Датчик угловых перемещений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А 51)5 О 01 В 7/ и инсти Бахаякин, С.В во СССР , 1985. во СССР О, 1988. РЕМЕЩ я к изме спользо ель изоб сширени НИ.Й рительано для етения диапаГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ(21) 476 (22) 06.1 (46) 07.0 (71) Са акад. С. (72) Н.Е рев и Н. (53) 531. (56) Авт М 1374Авт ч. 14411 (54) ДАТ (57) Изо ной тех контрол - повыш 5063/282,894,92. Бюл; ЬЬ 13марский авиационнП.Королева,Конюхов, Н,А.КшнВ,Кшнякина717(088,8)орское свидетельст036, кл, 6 01 В 7/00орское свидетельст74, кл, 6 01 В 7//ОЧИК УГЛОВЫХ ПЕбретение относитснике и может быть ия перемещений, Цение точности и ра Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для автоматического контроля и регулирования перемещений, деформаций, измерения неэлектрических величин, изменяющих емкость датчика,Известно устройство для измерения линейных перемещений, в котором для повышения точности измерения использован дифференциальный индуктивный датчик, первый и второй измерительные автогенераторы, в задающие контуры которых включен дифференциальный измерительный датчик, первый, второй и третий счетчики импульсов, третий автогенератор, два элемента 2-2 И-ИЛИ-НЕ, элемент 2 И-НЕ, блок управления, выход первого измерительного автогенератора соединен с первым и третьим входами первого элемента 2-2 И-ИЛИНЕ, второй вход которого соединен с зона измерении. Цель достигается тем, что в датчик, содержащий чувствительный элемент, генератор, компаратор, делитель, блок управления, два элемента И и счетчик, дополнительно введены два элемента И, вторые делитель.и счетчик, два мультивибратора и блок индикации. Использование соединения мультивибратора, чувствительного элемента, компаратора и делителя позволяет реализовать импульсный автогенератор, параметры импульсов которого не зависят от добротности колебательной системы, а соединение вторых делителя и счетчика, дополнительных элементов И с блоком управления снижает погрешность дискретности и линеаризует выходную характеристику. 2 ил. первым выходом блока управления, четвертый вход - с вторым входом блока управления и с четвертым входом второго элемента 2-2 И-ИЛИ-НЕ, выход первого элемента 2- 2 И-ИЛИ-НЕ соединен с вычитающим входом первого счетчика импульсов, установочный вход которого соединен с третьим выходом блока управления, выход обратного переноса - с первым входом блока управления, входы параллельной записи первого счетчика импульсов соединены с выходами второго счетчика импульсов и с входами параллельной записи третьего счетчика импульсов, выход третьего автогенератора соединен с первым входом элемента 2 И-НЕ, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, выход - с суммирующим входом второго счетчика импульсов, вход установки в "0" которого соединен с пятым выходом бло 1725069ка управления, установочный вход - с шестым выходом блока управления, выход измерительного автогенератора соединен с первым и третьим входами второго элемента 2-2 И-ИЛИ-НЕ, второй вход которого соединен с восьмым выходом блока управления, выход с вычитающим входом третьего счетчика импульсов, установочный вход которого связан с седьмым выходом блока управления, а выход обратного переноса - с вторым входом блока управления.Недостатком устройства для измерения перемещений является отсутствие синхронизации генераторов и цифровых преобразователей, что обусловливает погрешность равную одному периоду генераторов в каждом цикле квантования сформированных временных интервалов. Эта составляющая погрешности доминирует при малых перемещениях и ее можно уменьшить путем увеличения разрядности всех счетчиков, что, однако, приведет к увеличению времени измерения. При больших перемещениях возрастает составляющая погрешности, связанная с зависимостью фазовой характеристики автогенераторов от добротности колебательных систем, которая изменяется в зависимости от величины перемещения и обусловливает нелинейность функции преобразования. Наиболее близким к предлагаемому является автогенераторный датчик линейных величин, содержащий образцовый и рабочий чувствительные элементы, два ключа, автогенератор, пороговый элемент, делитель частоты, распределитель импульсов, два элемента И, реверсивный счетчик и тактовый генератор, выходы образцового чувствительного элемента и рабочего чувствительного элемента подключены к информационным входам соответственно первого и второго ключей, выходы которых подключены к входу автогенератора, выход которого через пороговый элемент подключен к информационному входу делителя частоты, соединенного с входом распределителя импульсов, первый, второй и третий выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого ключа, второго ключа и делителя частоты Первый и второй выходы распределителя импульсов подключены к первым входам соответственно первого и второго элементов, выходы которых подключены соответственно к вычитающему и суммирующему входам реверсивного счетчика, четвертый выход распределителя импульсов подключен к входу сброса реверсивного счетчика, выход тактового ге 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 нератора подключен к вторым входам элементов И.Недостатком автогенераторного датчика линейных величин является низкая точность и незначительный диапазон изменения измеряемой величины, обусловленный нелинейной зависимостью частоты автоколебаний от параметров колебательной системы, а также сложной и нестабильной зависимостью фазовой характеристики автогенератора от добротности контура, зависящей в свою очередь от величины измеряемого перемещения.Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерения путем линеаризации функции преобразования устройства для измерения угловых перемещений с помощью емкостного датчика.Поставленная цель достигается тем, что в автогенераторном датчике линейных величин, содержащем рабочий и образцовый чувствительный элементы, опорный генератор, делитель частоты, блок управления (распределитель импульсов), два элемента И и реверсивный счетчик, в котором чувствительный элемент является элементом колебательной системы измерительного автогенератора, компаратор, подключенный к информационному входу делителя частоты, соединенного с блоком управления, третий выход которого соединен с установочными входами счетчика и делителя частоты, а второй и первый его в ыходы соединены с первыми входами элементов И, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, а выход опорного генератора соединен с вторыми входами элементов И, дополнительно включены ждущий и автоколебательный мультивибраторы, входящие в состав импульсного автогенератора, а также два элемента И, второй делитель частоты и второй реверсивный счетчик, а чувствительным элементом является емкостный датчик, Импульсный автогенератор состоит из последовательно включенных ждущего мультивибратора, колебательной системы с емкостным датчиком перемещений, компаратора, первого делителя частоты, соединенного с одним из входов ждущего мультивибратора, второй вход которого соединен с автоколебательным мультивибратором, вход которого соединен с выходом компаратора. Второй делитель частоты включен последовательно с первым и соединен с первым входом блока управления, второй вход которогосоединен с выходом первого делителя частоты. Элементы И объединены по два выходными ши55 нами генераторов, которые подключены к их вторым входам, и управляющими шинами блока управления, подключенными к первым входам элементов И таким образом, что первая выходная шина подключена к элементам И, один из которых соединен с измерительным генератором, а второй с опорным, выход элемента И, вход которого подключен к опорному генератору, соединен с суммирующим входом первого реверсивного счетчика, а второй элемент И подключен к вычитающему входу второго реверсивного счетчика. Вторая управляющая шина блока управления также соединена с двумя элементами И, выход элемента И, соединенного с измерительным генератором, подключен к вычитающему входу первого счетчика, а выход второго элемента, соединенного с опорным генератором, подключается к суммирующему входу второгореверсивного счетчика. Выход первого счетчика соединен с четвертым входом блока управления, а к выходу второго подключено устройство индикации.Сопоставление с известным показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых блоков: автоколебательно-го и ждущего мул ьтивибраторов, второго делителя частоты, второго реверсивногосчетчика и двух дополнительных элементов И.На фиг. 1 изображена структурная схема датчика угловых перемещений; на фиг. 2 - структурная схема блока управления.Датчик перемещений состоит (фиг. 1) из ждущего 1 и автоколебательного 2 мультивибраторов, колебательной системы 3 с емкостным датчиком угловых перемещений и компаратора 4, соединенных последовательно. К выходу компаратора 4 подключены первый делитель 5 частоты, вторые входы элементов И 7 и 8 и автоколебательный мультивибратор 2, а выход первого делителя 5 частоты соединен с вторым входом блока 6 управления, первый вход которогосоединен с выходом второго делителя 9 частоты, Четвертый вход блока 6 управления соединен с выходом первого реверсивного . счетчика 10. Вычитающие входы реверсивных счетчиков 10 и 11 соединены с выходами элементов И 7 и 8, а суммирующие входы соединены с выходами элементов И 13 и 14.Первый и второй управляющие выходы блока управления подключены к первым входам соответствующих элементов И, а третий выход соединен с установочными входами второго делителя 9 частоты, и реверсивных счетчиков 10 и 11. Устройство 15 визуальной индикации включено на выход второго реверсивного счетчика 11. 5 10 15 20253035404550 Блок 6 управления состоит (фиг. 2) из трех триггеров 16-18 и одного элемента И. По запросу ЭВМ или с устройства ручного пуска импульс напряжения поступает на третий вход блока 6 управления, т.е. на вход Я-триггера 16, второй вход которого В соединен с выходом элемента И 12, входом Я триггера 17 и третьим выходом блока управления, Выход триггера 16 соединен с одним из входов элемента И 12, а установочные В-входы триггера 17 и 3 триггера 18 соединены с первым входом блока 6 управления, выходы этих триггеров являются соответственно первой и второй выходной шиной блока 6 управления,Датчик работает следующим образом.В момент включения датчика напряжение на его элементах близко к нулю. Автоколебательный мультивибратор 2 вырабатывает импульс напряжения, поступающий на вход ждущего мультивибратора 1, который формирует короткий импульс напряжения, поступающий на элемент колебательной системы 3, содержащей емкостный датчик перемещений, в котором возникают экспоненциально затухающие колебания, поступающие на вход компаратора 4. Сформированные компаратором 4 прямоугольные импульсы напряжения выключают автоколебательный мультивибратор 2 и поступают на входы первого делителя 5 частоты и элементы И 7 и 8. Частота импульсов 1 первого делителя частоты= иВ, (1) где Ь- резонансная частота измерительной колебательной системы; К, п - коэффициенты деления блоков 5, 9. Сформированные мультивибратором короткие импульсы напряжения, частота которых равна 1, поддерживают колебания в контуре 3. Блок 6 управления перед каждым циклом измерений устанавливает второй делитель 9 частоты и счетчики 10 и 11 в нулевое состояние, затем управляющим импульсом, поступающим на вторые входы элементов И 7 и 13, включаются счетчики, причем первый счетчик 10 заполняется частотой опорного генератора, а к вычитающему входу счетчика 11 подключается измерительный генератор, Время работы счетчиков Лт равноЖ = 1 пТи, Ти = 1/Ьи (2) и в результате первый счетчик зафиксирует й 1 импульсовИ 1= Но,а второйИ 2 = Л 1 и р (3) откуда видно, что Ьс формируется из частоты генератора, т.е. не имеет составляющей погрешности квантования, По окончании1725069 55 этой стадии преобразования сигнала управляющим импульсом, поступающим на входыэлементов И 8 и 14, происходит переключение режима работы счетчиков, Содержимоепервого счетчика 10 уменьшается импульсами измерительного генератора, а на суммирующий вход второго счетчика 11 подаетсясигнал опорного генератора до момента обнуления первого счетчика 10, В результатево второй счетчик 14 поступит йз импульсов, а числовой код Й 4 устройства индикации может быть определен по формуле. И 4= Йз Й 2= кп(Ти то - 1)= кп ) (4)г ЛСгде Ти = 2 л 41 иСи, То = 2 л 4-оСо, 1 и, 1 о - 15индуктивности колебательных систем измерительного и опорного генераторов, соответственно (предполагается, в частности,что Ь = Ь); С = Со + Л С. ЛС - приращениеемкости датчика, обусловленное перемещением объекта измерения.Таким образом, использование в датчике угловых перемещений последовательновключенных ждущего мультивибратора, колебательной системы с емкостным датчиком перемещений, компаратора и делителячастоты позволило реализовать импульсный автогенератор, амплитуда и длительность импульсов в котором практически независят от изменяющейся в процессе изме- З 0рений добротности колебательной системы,а дополнительно включенные второй делитель частоты, два элемента И, второй реверсивный счетчик и блок управления,формирующий управляющие импульсы, 35синхронизированные с частотой измерительного генератора, снижают погрешность квантования и реализуют всоответствии с (1) - (4) алгоритм преобразования сигнала с линейной зависимостью выходного цифрового кода от угловыхперемещений в широком диапазоне изменения емкости датчика без снижения точности,45Формула изобретенияДатчик угловых перемещений, содержащий измерительный чувствительный элемент, опорный генератор, компаратор, первый делитель частоты, блок управления, 50 два элемента И и первый реверсивныйсчетчик, компаратор, подключенный к входу первого делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом блока управления, первый и второй его выходы соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых подключены соответственно к вычитающему и суммирующему входам первого реверсивного счетчика, а выход опорного генератора соединен с вторым входом второго элемента И, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерения перемещений, в него дополнительно введены третий и четвертый элементы И, второй делитель частоты, второй реверсивный счетчик, ждущий и автоколебательный мультивибраторы и блок индикации, в качестве измерительного чувствительного элемента использован емкостный датчик перемещений, подключенный к выходу ждущего мультивибратора и соединенный с входом компаратора, выход первого делителя частоты соединен с входом второго делителя частоты и первым входом ждущего мультивибратора, второй вход которого подключен к выходу автоколебательного мультивибратора, его вход объединен с выходом компаратора и вторыми входами первого и второго элементов И, соединенных соответственно с вычитающими входами реверсивных счетчиков, а первые входы первого и третьего, второго и четвертого элементов И соединены с первым и вторым выходами блока управления, третий выход которого соединен с установочными входами реверсивных счетчиков и второго делителя частоты, выход второго делителя частоты соединен с первым входом блока управления, четвертый вход блока управления соединен с выходом первого реверсивного счетчика, суммирующие входы счетчиков соединены с выходами третьего и четвертого элементов И, вторые входы третьего и четвертого элементов И подключены к выходу опорного генератора, третий вход блока управления является управляющим входом датчика, выход второго реверсивного счетчика соединен с выходом блока индикации.при ГКНТ ССС оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 аказ 1169 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета и 113035, Москва, Ж