Индуктивный датчик перемещения

 

Изобретение относится к электромагнитным датчикам перемещения, в частности к датчикам линейных перемещений, применяемым для фиксации момента прохождения контролируемого объекта определенной точки пространства. Технический результат - повышение помехозащищенности датчика, надежности его срабатывания, уменьшение вероятности ложного срабатывания. Сущность изобретения: датчик содержит генератор синусоидальных колебаний, возбуждающую рамочную антенну с обмоткой возбуждения, приемную антенну с измерительной обмоткой, узкополосный усилитель, детектор, блок обработки сигналов, одно- или многовитковую проволочную рамку, нелинейный элемент. Возбуждающая антенна соединена с генератором. Приемная антенна соединена последовательно с усилителем, детектором и блоком обработки. Многовитковая проволочная рамка соединена с нелинейным элементом. Рабочая частота узкополосного усилителя в 2 раза больше частоты генератора синусоидальных колебаний. 5 ил.

Изобретение относится к электромагнитным датчикам, в частности, датчикам линейных перемещений, применяемым для фиксации момента прохождения контролируемого объекта определенной точки пространства.

Известен патент №ЕР 0289033, МПК G 01 D 5/20 от 01.05.1987, опубликован 02.11.1988, “Экранный индуктивный датчик линейного перемещения”, содержащий обмотку возбуждения и измерительную обмотку, которые расположены в подвижном узле, и неподвижно закрепленный экран.

Указанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и взято в качестве прототипа.

Недостатком экранного индуктивного датчика линейного перемещения является возможность ложного срабатывания при прохождении подвижных элементов датчика в непосредственной близости от металлических предметов, что ограничивает область его применения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является фиксация момента прохождения контролируемого объекта определенной точки пространства.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение помехозащищенности датчика, уменьшение вероятности ложного срабатывания, надежность его срабатывания.

Этот результат достигается тем, что индуктивный датчик перемещения состоит из подвижной и неподвижной частей, одна из которых содержит рамочные антенны, одна антенна является возбуждающей и соединена с генератором синусоидальных колебаний, а другая антенна является приемной, выводы которой соединены с входом узкополосного усилителя, выход которого соединен с входом детектора, выход которого соединен с входом блока обработки сигналов. Новым является то, что другая часть выполнена в виде одно- или многовитковой проволочной рамки, выводы которой соединены с дополнительно введенным нелинейным элементом, при этом рабочая частота узкополосного усилителя в 2 раза больше частоты генератора синусоидальных колебаний.

Введение нелинейного элемента и выполнение части, содержащей его, в виде одно- или многовитковой проволочной рамки, а также задание рабочей частоты узкополосного усилителя в 2 раза больше частоты генератора синусоидальных колебаний позволяет существенно повысить помехозащищенность датчика, уменьшить вероятность ложного срабатывания, надежность его срабатывания.

На фиг.1 представлена функциональная схема заявленного датчика. Индуктивный датчик перемещения содержит генератор синусоидальных колебаний 4, выход которого соединен с возбуждающей рамочной антенной 1, содержащей обмотку возбуждения, и последовательно соединенные приемную антенну 3, содержащую измерительную обмотку, узкополосный усилитель 5, детектор 6 и блок обработки сигналов 7 и одно- или многовитковую проволочную рамку 2, соединенную с нелинейным элементом.

Датчик работает следующим образом:

Обмотка возбуждающей рамочной антенны 1 генератора синусоидальных колебаний 4 воспроизводит электромагнитное поле определенной частоты. При приближении возбуждающей рамочной антенны 1 одно- или многовитковая проволочная рамка 2 попадает в переменное электромагнитное поле. Под действием поля в проволочной рамке 2 индуцируется ток. Если бы проволочная рамка 2 была линейным элементом, величина тока составляла бы

,

I_R - ток в проволочной рамке 2; L_R - индуктивность проволочной рамки 2; М_AR - взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения возбуждающей рамочной антенны 1 и проволочной рамкой 2;

I_A - ток в обмотке возбуждения возбуждающей рамочной антенны 1.

В проволочной рамке 2, соединенной с нелинейным элементом, в ее токе присутствуют высшие гармоники, поэтому фактический ток в проволочной рамке 2 будет равен

,

где К_n - коэффициент гармоник (отметим, что К₁ ≈ 1,0, К₂ ≈ 0,2).

Ток в проволочной рамке 2 создает поле реакции проволочной рамки 2, которое воспринимается измерительной обмоткой приемной антенны 3.

На измерительную обмотку приемной антенны 3, кроме поля реакции, действует также и возбуждающее поле. Если приемником излучения служит малая рамочная антенна в режиме, близком к холостому ходу, то сигнал на ее чувствительном зазоре равен

,

где М_RP - взаимная индуктивность между проволочной рамкой 2, соединенной с нелинейным элементом и измерительной обмоткой приемной антенны 3, f - частота возбуждающей рамочной антенны 1.

Поскольку элементы конструкции датчика (кроме возбуждающей рамочной антенны 1) и предметы окружающей среды не могут генерировать четные гармоники, то в качестве критерия прохождения подвижной частью индуктивного датчика перемещения неподвижной части выбран максимум напряжения измерительной обмотки приемной антенны 3 на частоте второй гармоники. Возбуждающая 1 и приемная 3 антенны представляют собой металлические пустотелые рамки с зазором. Во внутренней полости рамки находится обмотка, намотанная на диэлектрический каркас. Сигнал с приемной антенны 3 через узкополосный усилитель 5 и детектор 6 подается на вход блока обработки сигналов 7. Полоса пропускания фильтра узкополосного усилителя 5 выбирается так, чтобы в нее попадала только вторая гармоника.

Если предположить, что М_AR=М_RP=М, а фильтр считать идеальным, то напряжение на входе блока обработки сигналов 7, приведенное к выходу приемной антенны, равно

На фиг.2 представлена геометрия взаимного расположения возбуждающей рамочной антенны 1 и проволочной рамки 2.

Для этой геометрии взаимная индуктивность М равна

где S_R - площадь проволочной рамки 2; S_A - площадь возбуждающей рамочной антенны 1.

На фиг.3 представлена полученная с помощью этой формулы расчетная зависимость напряжения второй гармоники (в относительных единицах) при движении подвижной части индуктивного датчика перемещения относительно неподвижной. При расчете предполагалось, что расстояние между проволочной рамкой 2 и возбуждающей рамочной антенной 1 составляет h=100 мм.

Как следует из приведенного графика, уровень сигнала меняется примерно в два раза на расстояниях примерно 0,1 м. Эта величина характеризует порядок точности срабатывания индуктивного датчика.

Учитывая, что

,

где Р - мощность генератора синусоидальных колебаний 4; Q - добротность возбуждающей антенны 1; η - кпд генератора синусоидальных колебаний,

получаем для напряжения второй гармоники на зазоре приемной антенны

.

На фиг.4 представлена зависимость напряжения второй гармоники на зазоре приемной антенны 3 от частоты. При расчете предполагалось Р = 1 Вт, Q = 50, η = 0,1, S_R = S_A = 10^-3м², h = 0,1 м, L_R = L_A = 10^-6 Гн.

На фиг.5 приведена осциллограмма сигналов на выходе индукционного датчика (1), на выходе детектора (2) и на выходе узкополосного усилителя (3) при перемещении проволочной рамки 2 на высоте 10 см от плоскости антенн.

Напряжение на выходе приемной антенны 3 из-за использования многовитковой измерительной обмотки будет примерно на два порядка выше.

Конструктивно индуктивный датчик перемещения представляет собой электронный блок в металлическом экранирующем корпусе, рядом с которым установлены возбуждающая и приемная рамочные антенны. Рамочные антенны представляют собой пустотелые металлические витки толщиной 2-5 мм, диаметром 2-3 см, внутри которых размещаются обмотки.

В настоящее время изготовлен макет индукционного датчика перемещения и проведены его испытания, в результате которых подтверждена его работоспособность.

Формула изобретения

Индуктивный датчик перемещения, состоящий из подвижной и неподвижной частей, одна из которых содержит рамочные антенны, одна антенна является возбуждающей и соединена с генератором синусоидальных колебаний, а другая антенна является приемной, выводы которой соединены с входом узкополосного усилителя, выход которого соединен с входом детектора, выход которого соединен с входом блока обработки сигналов, отличающийся тем, что другая часть индуктивного датчика перемещения выполнена в виде одно- или многовитковой проволочной рамки, выводы которой соединены с дополнительно введенным нелинейным элементом, при этом рабочая частота узкополосного усилителя в два раза выше частоты генератора синусоидальных колебаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5