов. Схема включает также генератор прямоугольных импульсов, инверторы, делитель частоты, транзисторный ключ, компараторы, потенциометр, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, четыре элемента И, триггеры, два элемента И-НЕ, счетчик, регистр, одновибраторы, схему сброса, выходную шину и шину готовности информации. Изобретение позволяет повысить стабильность результатов измерений, обеспечить регулировку чувствительности и получить цифровой выходной сигнал. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в машиностроении для бесконтактного измерения перемещения (положения) роторов различных механизмов.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения неэлектрических величин (см. а. с. СССР 1474444, опубл. в БИ 15, 1989 г. ), содержащее емкостной дифференциальный датчик, два резистора, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕ ИЛИ, два элемента И и индикатор знака.

Наиболее близкое устройство измерения обладает следующими недостатками. Во-первых, разброс порогов срабатывания логических элементов сказывается на стабильности измерения. Во-вторых, в рассматриваемом устройстве невозможно осуществлять регулировку чувствительности измерения, так как она строго определяется порогами срабатывания логических элементов. В-третьих, как правило, ток потребления логического нуля и логической единицы в микросхемах разный, поэтому следует ожидать, что результаты измерения при подаче тактового импульса и при его сбросе будут разными. И наконец информационным выходным сигналом является ширина импульса, которую неудобно использовать ни в аналоговых, ни в цифровых системах.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для бесконтактного измерения перемещения, содержащее индуктивный дифференциальный датчик с первой и второй катушками индуктивности в своем составе, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый и второй диоды, генератор прямоугольных импульсов, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй элементы И и первый триггер, причем первые выводы первой и второй катушек индуктивности объединены, второй вывод первой катушки индуктивности соединен с первым выводом первого резистора и анодом первого диода, второй вывод второй катушки индуктивности соединен с первым выводом второго резистора и анодом второго диода, вторые выводы первого и второго резисторов объединены с общей шиной источника питания, катоды первого и второго диодов соединены соответственно с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых объединены с первыми выводами первой и второй катушек индуктивности, а выход первого элемента И соединен с первым входом первого триггера, дополнительно введены первый и второй инверторы, делитель частоты, транзисторный ключ, первый и второй компараторы, потенциометр, второй и третий триггер, третий и четвертый элементы И, первый и второй элементы И-НЕ, счетчик, регистр, первый и второй одновибраторы и схема сброса, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом первого инвертора, выход которого соединен с входом делителя частоты и первыми входами первого и второго элементов И-НЕ, выход делителя частоты соединен с входами второго инвертора и первого одновибратора, выход второго инвертора соединен с первым входом первого элемента И и входом транзисторного ключа, коллекторный вывод которого соединен с плюсовой шиной источника опорного напряжения, а эмиттерный вывод - с первыми выводами первой и второй катушек индуктивности датчика, вторые выводы первой и второй катушек индуктивности соединены соответственно с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы которых соединены с подвижным выводом потенциометра, второй и третий выводы потенциометра соединены соответственно с плюсовой шиной источника опорного напряжения и с общей шиной, выход первого компаратора соединен с первыми входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и второго триггера, выход второго компаратора соединен с вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и первым входом третьего триггера, выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом первого элемента И, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с вторыми входами первого, второго и третьего триггеров, выход первого триггера соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, выход второго триггера соединен с вторым входом второго элемента И, выход третьего триггера соединен с вторым входом третьего элемента И, выход второго элемента И соединен с вторым входом первого элемента И-НЕ, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход третьего элемента И соединен с вторым входом второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом счетчика, выход счетчика соединен с первым входом регистра, прямой выход первого одновибратора соединен с вторым входом регистра, инверсный выход первого одновибратора соединен с входом второго одновибратора, инверсный выход которого соединен с первым входом четвертого элемента И, выход схемы сброса соединен с вторым входом четвертого элемента И и третьим входом регистра, выход четвертого элемента И соединен с третьим входом счетчика, четвертый вход которого соединен с общей шиной источника питания, выход регистра соединен с выходной шиной, а прямой выход второго одновибратора - с шиной готовности информации.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет повысить стабильность результатов измерений, обеспечить регулировку чувствительности и получить цифровой выходной сигнал устройства бесконтактного измерения перемещения.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для бесконтактного измерения перемещения.

Устройство для бесконтактного измерения перемещения содержит индуктивный дифференциальный датчик 1, состоящий из двух катушек индуктивности 2 и 3, резисторы 4, 5, 6 и 7, диоды 8 и 9, генератор 10 прямоугольных импульсов, инверторы 11 и 12, делитель 13 частоты, транзисторный ключ 14, компараторы 15 и 16, потенциометр 17, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 18, элементы И 19, 20, 21 и 22, триггеры 23, 24 и 25, элементы И-НЕ 26 и 27, счетчик 28, регистр 29, одновибраторы 30 и 31, схему 32 сброса, выходную шину 33 и шину 34 готовности информации. Первые выводы катушек индуктивности 2 и 3 объединены. Второй вывод катушки индуктивности 2 соединен с первым выводом резистора 4 и анодом диода 8. Второй вывод катушки индуктивности 3 соединен с первым выводом резистора 5 и анодом диода 9, вторые выводы резисторов 4 и 5 объединены с общей шиной источника питания. Катоды диодов 8 и 9 соединены соответственно с первыми выводами резисторов 6 и 7, вторые выводы которых объединены с первыми выводами катушек индуктивности 2 и 3. Выход элемента И 19 соединен с первым входом триггера 22. Выход генератора 10 прямоугольных импульсов соединен с входом инвертора 11, выход которого соединен с входом делителя 13 частоты и первыми входами элементов И-НЕ 26 и 27. Выход делителя 13 частоты соединен с входами инвертора 12 и одновибратора 30. Выход инвертора 12 соединен с первым входом элемента И 19 и входом транзисторного ключа, коллекторный вывод которого соединен с плюсовой шиной источника опорного напряжения, а эмиттерный вывод - с первыми выводами катушек индуктивности 2 и 3 датчика 1. Вторые выводы катушек индуктивности 2 и 3 соединены соответственно с первыми входами компараторов 15 и 16, вторые входы которых соединены с подвижным выводом потенциометра 17. Второй и третий выводы потенциометра 17 соединены соответственно с плюсовой шиной источника опорного напряжения и с общей шиной. Выход компаратора 15 соединен с первыми входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 18 и триггера 24. Выход компаратора 16 соединен с вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 18 и первым входом триггера 25. Выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 18 соединен с вторым входом элемента И 19. Выход генератора 10 прямоугольных импульсов соединен с вторыми входами триггеров 23, 24 и 25. Выход триггера 23 соединен с первыми входами элементов И 20 и 21. Выход триггера 24 соединен с вторым входом элемента И 20. Выход триггера 25 соединен с вторым входом элемента И 21. Выход элемента И 20 соединен с вторым входом элемента И-НЕ 26, выход которого соединен с первым входом счетчика 28. Выход элемента И 21 соединен с вторым входом элемента И-НЕ 27, выход которого соединен с вторым входом счетчика 28. Выход счетчика 28 соединен с первым входом регистра 29. Прямой выход одновибратора 30 соединен с вторым входом регистра 29. Инверсный выход одновибратора 30 соединен с входом одновибратора 31, инверсный выход которого соединен с первым входом элемента И 22. Выход схемы 32 сброса соединен с вторым входом элемента И 22 и третьим входом регистра 29. Выход элемента И 22 соединен с третьим входом счетчика 28, четвертый вход которого соединен с общей шиной источника питания. Выход регистра соединен с выходной шиной 33, а прямой выход одновибратора 31 - с шиной 34 готовности информации.

Устройство для бесконтактного измерения перемещения может быть реализовано, например, следующим образом.

Дифференциальный индуктивный датчик 1, включающий в себя катушки индуктивности 2 и 3, например, выполнен в виде двух катушек, намотанных, например, на ферритовые сердечники. Причем катушки индуктивности закрепляют таким образом, что движение объекта (например, вала ротора, выполненного из магнитного или немагнитного металла), перемещение (положение) которого измеряется, происходит между катушками индуктивности 2 и 3. Резисторы 4, 5, 6 и 7, например, прецизионные типа С5-5, номиналы которых подбираются под конкретное исполнение датчика 1. Диоды 8 и 9, например, типа КД212. Генератор 10 прямоугольных импульсов, например, выполнен на микросхеме К531ЛАЗ с кварцевой стабилизацией. Инверторы 11 и 12, например, реализованы на микросхеме К155ЛА12. Делитель 13 частоты, например, выполнен на микросхемах К555ИЕ7. Транзисторный ключ 14, например, реализован на транзисторе КТ829 с ограничительным резистором в базе. В качестве компараторов 15 и 16, например, могут быть использованы микросхемы К521САЗ. Потенциометр 17, например, типа СП5-3. Остальные элементы и блоки устройства могут быть выполнены, например, на следующих микросхемах: элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 18 - К555ЛП5, элементы И 19, 20, 21 и 22 - К555ЛИ1, триггеры 23, 24 и 25 - К555ТМ2 или К555ТМ8, элементы И-НЕ - К555ЛАЗ, счетчик 28 - К555ИЕ7, регистр 29 - К555ТМ8, одновибраторы 30 и 31 - К555АГЗ. Схема 32 сброса, например, может быть выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, причем второй вывод резистора присоединяется к шине питания, а второй вывод конденсатора - к общей шине; вывод сопротивления, соединенный с конденсатором, подключается к входу элемента И, выход которого является выходом схемы 32 сброса.

Устройство для бесконтактного измерения перемещения работает следующим образом.

После включения напряжения питания схема 32 сброса формирует сигнал, который поступает на третий вход (вход сброса) регистра 29 и через элемент И 22 на третий вход (вход стробирования) счетчика 28. При этом на выходе счетчика 28 (так как на его четвертом входе - входе предварительной установки информации - всегда присутствует уровень логического нуля) и регистра 29 устанавливается нулевой цифровой код, и устройство подготовлено к работе. Генератор 10 прямоугольных импульсов через инвертор 11, делитель 13 частоты, инвертор 12 и транзисторный ключ 14 подает импульсы опорного напряжения U_оп на катушки индуктивности 2 и 3. Если объект (например, ротор), перемещение которого измеряется, находится в центральном положении, а катушки 2 и 3 датчика 1 выполнены идентично, то их индуктивности L₁ и L₂ равны между собой: L₁= L₂= L₀. При этом с учетом равенства сопротивлений резисторов 4 и 5 постоянные времени электрических цепей, образованных последовательно включенными катушкой индуктивности 2 и резистора 4, а также катушкой индуктивности 3 и резистора 5, окажутся равными между собой где R - сопротивление каждого из резисторов 4 и 5.

Время переходных процессов в обеих активно-индуктивных цепях будет одинаковым, поэтому одинаково будет и время достижения на первых входах компараторов 15 и 16 уровня напряжения, подаваемого с потенциометра 17 на вторые входы этих компараторов. При этом на выходах компараторов 15 и 16 переключения с низкого уровня на высокий будут происходить одновременно и на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 18 всегда будет присутствовать уровень логического нуля, который, пройдя через элемент И 19, триггер 23, элементы И 20 и 21 и элементы И-НЕ 26 и 27, будет поддерживать на первом и втором счетных входах счетчика 28 уровни логической единицы. В рассмотренной ситуации в счетчике 28 не происходит счета, и на его выходе останется исходный нулевой цифровой код. В момент времени, когда инвертор 12 подаст на транзисторный ключ 14 сигнал на запирание, сигнал с выхода делителя 13 частоты произведет запуск одновибратора 30, который сигналом с прямого выхода стробирует регистр 29 по второму входу и в него записывается код с выхода счетчика 28. Следовательно, на выходной шине 33 будет также сформирован нулевой цифровой код. Через интервал времени, определяемый длиной импульса одновибратора 30 после стробирования регистра 29, запустится одновибратор 31, сигнал с инверсного выхода которого, пройдя через элемент И 22, поступает на третий вход (вход стробирования) счетчика 28. Импульс с прямого выхода одновибратора 31 поступает на шину 34 готовности информации. В дальнейшем процесс работы устройства для бесконтактного измерения перемещения повторяется.

Если объект, перемещение которого измеряется, сместится от центрального положения, то индуктивность одной из катушек (например, первой L₁,) уменьшится, а другой (L₂) увеличится. При этом время достижения на первых входах компараторов 15 и 16 уровня напряжения на вторых входах будет разным. Если, например, на вторые входы компараторов 15 и 16 с потенциометра 17 подается напряжение, равное 0.63•U_оп, то интервал времени, в течение которого на выходах компараторов 15 и 16 будут присутствовать сигналы разного уровня, составит На протяжении интервала времени ΔТ на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 18 будет присутствовать уровень логической единицы, который, пройдя через элемент И 19 и триггер 23, поступает на первые входы элементов И 20 и 21. Так как в рассматриваемой ситуации L₁<L, то на вход триггера 24 придет уровень логической единицы одновременно (без учета времени запаздывания логических элементов) с появлением уровня логической единицы на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 18. Поэтому на выходе элемента И 20 на интервале времени ΔТ будет присутствовать уровень логической единицы, и через инвертор 11 и элемент И-НЕ 26 на первый вход (вход счета на увеличение) счетчика 28 пройдут импульсы с генератора 10 прямоугольных импульсов. Пропорционально величине интервала ΔТ, который зависит от величины перемещения и частоты импульсов генератора 10, на выходе счетчика 28 сформируется положительный цифровой код, который затем запишется на выходе регистра 29 и выходной шине 33 устройства.

Если объект перемещается в противоположную сторону от центрального положения, то L₂, станет меньше L₁. Работа устройства происходит аналогично рассмотренному выше, но счет счетчика 28 будет происходить по второму входу (входу счета на уменьшение), и на выходе счетчика 28 и регистра 29 сформируется отрицательный (дополнительный) цифровой код, пропорциональный перемещению.

Изменяя с помощью потенциометра 17 величину напряжения на вторых входах компараторов 15 и 16, можно изменять величину интервала времени ΔT при одной и той же величине перемещения, что позволяет регулировать чувствительность устройства. Применение прецизионных компараторов обеспечивает стабильность работы устройства для бесконтактного измерения перемещения. Уровень сигнала на старшем разряде выхода регистра 29 определяет знак перемещения. Элемент И 19 служит для блокировки работы устройства на период времени отключения транзисторного ключа 14. Резисторы 6 и 7 и диоды 8 и 9 предназначены для формирования обратных цепей, по которым протекает ток катушек индуктивности 2 и 3 при отключении транзисторного ключа 14. Триггеры 23, 24 и 25 служат для синхронизации работы части устройства, осуществляющей оцифровку временного интервала ΔT, выделяемого элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 18, собственно с работой датчика, что также повышает стабильность работы устройства для бесконтактного измерения перемещения.

Таким образом, предложенное устройство для бесконтактного измерения перемещения позволяет повысить стабильность результатов измерений, обеспечить регулировку чувствительности и получить цифровой выходной сигнал.

Формула изобретения

Устройство для бесконтактного измерения перемещения, содержащее индуктивный дифференциальный датчик с первой и второй катушками индуктивности в своем составе, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый и второй диоды, генератор прямоугольных импульсов, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй элементы И и первый триггер, причем первые выводы первой и второй катушек индуктивности объединены, второй вывод первой катушки индуктивности соединен с первым выводом первого резистора и анодом первого диода, второй вывод второй катушки индуктивности соединен с первым выводом второго резистора и анодом второго диода, вторые выводы первого и второго резисторов объединены с общей шиной источника питания, катоды первого и второго диодов соединены соответственно с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых объединены с первыми выводами первой и второй катушек индуктивности, а выход первого элемента И соединен с первым входом первого триггера, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый и второй инверторы, делитель частоты, транзисторный ключ, первый и второй компараторы, потенциометр, второй и третий триггеры, третий и четвертый элементы И, первый и второй элементы И-НЕ, счетчик, регистр, первый и второй одновибраторы и схема сброса, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом первого инвертора, выход которого соединен с входом делителя частоты и первыми входами первого и второго элементов И-НЕ, выход делителя частоты соединен с входами второго инвертора и первого одновибратора, выход второго инвертора соединен с первым входом первого элемента И и входом транзисторного ключа, коллекторный вывод которого соединен с плюсовой шиной источника опорного напряжения, а эмиттерный вывод - с первыми выводами первой и второй катушек индуктивности датчика, вторые выводы первой и второй катушек индуктивности соединены соответственно с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы которых соединены с подвижным выводом потенциометра, второй и третий выводы потенциометра соединены соответственно с плюсовой шиной источника опорного напряжения и с общей шиной, выход первого компаратора соединен с первыми входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и второго триггера, выход второго компаратора соединен с вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и первым входом третьего триггера, выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом первого элемента И, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с вторыми входами первого, второго и третьего триггеров, выход первого триггера соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, выход второго триггера соединен с вторым входом второго элемента И, выход третьего триггера соединен с вторым входом третьего элемента И, выход второго элемента И соединен с вторым входом первого элемента И-НЕ, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход третьего элемента И соединен с вторым входом второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом счетчика, выход счетчика соединен с первым входом регистра, прямой выход первого одновибратора соединен с вторым входом регистра, инверсный выход первого одновибратора соединен с входом второго одновибратора, инверсный выход которого соединен с первым входом четвертого элемента И, выход схемы сброса соединен с вторым входом четвертого элемента И и третьим входом регистра, выход четвертого элемента И соединен с третьим входом счетчика, четвертый вход которого соединен с общей шиной источника питания, выход регистра соединен с выходной шиной, а прямой выход второго одновибратора - с шиной готовности информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1