Устройство для измерения перемещений

(51)5 6 01 В 7/00 Е ИЗОБРЕТЕДЕТЕЛЬСТВУ ПИСАН И О.РСКОМ 6 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) Батворин А.А. и др, Цифровые системыуправления.злектроприводами, Л,: Энергия,1977. с,49-50,Отчет ВНИИМЕТМАШа 1 ч. 77;1,19.45429 Н/3 45 - 769, Разработка и исследованиеспециализированной командной аппаратурыдля датчиков контроля перемещений, М,;В НТИЦ, инв, М Б 715903, 1981, с,37 - .51;(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в угловых и линейных датчикахперемещений, работающих в режиме фаэовращателя при измерении перемещений,Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в угловых и линейных датчиках перемещения, работающих в режиме фазовращателя, типа индуктосин, применяемых для измерения перемещений, скоростей или положения подвижных элементов исполнительных механизмов различного типа,Известно устройство преобразования скорости углового перемещения в код, которое содержит последовательно соединенные генератор, делитель частоты, фазорасщепитель, фазовращатель, умножискоростей и положения подвижных элементов исполнительных механизмов различного типа. Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей. При перемещении головки фазовращателя сигналы с его выхода поступают на вход усилителя и преобразуются в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна перемещению головки относительно линеек, Указанные сигналы подаются на счетный вход регистра, на другой вход которого поступают сигналы со счетчика-таймера. Значение кода в регистре будет изменяться с приходом каждого следующего импульса с выхода фазовращателя. В результате последующей обработки сигнала на выходе вспомогательного счетчика будет формироваться код, пропорциональный перемещению головки относительно линейки.2 ил,ль частоты и схему сравнения, ко втором оду которой подключен выход генерато Недостатком известного устройства преобразования скорости углового перемещения в код является сложность аппаратной реализации его из-за наличия двух каналов преобразования, что требует дополнительных элементов для построения преобразователя и снижает надежность его работы, Кроме того, из-за неидентичности настройки каналов и разброса параметров (фазовые нестабильности фильтров и нуль- органов) и при наличии в измеряемых на5 10 15 20 25 30 35 40 45 2 лф =ио 1+ - у- Х,50 55 пряжениях гармоник, ухудшается точность измерения параметра перемещения, а также возможные сбои в режиме реверса.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения перемещений, содержащеефазовращатель (индуктосинный датчик линейных перемещений), обмотки головки ко. торого подключены к формирователю синусоидЪльного напряжения. связанного через"делитель частоты с генератором импульсов, усилитель линейки, вход которой подключен к,выходным обмоткам линейки фазовращателя, а выход к умножителю частоты, связанного через импульсный преобразователь с опорным каналом,Недостатком известного устройства для измерения перемещений является невысокая точность измерения, обусловленная инерционностью системы фазовой автоподстройки частоты, частотными и фазовыми искажениями, вносимыми фильтром низких частот, наличием комбинационных частот на выходе фазового детектора, а также сложность схемы преобразования и ограниченные функциональные возможности.Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения погрешности от нестабильности частоты питающего напряжения и расширения функциональных воэможностей за счет обеспечения воэможности измерения скорости перемещения., Это достигается тем, что устройство для измерения перемещений, содержащее фазовращатель, подключенную к его обмотке возбуждения цепь из последовательно соединенных генератора импульсов, делителя частоты, формирователя синусоидального напряжения, усилителя, подключенный к выходу сигнальной обмотки фазовращателя второй усилитель, снабжено счетчиком-таймером, первый вхоц которого подключен к генератОру импульсов, второй - ко второму выходу делителя частоты, регистром, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя, второй - к выходу счетчика-таймера, формирователем логической единицы, первый выход которого подключен к третьему входу регистра, вспомогательным счетчиком, первый вход которого соединен с вторым выходом формирователя логической единицы, сумматором, первый вход которого соединен с первым выходом регистра, второй - с третьим выходом формирователя логической единицы, третий - с первым выходом вспомогательного счетчика, четырьмя элементами ИЛИ-НЕ, четырьмя элементами ИНЕ, входы первого элемента ИЛИ-КЕсоединены с группой младших разрядоа выхода сумматора, входы второго элемента ИЛИНЕ соединены с группой старших разрядов выхода сумматора. выходы первого и второго элементов ИЛИ-НЕ подключены к соответствующим входам первого элемента И-НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, второй вход которого подключен ко второму выходу генератора импульсов, выход - к входу четвертого элемента ИЛИ-НЕ и первому входу третьего элемента И-НЕ, старший разряд выхода сумматора подключен ко второму входу третьего элемента И-НЕ и входу третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход четвертого элемента ИЛИ-НЕ подключен к первому входу четвертого элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход - ко второму входу вспомогательного счетчика. третий вход которого подключен к выходу третьего элемента И-НЕ, а вторые выходы вспомогательного счетчика и второго элемента И-НЕ являются выходами устройства.Предполагаемое изобретение позволяет применить метод умножения частоты выходного сигнала фазовращателя, основанного на заполнении, например, счетчика-таймера, работающего в циклическом режиме, частотой синхронизированной с частотой питания, в течение времени, . равного периоду питающего напряжения обмотки возбуждения фазовращателя.При этом, если за интервал времени измерения выбрать период частоты выходного сигнала, а в качестве опорного - период питающего обмотки возбуждения напряжения, то величина перемещения головки фазовращателя относительно линейи будет однозначно определяться только изменением периода частоты выходного сигнала фазовращателя; где р - мгновенная фаза выходного сигнала;в о - круговая частота питающего фазовращатель тока;Х - координата головки фазовращателя относительно линейки;А - шаг линейки, в пределах которого составляющая мгновенного значения, зависящая от координаты перемещенйя, изменяется на лПри перемещении головки фазовращателя относительно линейки текущая фаза1784836 выходного напряжения линейки изменяется пропорционально скорости ее перемещения, соответственно изменяется ичастота выходного сигнала Обозначая начальное и конечное положение головки фазовращателя относительно линейки через Х 1 и Хг найдем величину перемещения головки за и периодов Т из мерения. Согласно уравнения (7) оно будет : равно:где в- мгновенная частота выходного сигнала фаэовращателя, 10Преобразуя уравнение (2), можно показать, что Поскольку- для данного фазовраТо.щателя величина постоянная, то(9) и учитывая выражения (3,4) будет равно откудаЬХ = (и+1- с) (7)ЛТо бх А1б 1 2 Ж Т То15-- (В - ао) =А( --- )1=вР) Х=К У (а+1-т 1)где Т - период частоты выходного сигналафазовращателя,То - периодчастоты питающегообмот- где К - постоянная преобраз фгде - постоянная прео разования фазовки возбУждениЯ напРЯжениЯ фазовРаща ращателятеля. Предполагаемое устройство позволяетПоскольку период То питающего напря- в зависимости от направления перемещеженйя и шаг А линейки величины постоян- ния головки фазовращателя о оазовращателя относительноные, . следовательно, . величина: линейки довольно простым способом опрперемещения будет овределяться только 5 делить знак направления пере е еделить знак направления перемещения, аизменением периода Ть . также измерить различные йараметры переЗаполняя период То импульсамй, кОли- мещения. Так перемещения линейки отночество которых в каждом из периодов при- сительно головки в пределах шага линейкинимает значения от 1 до й, то как показано или в пределах всей длины линейки можнона диаграмме фазовОго сдвига выходного 30 измерить, например,с помощью известныхсигнала Исиг. фазовращателя относительно . пересчетных устройств в код, который с попитающего его обмотки возбуждения на- .мощью также известных отсчетных устпряжения Ивоз. (фиг.2) количество этих им- ройств мажет индицироваться в желаемыхпульсов за промежуток времени, Равный единицах измерения. Положение или перепериоду Т частоты выходного сигнала будет 35 мещение в пределах линейки может опреде: равно ляться и путем подсчета количестваимйульсов, снимаемых с выхода второгоТ - То+ 11+1 - т (4) элемента И-НЕ ийтегрирующим счетчиком,а скорости перемещения - цифровым частогде т,а+1 - количество импульсов сосчитай. томером в единицу времени, за счет чегоное, например, со счетчика-таймера в пред- расширяются функциональные возможноыдущий и последующий период измерения, сти устройства.1 - порядковый номер периода Т изме- На Фиг.1 изображена структурная схемаРения: устройствадляизмеренияперемещений; наВеличина перемещения головки фаэов фиг,2 - диаграмма фазового сдвига выходращателя относительно линейки при усло. ного сигнала фазовращателя относительновии, чтото , . питающего его.обмотки возбуждения напряжения.(5) Устройства для измерения перемещений содержит фазовращатель 1 (индуктосинный датчик линейных перемещений),состоящий из головки 2 и линейки 3, усилитель 4, формирователь 5 синусоидального- (1+1 - Ъ) . (6) напряжения, второй усилитель 6, регистр 7,ТТТ о 55 сумматор 8, вспомогательный счетчик 9,формирователь 10 логической единицы,первый и второй элементы 11, 12 ИЛИ-НЕ,первый и второй элемент 13, 14 И-ЯЕ, третий элемент 15 ИЛИ-НЕ, третий и четвертыйэлемент 16, 17 И-НЕ, четвертый элемент 18 ИЛИ-НЕ, генератор 19 импульсов, делитель 20 частоты и счетчик-таймер 21,К обмотке возбуждейия фазовращателя 1 подключена цепь из последовательно соединенных генератора 19 импульсов, делителя 20 частоты, формирователя 5 синусоидального напряжения, усилителя 4. К сигнальной обмотке фазоврэщателя подключен второй 6 усилитель, Первый вход счетчика-таймера 21 подключен к генератору 19, импульсов, а второй ко второму выходу делителя 20 частоты. Первь 1 й вход регистра 7 подключен к выходу второго 6 усилителя, а второй к выходу счетчика-таймера 21.Первый вход формирователя 10 логической единицы подключен к третьему входу регистра 7. Первый вход вспомогательного 9 счетчика соединен со вторым выходом формирователя 10 логической единицы, Первый вход сумматора 8 соединен с первым выходом регистра 7, второй вход с третьим выходом формирователя 10 логической единицы, третий - с первым выходом вспомогательного 9 счетчика, Входы первого элемента 11 ИЛИ-НЕ соединены с группой младших разрядов выхода сумматора 8, входы второго элемента 12 ИЛИ-НЕ соединены с группой старших разрядов выхода сумматора 8, а выходы этих элементов подключены соответственно к первому и второму входу первого элемента 13 И-НЕ; выход этого элемента соединен с первым входом второго элемента 14 И-НЕ, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора 19 импульсов, а выход подключен к входу четвертого элемента 18 ИЛИ-НЕ и первому входу третьего элемента 16 И-НЕ, Старший разряд выхода сумматора 8 соединен со вторым входом третьего элемента 16 И-НЕ и с входом третьего элемента 15 ИЛИНЕ, Четвертый элемент 18 ИЛИ-НЕ своим выходом подключен к первому входу четвертого элемента 17 И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента 15 ИЛИ-НЕ, выход - ко второму входу вспомогательного 9 счетчика. Третий вход вспомогательного счетчика 9 соединен с выходом третьего элемента 16 И-НЕ, Вторые выходы вспомогательного 9 счетчика и выход второго элемента 14 И-НЕ являются выходами устройства для измерения перемещений.Устройство для измерения перемещений работает следующим образом,Импульсы прямоугольной формы, поступающие на вход формирователя 5 синусоидального напряжения (фиг,1) с делителя 20 частоты преобразуются формирователем 5 в синусоидальное напряжение, котороепосле фильтрации (а, если необходимо, фазовращателя для получения двух синусоидальных напряжений равных по амплитуде, но сдвинутых относительно друг друга на 90 эл, град.) подаются через усилитель 4 в обмотки возбуждения головки фазовращэтеля 1. При подаче питания в обмотки возбуж-.дения, в сигнальных обмотках. линейки 3 наведется ЭДС. Напряжение, снимаемое с обмоток линейки, несущее информацию о фазовом сдвиге, между периодом То питэю 10 щего напряжения и периодом Т - выходного сигнала линейки поступает на вход второго усилителя 6, где оно усиливается и преобразуется в последовательность им 15 пульсов, частота которых пропорциональна перемещению головки относительно линейки.Импульсы с выхода коллектора транзисторного ключа (на чертеже не показан) вто 20 рого усилителя подастся на тактовыйсчетный вход С 2 регистра 7, выполненного на микросхеме К 155 ИР 1. По переднему25 фронту этих импульсов и при наличии на управляющем входе Ч 2 уровня логической "1", поступающей с формирователя 10 логической единицы, происходит параллельное занесение информации в регистр через параллельные входы Д 1 Д 4 со счетчика-таймера 21.Счетчик-таймер 21 представляет собой двоичный и-разрядный счетчик, работаю 30 щий в циклическом режиме, С приходом с35 делителя 20 частоты тактирующего импульса, длительность которого равна периоду То питающего обмотки возбуждения напряжения, на выходе счетчика-таймера вырабатывается код, формируемый импульсами, поступающими на счетный вход счетчика- таймера с генератора 19 импульсов. Инфор 40 мация со счетчика-таймера в параллельном коде записывается в триггеры регистра 7 в течение времени, равного периоду Т часто 45 ты выходного сигнала фазовращателя, Коднэ выходе регистра является временным аналогом кодовой маски положения головки относительно линейки,Значенйе кода в регистре 7 будет изме няться с приходом каждого следующего импульса с выхода фазовращателя и с подачей нового кода со счетчика-таймера. При перемещении головки длительность импульсов выходного сигнала фазовращателя будет 55 изменяться следующим образом: с увеличением длительности импульсов значение кода регистра будет увеличиваться, а при уменьшении длительности импульса - уменьшаться, При равенстве периодов То питающего напряжения обмотки возбужде10 1784836 ния и периода Т напряжения выходного сигнала фазовращателя головка неподвижна) вспомогательный счетчик 9 как бы "догоняет" регистр 7 и в зависимости ат направления перемещения и величины фазового сдвига между питающим напряжением То обв регистр будет записываться один и тот же код,В момент перемещения. головки относительно линейки с приходом импульса измемоток возбуждения и напряжением выходного сигнала Т фазовращателя на выходе вспомогательного счетчика будет формироваться код, пропорциональный перемещению головки относительно линейки,Работу регистра, сумматора и вспомогательного счетчика в совокупности со счетчиряемога сигнала между регистром 7 и вспомогательным счетчиком 9 устанавливается равновесие записанных в них ранее кодов. Содержимое регистра в четырехразрядном параллельном коде поступает на 10 входы А 1 А 4 сумматора 8, выполненного ком-таймером можно представить на конкретном примере следующим образом. При приходе тактового импульса со второго 6 усилителя в регистр 7 со счетчика-таймера 21 запишется какой-то код, например, 0110 десятичное число 6), При этом на выходе на микросхеме К 155 ИМЗ, на входы 81 В 4 этого сумматора подается проинвертированный четырехразрядный код с выхода вспомогательного счетчика. Поскольку эти коды равны по модулю, та суммарное их вспомогательного счетчика 9 должен установиться инверсный код равный коду регизначение на выходе сумматора равно "0", т.е. на выходе сумматора во всех его разрядах будут "0", соответственно и на входе второго элемента 14 И-НЕ будет нулевой уровень, блокирующий прохождение импульсов с генератора 19 импульсов через стра 7, а именно - 1001 (6), в противном 20 случае в выходном коде сумматора 8 будет присутствовать хотя бы одна логическая "1". А это означает, что на выходе второго элемента 14 И-НЕ фиг,1) также будет лагичетретий и четвертый элемент 16,17 И-НЕ на ская "1", которая разрешит прохождение импульсов на вход вспомогательного счетвход вспомогательного счетчика С приходом следующего импульса измеряемого сигнала в зависимости от начика с генератора импульсов 19, Прахаждение импульсов через элемент 14 И-НЕ прекратится при условии установления нуправления перемещения головки левого када на выход,е сумматора, Эта произойдет тогда и только тогда, пока на ега нии уменьшении) кода регистра над кодом входах не установится инверсный код вспомогательного счетчика, равный коду регист- . ра (вообще-та на выходе вспомогательного счетчика инверсный код установится рав- ным выходному коду регистра уже при подаче питания на схему),Действительно, при сложении кода регистра 0110 и кода вспомогательного счетвспомогательного счетчика на выходе сумматора 8 в старшем разряде будет соответственно "0" или "1", При наличии на выходе 35 старшего разряда сумматора "1", на выходе второго и третьего элемента 12, 15 ИЛИ-НЕ будет "0", соответственно, на выходе первого элемента 13 И-НЕ будет "1". При этом через открытый ключ второго элемента 14 И-НЕ на вход четвертого элемента 18 ИЛИНЕ и на вход третьего элемента 16 И-НЕ будет поступать последовательность имчика 1001 6) получим кад., равный 1111, иединицей переноса, поступающей на входРо сумматора с формирователя 10 логической единицы микросхема К 155 ЛАЗ), пол 40 пульсов с генератора 19 импульсов. Так как учим на выходе сумматора кад 0000. открыт третий элемент 16 И-НЕ с выходом на "вычитание", кад вспамагательнбга счетчика будет уменьшаться да равенства с кодом регистра,При наличии на выходе старшего разряда,сумматора "0", на выходе первого элеЕсли с приходом следующего тактовогоимпульса в регистр запишется большой кад,45., например, 0111 (7), то при сложении этого кода с ранее записанным кодом.1001 6) вспомогательного счетчика и, учитывая единицу переноса, код на выходе сумматора мента 11 ИЛИ-НЕ будет "1", которая 50 будет равен 0001. Для того, чтобы код на выходе сумматора был нулевой, неабходиразрешит прохождение импульсов через четвертый элемент 17 И-НЕ с выходом на ма кад вспомогательного счетчика в данном случае уменьшить на единицу, Если в регистр запишется меньший код, например, 0101 (5), на выходе сумматора код будет равен:"сложение", увеличивая код вспомогательного счетчика до,равенства с кодом регистра. Следовательно, в зависимости от того,какой вход элементов 16, 17 И-НЕ открыт,будет определяться в знак направления перемещения головки относительно линейки.Таким образом, при перемещении головки относительно линейки фазавращателя 0101+ 1001+ 1 = 1111 относительно линейки в регистр 7 запишется больший (меньший) кад, При превышеВ этом случае, чтобы на выходе сумматорабыл нулевой код, нужно к выходному коду вспомогательного счетчика прибавить логическую "1", т.е. в зависимости от направления перемещения головки относительно линейки фазовращателя код вспомогательного счетчика будет, либо уменьшаться, либо увеличиваться. Причем, эа положительное перемещение принимается превышение кода регистра над кодом вспомогательного счетчика, В этом случае в старшем разряде выходного кода сумматора будет логический "0", а на выходе "вычитание" элемента 16 И-НЕ (фиг.1) будет логическая "1", которая при подаче ее на счетный вход "+1" вспомогательного счетчи ка, выполненного на микросхеме К 155 ИК 7, работающего в режиме суммирования и вычитания, вызовет переход из состояния логического "0" в состояние логической "1" на счетном входе "-1" этого счетчика, т.е,вспомогательный счетчик перейдет из режима суммирования в режим вычитания, И, наоборот, прй наличии логической "1" в старшем разряде выходного кода сумматора на выходе "вычитание" элемента 16 И-НЕ появится логический "0", а на выходе "сложение" элемента 17 И-НЕ - логическая "1", которая будет подана на инвертирующий счетный вход "-1" вспомогательного счетчика и переведет его из режима вычйтания в режим сложения.Из выше сказанного видно, что в зависимости от того, по какому счетному входу "+1" или "-1" производится запись информации в счетчик, инвертирование кода на выходе. вспомогательного счетчика осуществляется автоматически.Формула изобретения Устройство для измерения перемещений, содержащее фазовращатель, подключенную к его обмотке возбуждейия цепь из последовательно соединенных генератора импульсов, делителя частоты, формирователя синусоидального напряжения, усилителя; подключенный к выходу сигнальной обмотки фазовращателя второй усилитель, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцельюповышения точности измерений за счет исключения погрешности от нестабильности частоты питающего напряжения и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения воэможности измерения скорости перемещения, оно снабжено счетчиком-таймером, первый вход которогоподключен к генератору импульсов; второй - к второму выходу делителя частоты, реги 10 стром, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя, второй - к выходу счетчика-таймера, формирователем логической единицы; первый выход которого подключен к третьему входу регистра,15 вспомогательным счетчиком, первый вход которого соединен с вторым выходом формирователя логической единицы; сумматором, первый вход которого .соединен спервым выходом регистра, второй - с треть- . 20 им выходом формирователя логической единицы, третий - с первым выходом вспомогательного счетчика; четырьмя элементами ИЛИ-НЕ, четырьмя элементами ИНЕ, входы первого элемента ИЛИ-НЕ хода сумматора, входы второго элемента ИЛИ-НЕ соединены струппой старших разрядов выхода сумматора, выходы первого и второго элементов ИЛИ-НЕ подключены ксоответствующим входам первого элемента 30 И-НЕ, выход которого соединенс первым входом второго элемента И-НЕ, второй вход которого йодключен к второму выходу генератора, выход - к четвертому входу четвертого элемента ИЛИ-НЕ и первому входу третьего элемента И-НЕ, старший разряд выхода сумматора подключен к второму входу третьего элемента И-НЕ и входу третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход четвертого элемента ИЛИ-НЕ подключен к перво 40 му входу четвертого элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход - к второму входу вСпомогательного счетчика, третий. вход ко 45 торого подключен к выходу третьего элемента И-НЕ, а вторые выходы вспомогательного счетчика и второго элемента И-НЕ являются выходами устройства,25 соединены с группой младших разрядов вы1784836 Йгг. ГСоставитель В,ПлехаТехред М,Моргентал ректор М.Керецма эктор А. Бер Тираж Подписноеенного комитета по изобретениям и открытиям13035, МосКва, Ж, Раушскал наб., 4(5 вкаэ 4358 ВНИИПИ Госуд и ГКНТ СССР одственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 10