Устройство для измерения угловых перемещений

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат: повышение точности преобразования за счет уменьшения погрешности, вызванной напряжением смещения измеряемого напряжения. Сущность: устройство содержит формирователь 1 синусоиды, трансформаторный датчик 2 угла, дифференциальный усилитель 3, устройство выборки-хранения 4, аналого-цифровой преобразователь 5, регистр 6 данных, блок управления и синхронизации 7, генератор 8, второй регистр 9, третий регистр 10, сумматор 11. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений различных объектов, а именно для преобразования ограниченного угла поворота вала в код, когда нецелесообразно применять сложные, полнооборотные и дорогие датчики (редуктосины, синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы и пр.).

Известен преобразователь перемещений (В.Г. Домрачев, В.Р. Матвеевский, Ю.С. Смирнов. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.58), содержащий П-образный магнитопровод, выходные обмотки которого соединены с элементами сравнения СС1, СС2, ССЗ, выходы которых подключены к шифратору Ш, содержащему элементы НЕ1, НЕ2, НЕ3 и И1, И2, И3, на выходах которых формируется позиционный код перемещения.

Недостатком данного преобразователя является низкая точность преобразования, обусловленная большой дискретностью измерения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения угловых перемещений no RU 2313764 С1, 27.12.2007, МПК: G01B 7/30, содержащее формирователь синусоиды, трансформаторный датчик угла, дифференциальный усилитель, устройство выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь, регистр данных, блок управления и синхронизации и генератор.

Это устройство выбрано в качестве прототипа.

Недостатком этого устройства является погрешность, обусловленная напряжением смещения измеряемого напряжения.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности преобразования устройства для измерения угловых перемещений за счет уменьшения погрешности, вызванной напряжением смещения измеряемого напряжения. Уменьшение погрешности осуществляется с помощью схемы компенсации.

Для достижения поставленной задачи в устройство для измерения угловых перемещений введены второй регистр, третий регистр и сумматор, выход которого соединен с входом регистра данных, первый вход соединен с выходом второго регистра, второй вход соединен с выходом третьего регистра, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а второй вход соединен с пятым выходом блока управления и синхронизации, вход которого соединен с выходом генератора, третий выход блока управления и синхронизации соединен со вторым входом второго регистра, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и синхронизации, шестой выход которого соединен с третьим входом сумматора, седьмой выход соединен со вторым входом регистра данных, второй выход соединен с вторым входом устройства выборки-хранения, а первый выход соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с входом трансформаторного датчика угла, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема устройства для измерения угловых перемещений, на фиг.2 - эпюры напряжений устройства для измерения угловых перемещений, на фиг.3 - чертеж трансформаторного датчика угла.

Устройство для измерения угловых перемещений содержит формирователь 1 синусоиды, трансформаторный датчик 2 угла, дифференциальный усилитель 3, устройство выборки-хранения 4, аналого-цифровой преобразователь 5, регистр 6 данных, блок управления и синхронизации 7, генератор 8, второй регистр 9, третий регистр 10, сумматор 11.

Устройство работает следующим образом.

На фиг.1 показано, что на вход трансформаторного датчика 2 угла подается синусоидальное напряжение с выхода формирователя 1 синусоиды. Трансформаторный датчик 2 угла, показанный на фиг.3, работает на принципе размыкания электромагнитного поля. Он состоит из магнитного сердечника с зазором, в котором перемещается чувствительный элемент - медный виток, обладающий большой электрической проводимостью. Перемещение чувствительного элемента вызывает изменение величины наводимых в нем вихревых токов. При этом изменяется индуктивная связь между первичной обмоткой, расположенной на центральном сердечнике, и выходными обмотками. Если виток находится в нулевом положении, как показано, напряжение на выходе датчика, равное разности напряжений на выходных обмотках, будет равно нулю, т.к. выходные обмотки включены встречно и напряжения на выходных обмотках будут равны между собой по амплитуде и противоположны по фазе. Когда чувствительный элемент начнет вращаться, напряжение на выходе датчика изменяется пропорционально α - углу поворота витка. Полярность выходного напряжения определяется направлением отклонения витка от нулевого положения. Выходное синусоидальное напряжение датчика 2 подается на вход дифференциального усилителя 3. Усиленное до необходимой величины напряжение Uду поступает на вход устройства выборки-хранения 4. В результате воздействия температуры и временных факторов напряжение на выходе устройства выборки-хранения смещается относительно нуля на величину Uсм, в результате чего появляется ошибка измерения угла поворота α.

С помощью блока управления и синхронизации 7 в устройстве выборки-хранения 4 происходит запоминание значения измеряемого напряжения Uду два раза за период измеряемого напряжения. На фиг.2 показано, что измерение происходит один раз на отрицательной полуволне измеряемого напряжения - U_oп в момент Δt и второй раз на положительной - U_пп в момент Δt+Т/2, где Т - период измеряемого напряжения. Напряжение смещения Uсм входит в измеренные значения напряжений с разными знаками. Измеренные напряжения Uyвx_пп=Uном и Ucм и Uyвx_oп=Uнoм+Ucм в моменты времени Δt и Δt+Т/2 поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 5, где преобразуются в цифровые коды Nпп=Nном - Nсм и Noп=Nнoм+Nсм, пропорциональные углу поворота α. Число Nпп записывается во второй регистр 9, а число Noп записывается в третий регистр 10. Затем эти числа поступают на вход сумматора 11. В сумматоре 11 они складываются и полученная сумма, поделенная на 2 путем отбрасывания младшего разряда, записывается в регистр 6 данных. На выходе регистра 6 данных появляется число N, пропорциональное измеряемому углу поворота α. Затем регистры обнуляются и в следующем цикле измерения вычисляется следующее числовое значение N. В результате этих вычислений происходит исключение числа Nсм, т.е. ошибки измерения, вызванной напряжением смещения Ucм, т.к. числа Nсм входят в формулу с разными знаками и взаимно уничтожаются:

где N - число на выходе устройства, пропорционльное углу поворота α;

Nпп - число, соответствующее измеряемому напряжению на положительной полуволне;

Noп - число, соответствующее измеряемому напряжению на отрицательной полуволне;

Nном - число, соответствующее измеряемому напряжению без ошибки, вызванной смещением напряжения;

Ncм - число, соответствующее напряжению смещения.

Процессы формирования синусоиды, выборки-хранения и аналого-цифрового преобразования, записи в регистры и суммирования синхронизированы частотой генератора 8.

Исключение ошибки измерения с помощью схемы компенсации позволило существенно повысить точность измерения угла, снизить требования к схеме измерения и применить обычные электро-радио изделия вместо прецизионных, снизив стоимость устройства.

Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.

Данное устройство испытано на макетном образце. Результаты испытаний свидетельствуют о достижении поставленной задачи. ОАО «ИСС» предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.

Устройство для измерения угловых перемещений, содержащее формирователь синусоиды, выход которого соединен с входом трансформаторного датчика угла, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения, второй вход которого соединен со вторым выходом блока управления и синхронизации, а выход соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и синхронизации, первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, вход соединен с выходом генератора, а седьмой выход соединен со вторым входом регистра данных, отличающееся тем, что в него введены второй регистр, третий регистр и сумматор, выход которого соединен с входом регистра данных, первый вход соединен с выходом второго регистра, а второй вход соединен с выходом третьего регистра, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а второй вход соединен с пятым выходом блока управления и синхронизации, шестой выход которого соединен с третьим входом сумматора, а третий выход соединен со вторым входом второго регистра, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя.