Индуктивный датчик перемещений

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения взаимных перемещений различных объектов, в том числе отдельных участков деформируемых тел. Сущность изобретения: индуктивный датчик содержит катушку индуктивности и сердечник, устанавливаемые на взаимно перемещающиеся объекты, генератор переменного напряжения и электрическое сопротивление, два диода и конденсатор. Один из диодов соединен последовательно с катушкой, образуя первое плечо, другой диод соединен последовательно с электрическим сопротивлением, образуя второе плечо. Оба плеча соединены параллельно, образуя замкнутый контур. Диоды соединены в контуре последовательно-согласно. Первая точка соединения плеч контура подключена к первому выводу генератора, а вторая точка соединения плеч - к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом генератора. Выводы конденсатора являются выходом устройства. Электрическое сопротивление может быть выполнено в виде второй катушки индуктивности, идентичной первой катушке. Датчик дополнительно снабжен вторым сердечником, установленным внутри второй катушки с возможностью перемещения вдоль оси последней и фиксации. Сердечники могут быть выполнены соизмеримыми по длине с соответствующими катушками, первый сердечник снабжен тягой из неметаллического неферромагнитного материала, закрепленной на сердечнике со стороны второй катушки, а второй сердечник выполнен с продольным сквозным отверстием для прохода тяги. Первый или оба сердечника могут быть также выполнены наборными из нескольких параллельных оси катушек ферромагнитных стержней, скрепленных неметаллическим неферромагнитным материалом, а параллельно катушкам индуктивности могут быть подключены активные сопротивления. Технический результат: упрощение устройства и расширение эксплуатационных возможностей, а также упрощение сопряжения датчика с компьютером для регистрации и обработки результатов в процессе измерений. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения взаимных перемещений различных объектов, в том числе отдельных участков деформируемых тел.

Известен индуктивный датчик линейных перемещений, содержащий две соосные катушки индуктивности и расположенный между ними сердечник, генератор переменного напряжения и фазосдвигающие мосты (авт. свид. СССР 247512, МПК G 01 B 7/24, 1969). При перемещении сердечника относительно катушек индуктивность одной из них изменяется и на выходе устройства появляется сигнал в виде временного интервала, пропорционального перемещению сердечника.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции и схемы выделения полезного сигнала, а также ограниченные эксплуатационные возможности из-за больших габаритов блока катушек и сердечника.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является индуктивный преобразователь перемещений, содержащий две соосные катушки индуктивности и расположенный между ними сердечник, генераторы (автогенераторы) переменного напряжения, электрические сопротивления и фильтр-смеситель (авт. свид. 807048, МПК3 G 01 B 7/24, 1981 - прототип). О величине перемещений сердечника относительно катушек судят по разностной частоте на выходе фильтра-смесителя, зависящей от изменяющихся индуктивностей катушек.

Недостатком устройства-прототипа является сложность конструкции датчика и схемы выделения его полезного сигнала, ограниченные эксплуатационные возможности прибора, необходимость дополнительного преобразования выходного сигнала для компьютерной регистрации и обработки результатов в процессе измерений.

Предлагаемое изобретение направлено на упрощение устройства и расширение эксплуатационных возможностей датчика перемещений за счет минимизации количества элементов в схеме выделения полезного сигнала датчика и увеличения базы измерения (расстояния между взаимно перемещающимися объектами), а также на упрощение сопряжения датчика с компьютером для регистрации и обработки результатов в процессе измерений.

Данный результат достигается тем, что индуктивный датчик перемещений, содержащий катушку индуктивности и сердечник, генератор переменного напряжения и электрическое сопротивление, дополнительно снабжен двумя диодами и конденсатором. Один из диодов соединен последовательно с катушкой, образуя первое плечо, другой диод соединен последовательно с электрическим сопротивлением, образуя второе плечо. Оба плеча соединены параллельно, образуя замкнутый контур, диоды соединены в контуре последовательно-согласно, первая точка соединения плеч контура подключена к первому выводу генератора, а вторая точка соединения плеч - к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом генератора, причем выводы конденсатора являются выходом устройства. Кроме того, электрическое сопротивление выполнено в виде второй катушки индуктивности, идентичной первой катушке, а датчик дополнительно снабжен вторым сердечником, установленным внутри второй катушки с возможностью перемещения и фиксации вдоль оси последней. Сердечники могут быть выполнены соизмеримыми по длине с соответствующими катушками, первый сердечник снабжен тягой из неметаллического неферромагнитного материала, закрепленной на сердечнике со стороны второй катушки, а второй сердечник выполнен с продольным сквозным отверстием для прохода тяги. Первый или оба сердечника могут быть также выполнены наборными из нескольких параллельных оси катушек ферромагнитных стержней, скрепленных неметаллическим неферромагнитным материалом, а параллельно катушкам индуктивности могут быть подключены активные сопротивления.

Выполнение схемы выделения полезного сигнала датчика перемещений в виде конденсатора и диодов, установленных в цепи измерительной катушки и электрического сопротивления, позволяет упростить устройство за счет минимизации количества элементов в электрических цепях и непосредственно преобразовать изменяющуюся индуктивность катушки в напряжение постоянного тока, удобное для регистрации и обработки результатов измерений в компьютере.

Выполнение электрического сопротивления в виде второй катушки индуктивности обеспечивает повышение точности измерения за счет уменьшения влияния на показания аппаратуры температуры окружающей среды, а введение в устройство второго сердечника, установленного внутри второй катушки с возможностью перемещения и фиксации вдоль оси последней, дает возможность регулировать (задавать) смещение показаний прибора в область максимальной чувствительности.

Выполнение обоих сердечников, соизмеримыми по длине с соответствующими катушками, повышает точность измерений за счет снижения влияния на показания прибора внешних магнитных полей при использовании ферромагнитных сердечников. Кроме того, выполнение первого сердечника с тягой из неметаллического неферромагнитного материала, закрепленной на сердечнике со стороны второй катушки, а второго сердечника с продольным сквозным отверстием для прохода тяги позволяет использовать вторую катушку в качестве соединительного элемента между первым сердечником и перемещающимся объектом, что упрощает устройство за счет исключения специального переходника для первого сердечника. Размещение второй катушки в непосредственной близости от первой дополнительно снижает влияние непостоянства температуры окружающей среды на показания аппаратуры, а использование тяги для первого сердечника позволяет неограниченно увеличивать базу измерений (расстояние между перемещающимися объектами, например базу для измерения деформации тел).

Выполнение сердечников датчика наборными из нескольких параллельных оси катушек ферромагнитных стержней, скрепленных неметаллическим неферромагнитным материалом, позволяет повысить чувствительность устройства за счет более эффективного использования площади поперечного сечения сердечника при наличии в нем вихревых токов, а также получать сердечники, идентичные по свойствам друг другу за счет использования стержней различного диаметра, в том числе из ферромагнитных материалов с заданными свойствами.

Подключение параллельно катушкам индуктивности активных сопротивлений позволяет увеличить линейность выходной характеристики датчика за счет устранения резонансных явлений в устройстве.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема расположения катушки индуктивности и сердечника на взаимно перемещающихся объектах; на фиг. 2 - общая электрическая схема устройства; на фиг.3 - электрическая схема устройства с двумя катушками индуктивности и сердечниками; на фиг.4 - схема расположения двух катушек на объектах при использовании первого сердечника с тягой.

Индуктивный датчик перемещений содержит катушку 1 индуктивности (фиг.1), установленную на одном из взаимно перемещающихся объектов (3), и сердечник 2, установленный через переходник 4 на другом объекте (5). Датчик содержит также генератор 6 переменного напряжения (фиг.2), электрическое сопротивление (например резистор) 7, диоды 8 и 9, конденсатор 10. Диод 8 соединен последовательно с катушкой 1, образуя первое плечо, а диод 9 соединен последовательно с электрическим сопротивлением 7, образуя второе плечо. Оба плеча соединены параллельно с образованием замкнутого контура, причем диоды 8 и 9 соединены в контуре последовательно-согласно. Одна точка соединения плеч подключена к первому выводу генератора 6, а другая точка соединения плеч - к конденсатору 10, второй вывод которого соединен со вторым выводом генератора 6. Выводы конденсатора 10 являются выходом устройства, к которому подключается измеритель напряжения постоянного тока (не показан).

Электрическое сопротивление 7 может быть выполнено в виде второй катушки 11 индуктивности (фиг.3), которая может быть снабжена вторым сердечником 12, установленным внутри второй катушки с возможностью перемещения и фиксации вдоль оси последней (фиг.4). Сердечники 2 и 12 (фиг.4) могут быть выполнены соизмеримыми по длине с соответствующими катушками 1 и 11, первый сердечник снабжен тягой 13 из неметаллического неферромагнитного материала, закрепленной на сердечнике со стороны второй катушки, а второй сердечник выполнен с продольным сквозным отверстием для прохода тяги. Катушки установлены на взаимно перемещающихся объектах 3 и 5, причем тяга 13 закреплена на второй катушке 11 после установки сердечника 2 в заданное положение относительно катушки 1.

Устройство работает следующим образом. После установки катушки 1 индуктивности (фиг.1) на один из взаимно перемещающихся объектов (3), а сердечника 2 через переходник 4 на другой объект 5 включается генератор 6 переменного напряжения (фиг.2). При этом в первый полупериод напряжения питания переменный ток протекает через конденсатор 10, диод 8 и катушку 1, а во второй полупериод - через конденсатор, диод 9 и электрическое сопротивление 7. Если в исходном состоянии сердечник 2 установлен в катушке 1 так, что индуктивность последней обеспечивает постоянную составляющую тока в цепи диода 8, равную постоянной составляющей тока по цепи диода 9, то постоянное напряжение на выходе устройства равно нулю. При перемещении объекта 5 относительно объекта 3 (фиг.1) сердечник 2 смещается вдоль оси катушки 1 и индуктивность последней изменяется (уменьшается или увеличивается в зависимости от направления взаимного перемещения объектов). В результате на выходе устройства (фиг.2) появляется постоянное напряжение соответствующей полярности, пропорциональное величине перемещения объектов.

Аналогично работает схема выделения полезного сигнала датчика перемещений при использовании в качестве электрического сопротивления второй катушки 11 индуктивности (фиг.3). В отсутствие сердечников 2 и 12 в катушках 1 и 11 постоянное напряжение на выходе устройства равно нулю, а при введении сердечника 2 в катушку 1 и перемещении его вдоль оси последней выходное напряжение на выходе увеличивается пропорционально величине измеряемого перемещения. Введение во вторую катушку 11 второго сердечника 12 (фиг.4) с возможностью его перемещения вдоль оси катушки и последующей фиксации относительно нее позволяет смещать показания аппаратуры в область максимальной чувствительности датчика, а также производить измерения с учетом направления перемещения от нулевого уровня выходного напряжения. Кроме того, наличие в схеме выделения полезного сигнала датчика двух идентичных катушек индуктивности, расположенных в непосредственной близости друг от друга, снижает температурную погрешность аппаратуры. Выполнение сердечников 2 и 12 короткими (соизмеримыми по длине с длиной катушек 1 и 11) не только снижает влияние внешних магнитных полей (за счет большого коэффициента размагничивания сердечников с малой относительной длиной), но и позволяет, за счет применения тяги 13 и выполнения второго сердечника 12 с продольно сквозным отверстием для прохода тяги, неограниченно увеличивать базу измерений. Выполнение тяги 13 из неметаллического неферромагнитного материала обеспечивает отсутствие влияния материала тяги на показания датчика как при применении металлических неферромагнитных, так и ферромагнитных сердечников обеих катушек. Выполнение сердечников 2 и 12 наборными из нескольких параллельных оси катушек ферромагнитных стержней, скрепленных между собой неметаллическим неферромагнитным материалом (не показаны), дает возможность повысить чувствительность датчика за счет снижения влияния вихревых токов в сплошном сердечнике и эффективного использования площади поперечного сечения отверстий в катушках. Кроме того, это позволяет использовать стержни различного диаметра из ферромагнитных материалов с заданными свойствами, а также получать сердечники, идентичные по свойствам друг другу.

При выполнении тяги 13 (фиг.4), гибкой в поперечном направлении, возможен ее изгиб по заданному радиусу и измерение угловых перемещений объекта 5 по отношению к объекту 3.

Для увеличения линейности выходной характеристики устройства (зависимости выходного сигнала от перемещений сердечника) параллельно катушкам индуктивности могут быть подключены активные сопротивления (не показаны).

Формула изобретения

1. Индуктивный датчик перемещений, содержащий катушку индуктивности и сердечник, устанавливаемые на взаимно перемещающиеся объекты, генератор переменного напряжения и электрическое сопротивление, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен двумя диодами и конденсатором, один из диодов соединен последовательно с катушкой, образуя первое плечо, другой диод соединен последовательно с электрическим сопротивлением, образуя второе плечо, оба плеча соединены параллельно, образуя замкнутый контур, диоды соединены в контуре последовательно-согласно, первая точка соединения плеч контура подключена к первому выводу генератора, а вторая точка соединения плеч - к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом генератора, причем выводы конденсатора являются выходом устройства.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что электрическое сопротивление выполнено в виде второй катушки индуктивности, идентичной первой катушке.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен вторым сердечником, установленным внутри второй катушки с возможностью перемещения и фиксации вдоль оси последней.

4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что сердечники выполнены соизмеримыми по длине с соответствующими катушками, первый сердечник снабжен тягой из неметаллического неферромагнитного материала, закрепленной на сердечнике со стороны второй катушки, а второй сердечник выполнен с продольным сквозным отверстием для прохода тяги.

5. Датчик по п.3, отличающийся тем, что сердечники выполнены наборными из нескольких параллельных оси катушек ферромагнитных стержней, скрепленных неметаллическим неферромагнитным материалом.

6. Датчик по п.2, отличающийся тем, что параллельно катушкам индуктивности подключены активные сопротивления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4