RU2221988C1

RU2221988C1 - Variable-induction displacement pickup

Info

Publication number: RU2221988C1
Application number: RU2002130142/28A
Authority: RU
Inventors: В.А. Захаров; В.Ф. Мужицкий; нов А.И. Уль; А.И. Ульянов
Original assignee: Физико-технический институт Уральского отделения РАН
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-01-20

Abstract

FIELD: measurement technology, determination of relative displacement of various objects, individual sections of deformed bodies included. SUBSTANCE: variable-induction displacement pickup has induction coil and core positioned on relatively moving objects, alternating voltage generator, resistor, two diodes and capacitor. One diode is connected in series with coil forming first arm, the other diode is connected in series with resistor forming second arm. Both arms are connected in parallel to form closed circuit. Diodes in circuit are connected in series aiding. First point of connection of arms is connected to first lead-out of generator and second point of connection of arms is linked to first lead-out of capacitor which second lead-out is coupled to second lead-out of generator. Capacitor leads are output of pickup. Resistor can come in the form of second induction coil identical to first coil. Pickup is fitted with second core installed inside second coil for movement along axis of the later and fixing. Cores can be manufactured comparable by length to proper coils. First core is equipped with tie-rod made of nonmetallic, nonferromagnetic material and anchored on core on side of second coil. Second core has through longitudinal hole for passage of tie-rod. First or both cores can be built up with several ferromagnetic bars arranged in parallel with axes of coils and joined with nonmetallic, nonferromagnetic material. Active resistors can be connected in parallel with induction coils. EFFECT: simplified design and expanded operational potential of pickup, simplified integration of pickup with computer to record and process results in process o measurements. 5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения взаимных перемещений различных объектов, в том числе отдельных участков деформируемых тел. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used to determine mutual displacements of various objects, including individual sections of deformable bodies.

Известен индуктивный датчик линейных перемещений, содержащий две соосные катушки индуктивности и расположенный между ними сердечник, генератор переменного напряжения и фазосдвигающие мосты (авт. свид. СССР 247512, МПК G 01 B 7/24, 1969). При перемещении сердечника относительно катушек индуктивность одной из них изменяется и на выходе устройства появляется сигнал в виде временного интервала, пропорционального перемещению сердечника. A known inductive linear displacement sensor containing two coaxial inductors and a core located between them, an alternating voltage generator and phase-shifting bridges (ed. Certificate. USSR 247512, IPC G 01 B 7/24, 1969). When moving the core relative to the coils, the inductance of one of them changes and a signal appears in the output of the device in the form of a time interval proportional to the movement of the core.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции и схемы выделения полезного сигнала, а также ограниченные эксплуатационные возможности из-за больших габаритов блока катушек и сердечника. A disadvantage of the known device is the complexity of the design and scheme of the selection of the useful signal, as well as limited operational capabilities due to the large dimensions of the coil unit and the core.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является индуктивный преобразователь перемещений, содержащий две соосные катушки индуктивности и расположенный между ними сердечник, генераторы (автогенераторы) переменного напряжения, электрические сопротивления и фильтр-смеситель (авт. свид. 807048, МПК3 G 01 B 7/24, 1981 - прототип). О величине перемещений сердечника относительно катушек судят по разностной частоте на выходе фильтра-смесителя, зависящей от изменяющихся индуктивностей катушек. Closest to the proposed invention is an inductive displacement transducer containing two coaxial inductors and a core located between them, alternating voltage generators (self-generators), electrical resistances and a filter mixer (author certificate 807048, IPC G 01 B 7/24, 1981 - prototype). The magnitude of the displacements of the core relative to the coils is judged by the difference frequency at the output of the filter mixer, depending on the changing inductances of the coils.

Недостатком устройства-прототипа является сложность конструкции датчика и схемы выделения его полезного сигнала, ограниченные эксплуатационные возможности прибора, необходимость дополнительного преобразования выходного сигнала для компьютерной регистрации и обработки результатов в процессе измерений. The disadvantage of the prototype device is the complexity of the design of the sensor and the allocation of its useful signal, the limited operational capabilities of the device, the need for additional conversion of the output signal for computer recording and processing of results in the measurement process.

Предлагаемое изобретение направлено на упрощение устройства и расширение эксплуатационных возможностей датчика перемещений за счет минимизации количества элементов в схеме выделения полезного сигнала датчика и увеличения базы измерения (расстояния между взаимно перемещающимися объектами), а также на упрощение сопряжения датчика с компьютером для регистрации и обработки результатов в процессе измерений. The present invention is aimed at simplifying the device and expanding the operational capabilities of the displacement sensor by minimizing the number of elements in the scheme of extracting a useful sensor signal and increasing the measurement base (distance between mutually moving objects), as well as simplifying the pairing of the sensor with a computer for recording and processing results in the process measurements.

Данный результат достигается тем, что индуктивный датчик перемещений, содержащий катушку индуктивности и сердечник, генератор переменного напряжения и электрическое сопротивление, дополнительно снабжен двумя диодами и конденсатором. Один из диодов соединен последовательно с катушкой, образуя первое плечо, другой диод соединен последовательно с электрическим сопротивлением, образуя второе плечо. Оба плеча соединены параллельно, образуя замкнутый контур, диоды соединены в контуре последовательно-согласно, первая точка соединения плеч контура подключена к первому выводу генератора, а вторая точка соединения плеч - к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом генератора, причем выводы конденсатора являются выходом устройства. Кроме того, электрическое сопротивление выполнено в виде второй катушки индуктивности, идентичной первой катушке, а датчик дополнительно снабжен вторым сердечником, установленным внутри второй катушки с возможностью перемещения и фиксации вдоль оси последней. Сердечники могут быть выполнены соизмеримыми по длине с соответствующими катушками, первый сердечник снабжен тягой из неметаллического неферромагнитного материала, закрепленной на сердечнике со стороны второй катушки, а второй сердечник выполнен с продольным сквозным отверстием для прохода тяги. Первый или оба сердечника могут быть также выполнены наборными из нескольких параллельных оси катушек ферромагнитных стержней, скрепленных неметаллическим неферромагнитным материалом, а параллельно катушкам индуктивности могут быть подключены активные сопротивления. This result is achieved by the fact that the inductive displacement sensor containing the inductor and the core, the alternating voltage generator and the electrical resistance are additionally equipped with two diodes and a capacitor. One of the diodes is connected in series with the coil, forming the first arm, the other diode is connected in series with the electrical resistance, forming the second arm. Both arms are connected in parallel, forming a closed loop, the diodes are connected in a circuit in series according to the first point of connection of the arms of the circuit is connected to the first output of the generator, and the second connection point of the shoulders is connected to the first output of the capacitor, the second output of which is connected to the second output of the generator, and the conclusions capacitors are the output of the device. In addition, the electrical resistance is made in the form of a second inductor identical to the first coil, and the sensor is additionally equipped with a second core mounted inside the second coil with the ability to move and fix along the axis of the latter. The cores can be made comparable in length with the corresponding coils, the first core is equipped with a traction of non-metallic non-ferromagnetic material fixed to the core from the side of the second coil, and the second core is made with a longitudinal through hole for the passage of traction. The first or both cores can also be made of several ferromagnetic rods parallel to the axis of the coils, fastened with non-metallic non-ferromagnetic material parallel to each other, and active resistances can be connected in parallel with the inductors.

Выполнение схемы выделения полезного сигнала датчика перемещений в виде конденсатора и диодов, установленных в цепи измерительной катушки и электрического сопротивления, позволяет упростить устройство за счет минимизации количества элементов в электрических цепях и непосредственно преобразовать изменяющуюся индуктивность катушки в напряжение постоянного тока, удобное для регистрации и обработки результатов измерений в компьютере. The implementation of the scheme for extracting the useful signal of the displacement sensor in the form of a capacitor and diodes installed in the circuit of the measuring coil and electrical resistance allows us to simplify the device by minimizing the number of elements in electrical circuits and directly convert the changing coil inductance to a DC voltage, convenient for recording and processing the results measurements in the computer.

Выполнение электрического сопротивления в виде второй катушки индуктивности обеспечивает повышение точности измерения за счет уменьшения влияния на показания аппаратуры температуры окружающей среды, а введение в устройство второго сердечника, установленного внутри второй катушки с возможностью перемещения и фиксации вдоль оси последней, дает возможность регулировать (задавать) смещение показаний прибора в область максимальной чувствительности. The implementation of the electrical resistance in the form of a second inductor provides improved measurement accuracy by reducing the effect of ambient temperature on the instrument readings, and the introduction of a second core installed inside the second coil with the ability to move and fix along the axis of the latter makes it possible to adjust (set) the offset instrument readings in the area of maximum sensitivity.

Выполнение обоих сердечников, соизмеримыми по длине с соответствующими катушками, повышает точность измерений за счет снижения влияния на показания прибора внешних магнитных полей при использовании ферромагнитных сердечников. Кроме того, выполнение первого сердечника с тягой из неметаллического неферромагнитного материала, закрепленной на сердечнике со стороны второй катушки, а второго сердечника с продольным сквозным отверстием для прохода тяги позволяет использовать вторую катушку в качестве соединительного элемента между первым сердечником и перемещающимся объектом, что упрощает устройство за счет исключения специального переходника для первого сердечника. Размещение второй катушки в непосредственной близости от первой дополнительно снижает влияние непостоянства температуры окружающей среды на показания аппаратуры, а использование тяги для первого сердечника позволяет неограниченно увеличивать базу измерений (расстояние между перемещающимися объектами, например базу для измерения деформации тел). The execution of both cores, comparable in length with the corresponding coils, increases the accuracy of measurements by reducing the influence on the instrument readings of external magnetic fields when using ferromagnetic cores. In addition, the implementation of the first core with a thrust of non-metallic non-ferromagnetic material, mounted on the core from the side of the second coil, and the second core with a longitudinal through hole for the passage of traction allows you to use the second coil as a connecting element between the first core and the moving object, which simplifies the device for due to the exclusion of a special adapter for the first core. Placing the second coil in the immediate vicinity of the first additionally reduces the influence of the inconstancy of the ambient temperature on the readings of the equipment, and the use of traction for the first core allows you to unlimitedly increase the measurement base (the distance between moving objects, for example, a base for measuring deformation of bodies).

Выполнение сердечников датчика наборными из нескольких параллельных оси катушек ферромагнитных стержней, скрепленных неметаллическим неферромагнитным материалом, позволяет повысить чувствительность устройства за счет более эффективного использования площади поперечного сечения сердечника при наличии в нем вихревых токов, а также получать сердечники, идентичные по свойствам друг другу за счет использования стержней различного диаметра, в том числе из ферромагнитных материалов с заданными свойствами. The implementation of the sensor cores stacked of several parallel to the axis of the coils of the ferromagnetic rods fastened with non-metallic non-ferromagnetic material, allows to increase the sensitivity of the device due to more efficient use of the cross-sectional area of the core in the presence of eddy currents in it, as well as to obtain cores identical in properties to each other due to the use rods of various diameters, including those made of ferromagnetic materials with desired properties.

Подключение параллельно катушкам индуктивности активных сопротивлений позволяет увеличить линейность выходной характеристики датчика за счет устранения резонансных явлений в устройстве. Connecting parallel to the inductance coils of the active resistances allows you to increase the linearity of the output characteristics of the sensor by eliminating resonance phenomena in the device.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема расположения катушки индуктивности и сердечника на взаимно перемещающихся объектах; на фиг. 2 - общая электрическая схема устройства; на фиг.3 - электрическая схема устройства с двумя катушками индуктивности и сердечниками; на фиг.4 - схема расположения двух катушек на объектах при использовании первого сердечника с тягой. The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows an arrangement of an inductor and a core on mutually moving objects; in FIG. 2 is a general electrical diagram of a device; figure 3 is an electrical diagram of a device with two inductors and cores; figure 4 - arrangement of two coils on the objects when using the first core with traction.

Индуктивный датчик перемещений содержит катушку 1 индуктивности (фиг.1), установленную на одном из взаимно перемещающихся объектов (3), и сердечник 2, установленный через переходник 4 на другом объекте (5). Датчик содержит также генератор 6 переменного напряжения (фиг.2), электрическое сопротивление (например резистор) 7, диоды 8 и 9, конденсатор 10. Диод 8 соединен последовательно с катушкой 1, образуя первое плечо, а диод 9 соединен последовательно с электрическим сопротивлением 7, образуя второе плечо. Оба плеча соединены параллельно с образованием замкнутого контура, причем диоды 8 и 9 соединены в контуре последовательно-согласно. Одна точка соединения плеч подключена к первому выводу генератора 6, а другая точка соединения плеч - к конденсатору 10, второй вывод которого соединен со вторым выводом генератора 6. Выводы конденсатора 10 являются выходом устройства, к которому подключается измеритель напряжения постоянного тока (не показан). The inductive displacement sensor contains an inductor 1 (Fig. 1) mounted on one of the mutually moving objects (3), and a core 2 installed through an adapter 4 on another object (5). The sensor also contains an alternating voltage generator 6 (FIG. 2), an electrical resistance (for example, a resistor) 7, diodes 8 and 9, a capacitor 10. The diode 8 is connected in series with the coil 1, forming the first arm, and the diode 9 is connected in series with the electrical resistance 7 forming a second shoulder. Both arms are connected in parallel with the formation of a closed loop, and the diodes 8 and 9 are connected in a loop in series. One connection point of the shoulders is connected to the first terminal of the generator 6, and another connection point of the shoulders is connected to the capacitor 10, the second terminal of which is connected to the second terminal of the generator 6. The terminals of the capacitor 10 are the output of the device to which the DC voltage meter (not shown) is connected.

Электрическое сопротивление 7 может быть выполнено в виде второй катушки 11 индуктивности (фиг.3), которая может быть снабжена вторым сердечником 12, установленным внутри второй катушки с возможностью перемещения и фиксации вдоль оси последней (фиг.4). Сердечники 2 и 12 (фиг.4) могут быть выполнены соизмеримыми по длине с соответствующими катушками 1 и 11, первый сердечник снабжен тягой 13 из неметаллического неферромагнитного материала, закрепленной на сердечнике со стороны второй катушки, а второй сердечник выполнен с продольным сквозным отверстием для прохода тяги. Катушки установлены на взаимно перемещающихся объектах 3 и 5, причем тяга 13 закреплена на второй катушке 11 после установки сердечника 2 в заданное положение относительно катушки 1. The electrical resistance 7 can be made in the form of a second inductor 11 (figure 3), which can be equipped with a second core 12 mounted inside the second coil with the ability to move and fix along the axis of the latter (figure 4). Cores 2 and 12 (Fig. 4) can be made comparable in length with the corresponding coils 1 and 11, the first core is provided with a thrust 13 of non-metallic non-ferromagnetic material mounted on the core from the side of the second coil, and the second core is made with a longitudinal through hole for passage traction. The coils are installed on mutually moving objects 3 and 5, and the rod 13 is mounted on the second coil 11 after installing the core 2 in a predetermined position relative to the coil 1.

Устройство работает следующим образом. После установки катушки 1 индуктивности (фиг.1) на один из взаимно перемещающихся объектов (3), а сердечника 2 через переходник 4 на другой объект 5 включается генератор 6 переменного напряжения (фиг.2). При этом в первый полупериод напряжения питания переменный ток протекает через конденсатор 10, диод 8 и катушку 1, а во второй полупериод - через конденсатор, диод 9 и электрическое сопротивление 7. Если в исходном состоянии сердечник 2 установлен в катушке 1 так, что индуктивность последней обеспечивает постоянную составляющую тока в цепи диода 8, равную постоянной составляющей тока по цепи диода 9, то постоянное напряжение на выходе устройства равно нулю. При перемещении объекта 5 относительно объекта 3 (фиг.1) сердечник 2 смещается вдоль оси катушки 1 и индуктивность последней изменяется (уменьшается или увеличивается в зависимости от направления взаимного перемещения объектов). В результате на выходе устройства (фиг.2) появляется постоянное напряжение соответствующей полярности, пропорциональное величине перемещения объектов. The device operates as follows. After installing the inductor 1 (Fig. 1) on one of the mutually moving objects (3), and the core 2 through the adapter 4 on another object 5, the alternating voltage generator 6 is turned on (Fig. 2). In this case, in the first half-cycle of the supply voltage, alternating current flows through the capacitor 10, diode 8 and coil 1, and in the second half-cycle through the capacitor, diode 9 and electrical resistance 7. If in the initial state the core 2 is installed in coil 1 so that the inductance of the latter provides a constant component of the current in the circuit of the diode 8, equal to the constant component of the current in the circuit of the diode 9, then the constant voltage at the output of the device is zero. When moving the object 5 relative to the object 3 (Fig. 1), the core 2 moves along the axis of the coil 1 and the inductance of the latter changes (decreases or increases depending on the direction of mutual movement of the objects). As a result, at the output of the device (figure 2) appears a constant voltage of the corresponding polarity, proportional to the magnitude of the movement of objects.

Аналогично работает схема выделения полезного сигнала датчика перемещений при использовании в качестве электрического сопротивления второй катушки 11 индуктивности (фиг.3). В отсутствие сердечников 2 и 12 в катушках 1 и 11 постоянное напряжение на выходе устройства равно нулю, а при введении сердечника 2 в катушку 1 и перемещении его вдоль оси последней выходное напряжение на выходе увеличивается пропорционально величине измеряемого перемещения. Введение во вторую катушку 11 второго сердечника 12 (фиг.4) с возможностью его перемещения вдоль оси катушки и последующей фиксации относительно нее позволяет смещать показания аппаратуры в область максимальной чувствительности датчика, а также производить измерения с учетом направления перемещения от нулевого уровня выходного напряжения. Кроме того, наличие в схеме выделения полезного сигнала датчика двух идентичных катушек индуктивности, расположенных в непосредственной близости друг от друга, снижает температурную погрешность аппаратуры. Выполнение сердечников 2 и 12 короткими (соизмеримыми по длине с длиной катушек 1 и 11) не только снижает влияние внешних магнитных полей (за счет большого коэффициента размагничивания сердечников с малой относительной длиной), но и позволяет, за счет применения тяги 13 и выполнения второго сердечника 12 с продольно сквозным отверстием для прохода тяги, неограниченно увеличивать базу измерений. Выполнение тяги 13 из неметаллического неферромагнитного материала обеспечивает отсутствие влияния материала тяги на показания датчика как при применении металлических неферромагнитных, так и ферромагнитных сердечников обеих катушек. Выполнение сердечников 2 и 12 наборными из нескольких параллельных оси катушек ферромагнитных стержней, скрепленных между собой неметаллическим неферромагнитным материалом (не показаны), дает возможность повысить чувствительность датчика за счет снижения влияния вихревых токов в сплошном сердечнике и эффективного использования площади поперечного сечения отверстий в катушках. Кроме того, это позволяет использовать стержни различного диаметра из ферромагнитных материалов с заданными свойствами, а также получать сердечники, идентичные по свойствам друг другу. Similarly, the scheme for extracting the useful signal of the displacement sensor when using the second inductor 11 as an electrical resistance (Fig. 3) works. In the absence of cores 2 and 12 in coils 1 and 11, the constant voltage at the output of the device is zero, and when the core 2 is inserted into coil 1 and moving along the axis of the latter, the output voltage at the output increases in proportion to the measured displacement. The introduction into the second coil 11 of the second core 12 (Fig. 4) with the possibility of its movement along the axis of the coil and subsequent fixing relative to it allows you to shift the readings of the equipment in the region of maximum sensitivity of the sensor, as well as make measurements taking into account the direction of movement from the zero level of the output voltage. In addition, the presence of two identical inductors located in close proximity to each other in the useful signal pick-up circuit of the sensor reduces the temperature error of the equipment. Making cores 2 and 12 short (commensurate in length with the length of coils 1 and 11) not only reduces the influence of external magnetic fields (due to the large demagnetization coefficient of cores with a small relative length), but also allows, through the use of traction 13 and the execution of the second core 12 with a longitudinally through hole for traction, to expand the measurement base unlimitedly. The execution of the thrust 13 of a non-metallic non-ferromagnetic material ensures that the thrust material does not influence the sensor readings when using both non-ferromagnetic and ferromagnetic metal cores of both coils. The implementation of cores 2 and 12 of types of ferromagnetic rods stacked from several parallel to the axis of the coils, fastened together by a non-metallic non-ferromagnetic material (not shown), makes it possible to increase the sensitivity of the sensor by reducing the influence of eddy currents in a solid core and efficient use of the cross-sectional area of the holes in the coils. In addition, this allows the use of rods of various diameters from ferromagnetic materials with desired properties, as well as to obtain cores identical in properties to each other.

При выполнении тяги 13 (фиг.4), гибкой в поперечном направлении, возможен ее изгиб по заданному радиусу и измерение угловых перемещений объекта 5 по отношению к объекту 3. When performing thrust 13 (figure 4), flexible in the transverse direction, it is possible to bend along a given radius and measure the angular displacements of object 5 with respect to object 3.

Для увеличения линейности выходной характеристики устройства (зависимости выходного сигнала от перемещений сердечника) параллельно катушкам индуктивности могут быть подключены активные сопротивления (не показаны). To increase the linearity of the output characteristic of the device (the dependence of the output signal on the movements of the core), active resistances (not shown) can be connected in parallel with the inductors.

Claims

1. An inductive displacement sensor containing an inductor and a core mounted on mutually moving objects, an alternating voltage generator and an electrical resistance, characterized in that it is additionally equipped with two diodes and a capacitor, one of the diodes is connected in series with the coil, forming the first arm, the other the diode is connected in series with the electrical resistance, forming a second arm, both arms are connected in parallel, forming a closed loop, the diodes are connected in a loop o according to the first shoulder contour point is connected to the first terminal of the generator connections, and second shoulder point connections - to the first terminal of the capacitor, a second terminal connected to the second output generator, wherein the capacitor leads are device yield.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the electrical resistance is made in the form of a second inductor identical to the first coil.

3. The sensor according to claim 2, characterized in that it is additionally equipped with a second core mounted inside the second coil with the ability to move and fix along the axis of the latter.

4. The sensor according to claim 3, characterized in that the cores are made comparable in length with the corresponding coils, the first core is provided with a rod of non-metallic non-ferromagnetic material mounted on the core from the side of the second coil, and the second core is made with a longitudinal through hole for the passage of traction.

5. The sensor according to claim 3, characterized in that the cores are made of multiple ferromagnetic rods parallel to the axis of the coils, bonded with a non-metallic non-ferromagnetic material.

6. The sensor according to claim 2, characterized in that the active resistance is connected in parallel with the inductors.