RU1796883C - Преобразователь перемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  перемещени  и других физических величин с использованием дифференциальных датчиков, например емкостных, индуктивных; контактных и бесконтактных потенцио.метрических. Целью изобретени   вл етс  повышение точности преобразовав .ни  .путем снижени  мультипликативной и аддитивной погрешности преобразовани . Цель достигаетс  за счет введени  в известное устройство коммутатора, первого и второго инвертирующих повторителей напр жени , первого и второго блоков балансировки , . второгосумматора, аналого-цифрового преобразовател . 1 згп.ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к преобразовательной технике и может найти применение дл  измерени  перемещени  с использованием параметрических датчиков перемещени , например емкостных, индуктивных, пртенциометрических и других типов датчиков перемещени , выходной величиной которых  вл етс  изменение, их комплексных сопротивлени  или проводимости.

: Известно емкостное устройство дл  измерени  микроперемеа ний, содержащее .источник питани , дифференциальный емкостный датчик, дифференциальный усилитель и сумматор, принцип работы которого основан на получении выходного сигнала, пропорционального раз ности емкостей конденсаторов датчика, и компенсации температурной погрешности посредством регулировани  выходного напр жени  источника питани  дл  обеспечени  посто нства сигнала,пропорционального сумме емкостей конденсаторов датчика..

Недостатками известного устройства  вл ютс  ограниченна  область применени  и получение выходного сигнала в виде переменного напр жени .

Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  устройство дл  измерени  перемещени , содержащее параметрический датчик перемещени , генератор переменного напр жени -, подключенный к его входу, два детектора, каждый из которых подключен к соответствующему выводу датчика, первый сумматор, один из входов которого подключен к выходу первого детектора, второй вход сумматора подключен к выходу второго детектора, блок вычитани , входы которого подключены к. выходам первого и второго детекторов, блок делени , входами подключенный к выходам сумматора и блока вычитани , блок.умножени , первый вход которого соединен с блоком делени , а второй-с блоком начального суммарного сигнала;;. -

Недостатками устройства-прототипа  вл ютс  невысока  точность преобразовани  перемещени  в электрический сигнал и ограниченна  об ласть применени . Первый недостаток св зан с использованием в устройстве-прототипе операций делени  и умножени  аналоговых сигналов, результатом которых  вл етс  налоговый сигнал, и которые не могут быть.выполнены с необходимой точностью. Второй недостаток обусловлен возможностью работы устрой- ства-прототипз только с дифференциальными датчиками. ::.. .: /;

Целью изобретени   вл етс  повышение точности преобразовани  комплексных сопротивлений параметрических датчиков в электрический сигнал путем снижени  мультипликативной и аддитивной погрешности преобразовани , уменьшени  вли ни  паразитных емкостей кабелей св зи, соедин ющих датчик со схемой преобразовател , и низкочастотной пбмехи, а также возможность применени  различных типов датчиков.: ,:...

Поставленна  цель достигаетс  тем, что преобразователь перемещени , содержащий параметрический датчик, генератор переменного напр жени , подключенный к его входу, два детектора, каждый из которых подключен к соответствующему выводу датчика , первый сумматор, один .из входов кр- торого подключен к выходу первого детектора, снабжен коммутатором, первым и вторым инвертирующими повторител ми, вторым сумматором, двум  блоками балансировки и аналого-цифровым преобразователем , вход опорного напр жени  аналого-цифрового преобразовател  объединен с входом второго инвертирующего повторител  и входом второго блока балансировки и подключен к выходу первого сумматора , второй вход которого подключен к выходу коммутатора, а вход коммутатора объединен с первым входом первого блока балансировки и подключен к выходу второго детектора, первый инвертирующий повторитель входом соединен с выходом первого детектора, а выходом -с вторым входом первого блока балансировки, выход которого подключен к одному из входов второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока балансировки, а выход второго сумматора соединен с информативным входом аналого-цифрового преобразовател , выход вто- р.ого инвертирующего повторител  соединен с вторым входом второго блока балансировки, а кодовые выходы аналого- цифрового преобразовател   вл ютс  шиной выходного сигнала.

Каждый детектор выполнен в виде операционного усилител , четырех транзисторов , зеркала вытекающего тока и преобразовател  тока в напр жение, неин5 вертирующий вход операционного усилител  соединен с общей шиной, инвертирующий вход,  вл ющийс  входом детектора, подключен к эмиттеру первого, базе второго и коллектору третьего транзи0 сторов, а выход - к базе первого, эмиттерам третьего и четвертого транзисторов, эмиттер второго транзистора соединен с базами третьего, четвертого транзисторов и коллектором четвертого транзистора, вход зеркала

5 вытекающего тока подключен к коллекторам первого и второго транзисторов, а выход - к входу преобразовател  тока в напр жение, выход которого  вл етс  выходом детектора.

0 На чертеже представлена функциональна  схема преобразовател  перемещени ч Преобразователь перемещени  содержит параметрический датчик 1, генератор 2 переменного напр жени , подключенный к

5 его входу 3, два детектора 4 и 5, каждый из которых подключен к соответствующему выводу б, 7 датчика, первый сумматор 8, один из входов которого подключен к выходу первого детектора 6, коммутатор 9, первый и

0 второй инвертирующие повторители 10 и 11, второй сумматор 12, два блока 13, 14 балансировки и аналого-цифровой преобразователь 15, вход опорного напр жени  аналого-цифрового преобразовател  15

5 объединен с входом второго инвертирующего повторител  11 и входом второго блока балансировки 14 и подключен к выходу первого сумматора 8, второй вход которого подключен к выходу коммутатора 9. а вход

0 коммутатора 9 объединен с первым входом первого блока 13 балансировки и подключен к выходу второго детектора 5, первый инвертирующий повторитель 10 входом соединен с. выходом первого детектора 4, а

5 выходом - с вторым входом первого блока 13 балансировки, выход которого подключен к одному из входов второго сумматора 12. второй вход которого соединен с выходом второго блока 14 балансировки, а выход

0 второго сумматора 12 соединен с информативным входом аналого-цифрового 15, выход второго инвертирующего повторител 

11 соединен с вторым входом второго блока 14 балансировки, а кодовые выходы анало5 го-цифровото преобразовател  15  вл ютс  шиной 16 выходного сигнала.

Детектор 4(5), схема которого представлена на фиг. 2, содержит операционный усилитель 17, четыре транзистора 18, 19, 20 и 21, зеркало 22 вытекающего тока и преобразователь 23 тока в напр жение. Неинаерти- рующий вход операционного усилител  17 соединен с общей шиной, инвертирующий вход,  вл ющийс  входом детектора 4(5), подключен к эмиттеру первого, базе второ- го и коллектору третьего транзисторов 18, 19 и 20, а вход - к базе первого/эмиттерам третьего и четвертого транзисторов 18, 20 и 21, эмиттер второго транзистора 19 соединен с базами третьего, четвертого транзи- стбров 20, 2.1 и коллектором четвертого транзистора 21, вход зеркала 22 вытекающего тока подключен к коллекторам перво- .го и второго транзисторов 18 и 19, а выход к входу преобразовател  23 тока в напр же- ние, выход которого  вл етс  выходом детектора 4(5).

Преобразователь перемещени  на основе дифференциального параметрическо-го датчика 1 работает следующим образом,

Коммутатор 9 в этом случае включен, причем включатьс  он может вручную. Так как первый и второй детекторы 4, 5 идентичны, то их работу рассмотрим на примере первого детектора 4. Переменное напр жение с выхода генератора 2 поступает на вход 3 дифференциального параметрического датчика 1, схема замещени  которого представлена на фиг. 3. Операционный усилитель 17 за счет глубокой отрицатель- ной обратной св зи поддерживает на втором выводе 6 дифференциального параметрического датчика 1 потенциал общей шины. При положительной пол рности напр жени  на выходе генератора 2 ток, протекающий через плечо 24 дифференциального параметрического датчика 1, отражаетс  зеркалом втекающего тока, собранном на втором, третьем и четвертом транзисторах 19, 20 и 21. Ток коллектора второго транзистора 19,  вл ющийс  вы- ходным током зеркала втекающего тока, приблизительно равен току, протекающему через плечо 24 дифференциального параметрического датчика 1, и его среднее значение .

... 119 U/Z24.(1)

где 0 - среднее значение напр жени  на выходе генератора 2 переменного напр жени  за один полупериод;

. 2.2А - модуль комплексного сопротивле- ни  первого плеча 24 дифференциального параметрического датчика 1,

При отрицательной пол рности напр жени  на выходе генератора 2 переменного напр жени  в активный режим переводитс  первый транзистор 18, среднее значение коллекторного тока которого

118 U/Z24.(2)

Коллекторные токи первого и второго транзисторов 18, 19 суммируютс  зеркалом 22 вытекающего тока, на вход которого они поступают. Выходной ток зеркала 22 вытекающего тока

I22 2U/Z24(3) поступает на вход преобразовател  23 тока в напр жение, напр жение на выходе которого  вл етс  выходным напр жением первого детектора 4 и определ етс  выражением

UA 2K23U/Z24, (4) где «23 - коэффициент передачи преобразовател  тока в напр жение.

Вследствие идентичности детекторов 4 и 5 выражение дл  выходного напр жени  второго детектора 5 будет иметь вид

U5 2K23U/Z25,(5)

где Z25 - модуль комплексного сопротивлени  второго плеча 25 дифференциального параметрического датчика 1.

Выходные напр жени  первого и второго детекторов 4 и 5 поступают на входы первого сумматора 8, напр жение на выходе которого

Us Ke(U4 + Us) 2KsK23U , (6)

где Ks - коэффициент передачи первого сумматора 9.

Выходное напр жение второго детектора 5 поступает на первый вход первого блока 13 балансировки, на второй вход которого поступает выходное напр жение первого инвертирующего повторител  10. Первый блок 13 балансировки производит дифференциальное изменение коэффициентов передачи по первому и второму входам и может быть выполнен, например, на основе потенциометра, крайние выводы которого  вл ютс  входами, средний вывод - выходом первого блока 13 балансировки. При этом выходное напр жение первого блока 13 балансировки определ етс  выражением .

U13 K13.2U5 K13.1U4 2K23U X Kl3.Z24 -Kl3.lZ25

(7)

. VZ24Z.25....где Ki3.i и Ki3.2 - коэффициенты передачи первого блока 13 балансировки по первому и второму входам соответственно.

При К13.1 - К.13.2 Ki3 выражение (7) принимает вид . .

Z24 - Z25

Ui3 2Ki3K23U

(8)

Z24Z25

f-fa входы второго блока 14 балансировки поступают напр жени  с выходов первого сумматора 8 и второго инвертирующего повторител  11, который преобразует напр жение Us в равное по величине и противоположное по знаку напр жение.

Второй блок 14 балансировки аналогичен первому блоку 13 балансировки и его выходное напр жение

U и iKuUe ±2K8Kl4K23U

Z24 + Z25

(9)

Z24 Z25

где Ki4 - коэффициент, пропорциональный разности коэффициентов передачи по пер вому и второму входам второго блока 14 балансировки.

Напр жени  U13 и U14 поступают на входы второго сумматора 12, выходное напр жение которого определ етс  выражением:

1)12 Z24 + Z25

2Ki2K23U(Kv3 w:4 . i5 tKsKu x

Z24 Z25

(Ю)

:-

(Ю)

AZ24-Z25

где Ki2 - коэффициент передачи второго сумматора 12..

Напр жение с выходов первого и второго сумматоров 8, 12 поступают соответственно на вход опорного напр жени  и информативный вход аналого-цифрового преобразовател  15, выходной код которого , поступающий на шину 1 б выходного сигнала , определ етс  выражением

lira м г K12Ki3(Z24 - Z25)

LИ„Г7 д О- 7г„Л

N15 -

N

+

Щ L K Z2T+Z25) ±Ki2Ki4 Nmax,-.. .(11)

где Nmax максимальный выходной код аналого-цифрового преобразовател  15,

При работе преобразовател  с бесконтактным потенциометрическим датчиком 1 коммутатор 9 включен, Переменное напр жение с выхода генератора 2 поступает на вход 3 бесконтактного, потенциометриче- ского датчика 1 и через конденсатор св зи 26 прикладываетс  к первому и второму плечам 27. 28 датчика, образованным положением подвижной обкладки конденсатора 26 св зи.

Так как на втором и третьем выходах 6, 7 .бесконтактного потенциометрического датчика 1 поддерживаетс  потенциал общей шины, то конденсатор 26 св зи и параллельно соединенные первое и второе плечи 27, 28 образуют делитель, переменное напр жение в средней точке 29 которого

R27R2.8

U2

U29

R27 + R28

Z26 +

R27 R28

(12)

R27 + R28

где U2- переменное напр жение на выходе генератора 2;

R27 и R28 сопротивлени  соответственно первого и второго плеч 27,28, бесконтактного потенциометрического датчика 1.

Токи, протекающие через первое и второе плечи 27, 28 бесконтактного потенциометрического датчика 1 под воздействием приложенного к ним напр жени  U2g. опре- 5 дел ютс  выражением

R27R28

10

U2

l27

I28;

R27 +R28

м.+,й&:.

и2

R27 + R28

D О L R27 R28 ч

MZM + R27 + R28).

(13)

Токи I27 и I2a поступают на входы соот- 5 ветственио первого и второго детекторов 4 и 5, выходные напр жени  которых

О- , , R27R28 2K.23U2-j :--Пт- U R27 + R28

20 ;R27(ZM+1|i5|)

5

2K23U

Us

R2 + R2s

о (-, , 27 R28 ч

R27(Z26 + R2TTR28)

(14)

После необходимых преобразований в соответствии с выражени ми (6), (8), (9), (10) получим выражени  дл  выходного кода аналого-цифрового преобразовател  15

30

-i &spwn-:™

При работе преобразовател  перемещени  на основе недифференциального па35 раметрического датчика 1 коммутатор 9 выключен. При использовании в паре с параметрическим датчиком опорного элемента , выполненного по одной технологии с датчиком или образцового элемента, имею40 щего комплексное сопротивление того же вида, что и датчик, схема замещени  недиф-. ферециального параметрического датчика будет аналогична схеме замещени  дифференциального параметрического датчика 1,

45 представленной на фиг. 3. При этом датчик (плечо 25) подключаетс  к входу второго детектора 5, а опорный (образцовый) элемент (плечо 24) - к входу первого детектора 4.

50 Работа преобразовател  перемещени  в этом случае аналогична работе с дифференциальным параметрическим датчиком 1 с той лишь разницей, что выходное напр жение первого сумматора 8 определ етс 

55 выражением

. (16) ,

В соответствии с этим выражение дл  выходного кода аналого-цифрового преобразовател  15 будет иметь вид

N15 ,

i Ki2MNmax. (17);

Использование предлагаемого преобразовател  перемещени  позвол ет умень- щить вли ние на результат преобразовани  мультипликативной составл ющей погрешности , обусловленной разностью коэффициентов передачи плеч дифференциального параметрического датчика 1 и детекторов 4 и 5 за счет изменени  коэффициентов передачи по входам первого блока 13 балансировки , а также аддитивной составл ющей погрешности, обусловленной начальным смещением разности комплексных сопротивлений плеч датчика и напр жени ми смещени  детекторов 4 и 5, первого инвертирующего повторител  10 и второго сумматора 12, за счет изменени  коэффициентов передачи по входам второго блока 14 балансировки .

Введение аналого-цифрового преобразовател  15 в предлагаемый преобразователь перемещени  позвол ет по сравнению с прототипом более точно выполнить функцию отношени  аналоговых сигналов.

По сравнению с прототипом предлагаемый преобразователь перемещени  имеет более широкую область, применени , так как позвол ет работать как с дифференциальными , так и с недифференциальными параметрическими датчиками..

Использование в предлагаемом преобразователе перемещени  детектора позволит уменьшить вли ние паразитных емкостей кабелей св зи и низкочастотной помехи. Уменьшение вли ни  паразитных: емкостей кабелей св зи обусловлено тем, что емкость кабел  по входу датчика 1 не входит в функцию преобразовани , а на втором и третьем выводах датчика 1 поддерживаетс  потенциал общей шины, что уменьшает вли ни  емкостей кабелей св зи , соедин ющих входы первого и второго детекторов 4, 5 с соответствующими выводами датчика. Уменьшение вли ни  низкочастотной помехи достигаетс  за счет двухполулериодного выпр млени  сигналов , поступающих на входы детекторов 4,5.

Claims (2)

1. Преобразователь перемещений, содержащий параметрический датчик, генератор переменного напр жени ,

подключенный к его входу, два детектора, каждый из которых подключен к соответствующему выводу датчика, первый сумматор, один из входов которого подключен к выхо- ду первого детектора, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, он снабжен коммутатором, первым и вторым инвертирующими повторител ми, вторым сумматором, двум  блоками балансировки и

аналого-цифровым преобразователем, вход опорного напр жени  аналого-цифрового преобразовател  объединен с входом второго инвертирующего повторител  и входом второго блока балансировки и

подключен к выходу первого сумматора, второй вход которого подключен к выходу

коммутатора, а вход коммутатора объединен с первым входом первого блока балансировки и подключен к выходу второго

детектора, первый инвертирующий повторитель входом соединен с выходом первого детектора, а выходом - с вторым входом первого блока балансировки, выход которого подключен к одному из входов второго

сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока балансировки, а выход второго сумматора соединен с инфор- мацио.нным входом аналого-цифрового преобразовател ,выход второго

инвертирующего повторител  соединен с вторым входом второго блока балансировки , а кодовые выходы аналого-цифрового преобразовател   вл ютс  шиной выходного сигнала. .

2. Преобразователь перемещений по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с   тем, что каждый детектор выполнен в виде операционного усилител , четырех транзисторов, зеркала вытекающего тока и преобразовател  тока в

.напр жение, неинвертирующий вход операционного усилител  соединен с общей шиной , инвертирующий вход,  вл ющийс  входом детектора, подключён к эмиттеру первого, базе второго и коллектору третьего

транзисторов, а выход - к базе первого,

Эмиттерам третьего и четвертого транзисторов , эмиттер второго транзистора соединен

с базам.и третьего, четвертого транзисторов

и коллектором четвертого транзистора, вход

зеркала вытекающего тока подключен к коллекторам первогои второго транзисторов, а выход - к входу преобразовател  тока в напр жение , выход которого  вл етс  выходом .детектора. ... , .