Преобразователь перемещений

/2 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР 1 ТН К АВТОРСКО ИДЕТЕЛЬСТВУ Г ельскии институт аратуры ЦЕНИЙ рительано для физиче(21) 4875302/28(71) Пензенский научно-исследовати конструкторско-технологическийсредств контроля электронной аппи изделий электронной техники(56) Авторское свидетельство СССРМ 1193446, кл. 6 01 В 7/02, 1984,. ной технике и может быть использоизмерения перемещения и других Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение для измерения перемещения с использованием параметрических датчиков перемещения, например емкостных, индуктивных, потенциометрических и других типов датчиков перемещения, выходной величиной которых является изменение их комплексных сопротивления или проводимости,Известно емкостное устройство для измерения микроперемещений, содержащее источник питания, дифференциальный емкостный датчик, дифференциальный усилитель и сумматор; принцип работы которого основан на получении выходного сигнала, пропорционального разности емкостей конденсаторов датчика, и компенсации температурной погрешности посредством регулирования выходного напряжения источника питания для обеспечения постоянства сигнала)пропорционального .сумме емкостей конденсаторов датчика. ских величин с использованием дифференциальных датчиков, например емкостных, индуктивных, контактных и бесконтактных потенциометрических, Целью изобретения является повышение точности преобразования путем снижения мультипликативной и аддитивной погрешности преобразования. Цель достигается за счет введения в известное устройство коммутатора, первого и второго инвертиру)ащих повторителей напряжения, первого и второго блоков балансировки, второго сумматора, аналого-цифрового преобразователя. 1 з,п,ф-лы, 1 ил,Недостатками известного устройства являются ограничейная область применения и получение выходного сигнала в виде переменного напряжения,Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения перемещения, содержащее параметрический датчик перемещения, генератор псременного напряжения, подкл)оченный к его входу, два детектора, каждый из которых подключен к соответствующему выводу датчика, первый сумматор, один из входов которого подключен к выходу первого детектора, второй вход сумматора подключен к выходу второго детектора, блок вычитания, входы которого подключены к выходам первого и второго детекторов, блок деления, входами подключенный к выходам сумматора и блока вычитания, блок умножения; первый вход которого соединен с блоком деления, а второи-с блоком начального суммарного сигнала;Недостатками устройства-прототипаявляются невысокая точность преобразования перемещения в электрический сигнал ио.граниченная область применения. Первыйнедостаток связан с использованием в устройстве-прототипе операций деления и умножения аналоговых сигналов, результатомкоторых является Ъналоговый сигнал, и которые не могут быть выполнены с необходимой точностью. Второй недостаток "0обусловлен возможностью работы устройства-прототипа только с дифференциальными датчиками.Целью изобретения является повышение точности преобразования комплексных 15сопротивлений параметрических датчиков вэлектрический сигнал путем снижениямультипликативной и аддитивной погрешности преобразования, уменьшения влияния паразитных емкостей кабелей связи, 20соединяющих датчик со схемой преобразователя, и.низкочастотной пбмехи, а такжевозможность применения различных типовдатчиков.Поставленная цель достигается тем, что 25преобразователь перемещения, содержащий параметрический датчик, генератор переменного напряжения, подключенньй кего входу, два детектора, каждый иэ которых, подключен к соответствующему выводу датчика, первый сумматор, один.из входов которого подключен к выходу первогодетектора, снабжен коммутатором, первыми вторым инвертирующими повторителями,вторым сумматором, двумя блоками балансировки и аналога-цифровым преобразователем, вход опорного напряженияаналого-цифрового преобразователя объе- .динен с входом второго инвертирующегоповторителя и входом второго блока балансировки и подключен к выходу первогО сумматора, второй вход которого подключен квыходу коммутатора, а вход коммутатораобъединен с первым входом первого блокабалансировки и подключен к выходу второго детектора, первый инвертирующий повторитель входом соединен с выходомпервого детектора, а выходом - . с вторымвходом первого блока балансировки, выходкоторого подключен к одному из входов второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блокабалайсировки, а выход второго сумматорасоединен с информативным входом аналого-цифрового преобразователя, выход второгоинвертирующего повторителя.соединен с вторым входом второго блокабалансировки, а кодовые выходы аналого-цифрового преобразователя являются шиной выходного сигнала,Каждый детектор выполнен в виде операционного усилителя, четырех транзисторов, зеркала вытекающего тока и преобразователя тока в напряжение, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной, инвертирующий вход, являющийся входом детектора, подключен к эмиттеру первого, базе второго и коллектору третьего транзисторов, а выход- к базе первого, эмиттерам третьего и четвертого транзисторов, эмиттер второго транзистора соединен с базами третьего, четвертого транзисторов и коллектором четвертого транзистора, вход зеркала вытекающего тока подключен к коллекторам первого и второго транзисторов, а выход - к входу преобразователя тока в напряжение, выход которого является выходом детектора,На чертеже представлена функциональная схема преобразователя перемещения.Преобразователь перемещения содержит параметрический датчик 1, генератор 2 переменного напряжения, подключенный к его входу 3, два детектора 4 и 5, каждый иэ которых подключен к соответствующему выводу б, 7 датчика, первый сумматор 8, один из входов которого подключен к выходу первого детектора б, коммутатор 9, первый и второй инвертирующие повторители 10 и 11, второй сумматор 12, два блока 13, 14 балансировки и аналого-цифровой преобразователь 15, вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 15 объединен с входом второго инвертирующего повторителя 11 и входом второго блока балансировки 14 и подключен к выходу первого сумматора 8, второй вход которого подключен к выходу коммутатора 9, а вход коммутатора 9 объединен с первым входом первого блока 13 балансировки и подключен к выходу второго детектора 5, первый инвертирующий повторитель 10 входом соединен с выходом первого детектора 4, а выходом - с вторым входом первого блока 13 балансировки, выход которого подключен к одному из входов второго сумматора 12, второй вход которого соединен с выходом второго блока 14 балансировки, а выход второго сумматора 12 соединен с информативным входом аналого-цифрового 15, выход второго инвертирующего повторителя 11 соединен с вторым входом второго блока 14 балансировки, а кодовые выходы аналого-цифрового преобразователя 15 являются шиной 16 выходного сигнала.Детектор 4(5), схема которого представ. лена на фиг. 2, содержит операционный усилитель 17, четыре транзистора 18, 19, 20 и 21, зеркало 22 вытекающего тока и преобразователь 23 тока в напрякение. Неинвертирующий вход операционного усилителя 17соединен с общей шиной, инвертирующийвход, являющийся входом детектора 45),подключен к эмиттеру первого, базе второго и коллектору третьего транзисторов 18,19 и 20, а вход - к базе первого, эмиттерамтретьего и четвертого транзисторов 18, 20 и21, эмиттер второго транзистора 19 соеди"нен с базами третьего, четвертого транзисторов 20, 21 и коллектором четвертоготранзистора 21, вход зеркала 22 вытекающего тока подключен к коллекторам перво.го и второготранзисторов 18 и 19, а выходк входу преобразователя 23 тока в напряжение, выход которого является выходом детектора 4(5),Преобразователь перемещения на основе дифференциального параметрическо,го датчика 1 работает следующим образом. 20Коммутатор 9 в этом случае включен, причем включаться он может вручную. Так какпервый и второй детекторы 4, 5 идентичны,то их работу рассмотрим на примере первого детектора 4. Переменное напряжение с 25выхода генератора 2 поступает на вход 3дифференциального параметрического датчика 1. схема замещения которого представлена на фиг, 3. Операционныйусилитель 17 за счет глубокой отрицатель-. 30ной обратной связи поддерживает на втором выводе 6 дифференциальногопараметрического датчика 1 потенциал общей шины. При положительной полярностинапряжения на выходе генератора 2 ток, 35протекающий через плечо 24 дифференциального параметрического датчика 1, отражается зеркалом втекаю щего тока,собранном на втором, третьем и четвертомтранзисторах 19, 20 и.21. Ток коллекторавторого транзистора 19, являющийся выходным током зеркала втекающего тока,приблизительно равен току, протекающемучерез плечо 24 дифференциального параметрического датчика 1, и его среднее зна. чение 45. 19 = О/724, 1)где О - среднее значение напряжения навыходе генератора 2 переменного напряжения за один полупериод;. 224 - модуль комплексного сопротивления первого плеча 24 дифференциальногопараметрического датчика 1,При отрицательной полярности напряжения на выходе генератора 2 переменногонапряжения в активный режим переводится 55первый транзистор 18, среднее значениеколлекторного тока которого18 = О/224 . Коллекторные токи первого и второго транзисторов 18, 19 суммируются зеркалом 22 вытекающего тока, на вход которого они поступают, Выходной ток зеркала 22 вытекающего тока122 = 2 О/224 (3) поступает на вход преобразователя 23 тока в напряжение, напряжение на выходе которого является выходным напряжением первого детектора 4 и определяется выражением04 = 2 К 23 ОП 241Ж где К 23 - коэффициент передачи преобразователя 23 тока в напряжение.Вследствие идентичности детекторов 4 и 5 выражение для выходного напряжения второго детектора 5 будет иметь видО 5 =. 2 К 23 О/725 (5) где 725 - модуль комплексного сопротивления второго плеча 25 дифференциального параметрического датчика 1.Выходные напряжения первого и второго детекторов 4 и 5 поступают на входы первого сумматора 8, напрякение на выходе которогоОв=Кв(ив+Щ=2 КвКввО , , Щ22422 в где К 8- коэффициент передачи первого сумматора 9.Выходное напряжение второгодетектора 5 поступает на первый вход первого блока 13 балансировки, на второй вход которого поступает выходное напряжение первого инвертирующего повторителя 10, Первый блок 13 балайсировки производит дифференциальное изменение коэффициЕнтов передачи по первому и второму входам и может быть выполнен, например, на основе потенциометра, крайние выводы которого являются входами, средний вывод - выходом первого блока 13 балансировки. При этом выходное напряжение первого блока 13 балансировки определяется выражением013 = К 13.205 К 13,1 О 4 = 2 К 23 О х хК 13, 224 - К 13.125224 в где К 13.1 и К 13.2 - коэффициенты передачи первого блока 13 балансировки по первому и второму входам. соответственно. При К 13,1 =. К 13.2 = К 13 выражение 7) принимает вид013 = 2 К 1 ЗКввЫ 22 . 8)224 22524 25На входы второго блока 14 балансировки поступают напрякения с выходов первого сумматора 8 и второго инвертирующего повторителя 11, который преобразует на 1796883+ 30 щения диффеиком 1 напря- еляется бота преобра случае анало льным парам ишь разнице первого суммователя перем ична работе с трическим дат , что выходное атора 8 опред в этом ренци стой л жение 55 выраж депреобвыхоразов пряжение 08 в равное по величине и противоположное по знаку напряжение.Второй блок 14 балансировки аналогичен первому блоку 13 балансировки и его вь)ходное напряжение 5 О 74 = 4 К 74 Ов 22 К 8 К 74 К 28 О (В) 724 + 4425 4424225 где К 14 - коэффициент, пропорциональный разности коэффициентов передачи по пер вому и второму входам второго блока 14 балансировки.Напрякения 01 з и 014 поступают на входы второго сумматора 12, выходное напряжение которого определяется выражением; 15424 4425 О 72-2 К 72 К 28 О(К 78" 4 КвК 74 х 4424.25(1 О)24425 где К 12 - коэффициент передачи второго сумматора 12.Напряжение с выходов первого и второго сумматоров 8, 12 поступают соответственно на вход опорного напряжения и информативный вход аналого-цифрового преобразователя 15, выходной код которого, поступающий на шину 16 выходного сигнала, определяется выражениемК 12 К 13 44 24 442508 . К 8 4424 +4425+ К 12 К 14) 14 п 2 ах, (11) ГДЕ Й(аах - МаКСИМаЛЬНЫй ВЫХОДНОЙ КОД аНалого-цифрового преобразователя 15,При работе преобразователя с бесконтактнь)м потенциометрическим датчиком 1 коммутатор 9 включен, Переменное напряжение с выхода генератора 2 поступает на вход 3 бесконтактного потенциометрического датчика 1 и через конденсатор связи 26 прикладывается к первому и второму 40 плечам 27, 28 датчика, образованным положением подвижной обкладки кбнденсатора 26 связи,Так как на втором и третьем выходах 6, 7 бесконтактного потенцлометрического датчика 1 поддерживается потенциал общей шины, то конденсатор 26 связи и параллельно соединенные первое и второе плечи 27; 28 образуют делитель, переменное напряжение в средней точке 29 которого О 2827 г 228 7227. + 7228 (12)827 г(28 228 +827 + )128где 02 - переменное напряжение на выхо генератора 2;827 и 828- сопротивления соответственно первого и второго плеч 27, 28, бесконтактного потенциометрического датчика 1,Токи, протекающие через первое и второе плечи 27, 28 бесконтактного потенциометрического датчика 1 под воздействием приложенного к ним напряжения 02 д, определяются выражением227В 27 4 В 28827 828В 27(228 + В В 4 В )О 2г 127 г 1287 27 + 7 28827 Р 28В 28(228 4 )7 27+7"28Токи 27 и 128 поступают на входы соответственно первого и второго детекторов 4 и 5, выходные напряжения которых4 277728827 + 8282 КззО 204 -В 27(228 4 )г(27 + 282 КззО -8277228827 + 28 (14)В 27(228 4. )827 74284227 + 28 После необходимых преобразований в соответствии с выражениями (6), (8), (9), (10) получим вь)ражения для выходного кода аналого-цифрового преобразователя 15 815=( + К 12 К 141 йпзах(15)8( 27 28При работе преобразователя перемещения на основе недифференциального параметрического датчика 1 коммутатор 9 выключен, При использовании в паре с параметрическим датчиком опорного элемента, выполненного по одной технологии с датчиком или образцового элемента, имеющего комплексное сопротивление того ке вида, что и датчик, схема замещения недиф-. .ферециального параметрического датчика будет аналогична схеме замещения дифференциального параметрического датчика 1, представленной на фиг. 3. При этом датчик (плечо 25) подключается к входу второго детектора 5, а опорнь)й (образцовый) элемент (плечо 24) - к входу первого детектора 4. Ов КВО 4 - , (7 В)2 К 8 К 23424соответствии с этим выракеного кода аналого-цифровоготеля 15 будет иметь вид+ -- + К 12 К 143 йщах (17)КВУ 25 КвИспользование предлагаемого преобразователя перемещения позволяет уменьшить влияние на результат преобразования мультипликативной составляющей погрешности, обусловленной разностью коэффициентов передачи плеч дифференциального параметрического датчика 1 и детекторов 4 и 5 за счет изменения коэффициентов передачи по входам первого блока 13 балансировки, а также аддитивной составляющей погрешности, обусловленной начальным смещением разности комплексных сопротивлений плеч датчика и напряжениями смещения детекторов 4 и 5, первого инвертирующего повторителя 10 и второго сумматора 12, за счет изменения коэффициентов передачи по входам второго блока 14 балансировки.Введение аналого-цифрового преобразователя 15 в предлагаемый преобразователь перемещения позволяет по сравнению с прототипом более точно выполнить функцию отношения аналоговых сигналов,По сравнению с прототипом предлагаемый преобразователь перемещения имеет более широкую область. применения, так как позволяет работать как с дифференциальными, так и с недифференциальными параметрическими датчиками.Использование в предлагаемом преобразователе перемещения детектора позволит уменьшить влияние паразитных емкостей кабелей связи и низкочастотной помехи. Уменьшение влияния параэитных емкостей кабелей связи обусловлено тем, что емкость кабеля по входу датчика 1 не входит в функцию преобразования, а на втором и третьем выводах датчика 1 поддерживается потенциал общей шины, что уменьшает влияния емкостей кабелей связи, соединяющих входы первого и второго . детекторов 4, 5 с соответствующими выводами датчика, Уменьшение влияния низко-.частотной помехи достигается за счет двухполупериодного выпрямления сигналов, поступающих на входы детекторов 4,5.Формула изобретения 1, Преобразователь перемещений, содержащий параметрический датчик, генератор переменного напряжения,подключенный к его входу, два детектора, каждый из которых подключен к соответст- вующему выводу датчика, первый сумматор, один из входов которого подключен к выходу первого детектора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, он снабжен коммутатором, первым и вторым инвертирующими повторителями, вторым сумматором, двумя блоками балансировки и аналого-цифровым преобразователем, вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя объединен с входом второго инвертирующего повторителя и входом второго блока балансировки и подключен к выходу первого сумматора,второй вход которого подключен к выходу коммутатора, а вход коммутатора обьединен с первым входом первого блока балансировки и подключен к выходу второго детектора, первый инвертирующий повторитель входом соединен с выходом первого детектора, а выходом - с вторым входом первого блока балансировки, выход которого подключен к одному из входов второго сумматора, второй вход которого. соединен с выходом второго блока балансировки, а выход второго сумматора соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход . второго инвертирующего повторителя соединен с вторым входом второго блока балансировки, а кодовые выходы айалого-цифрового преобразователя являются шиной выходного сигнала.2, Преобразователь перемещений по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что каждыйдетектор выполнен в виде операционного.усилителя, четырех транзисторов, зеркалавытекающеготока и преобразователя тока в напряжение, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной, инвертирующий вход, являющийся входом детектора; подключен к эмиттеру первого, базе второ(о и коллектору третьего. транзисторов, а выход - к базе первого,эмиттерам третьего и четвертого транзисторов, эмиттер второго транзистора соединен с базами третьего, четвертого транзисторов и коллектором четвертого транзистора, вход зеркала вытекающего тока подключен к коллекторам первого и второго транзисторов, а выход - к входу преобразователя тока в напряжение, выход которого является выхо1796883 дакто оррек етрова и ГКНТ ССС роизводственно-издательский комбинат "Патен ород, ул. Гагарина, 101 аказ 642 ВНИИ Составитель Н,Сух Техред М.Моргента Тираж осударственного комитета по и 113035, Москва, Ж