Преобразователь перемещений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 77990 51)5 6 01 В 7/00, 7 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) НТН ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ К АВТОР 54) ПРЕОБРАЗ НИЙ(57) Изобретение ной технике и мо системах управл движных обьектов ширение функци двухкоординатног мещений эа счет о рения линейных контроля вдоль пр АТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩ относится к жет быть ис ения перем . Цель иэобр ональных в о датчика у беспечения перемеще одольной ос ыи институт им,уров и А,Е.Портво СССРО. 1984. во СССРО, 1988.%1599647, кл,6 01 В 7/3 измерител ьпользовано в ещением поетения - расоэможн остей гловых пере- также и иэмений обьекта и преобрвзо1779907 5 10 15 20 25 30 35 вателя при одновременном обеспечении нечувствительности преобразователя к начальным угловым перемещениям и линейным перемещениям обьекта контроля в заданных диапазонах их изменения, Для этого в преобразователь введены сферический шарнир 7 и подвижный шток 9, выступающий за пределы электропроводящего элемента 6 и рукоятки 10 связи, Две дополнительные соединенные между собой встречно-последовательно катушки 19 и 20 индуктивности радиуса Вк расположены в двух параллельных плоскостях на расстоянии более 2 йк в центральном пазу корпуса и охватывают сердечник 23, имеющий скользящий контакт с наконечником штока 9, Электропроводящий элемент 6 и электропроводнце сердечники 21 токовихревого Изобретение относится к электроизмерительной технике и автоматике и может быть использовано в системах управления перемещением подвижных объектов (машин, судов, летательных аппаратов),Известен преобразователь перемещений, содержащий корпус, телескопически сопряженные стеряень и направляющую, датчик линейных перемещений стержня, неферромагнитнцй электропроводящий сферический экран и несколько катушек ин дуктивности, установленных в корпусе во взамно перпендикулярных плоскостях и симметрично относительно оси экрана; подключенных к блоку электроники,Преобразователь позволяет формировать сигналы от угловых и линейных перемещениях стержня, однако, не имеет зон нечувствительности к начальным перемещениям стержня, что ограничивает область его использования как элемента управления перемещением подвижных объектов, поскольку вибрация машин может вызвать появление ложных управляющих сигналов.Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является преобразователь перемещений, содержащий разьемный полый диэлектрический корпус, имеющий секторный вырез с углом у, размещенный в его полости с возможностью поворота электропроводящий элемент, выполненный в виде части шара радиуса Я, прикрепленную к нему одним концом рукоятку для связи с обьектом контроля, которая размещена в секторном вырезе корпуса, вихретоковцй датчик полокения электро- проводящего элемента. выполненный в виде четырех идентичных катушек индуктивности радиуса Й, которые устадатчика положения этого элемента имеют конические и цилиндрические участки и взаимодействуют с катушками 15 и 16, форми" руя сигналы об угловых перемещениях рукоятки 10. Диэлектрический сердечник 23 с насаженной на его конце электропроводящей втулкой 25 взаимодействует с катушками 19 и 20 индуктивности, формируя сигнал о линейных перемещениях штока 9. За счет выбора геометрических параметров сердечников, катушек индуктивности иих взаимного расположения обеспечивается независимость всех трех выходных сигналов от начальных перемещений рукоятки 10 в диапазоне углов + уо и штока 9 в диапазоне линейного перемещения Ео, 2 ил. новлены в корпусе попарно симметрично относительно его продольной оси и соединены в парах последовательно-встречно, и пять скользящих опор, взаимодействующих с плоской поверхностью электропроводящего элемента, каждая из которых выполнена в виде подпружиненного ступенчатого сердечника и размещена в соответствующем пазу корпуса, один из пазов расположен в центре корпуса на продольйой оси, а четыре остальных расположены соосно с соответствующей катушкой индуктивности, расположенные в этих четырех пазах сердечники выполняют функции подвижных элементов вихретокового датчика положения, каждый из них состоит из четырех жестко соединенных участков, первый и третий из которых имеют коническую форму и одинаковую длину, а второй и четвертый имеют цилиндрическую форму с различающимися в два раза диаметрами.Этот преобразователь позволяет формировать сигналы об угловых перемещениях рукоятки связи с управляющим обьектом по двум координатам, причем обеспечивает нечувствительность к угловым перемещениям рукоятки в заданном диапазоне изменения у = ч.уо., Однако преобразователь не может быть дополнен элементами, обеспе-чивающими формирование сигнала о линейных перемещениях элементов рукояткивдоль ее оси. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет преобразования также и линейного перемещения по продольной оси преобразователя при обеспечении нечувствительности сиг 1779907налов к начальным перемещениям рукоятки по всем координатам.Это достигается тем, что преобразователь перемещений, содержащий разьемный полый диэлектрический корпус, имеющий секторный вырез с углом у, размещенный в его полости с возможностью поворота электропроводящий элемент, выполненный в виде части шара радиуса Я, прикрепленную к нему одним концом рукоятку для связи с объектом контроля, которая размещена в секторном вырезе корпуса, вихретоковый датчик положения электропроводящего элемента, выполненный в виде четырех идентичных катушек индуктивности радиуса В, которые установлены в корпусе попарно симметрично относительно его продольной оси и соединены в парах последовательно-встречно. и пять скользящих опор, взаимодействующих с плоской поверхностью электропроводящего элемента, каждая из которых выполнена в виде подпружиненного ступенчатого сердечника и размещена в соответствующем пазу корпуса, один из пазов расположен в центре корпуса на продольной оси, а четыре остальных расположены соосно с соответствующей катушкой индуктивности, расположенные в этих четырех пазах сердечники выполняют функции подвижных элементов оихретокового датчика положения, ка;кдый из них состоит из четырех жестко соединенных участков, первый и третий из которых имеют коническую форму и одинаковую длину, а второй и четвертый имеют цилиндрическую, форму с различающимися в 2 раза диаметрами, снабжен установлен.ным на продольной оси сферическим шарниром, жестко соеди- ненным с рукояткой и электропроводящимэлементом и имеющим сквозное отверстие,проходящим через это отверстие и черезотверстия в электропроводящем элементе ив рукоятке, выполненной в виде полого.стержня, штоком с опорным наконечником, шток установлен с возможностью линейного перемещения вдоль продольной оси преобразователя и подпружинен с помощью, пружины, установленной в полости рукоят- ки и упирающейся в поверхность сферического шарнира, двумя дополнительными катушками индуктивности радиуса Я, расположенными в центральном пазу корпуса на расстоянии одна от другой, превышающем 2 йк, и соединенных между собой последовательно-встречно, и электропроводной втул-кой, охватывающей центральный сердечник и имеющей длину, равную расстоянию между плоскостями дополнительных катушек индуктивности, втулка установлена со сме щением вдоль продольной оси преобразователя относительно плоскости дополнительных катушек в направлении электропроводящего элемента. величина этого смещения равна сумме Йк и части длины этой втулки, на которую она превышает диаметр одной катушки, центральный сердечник выполнен в виде диэлектрического стержня, на конце которого выполнена площадка с криволинейной поверхностью, в ко 10 управления подвижных объектов, где возможны случайные изменения подвижных элементов преобразователя под действием 35 вибрации. Сходные признаки, которые дают тот жеположительный эффект, не содержат известные решения, Таким образом, заявленный преобразователь обладает новизной,40 полезностью и существенными отличиями. На фиг,1 схематично изображен преобразователь перемещений; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.Преобразователь перемещений (фиг.1) содержит разъемный полый диэлектриче 45 ский корпус 1, в верхней части (не показана) которого имеется секторный вырез 2 с углом у, а в нижней части (не показана) имеются четыре периферийных паза 3, выполненных попарно диаметрально противоположно, и центральный паз 4. Между верхней и нижней частями корпуса 1 имеется полость 5. в которой установлен с возможностью поворота электропроводящий элемент б, выполненный в виде части усеченного с двух 50 55 сторон шара радиуса В и жестко соединенный со сферическим шарниром 7, закрепленным в корпусе 1. Через центральное отверстие 8 шарнира 7 и отверстие в рукоятке 10 для связи с объектом конроля, выторую упирается наконечник штока, последний выступает за пределы электро- проводящего элемента преобразователя, с одной стороны и за пределы рукоятки - с 15 другой стороны.Конструкция преобразователя позволяет формировать сигналы об угловых перемещениях рукоятки, обеспечивая за счет выполнения формы сердечников и их разме ров нечувствительность к начальным угловым перемещениям. Введение новых элементов позволяет дополнительно формировать сигнал о линейных перемещениях штока, а выбор размеров и расположения катушек индуктивности, а также электро- проводящей втулки обеспечивает создание зоны нечувствигельности к начальным перемещениям штока. Эти особенности конструкции расширяют функциональные возможности преобразователя, обеспечивая его использование в качестве элементаполненной в виде полого стержня, проходит шток 9, Концевые участки 11 и 12 штока 9 выступают соответственна над плоскостью электраправадящего элемента 6 и концом рукоятки 10. Шток 9 имеет свободный продольный хад, ограниченный с одной стороны наконечником 13, закрепленным на выступающем участке 11 штока 9, а с другой стороны с пружиной 14, установленной в полости рукоятки 10 и закрепленной на штоке 9 и сферическом шарнире 7,В корпусе 1 саасна с соответствующим периферийным пазом 3 установлены в одной плоскости четыре идентичные катушки 15-18 (фиг,1 и 2) индуктивнасти с радиусом й, Эти катушки соединены мекду собой попарно-дифференциально,В центральном пазу 4 корпуСа устанавленц саасна в параллельных плоскостях соединенные между собой дифференциально две дополнительные катушки 19 и 20 индуктивнасти, Осевое расстояние между ними равно 2 К+Хо, где Ео - заданная зона нечувствительности к линейным перемещениям штока 9 вдаль продольной оси. Расстояние между плоскостями катушек 19 и 20 индуктивнасти оределяет,свободный продольный хад штока Й.Катушки 15-18 (фиг.2) индуктивнасти охватывают идентичные сердечники 21, опирающиеся нэ пружины 22 Ииг.1), которые установлены в пазах 3 корпуса 1. Дополнительные катушки 19 и 20 индуктивнасти охватывэат. центральный сердечник 23, который выполнен в виде диэлектрического стержня 24. На одном конце этого стержня выполнена площадка с поверхностью сегмента для контакта с наконечником 13 штока 9, а нэ друтам насажена электраправодная втулка 25 длиной, равной рэсстаянио между плоскостями катушек 19 и 20 индуктивнасти. Этэ втулка установлена са смещением вдаль продольной аси штока 9 относительно плоскости катушек 19 и 20 индуктивности на величину, равную В + Ео в направлении электропровадящега элемента 6, Центральный сердечник 23 падпружинен с помощью пружины 26. Катушки 15-18 установлены в корпусе 1 на расстоянии от поверхности электроправодящега элемента 6, не превышающем величины Вз 1 п у. Первый и третий участки 27 и 28 сердечников 21 выполнены коническими и их длины выбраны одинаковыми и равными 1-1,з Яз 1 пЯ, а второй и четвертый участки 29 и 30 сердечников 21 выполнены цилиндрическими с различающимися в 2 раза диаметрами, причем диаметр четвертага участка 30 сердечников 21 выбраны наибольшими и близкими к внутреннему диаметру катушек 15-18 индуктивности, Второйучасток 29 сердечника 21 выполнен длиной12 = 2 В = 1 з 1 пу, где 1 = Йсоз у аз 1 п у; а -5 расстояние от центра сферического шарнира 7 до поверхности электропроводящегоэлемента 6, контактирующей с сердечником21; )о - заданная угловая зона нечувствительности преобразователя к угловым пере 10 мещениям рукоятки 10, При а = В длина12 = 2 й+ Язи )(соз у- зпу). Сердечники21 и 23 имеют скользящие контакты соответственно с плоской поверхностью элетроправодящего элемента 6 и наконечником 1315 штока 9. Выводы катушек 15-20 индуктивности подключены к блоку 31 электроники, состоящему из высокочастотногоформирователя возбуждающих сигналов итрех типовых идентичных каналов преобра 20 зователя выходных сигналов этих катушек,абразуащих вихретоковые датчики для измерения перемещения их подвижных сердечников 21 и 23. Каждая пара катушек 15 и16, 17 и 18 и 19 и 20 индуктивнасти подклю 25 чена к генератору прямоугольных импульсов через последовательно соединенныеформирователь импульсов и усилитель мощности, а средние выводы этих пар катушекиндуктивности соединены с соответствую 30 щим каналом преобразования их выходныхсигналов, состоящим из последовательносоединенных усилителя Сигнала и синхронного детектора, опорный вход которого соединен с формирователем возбуждающего35 сигнала,Преобразователь перемещений работа-ет следующим образом.В исходном состоянии рукоятка 10 занимает палокение, перпендикулярное от 40 носительно плоскости установки катушек15-20 индуктивности. Припитании этих катушек индуктивности напряжением высокой частоты, поступающим. от генератораблока 31 электроники, наведенные от созда 45 ваемых ими магнитных полей вихревые токи, протекающие по поверхности участков29 электропроводящих сердечников, будутравны, поскольку геометрические параметры этих участков 29, в центре симметрии50 которых установлены катушки 15-18 индуктивности, одинаковы, а магнитное поле вихревых токов, протекающих по поверхностизлектропровадящей втулки 25 сердечника23, будет воздействовать только нэ катушку55 19 индуктивности, не влияя на катушку 20индуктивности, поскольку расстояние открая втулки 25 до катушки 20 индуктивностибольше В. Таким образом, со средних точекпар катушек 15, 16 и 17, 18 индуктивностибудут сниматься нулевые сигналы Оа = 0 и Ор = О, а со средней точки пары центральных катушек 19 и 20 индуктивности будет сниматься отрицательный сигнал5Такого уровня и близкого к нему напряжения на выходе блока 31 электроники преобразователя сохраняются в некотором диапазоне нечувствительности к угловым перемещениям ( ч. уо) рукоятки 10 по любой 10 координате и линейным перемещениям (Ео) штока 9 рукоятки 10 относительно исходного, Это достигается выбором геометрических параметров катушек 15-20 индуктивности, сердечников 21 и 23, элект ропроводящей втулки 25, электропроводящего элемента 6 и взаимным их расположением в корпусе 1, При выборе длины участка 29 сердечника 21 в виде Е 2 = 2 йк + 1 эи уо2 йк согласно теории 20 вихревых токов влияние участков 27 и 28 сердечников 21 на катушки 15-18 индуктивности, приводящие к изменению Оа и Ор, будет только при углах у ) уо отклонения рукоятки 10, Теория вихревых токов и экспериментальные данные показывают, что изменение геометрических параметров сердечника катушки индуктивности начинают влиять на выходной сигнал ("краевой эффект") только на расстоянии, меньшем, чем радиус катушки индуктивности, При этом любыеугловыеперемещения рукоятки 10 не приводят к изменению сигналов на катушках индуктивности за счет расположения электропроводящей втулки 25 относительно катушек 19 и 20 индуктивности, выбора ее длины, равной (2 йк + 2 о). и обеспечения постоянства контакта между наконечником 13 и сердечником 23, достигаемого использованием пружины 26 и выполнением конца . сердечника 23 в виде части площадки с поверхностью сегмента с центром в центре вращения сферического шарнира 7, Перемещение штока 9 относительно исходного на величину го приводит к перемещению 45 электропроводящей втулки 25 на ту же величину, но сигналы на катушках 19, 20 ин-. дуктивности не изменяются, поскольку расстояние от катушек 19, 20 индуктивности до краев втулки 25 остается не менее й. При угловых перемещениях рукоятки 10. прОисходит поворот электропроводящего элемента 6 вокруг центра вращения сферического шарнира 7, При этом сердечник 23 начального положения не изменит, а в диа-метрально противоположных пазах 3 сердечники 21 перемещаются в противоположных направлениях, взаимодействуя с пру кинами 2. При угловых перемещениях по обеим угловым координатам х 7 о иР уо рукоятки 10 значительное число магнитных силовых линий полей, создаваемых катушками 15-18 индуктивности, начнут пересекать поверхности участков 27 и 28 сердечников 21, При этом сигналы каждой катушки 15-18 индуктивности, соединенных в пары, из-за противополокных перемещений сердечников 21 изменяются в противоположных направлениях, поскольку в зону влияния одной катушки индуктивности попадает участок 27 сердечника 21, в зону влияния другой катушки индуктивности, соединенной с первой, попадает участок 28 сердечника 21. Поскольку диаметры участков 27 и 28 сердечников 21 различны. то разностные сигналы, снимаемые со средних точек каждой пары катушек 15, 16 и 17, 18 индуктивности, будут отличны от нуля. При больших углах у перемещения рукоятки 10, близких к максимальным, электропроводящий элемент 6 приближается к одной иэ двух катушек 15, 16 и 17, 18 индуктивности, соединенных в пары, и в нем также наводятся вихревые токи, которые форми-, руют магнитное поле, воздействующее на эту же катушку индуктивнасти, создавая эффект уменьшения величины перемещения части 27 сердечника 21. Этот эффект необходим, поскольку позволяет скомпенсировать при больших у неодинаковость перемещений сердечников 21 в каждой из катушек 15-18 индуктивности, соединенных в пэры и тем самым обеспечить необходимую линейность выходного (разностного) сигнала каждой пары катушек индуктивности во всем диапазоне угловых перемещений рукоятки 10. Влияние электропроводящего элемента 6 на катушки 15-18 индуктивности начинается, когда расстояние до них не больше йк, что следует иэ теории вихревых токов. Неодинаковость перемещений сердечников 21 в каждой паре катушек 15, 16 и 17, 18 индуктивности возникает из-за того, что центр плоской поверхности электропроводящего, элемента 6. являющийся диаметральной плоскостью усеченного шара, не совпадает с центром вращения, который находится в центре.сферического шарнира 7. Необходимая линейность выходных сигналов подбирается экспериментально выбором параметров й, а, 1, длины участков 27 сердечников 21 и расстояния от электропроводя щего элемента 6 до плоскости установки катушек 15-18 индуктивности, а также выбором величины электропроводности материала электро- проводящего элемента б, 1779907 12При нажатии на выступающую часть 12 штока 9, обеспечивающем его перемещение Е2 о, наконечник 13 штока 9 будет взаимодействовать на торцовую поверхность сердечника 23 независимо от углового 5 положения рукоятки 10, сжимая пружину 26 и перемещая электропроводящую втулку 25 по центральному пазу 4, При симметричном расположении втулки 25 относительно катушек 19 и 20 индуктивности разностный сиг нал, снимаемый с них,будет равен нулю (Ог = О), а при дальнейшем перемещении штока 9 в том же направлении втулка 25 займет положение, противоположное исходному положению относительно катушек 15 19 и 20 индуктивности. На выходе блока 31 электроники появится положительный сигнал О зО. При этом сигналы об угловых перемещениях рукоятки 10 не изменятся,20Таким образом, преобразователь позволяет формировать три независимых сигнала, два из которых об угловых перемещениях рукоятки по двум координатам, а один о линейных перемещениях што ка в рукоятке по ее оси, при этом обеспечивается их защищенность от случайных начальных перемещений рукоятки и штока в заданных диапазонах их изменения. 30Формула изобретенияПреобразователь перемещений, содержащий разъемный полый диэлектрический корпус, имеющий секторный вырез с углом у, размещенный в его полости с возможно стью поворота электропроводящий элемент, выполненный в виде части шара радиусом Й. прикрепленную к нему одним концом рукоятку для связи с объектом контроля, которая размещена в секторном вы резе корпуса, вихретоковый датчик положения электропроводящего элемента, выполненный в виде четырех идентичных катушек индуктивности радиусом Я, которые установлены в корпусе попарно сим метрично относительно его продольной оси и соединены в парах последовательно . встречно и пять скользящих опор, взаимодействующих с плоской поверхностью электропроводящего элемента, каждая из 50 которых выполнена в виде подпружиненного ступенчатого сердечника и размещена в соответствующем пазу корпуса, один из пазов расположен в центре корпуса на продольной оси, а четыре остальных расположены соосно с соответствующей катушкой индуктивности, расположенные в этих четырех пазах сердечники выполняют функции подвижных элементов вихретокового датчика положения, каждый из них состоит из четырех жестко соединенных участков, пер.вый и третий из которых имеют коническую форму и одинаковую длину, а второй и четвертый - цилиндрическую форму с различающимися в два раза диаметрами, о тл и ч а- . ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей эа счет преобразования также и линейного перемещения по продольной оси преобразователя, он снабжен установленным на этой оси сферическим шарниром. жестко соединенным с рукояткой и электропроводящим элементом и имеющим сквозное отверстие, проходящим через это отверстие и через отверстия в электропроводящем элементе и в рукоятке, выполненной в виде полого стержня, штоком с опорным наконечником, шток установлен с возможностью линейного перемещения . вдоль продольной оси преобразователя и подпружинен с помощью пружиныустановленной в полости рукоятки и упирающийся в поверхность сферического шарнира, двумя дополнительными катушками индуктивности радиусом Я, расположенными в центральном пазу корпуса на расстоянии одна от другой, превышающем 2 Я, и соединенными между собой последовательно встречно. и электропроводной втулкой, охватывающей центральный сердечник и имеющей длину. равную расстоянию между плоскостями дополнительных катушек индуктивности, втулка установлена со смещением вдоль продольной оси преобразователя относительно плоскости дополнительных катушек в направлении электропроводящего элемента, величина этого смещения равна сумме Я и части длины этой втулки, на которую она превышает диаметр одной катушки, центральный сердечник выполнен в виде диэлектрического стержня, на конце которого выполнена площадка с криволинейной поверхностью, в которую упирается наконечник штока, преобразователя с одной стороны и за пределы рукоятКи - с другой стороны.1779907 ректор Н.Гунь Ре м при Г оизводственно Заказ 4428 ВНИИПИ Госуд Составитель В.Биро Техред М.Моргентал Тираж Подписное венного комитета по изобретениям и открыт 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 ельский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагаринэ, 101