Измеритель линейных перемещений

(55 (3 ИЗОБ ЕНИ ОПИСАН У СВИДЕТЕЛЬСТ ВТОР ститут тотип, РЕМЕерительвышение нерционинейных в устроймещений го сопо 4 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР)(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к измной технике и имеет целью поразрешающей способности, безыности и надежности измерителя лперемещений за счет реализациистае для измерения линейных перенепосредственного амплитудно ставления двух синфазно сформированных симметричных последовательностей треугольных сигналов. Измеритель перемещений содержит дифференциальный емкостный датчик 6, к цилиндрическим неподвижным электродам 4, 5 которого подается от генератора 1 через балластные сопротивления 2, 3 питающее напряжение прямоугольной формы. Выходной сигнал датчика 6 поступает через конденсаторы 8, 9 на вход двухканального усилителя 10 и далее через конденсаторы 11 и 12 подается на средние точки двух диодных делителей 13, 14 и 15, 16. В результате на выходе измерителя формируется последовательность синфаэных треугольных импульсов без постоянной составляющей, Разностный сигнал поступает через балластные резисторы 17, 18 на индикатор 19. 1 ил.10 15 20 усилителя через, резистор подключен к ин 40 45 ется дифференциальный емкостный датчик, 50 содержащий два размещенных ссосно с зазором один относительно другого непод-. вижных цилиндрических электрода, внутренний кольцевой токосьемный электрод со штоком, связываемым в процессе 55измеренийс контролируемым обьектом, идва охранных кольцевыхэлектрода, жестко,закрепленных на торцах токосьемного электрода, электрически изолированных от негои гальванически связанных с неподвижны-. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля плавных и импульсных перемещений подвижных органов в машиностроении, станкостроении, а также при проведении клепочных процессов в авиастроении, ракетной технике и судостроении,оИзвестен измерительный преобразователь неэлектрических величин с емкостным датчиком, который содержит два коммутатора, вторые информационные входы которых подключены к общей шине, а выходык потенциальным электродам двух рабочих конденсаторов датчика, токовые электроды которых соединены и подключены через усилитель к входу фазочувствительного детектора, выход которого подключен к выходным зажимам устройсйа, генератор прямоугольного напряжения, выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов и опорным, входом фазочувствительного детектора, и источник стабильного постоянного напряжения, причем измерительныл преобразователь снабжен двумя операционными усилителями, выходы которых подключены непосредственно к первым информационным входам коммутатора и через резисторы - к своим инвертирующим входам, с которыми также через соответствующие резисторы соединены источник стабильного постоянного напрякения и выход фазочувствительного детектора, выход первого операционного вертирующему входу второго операционного усилителя, а их неинвертирующие входы подключены к общей шине,Недостатками этого измерительного преобразователя являются его значительная структурная сложность, насыщенность разнородными синтезирующими элементами - как электронными, так и электромеханическими, в том числе разрывными контактными элеменгами, которые; однако,в совокупности не обеспечивают достаточного быстродействия и безынерционности известного устройства,Наиболее близким к изобретению явля 25 30 ми цилиндрическими электродами с помощью скользя щего. электрического контакта,Недостатками. указанного устройства- прототипа являются его ограниченная линейность преобразовательной характеристики, недостаточная надежность и помехоустойчивость, обусловленные наличием гальванических электрокснтактных элементов,Цель изобретения - повышение точности, разрешающей способности и быстродействия проводимых измерений.Эта цель достигается тем, что измеритель, содержащий дифференциальный ем костный датчик с двумя неподвижными цилиндрическими электродами и установленными соосно с ними с возможностью линейного перемещения третьим цилиндрическим электродом, предназначенным для связи с обьектом контроля, питающий генератор, шину заземления, к которой присоединен один. из выводов генератора, и подключенный к датчику блок преобразования и регистрации его выходного сигнала с оконечным стрелочным индикатором, снабжен двумя балластными сопротивлениями, подключенными между питающим генератором и неподвижными электродами датчика, и двумя ограничительными конденсаторами, подключенными между неподвижными электродами и блоком преобразования и регистрации. питающий генератор выполнен в виде формирователя прямоугольного меандра, оконечный стрелочный индикатор выполнен со средней нейтралью и симметричной двухсторонней шкалой, а блок преобразования и регистрации выполнен в виде двухканального синфазного усилителя, двух соединенных между собой одними своими выводами идентичных делителей напряжения, каждый из которых образован парой согласно включенных диодов, двух конденсаторов связи, подключенных между соответствующими выходами синфазного усилителя и средней точкой соответствующего делителя, и двух резисторов, подсоединенных между соответствующими выходными клеммами блока и вторыми выводами обоих делителей напряжения, общая точка соединения которых подключена к шине заземгения.Принципиальная схема заявляемого устройства представлена на чертеже. Устройство содержит формирователь 1 меандра - периодической последовательности прямоугольных импульсов Оо с равными продолжительностями противополярных частей, Выход формирователя 1 через балластные резисторы 2 и 3 параллельно соединен как510 15 20 25 30 35 40 50 55 со статорными кольцами 4 и 5 дифференциального конденсатора б, цилиндрический ротор 7 которого повторяет перемещение контролируемого объекта, так и через ограничительные емкости 8 и 9 со входами двухканального усилительного блока 10.Оба выхода двухканального усилительного блока 10 емкостями 11 и 12 связаны со средними точками двух идентичных делителей. составленных парами согласно-последовательно включенных диодов - 13 и 14 и 15 и 16. Общая точка диодов 14 и 16, принадлежащих обеим детектирующим цепям, "заземлена", о то время как потенциальные концы делителей 13, 14 и 15, 16 через рези- сторы 17 и 18 соединены с парой оыводов стрелочного индикатора 19, заблокированного конденсатором 20.Выходные клеммы 21 и 22 устройства, связанные со стрелочным индикатором 19, предназначены для подключения к устрой- стоу внешнего регистрирующего прибора, в частности самописца.Дифференциальный конденсатор 6 составлен цилиндрическим ротором 7 и соосной с ним парой симметрично расположенных колец 4 и 5 внешнего статора, а стрелочный индикатор 19 выполнен со средней нейтрэлью и симметричной двухсторонней шкалой.Устройство функционирует следующим образом.Б исходном состоянии измерительной системы - до начала перемещения подлежащего контролю обьекта, например ударной части или бойка клепальной установки (не показанной на чертеже), - ротор 7 дифференциального конденсатора б, кинематически связанный с контролируемым объектом, находится о среднем, нейтральном положении чему соответствует нулевое показание индикатора 19, стрелка которого находится у центральной нулевой метки (деления) двухсторонней симметричной шкалы прибора, 4В указанном исходном состоянии измерительной системы периодические двуполярные П-образные импульсы (меандр) 00 с выхода формирователя 1 параллельно поступают на две интегрирующие ВС-цепи, одна из которых, составлена балластным резистором 2 и последовательно с ним включенной емкостью С, образуемой верхним статорным кольцом 4 дифференциального конденсатора б и введенной о это кольцо частью ротора 7, в то время как другая из пары интегрирующих ВС-цепей составлена балластным резистором 3 и последовательно с ним включенной емкостью С 2, образуемой между иижиим статориым кольцом 5 дифференциального конденсатора б и введенной в это кольцо частью ротора 7 указанного конденсатора.Поскольку в исходном положении рассматриваемой измерительной системы, когда радиальные проекции ротора 7 дифференциального конденсатора б на его статорные кольца 4 и 5 равны, величины емкостей обеих частей дифференциального конденсатора 6 равны; т.е. С 1 -- С 2, то постоянные времени х 1 и т цепей, образованный резисторами 2 и 3 и частями С 1 и С дифференциального конденсатора б, также являются равными, т.е. х 1 = В 2 С 1 = ВзС 2 =. х 2 (здесь В 2 и Вз представляют собой сопротивления резистивных элементов 2 и 3 соответственно).Высоты треугольных импульсов, формируемых при этом на выходах пары интегрирующих ВС-цепей, образованных элементами 2, 4, 7 и 3, 5, 7, оказываются равными, что определяет также равенство как амплитудных значений (высот) треугольных импульсных сигналов на входах двухканального усилительного блока 10, так и равенство амплитудных значений треугольных импульсных сигналов Оа и Оь на оббих выходах двухканального усилительного блока 10,Треугольный импульсный сигнал Оа, поступающий с выхода верхнего по схеметракта двухканального усилительного блока 10 через конденсатор 11 на среднюю точку первого диодного делителя. составленногосогласно-последовательно включенной парой диодов 13 и 14, привязывается своимиоснованиями к нулевому уровню диодом 14, в то время кэк диодом 13 укаэанного диод- ного делителя (13 и 14) осуществляется пол-номас штабное амплитудноедетектирование обладающего положительной полярностью треугольного импульсного сигнала, который поступает нэ резистивноемкостную ячейку 17, 20, питающую отфильтрованным напряжением постоянного тока верхний вывод дифференциального стре.лочного индикатора 19 и верхнюю клемму подключаемого к выходным зажимам 21 и 22 регистрирующего внешнего самописца(на схеме не показанного).Одновременно с этим треугольный импульсный сигнал ць, поступающий с выхода нижнего по схеме тракта двухканальногоусилительного блока 10 через емкость 12 на среднюю точку второго диодного делителя, составленного согласно-последовательно включенной парой диодов 15 и 16, привязывается своими основаниями к нулевому уровню диодом 16, в то время как диодом 15осуществляется полномасштабное амплитудное детектирование положительных треугольных импульсов, воздействующих на резистивно-емкостную ячейку 18 и 20, которая питает отфильтрованным напряжением постоянного тока нижнюю по схеме клемму дифференциального стрелочного индикатора 19 и нижнюю клемму подключаемого к выходным зажимам 21 и 22 устройства регистрирующего внешнего самописца.В результате протекания указанных процессов к стрелочному индикатору 19 и к параллельно подключаемому к нему (через клеммы 21 и 22) входу регистрирующего самописца оказывается приложенным потенциал, определяемый разностью двух напряжений, выпрямленных диодами 13 и 15 и отфильтрованных элементами 17, 18 и 20,Поскольку при исходном нейтральном (среднем) положении ротора 7 дифференциального конденсатора 6 емкость С 1, образуемая верхней кольцевой статорной обкладкой конденсатора 6 и. вошедшей внутрь этой обкладки частью ротора. равна по величине емкости Сг, образуемой нижней кольцевой статорной обкладкой 5 и находящейся в пределах ее полости нижней частью ротора 7, тб вследствие равенства постоянных времени ( т 1 = тг ) двух интегрирующих йС-цепей, составленных соответственноэлементами 2,4-7 и 3,5-7, уровни треугольных импульсных сигналов на обоих входах двухканального усилительного блока 10 и соответственно уровни сигналов на выходах этого блока, связанных емкостями 11 и 12 со средними точками диодных делителей 13, 14 и 15, 16, окажутся попарно равными, - что обусловит указывавшееся выше нулевое показание стрелочного индикатора 19 при среднем (нейтральном) положении ротора 7 дифференциального конденсатора 6. В случае смещения ротора 7, кинематически связанного с подвижным органом (узлом) контролируемого механизма, вниз от своего исходно установленного нейтрального положения величина емкости Сг, определяемая радиальной проекцией нижней части ротора на внутреннюю поверхность статорного кольца 5, получит положительное приращение (+ Л Сг), в то время как величина емкости С 1, определяемая радиальной проекцией верхней части ротора 7 на внутреннюю поверхность верхнего статорного кольца 4 дифференциального конденсатора 6, получит отрицательное приращение (-Л С ).35 40 45 Рассматриваемому режиму работы ус 1- ройства, когда ротор 7 дифференциального конденсатора 6 смещен вдоль своей оси вниз от нейтрального(среднего) положения, соответствуют эпюры приложенных к средним точкам диодных делителей 13, 14 и 15.16 треугольных импульсных сигналов, которые на графиках Оа(1) и Оь(1) обозначены сплошными ломаными линиями, Понижен ный уровень импульсного сигнала Оь посравнению с высоким уровнем треугольного импульсного сигнала Оа обусловлен тем, что для рассматриваемого случая смещения ротора 7 дифференциального конденсатора 6 5 10 15 20 25 30 Ввиду того, что изменению величины одной из емкостей С 1, Сг дифференциального конденсатора 6 соответствует синхронное с этим, но противоположное по знаку изменение величины другой из емкостей этого конденсатора, то абсолютные величины обоих указанных выше приращений окажутся равными друг другу, т,е, Л Сг = -(-Л С 1), илиЛ С 1=Л Сг=Л С,В соответствии с изменением величин емкостей С 1 и Сг дифференциального конденсатора 6, сопровождающим отклонение ротора 7 от его нейтрального положения, изменятся и постоянные времени т 1 итг двух интегрирующих цепей, составленных соответственно элементами 2,4-7 и 3,5-7: т 1 = йг(С - Л С); гг = йз(С + ЛС).В приведенных выражениях йг и йз - величины сопротивлений резисторных элементов 2 и 3, а С - значение каждой из двух емкостей С 1 и Сг дифференциального конденсатора 6 при исходном среднем (нейтральном) положении ротора 7,При имеющем место в реальных схемах равенстве величин сопротивлений резистивных элементов 2 и 3, т.е. при йг = йз = й постоянные времени двух интегрирующих цепей, образуемых элементами 2.4-7 и 3.5-7, определяются равенствами г 1 = й (С - Л С); тг = й (С + ЛС) Поскольку крутизна фронтов треугольных импульсных сигналов, формируемых на входах двухканального усилительного блока 10, является величиной. обратно пропорциональной постоянной времени г 1 или гг соответствующей интегрирующей цепи, то и высоты треугольных импульсных сигналов Оа и Оь, поступающих с канальных выходов блока 10 через емкости 11 и 12 на средние точки диодных делителей 13, 14 и 15, 16, будут обратно пропорциональны т 1 и тг интегрирующих цепей 2,4"7 и 3,5-7, т,е. Оэ/Оь =тгФ =(С+ЛС)(С - ЬС).10 15 20 25 30 35 40 45 50 вниз от нейтрального положения, когда нижняя емкость С 2 дифференциального конденсатора 6 получает такое же положительное приращение (С 1= С 2+ ЬС), а верхняя емкость С 1 конденсатора 6 получает такое же отрицательное приращение (С 1=С 2-Л С),- скорость нарастания и спада напряжения на меньшей емкости С 1 значительно будет превышать скорость нарастания и спада напряжения на получившей положительное приращение емкости С 2.После привязки фиксирующими диодами 14 и 16 оснований треугольных импульсных сигналов О и Оь (обозначенных на соответствующих графиках спЛошными ломаными линиями) к нулевому уровню и последующего амплитудного детектирования этих сигналов диодами 13 и 15 выпрямленные сигналы постоянного тока, отфильтрованные элементами 17, 10 и 20, совместно воздействуют как на клеммы стрелочного индикатора 19. так и на вход подключаемого к внешним выходным клеммам 21, 22 регистрирующего самописца.Ввиду того, что при отклонении ротора 7 дифференциального конденсатора 6 книзу относительно исходного нейтрального положения этого ротора уровень импульсного сигнала Оа превышает уровень сигнала Оь, то к верхнему по схеме выводу стрелочного индикатора 19. на котором осуществляется алгебраическое сложение выпрямленных напряжений постоянного тока, поступающих через диоды 13 и 15, оказывается приложенным потенциал, полярность которого является положительной по отношению к потенциалу, приложенному к нижнему по схеме выводу стрелочного индикатора 19.В соответствии со степенью смещения ротора 7 дифференциального конденсатора 6 вниз относительно исходной нейтрали происходит и отклонение стрелки индикатора 19 от ее среднего положения вправо. В случае смещения ротора 7 дифференциального конденсатооа 6 вверх относительно его среднего положения (чему отвечает соотношение уровней треугольных импульсных сигналов О и Оь, которые обозначены на соответствующих графиках пунктирными ломаными линиями), стрелка индикатора 19 отклонится от нейтральногоположения в левую сторону дифференциальной шкалы прибора.Аналогичным образом происходит и отклонение пишущего органа (узла) у приключаемого к выходным клеммам 21 и 22 описы ваемого устройства регистрирующего самописца, величина и направление смещения пера которого полностью повторяют в регулируемом масштабе как величину, так и полярность отклонения подвижного органа контролируемой кинематической системы и связанного с указанным органом ротора 7 дифференциального конденсатора 6 от .его нейтрального положения.Формула изобретения Измеритель .линейных перемещений, содержащий дифференциальный емкостный датчик с двумя неподвижными цилиндрическими электродами и установленным соосно с ними с возможностью линейного перемещения третьим цилиндрическим. электродом, предназначенным для связи с объектом контроля, питающий генератор, шину заземления, к которой присоединен один из выводов генератора, и подключенный к датчику блок преобразования. и регистрации его выходного сигнала, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности, разрешающей способности и быстродействия, он снабжен двумя балластными сопротивлениями, подключенными между питающим генератором и неподвижными электродами датчиками, и двумя ограничительными конденсаторами, подключенными между неподвижными электродами и блоком преобразования и регистрации, питающий генератор выполнен в виде формирователя прямоугольного меандра. а блок преобразования и.регистрации выполнен в виде двухканального синфазного усилителя, двух соединенных между собой одними своими выводами идентичных делителей напряжения, каждый из которых образован парой согласно включенных диодов, двух конденсаторов связи, подключенных между соответствующими выходами синфазного усилителя и средней точкой соответствующего делителя, и двух резисторов. подсоединенных между соотввтствующими выходными клеммамиблока и вторыми выводами обоих делителейнапряжения, общая точка соединения которых подключена к шине заземления,