RU1812503C - Устройство дл измерени параметров линейного перемещени - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : устройство содержит четыре подключенных к генератору переменного напр жени  чувствительных элемента, два инвертора, два сумматора, три усилител -ограничител , два умножител , два интегратора, триггер Шмидта, генератор опорного напр жени . 5 ил.

Description

Изобретение относитс  к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано дл  контрол  перемещени .

Цель изобретени  - повышение точности устройства путем получени  гистерезис- ной выходной характеристики с  рко выраженными точками равенства их индук- тивностей, о прохождении которых устройство выдает сигналы, отличающиес  в зависимости от направлени  движени .

Цель достигаетс  тем, что в устройство дл  измерени  параметров линейного перемещени , содержащее неподвижный П-образный сердечник, на среднем стержне которого размещена катушка индуктивности , подключенный к генератору переменного напр жени , св занный с контролируемым объектом подвижный элемент , в него дополнительно введены три неподвижных П-образных сердечника, на средних стержн х каждого из которых размещены катушки индуктивности, при этом П-образные сердечники установлены вдоль направлени  движени  подвижного элемента дискообразной формы, торцовые поверхности боковых стержней П-образных

сердечников расположены в плоскости параллельной плоскости перемещени  подвижного элемента, катушки индуктивности подключены через последовательно подсоединенные резисторы к генератору переменного напр жени  параллельно, а блок обработки сигналов с чувствительных элементов выполнен в виде двухплечевой схемы , каждое из плеч которой состоит из последовательно соединенных инвертора, сумматора, усилител -ограничител , умножител  и интегратора, выходы которых подключены к двум входам триггера Шмитта, выход которого  вл етс  выходом устройства , при этом выходы первой и третьей катушек индуктивности подключены соответственно к первому и второму инверторам , выходы второй и четвертой - к вторым входам первого и второго сумматоров соответственно , а объединенные входы катушек индуктивности - к входу генератора опорного напр жени , выход которого подключен ко входу третьего усилител -ограничител , первый выход которого соединен со вторым входом первого умножител , а второй - со вторым входом второго умножител .

ел

с

00

--А

ю ел о со

Конструкци  устройства дл  измерени  параметров линейного перемещени  приведена на фиг. Т, котора  состоит из подвижного элемента ПЭ дискообразной формы, четырех одинаковых чувствительных элементов ЧЭ с одинаковыми обмотками К.

Электрическа  схема соединений чувствительных элементов приведена на фиг. 2. Катушки индуктивности Li, п. 1з. U подключены через последовательно подсоединенные резисторы Ri, R2, R3. R4 к генератору переменного напр жени  (ГПН) параллельно , выходные сигналы с чувствительных элементов в виде изменени  их индуктивностей снимаютс  с точек А, Б, В, Г, Д и поступают в блок обработки сигналов (БОС).

Функциональна  схема устройства дл  измерени  параметров линей ого перемещени  приведена на фиг. 3.

Устройство содержит чувствительные элементы 1-4, подключенные через последовательно подсоединенные резисторы к генератору переменного напр жени  параллельно (фиг. 3 - не приведены).

- Блок обработки сигналов с чувствительных элементов 1-4 выполнен в виде двух- плечевой схемы, каждое из плеч которой состоит из последовательно соединенных инверторов 5, б, сумматоров 7, 8, усилителей-ограничителей 9, 10, 1.1, умножителей 12, 13 и интеграторов 14, 15, выходы которых подключены к входам триггера Шмит- та 16, выход которого  вл етс  выходом устройства, при этом выходы первой и третьей катушек индуктивности подключены соответственно, к первому 5 и второму б инверторам, выходы второй и четвертой

- к вторым входам первого 7 и второго 8 сумматоров соответственно, а объединенные входы катушек индуктивности - к входу генератора опорного напр жени  17, выход которого подключен ко.входу третьего усилител -ограничител  11, первый выход которого соединен со вторым входом первого умножител  12, а второй - со вторым входом второго умножител  13 (фиг. 3).

На фиг. 4а приведены графики изменени  индуктивностей на чувствительных элементах 1-2 в зависимости от перемещени  подвижного элемента устройства, с точкой равенства их индуктивностей - х0 (графики изменени  индуктивностей вторых пар чувствительных элементов 3-4 с точкой равенства их индуктивностей - хо +1, не приведены); 46 -- пунктиром показан инвертированный сигнал с первого чувствительного элемента, 4в - изменение индук- тивности на втором чувствительном

элементе в зависимости от перемещени  подвижного элемента устройства; 4г - разностный сигнал на выходе сумматора 7; 4д - сигнал на выходе усилител -ограничител  9.

На фиг. 5а, б приведены релейные характеристики изменени  фазы напр жени  разностного сигнала относительно координаты сигнальной точки Хо,1 5в - то же, относительно координаты сигнальной точки хо +1; 5г - суммарный сигнал из двух пар чувствительных элементов на суммирующем триггере Шмитта; 5д - выходной сигнал устройства.

Устройство работает следующим образом .

Сигнальные информации содержатс  в изменени х индуктивностей чувствительных элементов, вследствие чего измен ютс 

амплитуды переменных сигналов на них от питающего генератора.

При таком способе кодировани  перемещений подвижного элемента устройства изменение параметров сигнальной

информации переменного тока (амплитуда , частота, фаза) наиболее целесообразно осуществл ть по изменению амплитуды и фазы. Получение сигнальной информации только по амплитуде аппаратурно сложно и

не позвол ет достичь требуемой точности.

Сигнальна  информаци , полученна 

по изменению фазы (наиболее точна  на

сегодн шний день), проста в аппаратурном

исполнений и широко распространена в информационно-преобразовательных системах .

При перемещении подвижного элемента устройства 1 (фиг. 1) вперед или назад измен ютс  индуктивности чувствительных

элементов 2 L.1-U (фиг. 2), вследствие этого измен ютс  амплитуды переменного сигнала на них, эапитываемых от генератора опорного напр жени , Выходные сигналы с чувствительных элементов имеют особенно сти , заключающиес  в том, что имеютс  две сигнальные точки Хо и х0 + I дл  каждой из двух пар чувствительных элементов, где индуктивность парвого чувствительного элемента равна индуктивности второго

чувствительного элемента (фиг. 4а) (приводитс  график только дл  сигнальной точки Хо).

Причем выходные характеристики устройства , характеризующие первую пару

чувствительных элементов, такие, что при

увеличении индуктивности на втором чувстг

вительном элементе индуктивность первого

чувствительного элемента уменьшаетс 

(фиг. 4а, перемещение вперед).

Аналогичные характеристики имеют вторые пары чувствительных элементов, отличающихс  рассто нием I, отсто щим от точки Хо.. .

Блок обработки сигналов с чувствитель- ных элементов выполнен в виде двухплече- вой схемы, причем количество и элементы первого плеча идентичны количеству и элементам второго плеча.

При перемещении подвижного элемента 1 (фиг. 1) датчика вперед (или назад) по вл ютс  сигналы на выходах чувствительных элементов Li, и , Ц.

Сигнал с чувствительного элемента Li поступает в ин вертор 5 пер вого плеча схемы (фиг. 46, 1), выход которого соединен первым входом сумматора 7, на второй вход которого поступает сигнал со второго чувствительного элемента LZ (фиг. 4в). На выходе сумматора 7 получаем разностный сигнал (фиг. 4г), в котором относительно сигнальной точки х0 происходит изменение величины амплитуды и фазы сигнала, который поступает в усилитель-ограничитель 9, с выхода которого получаем сигнальную инфор- мацию пр моугольной формы, в котором относительно точки хо происходит изменение фазы сигнала на 180° (фиг. 4д).

Аналогично обрабатываютс  сигналы с чувствительных элементов La, U в узлах: инвертор 6. сумматор 8, усилитель-ограничитель 10, отличающихс  лишь рассто нием I, отсто щих от х0, где происходит смена фазы сигнала.

Сигналы с чувствительных элементов LI. с выхода усилител -ограничител  9 первого плеча схемы поступают на первый вход умножител  12, на второй вход которого подаетс  опорное напр жение генератора 17, прошедшее через усили- тель-ограничитель 11 и преобразовательное в пр моугольную форму.

Аналогично преобразуютс  сигналы с чувствительных элементов , U с выхода усилител -ограничител  10 второго плеча схемы, поступающие на первый вход перемножител  13, на второй вход которого подаетс  опорное напр жение генератора 17, прошедшее через усилитель-ограничитель 11 и преобразованное в пр моугольную форму.

При получении сигнальной информации по изменению фазы сигнала наиболее точным считаетс  знаковый метод. Знакова  функци  коррел ции при полной тождест- венности двух сигналов имеет максимально положительное значение, равное плюс единице , т.е. два сигнала, рассматриваемые в устройстве дл  измерени  параметров линейного перемещени , от первой пары (или

второй) чувствительных элементов устройства - синфазны. И наоборот, когда противоположны , то имеет максимальное отрицательное значение, равное минус единице , т.е. сигналы противофазны.

Общий алгоритм формировани  выходной гистерезисной характеристики основан на вычислении двух интегралов, которые в сумме дают релейную характеристику сигнала:

ивых / SignfUA sin u) t-Us sin (a) t ± % x

х51дп Цц -sln ftrt)}dt + / SignfUe sin (a t-Ur x

. о

xsin(o t ± TJf) sin ft) tjjdt,

где UA, UB. UB, Ur, Уд - амплитуда сигнала в точках А, Б, В, Г, Д (фиг. 2) чувствительных элементов датчика;

Sign - операци  клиппировани  (умножение на бесконечный коэффициент усилени  и ограничени );

simut - сигнал с опорного генератора;

±-п - информационный параметр схемы;

t - текущее врем ;

Т- врем  интегрировани .

После выполнени  операции свертки, вычислени  коррел ционного интервала, вычислени  среднего значени  сдвига фаз, т.е. умножени  сигнала с опорного генератора 17, снимаемого с выхода усилител -ограничител  11, в перемножителе 12 на разностный сигнал от чувствительных элементов 1, 2, снимаемый на выходе усилител -ограничител  9 и интегрировани  в интеграторе 14, получаем релейную характеристику изменени  фазы напр жени  разностного сигнала (фиг. 5а, б) относительно координаты сигнальной точки хо подвижного элемента датчика.

Аналогично получаем релейную характеристику дл  координаты сигнальной точки х0 + I устройства умножением на перемножителе 13 (фиг, 3) сигнала опорного напр жени  генератора 17, снимаемого с выхода усилител -ограничител  11, на разностной сигнал от второй пары чувствительных элементов 3,4, снимаемый с выхода усилител - ограничител  10, и интегрировани  в интеграторе 15 (фиг, 5в),

Завершающим узлом формировани  выходной гистерезисной характеристики устройства дл  измерени  параметров линейного перемещени   вл етс  суммирующий триггер Шмитта, который на своих двух входах запоминает направлени  перемещени  подвижного элемента устройства, вперед или назад.

Узел кодировки сигнальной информации от первой пары чувствительных элементов фазу сигнала выполнен на операционном усилителе, например, 140 УД 8Б, имеющем два входа, один из которых инвертирующий, в котором осуществл етс  суммирование, усиление-ограничение и получение разностного сигнала.

Идеальный четырехквадратный умножитель первого плеча схемы, знаковый, выполн ющий операцию свертки, реализован на операционном усилителе, например 140 УД 8Б, и на полевых транзисторах, например, КП ЗОЗГ, КП ЮЗЕ. Использование полевых транзисторов с разными проводимост ми п- и р-типов (КП ЗОЗГ, КП 103Е) позвол ет получить четырехквадрат- ное знаковое умножение.

Операцию текущего осреднени  первого плеча схемы выполн ет фильтр нижних частот (интегратор), выполненный, например , на операционном усилителе 140 УД 8Б.

Аналогично реализован узел кодировки сигнальной информации от второй пары чувствительных элементов, содержащий второй перемножитель, второго плеча схемы и второй фильтр нижних частот (интегратор ).

В качестве третьего усилител -ограничител  сигнала с опорного генератора применен операционный усилитель, например, 140 УД 85.

Выходом фильтра нижних частот (интеграторы 14, 15)  вл етс  сигнал, мен ющий свою пол рность с точностью 1/Ку, где Ку- коэффициент усилени  операционного уси- .пител ,. в точках х о и х0 + I, что определ ет точность устройства дл  измерени  параметров линейного перемещени  (фиг. 56, в).

Суммирующий триггер Шмитта реализован на операционном усилителе, например , 140 УД 8Б, который  вл етс  элементом пам ти по запоминанию направлени  перемещени  подвижного узла устройства . На его входах формируютс  выходные релейные сигналы с фильтров нижних частот.

Сложение этих релейных сигналов позвол ет получить трехуровневую входную функцию суммирующего триггера Шмитта (фиг. 5г)..

До тех пор, пока суммарный сигнал на входе суммирующего триггера Шмитта не  ревысит противоположно расположенных опорных уровней переключени  относительно точек Хо и Хо + I, суммирующий триггер Шмитта находитс  в одном из устойчивых положений, т.е. помнит свое предыдущее состо ние, а в приложении к

чувствительному элементу это направление движени  вперед (или назад) подвижного элемента (фиг. 5д).

Выходна  гистерезисна  характеристика устройства приведена на фиг. 5д.

0 Экономический эффект от использовани  изобретени  обусловлен его техническими особенност ми, приведенными выше.

Ф о о м у л а и. з о б р е т е н и  

5 Устройство дл  измерени  параметров . линейного перемещени , содержащее неподвижный П-образный сердечник, на среднем стержне которого размещена катушка индуктивности, подключенна  к генератору

0 переменного напр жени , св занный с кон- тролируемым.объектом подвижный сердечник пр моугольного сечени , ширина которого равна ширине стержней П-образ- ного сердечника, и блок обработки сигнала,

5 отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности, в него дополнительно введены три неподвижных П-образных сердечника , на средних стержн х каждого из которых размещены катушки индуктивно0 сти, при этом П-образные сердечники установлены вдоль траектории движени  подвижного сердечника, торцовые поверхности боковых стержней П-образных сердечников расположены в плоскости,

5 параллельной плоскости перемещени  подвижного сердечника, высота которого равна высоте П-образных сердечников, катушки индуктивности подключены через последовательно подсоединенные резисто0 ры к генератору переменного напр жени  параллельно, а блок обработки сигйала выполнен в виде двухплечевой схемы, каждое из плеч которой состоит из последовательно соединенных инвертора, сумматора, усили5 тел -ограничител , умножител  и инвертора , выходы которых подключены к входам триггера Шмитта, выход которого  вл етс  выходом устройства, при этом выходы первой и второй катушек индуктивности под0 ключены соответственно к первому и второму инверторам, выходы второй и четвертой - к вторым входам первого и второго сумматоров соответственно, а объединенные входы катушек индуктивности - к входу

5 генератора опорного напр жени , выход которого подключен к входу третьего усилител -ограничител , первый выход которого св зан с вторым входом первого умножител , а второй - с вторым входом второго умножител .

Г бос

1

Ф//л2.

J