Преобразователь перемещения в напряжение

 

Изобретение относится к измерительной Технике и может быть использовано в сварочном производстве для оперативного контроля перемещений и деформаций широкою класса изделий в процессе сварки, а такж для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций. Целью изобретения является повышение помехозащищенности, а также надежности преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь перемещения в напряжение, содержащий двигатель, 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 помехозащиг щенности, 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. ел С со о OJ |Ю XI ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 03 M 1/24

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

В Е4ОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ

6 (21) 4229971/24 (22) 13.04,87 (46) 3.03;93. Бюл. М 11 (71) нститут электросварки им. Е.О.Патона (72),И.Махненко, В,М,Лунин, А.В.Рыжков, А.В. анченко, Я.Ф.Кисилевский, С.Г.Пикусов, C.Н.Абрамов, Ю.Г.Ковтун, P.È,Ïëàøåíков, О.П.Поляков, М.С,Фаленчук и

А.И.Малик (56) Авторское свидетельство СССР

М 1 67813, кл, Н 03 М 1/24, 1985, вторское свидетельство СССР

N 1381383, кл. Н 03 М 1/24, 1986, (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 такж для создания автоматизированных систем контроля сварочных деформаций.

Цель|о изобретения является повышение помехозащищенности, а также надежности преобразователя, Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь перемещения в напряжение, содержащий двигатель, И обретение относится к области измерительн и техники и может быть использовано в сваро ном производстве для оперативного контр ля перемещений и деформаций широкого асса изделий в процессе сварки, а также для с здания автоматизированных систем контр ля сварочных деформаций.

Целью изобретения является повышение помехозащищенности и надежности преоб эазователя, „„Ы„„1803979 А1 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,ll. 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.

1803979

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

R<, 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

ocb, 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 R и R>. Считывающий элемент 24 выполнен в виде прозрачного кольца, ограниченного радиусами R и R>, 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 fo луча излучателя 1, Анализатор 3 устанавливается в кон5

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 F1, F2, 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 фотоприемников, 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 металлизированного 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 образоBBHbl, 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 про1803979

25 т Π— tp + пр + втсп

r p = r p + где + r», 30

55 ходных конденсаторов 63 — 65 из-за возможнор непараллельности считывающего кольца 24 и анализатора 3, поскольку для увеличения емкости этих конденсаторов 63, 64,:и 65 расстояние d между их обкладками следует выбирать минимальным. При d=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

МЛ-5, При модуляции излучения излучателя

1 с частотой 500 кГц, сопротивления проходных конденсаторов 63, 64 и 65 составляют ок ло 100 кОм, поэтому в качестве усилителей 25 и 26 следует использовать операционные усилители с большим входным сог)ротивлением и скоростью нарастания.

Пр 4 помощи резистора 31 осуществляется привязка плавающих входов усилителей 25 и 2р к общей точке преобразователя. Сигналы Тпр (фиг. 5а) и Тсп с выходов усилителей

25 и 26 поступают на входы демодуляторов

27 4 28, а с их выходов — на входы соответстфющих фильтров 29 и 30 (фиг, 5б). На выходах этих фил ьтров 29 и 30 формируются сиг алы Тпр (фиг, 5в) 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 сос, ав формирователя 8 начала отсчета.

При этом на выходе последнего вырабатывае ся импульс Тно (фиг. 6а).

:Таким образом, формируются три после овательности импульсов Тно, Тпр и Тсп (фи . 6а, б, в), период следования которых пропорционален угловой частоте в вращения. анализатора 3, Длительность го импульсов Тно пропорциональна 2 р1, где

p) - угол раствора прямолинейного фотоt приемника 36. Основной постоянной компонентой в длительности импульсов Тпр является 2т <=2 o)pi, а в длительности импульсов Тсл-2 ran=2 cd у, Длительность импульсов Тпр имеет также переменную компоненту э= cl, а длительность импульсов Tcn — переменные компоненты т4= вp4 = г5= ву75, При этом значения углов рз, р4 и зависят от эффективного рад уса г опорного луча в плоскости анализатора 3 и полярной координаты р опорно! го луча относительно центра анализатора 3 (см. фиг. 2). Под эффективным радиусам r опоЦного 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

1 тз, 74 и т5 являются источником методической погрешности преобразователя, причем значение этой погрешности невозможно определить заранее и скомпенсировать путем введения поправок, поскольку значение эффективного радиуса r 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 r 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. 66, в, ж), а полярная координата р пропорциональна длительности импульса трмежду центрами импульсов Тпр и Тно (фиг. 6а, б, д). Обозначив тпр=тз+ г1, сп =74 + Г2 =25 + Ò2. МОЖНО ЗаПИСатЬ где t»-=1/2 zo; х р — интервал времени между задним фронтом ипульса Тпр и передним фронтом импульса Т п (фиг. бе);

zp — интервал времени между задним фронтом ипульса Тпр 1и передним фронтом импульса Т» (фиг, бе);

При этом для получения полярных коорди- ( нат р и р необходимо выполнить следующие функциональные преобразования р =Ьта —; p =2т -;а = — =coAst, (2) гц ц 27г где гц — период вращения анализатора 3 (фиг. 6з), Интервалы времени т формируются при помощи триггера 10, который устанавливается по заднему фронту импульса Тпр и сбрасывается по переднему фронту импульса Тн, (импульсы установки и сброса формируются, соответственно, формирователями

32 и 9). Интервалы времени гр формируются при помощи триггера 34, устанавливаемого по заднему фронту импульса Tïð и

1803979

10 (5) Tp+ /н О

Ео n

R2 С (3) 45

55 сбрасываемого по переднему фронту импульса Тсп i (импульсы установки и сброса формируются, соответственно, формирователями 32 и 33). Для реализации формул преобразования (2) имеются два итерационных функциональных преобразователя; полярной координаты р ((ккллююччи и 1122, 13, 14, интегратор 18 и устройство 20 выборки-хранения) и полярной координаты р(ключи 15, 16, 17, интегратор 19 и устройство 21 выборки-хранения).

Итерационный функциональный преобразователь полярной координаты р работает циклично. B каждом цикле осуществляется: — интегрирование интегратором 18 выходного напряжения +Ео источника 11 опорного напряжения в течение интервалов времени т р, тпр и гно через ключи 12, 13 и

14 соответственно; — интегрирование интегратором 18 выходного напряжения устройства 20 выборки-хранения в течение времени цикла гц,. — выборка выходного напряжения интегратора 18 устройством 20 выборки-хранения в момент времени Тц, соответствующий переднему фронту импульса Т«, Предположим, что перед началом преобразования напряжение на выходе устройства 20 выборки-хранения равно UH. Тогда учитывая, что сопротивление интегратора

18 по входу интегрирования Тпр и Т» вдвое больше сопротивления по входу Т /1 (см. фиг, 1), I это напряжение после первого цикла работы станет. равным

U1= (ТP+T пр+ хно)+0н(1 —,3=

Ео Кп KIi tq

R2 С R1 С где R1 и R2 — сопротивления резисторов 53, 54, 55 интегратора 18 по соответствующим входам;

С вЂ” емкость конденсатора 56;

Кп — коэффициент передачи устройства

20 выборки-хранения;

0=1 1 . С вЂ” коэффициент сходимости, Кп гц

Учитывая, что выражение (3) представляет собой рекуррентное соотношение, то после п-ro цикла интегрирования оно примет вид: и

)и о и г QI 1-0н Q" (4)

R2 С

Последнее выражение состоит из двух частей: геометрической прогрессии, сходящейся при условии I Q I < 1, и убывающего при этом же условии члена 0н ° Q". Используя формулу для суммы членов геометрической и !1 прогрессии Х О =(1-Qп)/(1-0), в устано)— = 1 вившемся режиме (п - оо) получим

R1 м

Ч л Ilm Uï= Ео — "-„>„"= вг, Таким образом, если Eo R1/R2 -27г, то напряжение Up на выходе устройства 20 выборки-хранения будет пропорционально координате р контролируемой точки объекта. Таким образом, в описанном преобразователе производится компенсация методической погрешности от неизвестного эффективного радиуса r опорного луча по формуле (1) путем интегрирования эталонного напряжения +Eo в течение времени

2 гпр и 2 тно, но через удвоенное значение входного сопротивления 2.R2 по соответствующим входам интегратора 18, Тем самым в неявном виде находятся середины импульсов Тпр и Тн, позволяя определить значение координаты р без дополнительной методической погрешности, обусловленной эффективным радиусом r опорного луча в плоскости анализатора 3.

Аналогичным образом работает итерационный функциональный преобразователь полярной координаты p . .При этом сопротивление интегратора 19 по входу интегрирования Т равно R3 (резистор 58), 1 а по входам интегрирования Тпр и Тсп равно 2 R3 (резистор 59). В установившемся режиме напряжение на выходе устройства

21 выборки-хранения определится выражением

R1 p + тпр + сп R1

0р=Ео — . вз тц кз ц

= Š— —. (6) Таким образом, если Eo ° R1/R3=2 л а, то напряжение Up на выходе устройства 21

I выборки-хранения будет пропорционально координате р контролируемой точки объекта, причем погрешность от эффективного радиуса г опорното луча будет практически полностью скомпенсирована. Остаточная погрешность пропорциональная (пр-

Можно показать, что необходимое число циклов и для достижения заданной отно1803979

10 (7) A= I nl сительной погрешности преобразования определится из выражения где lnt — целая часть числа;

U х — значение напряжения на выходе соответствующего преобразователя в уста новившемся режиме(n -

Для погрешности преобразования

n=0,1% реально достижимое число циклов

=3...5. Теоретически при Q=O результат преобразования получается за один цикл. поскольку Q=1 — Kn ц/й1 С, то параметры интеграторов 18 и 19 выбираются

Одинаковыми с целью устранения неоднозначности при получении результата измерения, Формула изобретения

1. Преобразователь перемещения в наг1ряжение, содержащий двигатель, излучатель, коллиматор, оптически соединенный с анализатором, который выполнен в виде прозрачного диска с нанесенными на него фотоприемниками, считывающий элемент, формирователь импульсов начала отсчета, в ход которого соединен с управляющим в одом первого ключа и с входом первого фррмирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом первого триггер) и с управляющими входами первого и второго устройств выборки-хранения, выход которых являются выходами преобразователя и соединены с первыми входами с ответственно первого и второго интеграторов, выходы которых соединены с информационными входами соответственно первого и второго устройств выборки-хранения, второй и третий формирователи импу ьсов, источник опорного напряжения, вь|ход которого соединен с информационнь|ми входами с первого по пятый ключей, выход первого триггера соединен с управляювцим входом второго ключа, выход которого соединен с вторым входом первого интегратора, третий вход которого подключен к выходу третьего ключа, выходы четвертого и пя1ого ключей соединены соответственно с вторым и третьим входами второго интегратора, отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности преобразователя. 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 вы10

55 полнен в виде LU-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 элемента 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 юшийся тем, что, с целью повышения надежности, анализатор выполнен в виде прозрачного диска с радиусом R1, на одной стороне которого расположены два активных участка и непрозрачная зона, первый активный участок выполнен в виде радиального сектора с угловым раствором 2 р1 ограниченного дугой окружности радиусом R, где R р<, а внешняя сторона второго активного участка образована сдвигом этой же спирали Архимеда на угол 2 у 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, 12

1803979

45

55 ограниченного радиусами R и R> и имеющего прозрачный сектор с угловым раствором

2 р, сопряженный с первым активным участком, на другой стороне диска анализатора в кольцевой зоне, ограниченной радиусами

R и R, 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 шийся тем, что считывающий элемент выполнен в виде прозрачного кольца. ограниченного радиусами R и R<, на одной из сторон которого размещены три прозрачных кольцевых электрода, образующих с кольцевыми электродами анализатора со5 ответственно три кольцевых конденсатора, выход среднего кольцевого электрода считывающего элемента является третьим выходом считывающего элемента, выходы кольцевых электродов считывающего эле10 мента, связанные с первым и вторым активными участками анализатора, являются первым и вторым выходами считывающего элемента соответственно.

4. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а ю15 щи йся тем, чтостатордвигателя установлен в одной плоскости с анализатором, а разомкнутая часть Ш-образного сердечника статора выполнена по дуге окружности ротора.

1803979

1803979

F2 бар

"ал

25, 26- усилигпели; Л-резислтр;

Юиг. 4

7„

Т1

5 ар

7иг. 5

У,, Y2 — Const

<з У, Yq — Чаг

Редактор Т, иванова

Заказ 1060 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

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

"на

4 пр

Т

Тсп

Т

Составитель Е, Бударина

Техред M. Ìîðãåíòàë Корректор Е.Папп