Преобразователь перемещения в напряжение

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) (13 51)5 Н 03 М 1/24 ЗОБР ТЕ м. Е.О,Патона , А.В.Рыжков, кий, С.Г.Пику, Р,И,Плашенфаленчук и СССР985,СССР986,00 мериано в вного широакже стем тель свар конт кого для конт ше- сти ниепрео ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ( 21) 4229971/24 (22) 13.04,87 (46) 3.03;93. Бюл, М 11 (71)нститут электросварки и (72),И.Махненко, В,М,Луни А.В, анченко, Я.Ф.Кисилевс сов, С,Н.Абрамов, Ю.Г.Ковтун ков, О.П.Поляков, М.С, А.И.Малик (56) авторское свидетельство М 1 67813, кл, Н 03 М 1/24,вторское свидетельство Р 16181383, кл, Н 03 М 1/24,(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В Н ПРЯЖЕНИЕ (57) изобретение относится к измерительной ехнике и может быть использовано в свар чном производстве для оперативного конт оля перемещений и деформаций широко о класса изделий в процессе сварки, а также для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций. Цельо изобретения является повышение помехозащищенности, а также надежности преобразователя, Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь перемещения 1 напряжение, содержащий двигатель,обретение относится к области из й техники и может быть использов ном производстве для операти ля перемещений и деформаций асса изделий в процессе сварки, а т здания автоматизированных си ля сварочных деформаций, блью изобретения является пов помехозащищенности и надежнразователя,1803979 А излучатель, коллиматор, оптически соединенный с анализатором, на котором нанесены фотоприемники, считывающий элемент, формирователь импульсов начала отсчета, пять ключей, два формирователя импульсов, триггер, источник опорного напряжения, два интегратора, две схемы выборки-хранения, дополнительно введены генератор, модулятор, шестой ключ, второй триггер, два фильтра, два модулятора, два усилителя, резистор с соответствующими связями, За счет модуляции светового потока достигается повышение помехозащищенности, Световой поток излучателя модулируется модулятором с частотой генератора и через коллиматор поступает на анализатор. На выходах фотоприемников формируются импульсы, заполненные модулирующей частотой. Считывающий элемент выполнен бесконтактным. Кольцевые электроды считывающего элемента образуют с кольцевыми электродами анализатора кольцевые конденсаторы, через которые осуществляется съем информации с выходов фотоприемников, Применение бесконтактного способа считывания информации с анализатора позволяет повысить надежность преобразователя, 3 з,п. ф-лы, 6 ил. На фиг, 1 изображена блок-схема преобразователя перемещения в напряжение; на фиг, 2 - выполнение анализатора и связанных с ним блоков; на фиг. 3 - временная диаграмма работы блока возбуждения; на фиг, 4 - эквивалентная электрическая схема анализатора; на фиг, 5 - временная диаграмма формирования измерительной информации; на фиг, 6 - временная диаграмма работы преобразователя.Преобразователь перемещения в напряжение содержит излучатель 1, коллиматор 2, анализатор 3, закрепленный в обойме 4, двигатель 5, состоящий из статора 6 и блока 7 возбуждения, формирователь 8 импульсов начала отсчета, формирователь 9 импульсов, триггер 10, источник 11 опорного напряжения, ключи 12-17, интеграторы 18, 19, устройства 20, 21 выборки-хранения, модулятор 22, генератор 23, считывающий элемент 24, усилители 25 и 26, демодуляторы 27 и 28, фильтры 29 и 30, согласующий элемент, выполненный в виде резистора 31, формирователи 32, 33 импульсов, триггер 34,Анализатор 3 фиг, 2 выполнен в виде прозрачного диска 35 с наружным радиусом В, на одной стороне которого нанесены прямолинейный 36 и спиралевидный 37 фотоприемники, каждый из которых состоит из двух прозрачных металлических электродов 38 и 39, между которыми расположен фоточувствительный слой 40. Анализатор 3 имеет также непрозрачную кольцевую зону 41, содержащую прозрачное окно 42. В центре анализатора 3 имеется отверстие 43 под ось, которое разделяет прямолинейный 36 и спиралевидный 37 фотоприемники, на другой стороне диска анализатора 3 нанесены три прозрачных кольцевых электрода 44, 45 и 46, расположенных в зоне, ограниченной радиусами Я и Я 1. Считывающий элемент 24 выполнен в виде прозрачного кольца, ограниченного радиусами К и В, на которое нанесены три прозрачных кольцевых электрода 47, 48 и 49, Формирователь 8 импульсов начала отсчета содержит излучатель 50, фотоприемник 51 и диафрагму 52. Интегратор 18 содержит резисторы 53, 54 и 55, конденсатор 56 и операционный усилитель 57. Интегратор 19 содержит резисторы 58, 59 и 60, конденсатор 61 и операционный усилитель 62. Кольцевые электроды 47 - 49 считывающего элемента 24 совместно с кольцевыми электродами 44 - 46 анализатора 3 образуют три кольцевых конденсатора 63, 64, 65, обеспечивающих съем информации с прямолинейного 36 и спиралевидного 37 фотоприемников вращающегося анализатора 3.Преобразователь перемещения в напряжение работает следующим образом, Излучатель 1, в качестве которого может быть использован гелий-неоновый лазер с закрепленным на нем модулятором 22 и коллиматором 2 устанавливаются на неподвижной базовой оснастке и используются для задания опорного направления. Генератор 23 задает частоту модуляции 1 о луча излучателя 1, Анализатор 3 устанавливается в кон 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 тролируемой точке объекта и вращается вокруг своей оси при помощи двигателя 5, ротором которого является металлическая обойма 4, в которую помещен анализатор 3, а статор 6 выполнен в виде Ш-образного сердечника с тремя обмотками. Блок 7 возбуждения генерирует три последовательности импульсов Р 1, Р 2, Гз(см. фиг, За, б, в), при подаче которых в обмотках статора 6 возникает "бегущее" магнитное поле, приводящее в движение анализатор 3, Поскольку разомкнутая часть Ш-образного сердечника статора 6 выполнена по дуге окружности, концентричной диску 35 анализатора 3, а статор 6 устанавливается в непосредственной близости от металлической обоймы 4, то мощность, необходимая для обеспечения вращения анализатора 3, в этом случае является минимальной, Угловая частота в вращения анализатора 3 будет определяться частотой следования импульсов на выходе блока 7 возбуждения,Один раз за полный оборот анализатора 3 на выходе прямолинейного 36 и спиралевидного 37 фотоприемников вырабатываются пачки импульсов, поступающих через кольцевые конденсаторы 63, 64 и 65 (фиг, 4) на входы усилителей 25 и 26, Прямолинейный 36 и спиралевидный 37 фотоприемники представляют собой профилированные фотодиоды, нанесенные на поверхность прозрачного диска 35 анализатора 3, и образованы каждый двумя прозрачными электродами 38 и 39, между которыми расположен фоточувствительный слой 40. При этом прозрачные электроды 38 обоих фото-, приемников, непосредственно нанесенные на поверхность анализатора 3, электрически связаны друг с другом. Общий электрод имеет также электрическую связь с кольцевым электродом 45 анализатора 3, нанесенным на обратную сторону диска 35 (например, при помощи переходного метал- лизированного отверстия), Оставшиеся два кольцевых электрода 44 и 46 анализатора 3 связаны, соответственно, со вторыми прозрачными электродами 38, 39 прямолинейного 36 и спиралевидного 37 фотоприемников, Проходные конденсаторы 63, 64 и 65 образованы, соответственно, кольцевыми электродами 44 и 47, 45 и 48, 46 и 49. Кольцевые электроды 47, 48 и 49 нанесены на поверхность считывающего элемента 24 и идентичны по своим параметрам кольцевым электродам 44, 45 и 46 анализатора 3 (фиг. 2). На свободные поверхности всех кольцевых электродов 44-49 наносится тонкое диэлектрическое покрытие для устранения возможности прямого электрического контакта между обкладками образованных ими про 1803979хорных конденсаторов 63 - 65 из-за возможнор непараллельности считывающего кольца 24 и анализатора 3, поскольку для увеличения емкости этих конденсаторов 63, 64:,и 65 расстояние б между их обкладками 5 следует выбирать минимальным. При б=0,5 мм емкость проходных конденсаторов 63, 64 и 65 составляет 3 - 5 пФ, В качестве модулятора 22 может быть использован серийно выпускаемый акустооптический модулятор 10 МЛ, При модуляции излучения излучателя 1 с частотой 500 кГц, сопротивления проходных конденсаторов 63, 64 и 65 составляют окло 100 кОм, поэтому в качестве усилителей 25 и 26 следует использовать операци оные усилители с большим входным сопротивлением и скоростью нарастания. Пр 4 помощи резистора 31 осуществляется привязка плавающих входов усилителей 25 и 2 р к общей точке преобразователя. Сигна лы Тпр (фиг, 5 а) и Тсп с выходов усилителей 25 и 26 поступают на входы демодуляторов 27 р 28, а с их выходов - на входы соответствующих фильтров 29 и 30 (фиг, 5 б). На выходах этих фильтров 29 и 30 формируются 25 сиг алы Тпр (фиг, 5 в) и Тсп, поступающие в бл к обработки. Один раз за полный оборот ди ка 35 анализатора 3 прозрачное окно 42 отк ывает путь световому потоку по излучател 50 к фотоприемнику 51, входящим в 30 сос, ав формирователя 8 начала отсчета. ПрИ этом на выходе последнего вырабатываеся импульс Тно (фиг. 6 а).Таким образом, формируются три после овательности импульсов Тно, Тпр и Тсп (фи, 6 а, б, в), период следования которых пропорционален угловой частоте в вращения, анализатора 3, Длительность го импулсовТнопропорциональна 2 р 1, где д)1 - угол раствора прямолинейного фото приемника 36. Основной постоянной компонентой в длительности импульсов Тпр является 2 т 1=2 й)р 1, а в длительности импульсов Тсптих=2 в р 2, Длительность импульсов Тпр имеет также переменную 45 компоненту з= щук, а длительность импульсов Тсп - переменные компоненты г 4= ар 4 = г 5= вр 5, При этом значения угловрз, р 4 и р;, зависят от эффективного радуса г опорного луча в плоскости анали затора 3 и полярной координаты р опорно го луча относительно центра анализатора 3 (см. фиг. 2). Под эффективным радиусам г опофного луча понимается максимальное расстояние от центра пятна излучателя 1 до точк, интенсивность излучения в которой рав а порогу срабатывания спиралевидного 3 и прямолинейного 36 фотоприемников анализатора 3, Переменные компоненты тз, т 4 и а 5 являются источником методической погрешности преобразователя, причем значение этой погрешности невозможно определить заранее и скомпенсировать путем введения поправок, поскольку значение эффективного радиуса г зависит от многих факторов. Важнейшими из этих факторов являются порог чувствительности фотоприемников 36 и 37 и закон распределения интенсивности излучения в луче измерителя 1, который в значительной степени определяется фокусировкой луча в плоскости анализатора 3,В преобразователе компенсация методической погрешности от неизвестного эффективного радиуса г опорного луча производится следующим образом. Из фиг, 2 видно, что полярная координата р опорного луча относительно центра анализатора 3 пропорциональна длительности импульса тр между центрами импульсов Тпр и Тсп (фиг.6 б,в,ж),а полярная координата у) пропорциональна длительности импульса трмежду центрами импульсов Тпр и Тно (фиг. 6 а, б, д). Обозначив тпр=гз+ г 1, тсп =т 4+ т 2 =25 +т 2, можно записатьгр - тр + пр +втсп(+ гпр + кое тно=1/2 то,хр - интервал времени между задним фронтом ипульса Тпр и передним фронтом импульса Тп (фиг, бе);тр - интервал времени между задним фронтом ипульса Тпр 1 и передним фронтом импульса Тно (фиг, бе);При этом для получения полярных координат р и р необходимо выполнить следующие функциональные преобразованияр =Ьта - ; у) =2 п - ;а = - =сопз 1, (тцгц27 гиод вращения анализатора 3где гц - пер(фиг. 6 з),Интервалы времени фформируются при помощи триггера 10, который устанавливается по заднему фронту импульса Тпр и сбрасывается по переднему фронту импульса Тно (импульсы установки и сброса формируются, соответственно, формирователями 32 и 9). Интервалы времени гр формируются при помощи триггера 34, устанавливаемого по заднему фронту импульса Тпр исительной погрешности преобразования определится из выраженияПЧпт где 4 с - целая часть числа;О оо - значение напряжения на выходе соответствующего преобразователя в уста 10 новившемся режиме (и -ф со).Для погрешности преобразования л=0,1 реально достижимое число циклов =3.5, Теоретически при 0=0 результат преобразования получается за один цикл. Поскольку 0=1 - К рц/Й 1 С, то параметры интеграторов 18 и 19 выбираются Одинаковыми с целью устранения неоднозначности при получении результата изме рения, Формула изобретения 1. Преобразователь перемещения в напряжение, содержащий двигатель, излуча тль, коллиматор, оптически соединенный с анализатором, который выполнен в виде прозрачного диска с нанесенными на него фотоприемниками, считывающий элемент, формирователь импульсов начала отсчета, вход которого соединен с управляющим водом первого ключа и с входом первого фррмирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом первого триггер и с управляющими входами первого и 35 второго устройств выборки-хранения, выходф которых являются выходами преобразователя и соединены с первыми входами сответственно первого и второго интеграторов, выходы которых соединены с инфор м 4 ционными входами соответственно первого и второго устройств выборки-хранения, второй и третий формирователи импуьсов, источник опорного напряжения, вьход которого соединен с информацион ньми входами с первого по пятый ключей, выход первого триггера соединен с управляющим входом второго ключа, выход которого соединен с вторым входом первого интегратора, третий вход которого подключен к выхо ду третьего ключа, выходы четвертого и пя 1 ого ключей соединены соответственно с втбрым и третьим входами второго интегратора, отл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности преобра зоателя, в него введены генератор, модулятор, шестой ключ, второй триггер, первый и вТорой фильтры, первый и второй демодуляторы, согласующий элемент, первый и второй усилители, а в двигателе статор выполнен в виде Ш-образного сердечника с тремя обмотками, подключенными к блоку возбуждения, а ротор - в виде металлической обоймы, внутри которой установлен анализатор, выходы первого и второго усилителей соединены с входами соответственно первого и второго демодуляторов, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго фильтров, выход первого фильтра соединен с управляющими входами третьего и четвертого ключей и с входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом первого триггера и с первым входом второго триггера, выход которого соединен с управляющим входом шестого ключа, информационный вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с четвертым входом второго интегратора, выход второго фильтра соединен с управляющим входом пятого ключа и со входом третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом второго триггера, выход первого ключа соединен с четвертым входом первого интегратора, выход генератора соединен с управляющим входом модулятора, который оптически связан по входу с излучателем, а по выходу - с коллиматором, первый и второй выходы считывающего эле-. мента соединены с первыми входами соответственно первого и второго усилителей, третий выход считывающего элемента соединен с вторыми входами первого и второго усилителей и с первым выводом согласующего элемента, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала,2, Преобразователь по п, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения надежности, анализатор выполнен в виде прозрачного диска с радиусом Й 1, на одной стороне которого расположены два активных участка и непрозрачная зона, первый активный участок выполнен в виде радиального сектора с угловым раствором 2 р, ограниченного дугой окружности радиусом Й, где ЙЙ, внутрення сторона второго активного участка выполнена в виде спирали Архимеда с началом в центре диска, развернутой по радиусу Й на угол 2 л-р, где р р 1, а внешняя сторона второго активного участка образована сдвигом этой же спирали Архимеда на угол 2 у 2 без пересечения с первым активным участком, при этом оба активных участка являются фотоприемниками, образованными фоточувствительными слоями, размещенными между двумя прозрачными металлическими электродами, непрозрачная зона выполнена в виде кольца, 1803979 12ограниченного радиусами В и В и имеющего прозрачный сектор с угловым раствором 2 о, сопряженный с первым активным участком, на другой стороне диска анализатора в кольцевой зоне, ограниченной радиусами В и В, размещены три кольцевых несоприкасающихся прозрачных электрода, средний кольцевой электрод анализатора электрически соединен с одним из прозрачных металлических электродов каждого активного участка, а крайние кольцевые электроды анализатора соединены с другими прозрачными металлическими электродами соответственно первого и второго активных участков.3. Преобразователь по пп, 1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что считывающий элемент выполнен в виде прозрачного кольца. ограниченного радиусами В и В 1, на одной из сторон которого размещены три прозрачных кольцевых электрода, образующих с кольцевыми электродами анализатора со ответственно три кольцевых конденсатора,выход среднего кольцевого электрода считывающего элемента является третьим выходом считывающего элемента, выходы кольцевых электродов считывающего эле мента, связанные с первым и вторым активными участками анализатора, является первым и вторым выходами считывающего элемента соответственно.4. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что статор двигателя установленв одной плоскости с анализатором, а разомкнутая часть Ш-образного сердечника статора выполнена по дуге окружности ротора.ел 25, 26- усилцгпели; Л-резисатр;ч иг,4 Т 1 Фиг. Т 7 т,У У - Сопз 1 з, УаЧ - ЧаРиг. 6 Составитель Е, БударинаТехред М. Моргентал Коррект Редактор Т, иванов.П Тиражственного комитета по и 113035, Москва, Ж,КНТ СССР зводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужго Гагарина 101 каз 1060 ВНИИПИ Г 57 Подписноеретениям и открытиямшская наб 4/5