CH623412A5

CH623412A5 - Absolute electrical precision transducer for measuring linear or angular positions

Info

Publication number: CH623412A5
Application number: CH535778A
Authority: CH
Inventors: Alberto Conte
Original assignee: Selca Spa
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1978-05-17
Publication date: 1981-05-29
Also published as: FR2391451A1; NL188541C; BR7803124A; NL7805353A; AU524646B2; CA1136238A; DE2817544C2; SE426989B; GB1595127A; NL188541B; FR2391451B1; MX149962A; SU759059A3; AU3606978A; US4504832A; SE7805231L; NO151172B; NO781717L; JPS53143348A; IT1111425B

Description

La presente invenzione si riferisce ad un trasduttore elettrico assoluto di alta precisione per misure lineari od angolari.

Il trasduttore oggetto dell'invenzione è formato da un trasduttore assoluto di bassa precisione assocciato ad un trasduttore ciclico di alta precisione.

Sono noti trasduttori di posizione ad alta precisione lineari od angolari come per esempio l'Inductosyn; tali trasduttori sono però unicamente ciclici, cioè i segnali elettrici da questi forniti si ripetono in modo periodico con lo spostamento relativo tra una scala ed un cursore. Con questi trasduttori è quindi possibile rilevare la posizione unicamente nell'ambito di un periodo o ciclo, ma non è possibile identificare in quale ciclo si trovi il cursore rispetto alla scala.

Gli spostamenti del cursore relativi alla scala vengono normalmente rilevati a mezzo di un sistema elettronico che tiene conto del numero dei cicli del trasduttore percorsi durante uno spostamento ed a questo somma la posizione rilevata nell'ambito del ciclo.

Tale sistema misura quindi esclusivamente gli spostamenti quando il sistema elettronico è operante e perde completamente la posizione se il cursore viene mosso con il sistema elettronico spento. Riaccendendo il sistema elettronico l'indicazione di posizione è persa ed occorre ritrovare il riferimento di partenza con l'ausilio di mezzi meccanici.

Sono noti vari sistemi per individuare con trasduttori ausiliari la posizione di ciascun ciclo di un trasduttore ciclico, ma questi sistemi noti sono molto costosi e quindi scarsamente utilizzati.

Il problema tecnico che l'invenzione si propone di risolvere è quello di ottenere un trasduttore assoluto di posizione di basso costo, alta affidabilità e facilmente integrabile con trasduttori di precisione ciclici di tipo noto per ottenere simultaneamente alta precisione ed indicazione assoluta di posizione.

Il problema viene risolto secondo l'invenzione con un trasduttore elettrico assoluto di precisione definito in rivendicazione 1.

La seguente è una descrizione di una forma preferita di esecuzione fatta a titolo esemplificativo, ma non limitativo, con l'ausilio dei seguenti disegni allegati:

la fig. I rappresenta schematicamente una vista in pianta di una realizzazione nota di trasduttore di precisione, tipo In-ductosyn a nastro;

la fig. 2 rappresenta una sezione secondo la traccia II-II di fig. I;

la fig. 3 rappresenta schematicamente visto in pianta il trasduttore secondo l'invenzione;

la fig. 4 rappresenta una sezione secondo la traccia IV-IV di fig. 3;

la fig. 5 rappresenta in pianta, notevolmente ingrandito, un breve tratto del trasduttore assoluto, secondo l'invenzione, con l'indicazione di un gruppo di captori del cursore disposti in una posizione generica di lettura;

la fig. 6 rappresenta una sezione secondo la traccia VI-VI di fig. 5 con l'indicazione prospettica delle piazzole di connessione ai punti di uscita del segnale;

la fig. 7 rappresenta una sezione secondo la traccia VII-VII di fig. 5;

la fig. 8 rappresenta l'andamento dei segnali di uscita dai diversi captori opportunamente elaborati;

la fig. 9 rappresenta lo schema del circuito applicato al dispositivo proposto dall'invenzione.

L'esecuzione che verrà descritta è quella scelta per meglio evidenziare l'estrema facilità ed il basso costo con cui la parte assoluta del trasduttore oggetto dell'invenzione può essere costruita usando la stessa tecnica e gli stessi mezzi produttivi necessari per costruire il trasduttore ciclico di precisione di tipo noto insieme al quale verrà utilizzata.

La fig. 1 rappresenta un trasduttore di tipo noto come descritto nel brevetto italiano n° 904 565 formato da una scala 10 comprendente un avvolgimento elettrico 11 prodotto a mezzo di fotoincisione di una striscia conduttrice incollata tramite collante 12 su un nastro 13 di acciaio per molle e da questo isolato elettricamente. Il nastro viene teso in modo da assumere la lunghezza esatta prevista in fase di costruzione e quindi rigidamente fissato alle due estremità con viti 14, per esempio sul fianco di una delle tavole di una macchina utensile. Il trasduttore comprende inoltre un cursore 15 portante due avvolgimenti elettrici 16 e 17 distinti e costruiti per fotoincisione come descritto per la scala 10. La forma dei tre avvolgimenti (due sul cursore, uno sulla scala), è tale che, eccitando con una corrente alternata l'avvolgimento 11 fissato alla scala, nei due avvolgimenti 16 e 17 fissati sul cursore 15 vengono indotti potenziali proporzionali rispettivamente alla funzione seno e coseno dell'angolo elettrico caratteristico della posizione e definito come segue: a un ciclo di scala, che rappresenta uno spostamento del cursore di valore tale che i segnali al cursore sono di nuovo identici a quelli prima avuti, si attribuisce un angolo di 360°.

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La fig. 3 illustra il trasduttore oggetto della invenzione costruito utilizzando la stessa tecnica e per la massima parte le stesse attrezzature del trasduttore noto sopra descritto.

Il nuovo tipo di trasduttore 19 porta su di una striscia conduttrice 20 isolata dal supporto di acciaio 21 oltre all'avvolgimento 22 del trasduttore ciclico di tipo noto anche un trasduttore assoluto 23 formato da due zone conduttrici 24 e 25 separate elettricamente tra di loro da un taglio fotoinciso 26 che forma la codifica numerica di posizione. La linea di separazione fotoincisa ha forma tale da generare, in questo particolare esempio, un codice binario di tipo Gray. Una vista in pianta fortemente ingrandita di questa zona codificata è illustrata in fig. 5, dove la zona è suddivisa in strisce codificate A, B, C, D, E e F di peso binario crescente. Se per esempio si usano 12 strisce codificate risultano codificate 212 posizioni e cioè 4096 posizioni; in una realizzazione pratica queste occupano uno spazio trasversale (cioè parallelo alla sezione IV-IV di fig. 3) circa uguale a quello occupato dal trasduttore ciclico di tipo noto. Per chiarezza di disegno nella fig. 3 solo 6 strisce codificate sono mostrate occupare uno spazio trasversale uguale a quello occupato dal trasduttore ciclico. In questo tipo di trasduttore il cursore 27 presenta, oltre agli avvolgimenti 28 e 29 del tutto simili a quelli 16 e 17 descritti nel tipo noto, anche una serie di captori 30, 31, 32, 33, 34 e 35 fotoincisi sul cursore stesso 27. Nelle figg. 6 e 7 si vede una sezione ingrandita del trasduttore 19 e del cursore 27 affacciati nella loro normale posizione di lavoro.

La lettura del codice avviene a mezzo dei captori fotoincisi sul cursore 27 meglio mostrato nelle figg. 6 e 7, tenuto con mezzi noti ad una distanza di pochi decimi di millimetro dalla scala 19. Anche il cursore 27 è costruito per fotoincisione ed è infatti un normale circuito stampato con fori metallizzati 40 per interconnettere, dove necessario, le due facce fotoincise. La parte del cursore tenuta di fronte alla scala porta fotoincise delle piazzole metallizzate 41, che come visto sono anche dette captori, completamente circondata da una striscia conduttrice 42 da queste isolata dal taglio fotoinciso 43; si ha sul cursore 27 una piazzola per ciascun peso binario codificato sulla scala.

La parte condutrice 42 ha funzione di schermo in modo che ciascuna piazzola 41 sia accoppiata capacitivamente solo con la striscia codificata del peso numerico corrispondente. Sempre nelle figg. 6 e 7 in cui si osserva meglio il dispositivo delle figg. 3 e 4 la parte 21 è formata da un nastro di acciaio di supporto, lo strato 44 è il collante ed isolante che tiene lo strato conduttore 23. Il taglio fotoinciso 26 separa elettricamente le lamine conduttrici 24 e 25 in modo che possano essere connesse a sorgenti di potenziali diversi. Le due lamine sono infatti connesse a due sorgenti di potenziale alternato della medesima frequenza ma di fase opposta e cioè la lamina 25 è connessa alla fase X dell'oscillatore 45 di fig. 5 e la lamina 24 alla fase Y.

Nella fig. 7 quando la piazzola 41 si trova sopra alla lamina 25 l'accoppiamento capacitivo è con la fase X; se ora il cursore 27 viene fatto traslare fino a che la piazzola 41 si trova completamente sulla lamina 24, l'accoppiamento capacitivo sarà con la fase Y opposta a quella del caso precedente.

Quando la piazzola 41 sarà centrata sul taglio fotoinciso 26 e cioè ugualmente accoppiata con la lamina 24 e 25 il voltaggio indotto capacitivamente sulla piazzola 41 tenderà a zero e cioè alla media dei valori indotti tra fase X e fase Y. È quindi possibile, rilevando la fase del voltaggio indotto sulla piazzola 41, sapere su quale lamina codificata, ad esempio 24 o 25 di fig. 7, si viene a trovare la piazzola stessa. Per fare questo, nella faccia posteriore del cursore e cioè sulla seconda faccia del circuito stampato, viene posto un amplificatore schematicamente indicato con 53, seguito da un rivelatore sincrono schematicamente indicato con 56 (questi ultimi dispositivi verranno descritti e illustrati successivamente) appropriamente fasa-

to in modo da avere come uscita un voltaggio continuo di una polarità quando la piazzola si trova sulla lamina 24 e di polarità opposta quando si trova sulla lamina 25. L'amplificatore sopra menzionato è posto molto vicino alla piazzola 30 per minimizzare l'attenuazione del segnale dovuta alla capacità parassita.

In fig. 8 con 3Ö1 è indicato il diagramma inerente un intero ciclo del segnale di uscita del rivelatore sincrono relativo al captare 30 di figg. 5 o 6 mentre percorre la striscia codificata A con origine nella posizione illustrata in fig. 5. Con 31'in fig. 8 è indicato il diagramma inerente mezzo ciclo del segnale di uscita relativo al captare 31 di fig. 5 mentre percorre la striscia codificata B con origine nella posizione illustrata in fig. 5. Con 32' in fig. 8 è indicato il diagramma inerente un quarto di ciclo del segnale di uscita relativo al captare 32 di fig. 5 mentre percorre la striscia codificata C con origine nella posizione illustrata in fig. 5. Con 33', 34' e 35' sono indicati i diagrammi dei segnali relativi ai captori 33, 34 e 35 di fig. 5 mentre percorrono le strisce codificate D, E e F con origine nella posizione di fig. 5.

Il rivelatore sincrono 56 è seguito da un circuito a soglia 57, anch'esso verrà meglio illustrato in seguito, con la soglia posizionata su zero volt e con uscita binaria.

Se ciascuna delle piazzole o captori è collegata ad un circuito come quello precedentemente descritto, e cioè amplificatore, rivelatore sincrono e circuito a soglia binaria, si ha alla uscita dei circuito a soglia un codice corrispondente a quello fotoinciso sulla lamina conduttrice della scala e corrispondente alla posizione in cui si trovano i captori rispetto alla scala.

Per minimizzare il costo del circuito rispetto allo schema sopra descritto viene usato il circuito illustrato in fig. 9. Anziché utilizzare un canale separato per ciascun captare come precedentemente illustrato, si utilizza un solo canale di amplificazione e rivelazione commutato verso i vari captori a mezzo di interruttori elettronici di basso costo.

Nel circuito di fig. 9 sono utilizzati due circuiti integrati 51 e 52 in tecnologia CMOS ciascuno con 8 interruttori elettronici a mezzo dei quali l'amplificatore 53 può essere connesso a qualsiasi captare del cursore 27.

Come si vede in fig. 9 si è rappresentato un cursore 27 provvisto di dodici captori anziché di sei come descritto ed illustrato precedentemente, ciò naturalmente mantiene invariate le caratteristiche del dispositivo, permettendo tuttavia di descrivere il circuito connesso nel caso più generale e complesso.

La connessione voluta tra captori e catena di amplificazione e rivelazione viene stabilita a mezzo di un codice di selezione applicato alle linee 55 da un'unità centrale di comando. L'unità centrale di comando è di tipo sostanzialmente noto, formata per esempio da un'unità a microprocessore programmato per comandare sia le linee di selezione 55 che l'acquisizione dei dati della linea 58 e delle linee 59.

L'amplificatore 53 è seguito da un rivelatore sincrono 56 e da un circuito a soglia 57 (con soglia a zero) munito di una piccola isteresi per ottenere all'uscita 58 commutazioni binarie stabili. Il rivelatore sincrono 56 è azionato per mezzo della linea 62 con un comando di chiusura dell'interruttore 63, breve rispetto al periodo dell'oscillatore 45 (vedi anche fig. 5) che eccita la scala del trasduttore assoluto. Questo impulso di comando è sincrono e fasato rispetto all'oscillatore 45 in modo da campionare il segnale uscente dai captori posti sul cursore al picco del segnale massimo.

L'interrutore 63 è seguito dal condensatore memoria 65 il cui potenziale viene ciclicamente aggiornato al valore di picco, positivo o negativo, del segnale applicato al punto 66. Con questo sistema, comandando con una sequenza binaria le linee di selezione 55, si ottiene all'uscita 58 in forma seriale, cioè in successione nel tempo, un codice corrispondente a quello fotoinciso sulla lamina conduttrice della scala 23 e corrispondente

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alla posizione in cui si trovano i captori 30... 35 rispetto alla scala.

Un sistema di amplificazione simile viene utilizzato per amplificare i segnali uscenti dai due avvolgimenti 28 e 29 del cursore 27, del trasduttore ciclico. In questo caso il sistema è formato da due interruttori elettronici del cicuito integrato 52 che servono a selezionare, comandati dalle linee di selezione 55, il canale seno o il canale coseno del cursore 27 del trasduttore ciclico tipo Inductosyn; agli interruttori è connesso un amplificatore 60 seguito da un rivelatore sincrono 71. Il rivelatore 71 è simile al rivelatore 56 precedentemente descritto, ma sincronizzato con l'oscillatore 18 che alimente la scala del trasduttore ciclico (vedi anche figg. 1 e 3).

Il rivelatore 71 è seguito da un convertitore analogico-nu-merico 72 che fornisce all'unità di comando un valore numerico proporzionale al valore di picco del voltaggio uscente dar gli avvolgimenti posti sul cursore del trasduttore ciclico.

L'utilizzazione di una sola catena di amplificazione e conversione commutata tra i due canali e cioè tra il canale seno e il canale coseno del trasduttore ciclico è di grandissima utilità pratica perché garantisce identità di guadagno tra i due canali.

In questo modo il rapporto tra i valori numerici all'uscita del convertitore 72 relativi ai voltaggi uscenti dai due avvolgimenti del cursore del trasduttore ciclico è indipendente dal guadagno del canale di amplificazione e conversione. Ciò rende notevolmente economico il sistema perché non è necessario utilizzare amplificatori di precisione essendo la precisione di lettura del trasduttore legata non ai valori assoluti, ma semplicemente al rapporto tra i segnali uscenti dai due avvolgimenti del cursore.

Per essere certi di poter individuare correttamente con il trasduttore assoluto i singoli cicli del trasduttore ciclico la discriminazione del trasduttore assoluto è scelta uguale a l/i ciclo del trasduttore ciclico.

In questo modo, per garantire la possibilità di una corretta interpretazione della posizione assoluta, l'errore di allineamento e di lettura relativo tra i due trasduttori deve semplicemente essere minore di Vi ciclo del trasduttore ciclico.

Per garantire l'allineamento e minimizzare il costo, nell'esempio, i due trasduttori (fig. 3) sono fotoincisi sul medesimo strato conduttore incollato su di un unico nastro di acciaio.

Si noti che in questo modo tutte le operazioni riguardanti la fabbricazione della scala completa per i due trasduttori, quello ciclico e quello assoluto, vengono fatte simultaneamente; e cioè per esempio si ha una sola operazione di incollaggio dello strato conduttore sul nastro di acciaio, una sola operazione di deposito del resist fotosensibile, una esposizione fotografica fatta con un singolo negativo portante le maschere relative ai due trasduttori, una sola operazione di sviluppo ed infine una sola operazione di incisione.

5 Come alternativa i due strati conduttori relativi ai due trasduttori possono essere posti sulle facce opposte del nastro di acciaio, oppure il trasduttore assoluto può essere costruito in modo del tutto autonomo ed abbinato ad un trasduttore ciclico di tipo noto solo a livello di utilizzo.

io Una soluzione particolarmente interessante che minimizza lo spazio utilizzato è quella di sovrapporre al trasduttore ciclico il trasduttore assoluto. In questo caso la scala saià formata dai seguenti strati sovrapposti: materiale di base, tipicamente acciaio; isolante e collante; strato conduttore tipicamente sotto i5 forma di lamina di rame con fotoincisione l'avvolgimento della scala; isolante e collante; strato conduttore in materiale non magnetico, tipicamente rame con fotoinciso il trasduttore assoluto come precedentemente descritto.

Dato che il trasduttore ciclico si base su induzione attraver-20 so campi magnetici la sovrapposizione di uno strato conduttore, ma non magnetico, non introduce errori di misura apprezzabili.

Quanto sopra esemplificato per un trasduttore lineare è ugualmente applicabile ad un trasduttore angolare ciclico di 25 tipo noto, come per esempio, l'Inductosyn rotativo.

Per non avere ambiguità nel punto in cui il codice corrispondente ai 360° confina con il codice di zero gradi occore aggiungere un captore sul cursore ed una piazzola sulla scala 30 in modo da ottenere un segnale addizionale che identifica quella particolare situazione.

Si è cosi realizzato un tipo di trasduttore assoluto che al trasduttore di tipo analogico ciclico, in grado di rilevare la posizione unicamente nell'ambito di un ciclo o di un periodo, 35 abbina un trasduttore assoluto di posizione di tipo numerico il quale consente di rilevare anche in quale ciclo si trovi il cursore rispetto alla scala. In tale modo si ottiene una lettura immediata di entrambi i valori senza la necessità di utilizzare dispositivi ausiliari di lettura della posizione, solitamente molto 40 costosi

È stata ora illustrata una preferita forma di realizzazione del dispositivo proposto dall'invenzione, ma si intende che ad esso possono venire apportate comunque variazioni di carattere formale, quali ad esempio quelle qui sopra indicate, senza 45 tuttavia nulla togliere all'ambito dell'invenzione stessa, come anche protetto dalle seguenti rivendicazioni.

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4 fogli disegni

Claims

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1. Trasduttore elettrico assoluto di precisione per misura di posizione lineare od angolare, caratterizzato dal comprendere un trasduttore di posizione di tipo analogico ciclico di precisione e un trasduttore avente una codifica numerica assoluta di posizione per identificare i singoli cicli del trasduttore ciclico.

2. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il codice del trasduttore numerico assoluto viene letto per mezzo di dispositivi capacitivi, induttivi od ottici e cioè senza contatto fisico tra le due parti relativamente mobili.

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RIVENDICAZIONI

3. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la lettura del codice numerico del trasduttore numerico assoluto avviene per mezzo di piazzole conduttrici tra loro schermate che si accoppiano capacitivamente a delle lamine conduttrici poste su di una scala e connesse a fonti differenti di potenziale alternato.

4. Trasduttore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che le lamine conduttrici formanti il codice di posizione sono connesse a potenziali alternati della stessa frequenza ma di fase opposta.

5. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le scale di misura dei trasduttori sono presentate da un supporto unico.

6. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i cursori dei due trasduttori sono presentate da un supporto unico.

7. Trasduttore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il codice del trasduttore numerico assoluto è fotoinciso su di una lamina conduttrice.

8. Trasduttore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i captori del cursore del trasduttore assoluto sono formati su di una lamina conduttrice da un taglio fotoinciso che li separa dal resto della lamina stessa.

9. Trasduttore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il codice numerico è formato da un taglio continuo foto inciso tracciato in modo da stabilire continuità elettrica tra tutti gli elementi del codice stesso che devono essere connessi allo stesso potenziale elettrico.

10. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il trasduttore assoluto è costruito su di una lamina di materiale non magnetico e sovrapposto a quello ciclico a mezzo di uno strato di isolante e collante.