Датчик виброперемещений

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИЕСПУБЛИК 5)5 6 01 ЕНИЯ САНИЕ И е магнит тов авто 109, рис НИИ эмерителья контроля иэобретелинеаридатчика, ений, со- ОПРОВОД счет. пере- всем 4 ил. енный к измерительо для контроля ции в объектах, в коремещений рабочего тические перемещесится начен атно едназ вибра ропе ы стаИзобретение ной технике и пр низкочастотной торых кроме виб органа возможнния. ещений, магнитожду ни- Относина ценвиброперемтержневыхоженный мс зазоромазмещенны ик ре ен дай два Извест держа щи ровода. я и и уста льно них споныйки, р орь,овле ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) ДАТЧИК ВИБРОПЕРЕМЕ ЩЕ(57) Изобретение относится к иной технике и предназначено длнизкочастотной вибрации. ЦелЬния - повышение точности за счеэации выходной характеристикиДля этого в датчик виброперемещдержащий трехстержневой магнс тремя обмотками, якорь, распо нженерно-строительный Г.Гольденберг и А,И,Куи Шамрай Б.В, Электроства автоматики. - М, Я 21714330 А 1между боковыми стержнями, и генератор, введены фазочувствительный преобразователь, инвертирующий повторитель, два диода и двухтактный амплитудный модулятор, При этом коэффициенты передачи К 0 с двухтактного амплитудного модулятора и Кф фазочувствительного преобразователя выбираются равными Кос - мР/Иэад, КФ=1,5Оэад/К 2 мЮ), где К 2 = 8,88 Вlб,иЯ, УЧ и Юlб - число витков обмотки центрального и бокового стержней,- расстояние между якорем и боковыми стержнями (в нейтральном положении якоря); 1 - частота генератора;р- магнитная проницаемость воздуха; б - площадь сечения боковых стержней,- амплитудное значение тока в обмотке центрального стержня; Оэад заданное значение выходного напряжения. Образованная в датчике система с обратной связью и указанным выбором коэффициентов передачи позволяет линеаризовать выходную характеристику за автоматической регулировки полного даточного коэффициента датчика на диапазоне измеряемых перемещений,тральных стержнях, и измерительную схему. Известен также датчик виброперемещений, содержащий трехстержневой Ш-образный магнитопровод, обмотку возбуждения, размещенную на центральном стержне, две измерительные обмотки, размещенные на боковых стержнях, якорь, расположенный между боковыми стержнями с возможностью перемещения относительно стержней, генератор переменного напряжения, подключенный к обмотке возбуждения. и блок обработки.В известном датчике блок обработки выполнен в виде дифференциальной схемы. При перемещении якоря, механически связанного с объектомвибрация которого контролируется, на выходе блока обработки появляется напряжение, зависящее от величины перемещения якоря. Недостатком известных датчиков является относительно низкая точность работы, что приводит к непостоянству коэффициента передачи датчика при различных положениях якоря и затрудняет проектирование систем автоматического управления вибрационными объектами, на которых датчик используется в качестве источника информации о виброперемещениях объекта.Цель изобретения - повышение точности за счет линеаризации выходной характеристики датчика.На фиг,1 изображена функциональная схема датчика виброперемещений; на фиг,2 - график статических характеристик датчика; на фиг.З- структурная схема датчика; на фиг.4 - график выбора настроечных параметров,Датчик виброперемещений содержит трехстержневой Ш-образный магнитопровод 1, якорь 2, расположенный между боковыми стержнями магнитопровода, обмотку 3 возбуждения, размещенную на центральном стержне и подключенную к генератору 4 переменного напряжения, измерительные обмотки 5.1 и 5.2, размещенные на боковых стержнях, Датчик содержит также блок 6 обработки, включающий фазочувствительный преобразователь 7, инвертирую.- щий повторитель 8, первый диод 9, второй диод 10 и двухтактный амплитудный модулятор 11. На центральном стержне магнитопровода, кроме обмотки 3 возбуждения, находится дополнительная обмотка 12. Выходы измерительных обмоток 5,1 и 5.2 соединены с первым и вторым входами фззочувствительного преобразователя 7, выход которого связан с катодом первого диода 9 и через инвертирующий повторитель 8 - с катодом второго диода 10. Аноды диодов объединены и подключены к первому входу двухтактного амплитудного модулятора 11, второй вход которого соединеН с генератором 4 переменного напряжения, а выход- с дополнительной обмоткой 12.На фиг.2 обозначено; Х - статическое перемещение якоря 2, - расстояние между якорем и боковыми стержнями магнитопровода при нейтральном положении якоря, Е 1 и Е 2 - действующие значения электродвижущих сил на измерительных обмотках 5.1 и 5.2, Е - разность злектродвижущих сил Е 1 и Е 2.50 55 где - расстояние между якорем и боковыми стержнями магнитопровода при нейтрзльном положении якоря; р- магнитная проницаемость среды, находящейся в воздушном зазоре, в частности, воздуха;Я - площадь поперечного сечения якоря (боковых стержней); К -постоянный1коэффициент.Сопротивление воздушного зазора между якорем и центральным стержнем при На фиг.З.обозначено: Кз - коэффициентпередачи датчика в предположении, что дополнительная обмотка 12 отсутствует, аблок обработки выполнен в виде дифферен 5 циальной схемы, Кф - коэффициент передачи фазочувствительного преобразователя,Кс - коэффициент передачи двухтактногоамплитудного модулятора,1 и Ю - амплитудное значение тока и число витков обмат 10 ки 3 возбуждения, 0 - действующее энзчение напряжения на выходе датчика.На, фиг,4 обозначено: Озад - заданноезначение выходного напряжения датчика,ЬО 1 и ЖЬ - величины, введенные для оцен 15 ки максимальной ошибки воспроизведениядатчиком заданного коэффициента передачи, остальные обозначения соответствуютобозначениям, принятым на фиг.2 и фиг.З,Датчик виброперемещений работает20 следующим образом.При подключении датчика к источникупитания (не показан) от генератора 4 переменного напряжения в обмотку 3 возбуждения подается гармоническое напряжение с25 постоянной амплитудой и фиксированнойчастотой, которая существенно выше частоты изменения виброперемещений якоря 2 (вбольшинстве случаев частота напряжения,питающего обмотку 3 возбуждения, состав 30 ляет тысячи герц, а частота изменения виброперемещений - десятки герц). За счетэтого в магнитопроводе 1 возникает разветвленный магнитный поток, приводящий кпоявлению электродвижущих сил в измери 35 тельных обмотках 5.1 и 5.2, расположенныхна боковых стержнях,При нейтральном положении якоря 2магнитные сопротивления воздушных зазоров между якорем и боковыми стержнями40 (магнитные сопротивления стержней магнитопровода ввиду их малости по сравнениюс сопротивлением воздушных зазоров неучитываются) одинаковы и определяютсясоотношением451714330 рассмотрении работы датчика не учитывается, так как зеличина этого зазора существенно меньше зазора между якорем и боковыми стержнями и выбирается только для обеспечения возможности перемеще ния якоря 2 в рабочем направлении, т.е, В направлении боковых стержней,При нейтральном положении якоря одинаковыми будут также амплитудные значе ния магнитных потокОВ В боковых стержнях м ЧЧФИ 1 фи 2К 1(2) 15 где 1 м - амплитудное значение тока в обмотке 3 возбуждения, зависящее при заданной геометрии магнитопровода (при описании работы датчика предполагается, что геометрия магнитопровода задана и неизменна) от 20 амплитудного значения напряжения навыходе генератора 4 переменного напряжения; ЧЧ - количество витков в обмотке 3 возбуждения,При равном числе витков в измеритель ных обмотках 5.1 и 5.2 иЮк,т+х) 0 Е 1 4,44 ЧЧ 61 м ЧЧ(3) действующие значения электродвижущих 30сил, возникающих на измерительных обмотках 5.1 и 5.2; Результирующая электродвижущая сила (сигнал на выходе: дифференциальной 35 схемы) где т - частота напряжения, поступающего с генератора 4, также будут одинаковыми, а разность между ними 40 Е 1 - Е 2 = О. (б) При смещении якоря 2 с нейтрального положения равенство магнитных сопротив лений, потоков и электродвижущих сил нарушается. Для выявления специфических особенностей и преимуществ. датчика его работу при смещении якоря с нейтрального . полежения целесообразно рассмотреть как 50 в предположении, что дополнительная обмотка 12 отсутствует, а блок обработки выполнен в виде дифференциальной схемы, так и при наличии дополнительной обмотки и Века обработки, включающего фааочув ствительный преобразователь 7, инвертирукйций повторитель 8, первый и второй диоды 9 и 10 и двухтактный амплитудный модулятор 11. Е 1 4,44 ЧЧбм 1: (4) Ег 4,44 ЧЧбгФмг (5) Работа датчика в предположении, что дополнительная обмотка на центральном стержне отсутствует, а блок обработки выполнен в виде дифференциальной схемы. При смещении якОря 2 от нейтрального положения на величину Х, магнитное сопротивление одного воздушного зазора уменьшается, а другого увеличивается; В К ( - Х); (7) Ъг К 1( + Х) (8) Соответственно магнитные потоки в боковых стержнях будут изменяться по соот- ношениям В измерительных обмотках 5.1 и 5.2 приэтом возникнут электродвижущие силы- Ег=ЧЧХ = К 1( - х )ент.Таким образом, электродвижущие силы Е 1 и Е 2, возникающие на измерительных, обмотках 5,1 и 5,2, и результирующая электродвижущая сила Е являются функциями перемещения якоря Х и ампер-витков иЧЧ обмотки 3 возбуждения, Особенностью функции Е(Х) является то, что она нелинейна,.Работа датчика при наличии дополнительной обмотки на центральном стержне и выполнении блока обработки в виде совокупности фазочувствительного преобразователя, инвертирующего повторителя, двух диодов и двухтактного амплитудного модулятора (работа датчика по предложеннойсхеме). Формирование результирующей электродвижущей силы Е в данном варианте осуществляется аналогично описанному выше. Различие состоит лишь в том, что вычитаниЕ Сигнала Ег из Сигнала Е 1 ОСущвствляется на входе фазочувствительного преобразователя 7.Характерной особенностью датчика виброперемещений является линеаризация статической характеристики датчика Е = - Е(Х) путем использования специфической обратной связи. Обратной связью охватывается не основной канал датчика "перемещение якоря Х - электродвижущая сила Е", а вспомогательный канал "ампер-витки обмотки возбуждения 1 Я - электродвижущая сила Е". Возможность осуществления такой обратной связи вытекает из соотношения 13, из которого следует, что электродвижущая сила Е зависит не только от перемещения якоря Х, но и от ампер-витков 1 мЮ обмотки возбуждения.Для осуществления обратной связи электродвижущие силы Е и Ег, индуцируемые на измерительных обмотках 5.1 и 5.2 и зависящие от перемещения якоря 2, подаются на первый и второй входы фазочувствительного преобразователя 7, в котором алгебраически суммируются, усиливаются по напряжению, выпрямляются и фильтруются. В результате этого на выходе фазочувствительного преобразования 7 формируется напряжение постоянного тока, величина которого зависит от величины смещения якоря 2 из нейтрального положения, а знак определяется направлением смещения, Необходимость использования фазочувствительного преобразователя обусловлена тем, что при изменении направления смещения якоря 2 из нейтрального положения фаза результирующей электродвижущей силы Е изменяется на 180 электрических градусов,Поскольку знак напряжения на выходе фазочувствительного преобразователя 7 при изменении направления смещения якоря из нейтрального положения изменяется на обратный, возможен переход отрицательной обратной связи в положительную. Для исключения такого перехода в датчике виброперемещений выделяется модуль выходного напряжения фазочувствительного преобразователя 7, Выделение модуля осуществляется инвертирующим повторителем 8, первым диодом 9 и вторым диодом 10, причем на катод первого диода 9 выходное напряжение фазочувствительного преобразователя 7 поступает непосредственно, э на катод второго диода 10 - через инвертирующий повторитель 8, Так как ве 5 10 15 20 25 30 35 40 50 личина выходного напряжения инвертирующего повторителя 8 равна величине напряжения на его входе, а знак выходного напряжения противоположен знаку входного, при постуйлении неинвертируемого и инвертируемого напряжений на катоды диодов 9 и 10 на объединенных анодах этих диодов выделяется модуль выходного напряжения фэзочувствительного преобразователя 7.С анодов диодов 9 и 10 напряжение поступает на первый вход двухтактного амплитудного модулятора 11, на второй вход которого поступает гармоническое напряжение с выхода генератора 4, На выходе двухтактного амплитудного модулятора 11 формируется сигнал переменного напряжения, фаза которого совпадает с фазой напряжения на его втором входе, т.е, на выходе генератора 4, а амплитуда пропорциональна уровню напряжения на первом входе, Переменное напряжение с выхода двухтактного амплитудного модулятора 11 подается на дополнительную обмотку 12 центрального стержня, нэ обмотку 3 которого поступает напряжение с выхода генератора 4.Обмотки 3 и 12 намотаны на центральном стержне магнитопровода встречно. следовательно, ампер-витки дополнительной обмотки 12 вычитаются из ампер-витков обмотки 3, Соответственно вычитаются магнитные потоки, создаваемые обмотками 3 и 12, т,е. канал "ампер-витки 14 Ю обмотки возбуждения - электродвижущая сила Е" охватывается отрицательной обратной связью. Структурная схема образовавшейся системы с обратной связью представлена на фиг,3. На этой схеме Кз является коэффициентом передачи звена, входной величиной которого являются ампер-витки обмотки возбуждения, а выходной - электродвижущая сила Е. Уравнением этого звена является соотношение (13), причем за входную величину принято не перемещение якоря Х, а ампер-витки 1 дИ, т,е,Е 8,88 ЮоХ4)1 Ю К,(1 г Хг) На фиг.З Кф является коэффициентом передачи фазочувствительного преобразо- . вателя 7, а Кос - коэффициентом передачи двухтактноо амплитудного модулятора 11. Звено в прямой цепи. включающее инвертирующий повторитель 8, первый и второй диоды 9 и 10, обладает коэффициентом передачи, равным единице, и на структурной схеме не показано.(19) О - 1 + Кз Кф Кос 15) 2 Х 2 Выходное напряжение образовавшейся системы с обратной связью где 0- напряжение на выходе фазочувствительного преобразователя 7, являющееся одновременно выходным напряжением датчика,Возможен такой выбор параметров датчика, при котором происходит линеариэация его статической характеристики, В датчике виброперемещений в качестве варьируемых. настроечных параметров приняты два конструктивных параметра - . коэффициент передачи Кф фазочувствительного преобразователя 7 и коэффициент передачи Кос двухтактного амплитудного модулятора 11, Остальные параметры принимаются заданными, неизменяемыми.Получив численное значение выходного напряжения датчика 0= Озад непосредственно из соотношения 15) следует, что при ХО = Озад =мЮ(16)Оос где ампер-витки мЯ - заданная величина.Из (16) определяется численное значение настроечного параметра Кос.Кос -Г -(17)м ЧЧзадРасчетная формула для определения настроечного параметра Кф выводится иэ уравнения (15) при подстановках:0-О,50Х 0,5Кос мМ/Изад (18)После подстановок и преобразований получим: 5 Таким образом, при значении Кф, рассчитанном по формуле (19), минимизируетсямаксимальное отклонение линеаризованной характеристики датчика от "идеальной"линейной характеристики. Приведенные на10 фиг,4 "идеальная" линейная характеристики датчика и линеариэованная характеристика соответствуют смещению якоря 2 водну сторону от его нейтрального положения. При смещении якоря в противополож 15 ную сторону статические характеристикиидентичны и располагаются в третьем квадранте,Формула изобретенияДатчик виброперемещений, содержа 20 щий трехстержневой Ш-образный магнитопровод, обмотку возбуждения, размещенную на центральном стержне, две измерительные обмотки, размещенные на боковыхстержнях, якорь, расположенный между бо 25 ковыми стержнями с воэможностью перемещения относительно стержней,генератор переменного напряжения, подключенный к обмотке возбуждения, и блокобработки,отл ич а ющийс я тем,что, сЗ 0 целью повышения точности, он снабжен дополнительной обмоткои, размещенной нацентральном стержне, а блок обработки выполнен в виде фазочувствительного преобразователя, подключенного к выходам35 измерительных обмоток, инвертирующегоповторителя, двух диодов и двухтактногоамплитудного модулятора, выход фазочув, ствительного преобразователя соединен скатодом первого диода и через инве ртируе 40 щий повторитель - с катодом второго диода,аноды диодов объединены и подключены кпервому входу двухтактного амплитудногомодулятора, второй вход которого соединенс генератором переменного напряжения, а45 выход - с дополнительной обмоткой,1714330 Фю. ректор Э.Лончакова ктор И.Баню 10 атент", г. Ужгород, ул. Г кий ком н но-издате во аказ 681 ВНИИПИ Составить Л.Гольденбергина Техред М,Мщиентал Тираж Подписноетвенного комитета йо изобретениям и открмтиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/б