Датчик линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в машиностроении, станкостроении и других отраслях народного хозяйства. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерений. При включении датчика счетчик 16 обнуляется и исходное положение датчика считается начальным. Генератор 6 вырабатывает напряжение опорной частоты, подающееся на пьезоэлемент 5, который приводит в возвратно-поступательное движение магнитоноситель 4 относительно считывающей магнитной головки 3, закрепленной на штоке 2. Магнитная головка 3 воспроизводит сигнал, записанный на магнитоносителе 4, и подает его через усилитель 7 на фильтр 8 выделения первой гармоники и второй фильтр 12 выделения второй гармоники. С выхода фильтра 8 выделения первой гармоники и второй фильтр 12 выделения второй гармоники. С выхода фильтра 8 выделения первой гармоники сигнал, пройдя через фазосдвигающий блок 9 и первый синхронный детектор 13, подается на первый вход вычислителя 15. Сигнал с выхода второго фильтра 12 выделения второй гармоники через второй синхронный детектор поступает на второй вход вычислителя 15. В вычислителе 15 определяется направление перемещения и дробная часть периода, записанного на магнитоносителе, соответствующая положению относительно него магнитной головки 3. Целочисленное значение N периодов, записанных на магнитоносителе 4 сигнала, образуется на выходе счетчика 16, подключенного к вычислителю 15. 3 ил.

®

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) щ) G 01 В 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИРМ

ПРИ П(НТ СССР

1 (21) 4467753/24-28 (22) 29.07.88 (46) 07.10.90. Бюл. ¹ 37 (71) Камский политехнический институт (72) A.Þ. Рубин и В.В. Сысоев (53) 531.717(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 979845, кл. С 01 В 7/00, 1980.

Авторское свидетельство СССР № 993004, кл. G Ol В 7/00, 1981.

2 (54) ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ IIEPEME(ttEHHA (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в машиностроении, станкостроении и других отраслях народного хозяйства. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерений. При включении датчика счетчик 16 обнуляется и исходное поi 597519

U, = U sincot, ложение датчика считается начальным.

Генератор 6 вырабатывает напряжение опорной частоты, подающееся на пьезоэлемент 5, которь1й приводит в возвратно-поступательное движение магнитоноситель 4 относительно считывающей магнитной головки 3, закрепленйой на штоке 2. Магнитная головка 3 воспроизводит сигнал, записанный на магнитоносителе 4, и подает его через усилитель 7 на фильтр 8 выделения первой гармоники и второй фильтр 12 выделения второй гармоники. С выхода фильтра 8 выделения первой гармоники сигнал, пройдя через фазосдвигающий блок 9 и

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в машиностроении,.станкостроении и других отраслях народного хозяйства.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет возможности определения положения магнитной головки внутри одного периода записанного на магнитоносителе сигнала и повышение быстродействия за счет исключения необходимости циклического подсчета периодов сигнала, записанного на носителе, по сигналу импульса опроса. 35

На фиг. 1 приведена блок-схема датчика; на фиг. 2 — один из вариантов вычислителя; на фиг. 3 — диаграммы, поясняющие работу датчика.

Датчик линейных перемещений содержит корпус I, шток 2 с закрепленной на нем мганитной головкой 3, магнитоноситель 4, приводимый в возвратнопоступательное движение пьезоэлементом 5

5, генератор 6, выход которого соединен с пьезоэлементом 5, усилитель

7 вход которого соединен с магнитной головкой 3, фильтр 8 выделения первой гармоники-, фазосдвигающий блок 9,вход которого соединен с выходом фильтра

8 выделения первой гармоники, ограничитель 10, вход которого соединен с выходом генератора 6, первый фильтр

11 выделения второй гармоники, вход которого соединен с выходом ограничителя 10, второй фильтр 12 выделения второй гармоники, вход которого соединен с выходом усилителя 7, первый первый синхронный детектор 13, подается на первый вход вычислителя 15.

Сигнал с выхода второго фильтра 12 выделения второй гармоники через второй синхронный детектор поступает на второй вход вычислителя 15. B вычислителе 15 определяется направление перемещения и дробная часть периода,"аписанного на магнитоносителе, соответствующая положению относительно него магнитной головки 3. Целочисленное значение N периодов, записанных на магнитоносителе 4 сигнала, образуется на выходе счетчика 16, подключенного к вычислителю 15. 3 ил. синхронный детектор 13, первый вход которого соединен с выходом фазосдвигающего блока 9, второй вход — с выходом генератора б, второй синхронный детектор 14, первый вход которого соединен с выходом второго фильтра

12 выделения второй гармоники, второй вход — с выходом первого фильтра 11 выделения второй гармоники, вычислитель 15 первый вход которого соединен с выходом первого синхронного детектора 13, второй вход — с выходом второго синхронного детектора 14,счетчик 16, вход прямого счета которого соединен с первым выходом вычислителя 15, вход обратного счета — с вторым выходом вычислителя 15, на третьем выходе вычислителя 15 присутствует информация о дробной части Х периода записанного сигнала на магнитоносителе 4, на выходе счетчика 16 — ин-формация о целочисленном значении N периодов записанного на магнитоноситель 4 сигнала.

Датчик линейных перемещений работает следующим образом.

При включении датчика счетчик 16 обнуляется и исходное положение датчика считается начальным. Генератор 6 вырабатывает сигнал опорной частоты где U — амплитуда опорного сигнала;

ы — частота опорного сигнала; — время.

Это напряжение подается на пьезо— элемент 5, который приводит в возврат15975!9 пΠ— ээоступ;эте1п ИО» движение магнитоносэ(тель 1

Л Л я1ээ(..э kl U since/ t >,э, l 1эи

5 где A =k U — амплитуда перемещения эээ э 1 магнитоносителя 4; ээ — частота перемещения;

«ремя; коэффициент преобразо- 10 вапия.

Магнитная головка 3 воспроизводит записанный сигнал на магнитоносителе 4: записанный сигнал на магнитоносителе 4: и йФ 15

tl = — = -и э A ru, эФ le к «os(A sin t + х) cos ыt, где ф — магнитный поток магнитоносителя 4; 20

Ф - амплитуда магнитного потока магнитоносителя 4;

А, — амплитуда перемещения магнитоносителя 4; х — положение магнитной головки 3; и — количество витков магнитной

Головки З ьээ — частота колебания магнитоносителя 4;

t — - время.

Используя преобразование в ряд фурье-Бесселя, получают

U . и ф„э Аэ э(соя xГ Iо(А ) cos t +

+I (A/cosa)t+I (ЦсояЗш t+I (+cos3cot+

e° .° ... +sin х(Х (+sin2cdt+I (psin2cvt + эХ (А ) я1п4Ю t +Хя (А ) sin4 t+,,Я, 30

:" Х,(А„,Х,(А.) 40 (Л ),— функции Бес3 >э селя.

Усилитель 7 усиливает напряжение с магнитной головки 3 и на его выходесигнал имеет вид 45 где kq — коэффициент усиления усилителя 7. . фильтр 8 выделения первой гармоники выделяет составляющую с опорной частотой и на его выходе сигнал

U,= k U = 1 з1 "os.-(I {A )+ {4Ë" ц = k U < — — -U (cosx((Хо (А +Х (А ) ) ээ сояээз t + (Х (А )+I„(A ))сояЗьо t +...3-sinx э.(Х,(А) +Х (А ) я1п2ж t +

+{I (À„„) + I (А,„)) sin4td t +...J$, pсostd t, где k — коэффициент передачи фильтра з на основной частоте.

Далее этот сигнал сдвигается по фазе иа 90 с помощью фазосдвигающего блока 9, на выходе которого получают сигнал

Uy = 1 а1с з Ъ со ях э. Х о (A ) +I (A ) J

a cos(w t + 90 )= -kP U cosxjI (A ) +

+I (А ) 7 sin ьзс где k+ — коэффициент передачи фазосдвигающего блока 9.

Первый синхронный детектор 13 детектирует синусоидальную составляющую

Х1(= 1су1с k>U cosx(IO(А„)+Х2(Ар,Д где k — коэффициент передачи детектора 13.

Вторая гармоника сигнала выделяется вторым фильтром 12 выделения второй гармоники:

1 аПз= к П я1пх(Х ° (А ) +

Ф Ъэм 1 м

+ Хз(А)3 sin 2(vt, где k — коэффициент передачи фильтра 12.

Синхронизирующий сигнал для второго синхронного детектора 14 образуется после ограничения опорного сигнала ограничителем 10 и фильтрации первым фильтром 11 выделения второй гармоники:

U = U san 2ь.э t где U — амплитуда второй гармоники

9 э на выходе фильтра 11.

На выходе второго синхронного детектора .14 получают сигнал

U> = kzk U sinxfI (А )+Хз(А, )Я, где 1 „ — коэффициент передачи детектора 14.

Сигналы U и U подаются на вычислитель 15, которыи определяет дробную часть перемещения внутри одного периода записанного на магнитоносителе 4 сигнала, например реализует после нормировки сигналов U< и U функцию

sinx

Х = arctg(— — ) . соях э

Вычислитель 15 определяет направление перемещения датчика и в соответствии с этим вьщает импульсы о целом

1597519

50 числе периодов, пройденных датчиком, на прямой или обратный вход счетчика

16 в зависимости от направления перемещения.

Вычислитель 15 (фиг. 2) содержит первый и второй компараторы 17 и 18, входы которых подключены к выходам . первого и второго синхронных детекторов 13 и 14, элемент 19 задержки, вход10 которого соединен с выходом второго компаратора 18, первый и второй элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 и 21, первые входы которых соединены с выходом второго компаратора 18, второй вход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 соединен с выходом первого компаратора

17,второй вход второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 соединен с выходом элемента 19 задержки, первый инвертор 22, вход которого соединен с выходом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, триггер 23, первый, стробирующий, вход которого соединен с выходом первого инвертора 22, второй, инфор- 25 мационный вход — с выходом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20, первый и второй одновибраторы 24 и 25, входы которых соединены с выходом второго компаратора 18„ второй иннертор 26, вход которого соединен с выходом первого одновибратора 24, первый элемент

И-НЕ 27, первый вход которого соединен с вторым выходом триггера 23, второй — с выходом второго инвертора

26, второй элемент И-НЕ 28, первый вход которого соединен с первым выходом триггера 23 второй — с выходом второго, одновибратора 25, выход первого элемента И-НЕ 27 соединен с вхо40 дом прямого счета счетчика 16 (фиг.1), выход второго элемента И-НЕ 28 соеди- нен с входом обратного счета счетчика 16, с выхода второго компаратора.

18 и с выхода первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 снимается информация о дробной части Х перемещения датчика.

Вычислитель 15 работает следующим образом.

Напряжения U u U (фиг. 3) с выходов синхронных детекторов 13 и 14 (фиг. 1) подаются на первый и второй компараторы 17 и 18.вычислителя 15, которые преобразуют двухполярный сигнал в прямоугольные импульсы положительной полярности Uq и U Ä первый

S5 элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 формирует напряжение U младшего разряда дробной части Х перемещения датчика, напряжение Н, является старшим разрядом дробной части Х перемещения. Элемент

19 задержки задерживает напряжение на время Г,, поэтому на выходе второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 формируются импульсы V,> положительной полярности и длительностью ñ которые инвертируются первым инвертором 22, и напряжение U подается на стробирующий вход триггера 23. По фронту сигнала U „, т.е. при переходе сигнала из низкого в высокий логический уровень, происходит запись напряжения

U,,подводимого к информационному входу триггера 23. В зависимости от направления перемещения датчика на фронт сигнала V приходится низкий или высокий логйческий уровень напряжения U<<, который записывается триггером 23 и подается с прямого и инверсного его выходов (U .) на элементы И-НЕ 27 и. 28. При этом разрешается прохождение импульсов V< и U с выходов инвертора 26 и второго одновибратора 25 только через один из элементов И-НЕ 27 и 28 на соответствующий вход счетчика 16. Одновибратор

24 запускается по перепаду напряжения

U из высокого в низкое логическое состояние на время, второй одновибратор 25 запускается по фронту импульса U,,,,т.е. по переходу сигнала из низкого в высокое логическое состояние, на время . Соответственно счетчик 16 подсчитывает или количество импульсов U с выхода элеЦ мента И-HE 27, или количество импульсов U с вй;ода элемента И-HE 28. Количество импульсов равно количеству периодов записанного сигнала на магнитоносителе 4 и пройденных магнитной головкой 3 при перемещении штока 2.

Ф о р и ул а и з о бр е т е н и я

Датчик линейных перемещений, содержащий корпус, шток, закрепЛенную на штоке магнитную головку, магнитоноситель с записанным на нем сигналом заданной плотности и счетчик, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений и увеличепия быстродействия, он снабжен генератором, ограничителем, вход которого соединен с выходом генератора, усилителем, вход которого соединен с магнитной головкой, фильтром выделе-ния первой гармоники, вход которсч >

1597519

1О подключен к выходу усилителя,.первым фильтром выделения второй гармоники, вход которого соединен с выходом ограничителя, вторым фильтром выделе5 ния второй гармоники, вход которого соединен с выходом усилителя, фазосдвигающим блоком, вход которого соединен с выходом фильтра выделения первой гармоники, первым синхронным детектором, первый вход которого соединен с выходом фазосдвигающего блока, а второй — с выходом генератора, вторым синхронным детектором, первый вход которого соединен с выходом второго фильтра выделения второй гармоники, второй — с выходом первого фильтра выделения второй гармоники, вычислителем, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго синхронных детекторов, первый и второй выходы вычислителя соединены соответственно с входами прямого и обратного счета счетчика, магнитоноситель выполнен в виде линейки, закрепленной на пьезоэлементе,подключенном к выходу генератора, а маг.нитная головка выполнена в виде головки считывания.

1597519

Редактор О. Юрковецкая

Заказ 3039 Тираж 502 Подписное

ВБПП1

f65KH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

0 ff

5z

О v

Ю

Ь»

pe

1Ъ

57 о

lip

Р

Рур

Составитель Ю. Петраковский

Техред Л.Олийнык Корректор Н. Король