Устройство для измерения перемещений

(19) 1)5 6 01 В 7/14 Б ЕТ Н К АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛЬСТВ бГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ И(71, Научно-исследовательский институт физических измерений(56) Авторское свидетельство СССР 1 ч. 855380, кл. 6 01 В 7/00, 1979.Авторское свидетельство СССР М 1647228, кл. О 01 В 7/00, 1990.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕ- РЕМЕЩЕНИЙ Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объектов,Известен преобразователь линейных перемещений, содержащий подвижный якорь, два соосно расположенных ферромагнитных сердечника с размещенными в них измерительной и компенсационной о мотками.Недостаток указанного устройства заключается в значительной нелинейности выходной характеристики, обусловленной резким изменением пространственных характеристик электромагнитного поля.Известно устройство для измерения перемещений, содержащее источник питания, дифференциально-трансформаторный преобразователь перемещений с первичными последовательно включенными обмотками, подключенными к выходу блока питания, и вторичными обмотками, включенными встречно, фазосдвигающую цепь, вход кото(57) Изобретенизмерител ьнопользовано длцелью уменьшности измеревиде рабочейразмещенныхподборных резпитания запитонную обмоткрых усиливаусилителем. Снекотором диаремещению. 3 ие относится к контрольно- технике и может быть исизмерения перемещений. С ения температурной погрешия устройство выполнено в компенсационной обмоток, на магнитопроводе и двух исторов, через которые блок вает рабочую и компенсаци, разность сигналов на кото- ется дифференциальным гнал на выходе усилителя в пазоне пропорционален перои подключен к одному из сигнальных выУ) водов вторичной обмотки, например ком- ( пенсационной, блок формирования сигналов, входы которого соединены с выходом фазосдвигающей цепи и вторым сигнальным выводом вторичных обмоток,ювийНедостатками этого преобразователя являются большие габаритно-весовые параметры, обусловленные тем, что дифференциал ьно-тра нсформаторн ы й преобразователь перемещений (чувствительный элемент) содержит две первичные Ы обмотки (рабочую и компенсационную), О включенные последовательно, и две вторичные обмотки (рабочую и компенсационную), а также тем, что в состав преобразователя входит отдельный узел фазосдвигающая цепь), осуществляющий дополнительный сдвиг синусоидального сигнала с выхода вторичной рабочей обмотки относительно сигнала с выхода вторичной компенсационной обмотки; большая температурная погрешность измерений, обусловленнаяасимметричными условиями работы рабочей и компенсационной частей вследствие шунтирующего действия на секцию вторичной обмотки рабочей части параллельно подключенной фазосдвигающей цепи (например, типа В - С или В - 1), что приводит к паразитному изменению фазы суммарного сигнала за счет непропорционального изменения по величине геометрически суммируемых сигналов при воздействии температуры.Цель изобретения - уменьшение температурной погрешности.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения перемещений введены первый и второй резисторы, выход блока питания через, соответственно, первый и второй резисторы подключен к началам соответственно рабочей и компенсационной обмоток, концы которых подключены к шине нулевого потенциала, начала компенсационной и рабочей обмотки подключены соответственно к прямому и инверсному входам дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства.Использование изобретения позволяет уменьшить габаритно-весовые характеристики вследствие того, что в чувствительном элементе используются две обмотки (вместо четырех обмоток, используемых в устройстве-прототипе), а также вследствие использования последовательно соединенных обмоток и подборных резисторов в качестве фазосдвигающей цепи, т, е, исключить специальный фазосдвигающий узел (цепь), входящий в состав устройства- прототипа; уменьшить температурную погрешность измерения, обусловленную температурной нестабильностью датчика ввиду асимметрии условий работы рабочей и компенсационной частей вследствие шунтирующего действия на вторичную рабочую обмотку рабочей части чувствительного элемента фазосдвигающей цепи, которая в устройстве-прототипе подключена параллельно вторичной обмотке рабочей части и приводит к паразитному изменению фазы суммарного сигнала за счет непропорционального изменения по величине геометрически суммируемых сигналов при воздействии температуры.В предлагаемом датчике шунтирующее действие фазосдвигающего контура на вторичную обмотку рабочей части исключено, так как необходимый сдвиг по фазе между суммируемыми напряжениями устанавливается за счет использования последовательно соединенных обмоток и подборных резисторов. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - схема индуктивного датчика; на фиг, 3 - векторная диаграмма работы устройства,Устройство для измерения перемещений содержит блок 1 питания, индуктивный датчик 2 перемещений (чувствительный элемент), выполненный в виде рабочей обмотки 6 и компенсационной обмотки 7, последовательно с которыми включены подборные резисторы В 1 и В 2, рабочий 4 и компенсационный 3 якори и дифференциальный усилитель (сумматор) 8, первый вход которого подключен к точке соединения подборного резистора В 1 с компенсационной обмоткой 7, второй вход сумматора подключен к точке соединения подборного резистора В 2 с рабочей обмоткой 6, свободные выводы резисторов В 1 и В 2 соединены с выходом блока 1 питания, шина нулевого потенциала подключена к общей точке соединения свободных выводов рабочей 6 и компенсационной 7 обмоток и к общим выводам блока 1 питания и дифференциального усилителя 8.Индуктивный датчик 2 перемещений представляет собой (фиг. 2) ферромагнитный корпус 9, внутри которого размещен ферромагнитный сердечник 5, на котором расположены рабочая 6 и компенсационная 7 обмотки. В компенсационной половине преобразователя (на фиг, 2 вверху) расположен компенсационный якорь 3, Измерение перемещения ведется относительно рабочего якоря 4.Устройство работает следующим образом,Синусоидальное напряжение Ос выхода блока 1 питания, переменного напряжения (см, фиг, 1), имеющего малое внутреннее сопротивление, через подборные резисторы В 1, В 2 поступает для питания рабочей 6 и компенсационной 7 обмоток датчика 2. При перемещении рабочего якоря 4, например, в сторону увеличения зазора Хр уменьшается индуктивность, а также индуктивное и полное сопротивление рабочей обмотки 6 датчика. Так как блок 1 питания имеет малое внутреннее сопротивление, то при уменьшении полного сопротивления обмотки 6 уменьшается по амплитуде сигнал Ор(х), снимаемый с точки соединения подборного резистора В 2 с обмоткой 6, по закону, близкому к экспоненциальному.Между компенсационным напряжением (снимаемым с точки соединения подбор- ного резистора В 1 и компенсационной обмотки 7) О и рабочим напряжением Ор(х) путем подбора резисторов В 1, В 2 устанавливается угол сдвига фаз Ъ более Оо, но менее 10 О Напряжение Ои Ор(х), изменяющееся в функции перемещения Х, поступают соответственно на прямой и инверсный входы сумматора 8. 5На инверсном входе дифференциального усилителя 8 производится инверсия напряжения Ор(х) по фазе на 180 О, и сдвиг фаз 1 о между напряжением Ои инвертированным напряжением О р(х) определяется выраже нием180 - 0 о = Чо.Напряжения Ои О р(х), сдвинутые по1фазе на угол уЪ, геометрически суммируются на дифференциальном усилителе 8, с выхода которого снимается суммарное напряжение 0 с изменяющейся фазой рвых в функции перемещения, т. е. выходным сигналом датчика 2 является угол увых суммарного напряжения 0 относительно 20 напряжения О, снимаемого с компенсационной обмотки.Функция преобразования устройства определяется выражениемзп ф 25дЪых = агсс 9 , (2)соз ЧО + - , -ООр/х)где р вых - фаза суммарного напряжения О относительно фазы напряжения Оком пенсационной обмотки;Чо - угол сдвига фаз между геометрически суммируемыми напряжениями Ои О р(х).При изменении напряжения О р(х) в 351функции перемещения меняются величина и направление вектора суммарного напряжения О, т. е. меняется угол уЪых, что поясняет векторная диаграмма на фиг. 3, где индексом "н" обозначены сигналы уст ройства в начале диапазона измерения, а индексом "к" - в конце диапазона измерения. Отношение в выражении (2) 450Ор (х)является функцией зазора Хр между рабочим торцом датчика 2 и рабочим якорем 4, причем указанное отношение в диапазоне измерения меняется по закону, близкому к 50 экспоненциальному, в то время как зависимость фазы суммарного напряжения Ъых0от отношения, изменяется по закоОр (.х )ну арктангенса, причем максимальную крутизну эта зависимость имеет приО1. Кроме того, крутизна характеОр (х ) ристикирых =1(, ) зависитот выбоООр (х)ра угла ЧУО между геометрически суммируемыми напряжениями О и 0 р(х). Чем ближе1угол Чо к 180 О, тем больше крутизна зави 0симости уЪых =1(, ) Поэтому, выОр (х)бирая соответствующий угол Чо между напряжениями О и О р(х) и обеспечивая их равенство в точке диапазона измерения, где крутизна зависимости, т(хр) неООр (х )значительна, а крутизна зависимости дрыхО= 1( ) максимальна, можно добитьОр (х)ся значительной линеаризации функции ф вых=т(Хр)Для индуктивных (трансформаторных) датчиков экспериментал ьно установлено, что максимальная линейность выходной характеристики р вых =1(Хр) обеспечивается при Чо в начале диапазона измерения (170 - 179) и при балансировке напряжений Ои О р(х) в точке, расположенной ближе к1концу диапазона измерения.Для получения максимальной линейности выходной характеристики датчика производят его регулировку следующим образом.С помощью подборных резисторов Я 1 или Я 2 фазосдвигающих цепей (элементы Я 1 - 1 или Я 2 - 2) задают угол уЪ (в рекомендуемом варианте 1 - 10 О). Компенсационный якорь 3 располагают относительно обмотки 7 с зазором Х=Хр, где Хр - максимальное значение диапазона измерения. Снимают предварительную градуировочную характеристику, относительно которой ведется дальнейшая регулировка. При регулировке перемещением компенсационного якоря 3 вдоль корпуса 9 датчика меняют крутизну характеристики р вых=(х) в конце диапазона измерения, а изменением угла Чо=180 - ро с помощью фазосдвигающих цепей Я 1 -1 (или Я 2 -2) изменяют крутизну характеристики в начале диапазона измерения. Таким образом, изменением угла Ч О и перемещением компенсационного якоря 3 вдоль корпуса 9 добиваются необходимой линейности устройства.Уменьшение температурной погреш ности достигается тем, что в предлагаемом устройстве необходимый угол сдвига фаз Чо между сигналами 0 и Ор(х) устанавливается с помощью подборного резистора Я 1 (или Я)2, который включен последовательно с обмоткой 7 (или обмоткой 6), т. е. в качестве фазосдвигающей цепи типа =Я использу 1737259ется индуктивность обмотки(элемент конструкции датчика 2 перемещений) и резистор В . При этом параллельно рабочей 6 и компенсационной 7 обмоткам, с которых снимаются сигналы Ор(х) и О, подключены входы дифференциального усилителя 8 с большим ВХОДНЫМ ИМПЕдаНСОМ (ЕвыхЕ 1=Евых Евх.1 Евх,2), КОТОРЫЕ НЕ ОКаЗЫВаЮт ШУН- тируащего действия на обмотки, При воздействии температуры на датчик 2 перемещений обмотки 6 и 7 находятся в одинаковых условиях электрического нагружения, так как входные импедансы входов дифференциального усилителя 8 имеют величину одного порядка (Ею.1 ф.уюМЕвх 2 Еюмат.юд). П ОЭТО Му одинаковые изменения от воздействия температуры выходных сопротивлений рабочей и компенсационной обмоток ( ЛЕвых.рве= =ЬЕвых.хоуп.), имеющих одинаковое количество витков, обусловливают одинаковые изменения напряжений Орх) и Ох, а вследствие того, что эти напряжения геометрически суммируются, то фаза выходного О напряжения у вых не изменяется, т. е, уменьшается температурная погрешность,5 Формула изобретенияУстройство для измерения перемещений, содержащее блок питания, дифференциальный усилитель, индуктивный датчик перемещения с магнитопроводом, рабочей 10 и компенсационной обмотками и шину нулевого потенциала. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности измерения, в него введены первый и второй резисторы, выход блока 15 питания через соответственно первый и второй резисторы подключен к началам соответственно рабочей и компенсационной обмоток, концы которых подключены к шине нулевого потенциала, начала компенса ционной и рабочей обмотки подключенысоответственно к прямому и инверсному входам дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства,1737259 УрГХи к к к Е нЕСоставитель Н.Конаковедактор Л.Веселовская Техред М.Моргентал Корректор С.Шевку Заказ 1883 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101