Преобразователь перемещения в напряжение

 

HOI/ час Изобретение относится к измерительтехнике и может быть использовано, в ности, в сварочном производстве для one ативного контроля сварочных перемеще лий авт ий и деформаций широкого класса издев процессе сварки, а также для создания матизированных систем контроля сварочных деформаций. Целью изобретения является повышение быстродействия преобразователя перемещения в напряжение. Цель достигается тем. что в преобразователь перемещения в напряжение, содержащий излучатель, модулятор, коллиматор, генератор, двигатель, в качестве ротора которого используется анализатор, считывающий элемент, формирователь начала отсчета, два усилителя, два демодулятора, два фильтра, три формирователя импульсов, два триггера, источник опорного напряжения , шесть ключей, два интегратора и два устройства выборки-хранения, дополнительно введены два программируемых усилителя , программируемый делитель частоты и формирователь импульсов с соответствующими связями. Применение программируемых усилителей позволяет за счет уменьшения количества итераций увеличить быстродействие преобразователя. 5 ил. ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (с9) (51)5 Н 03 М 1/24

ДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ.

OMCTBO СССР

ПАТЕНТ СССР) ГО

BE (ГО

: - г Сщтг

«.с сБ,:

К (21) (22) (46) (71) (72) чен (56)

М1

М1 (54)

ВН (57) ной час

one ще лий авт роч ной час

one ще лий авт роч ни ме обр на зан тнэ

ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ а

4688130/24

10.05.89

30.08.93. Бюл. N 32

Институт электросварки им. Е.О.Патона

В.M.Ëóíèí, Н.О.Белофастов, А.В.Пано и А.B.Pûæêoâ

Авторское свидетельство СССР

156255, кл. Н 03 M 1/24, 1985.

Авторское свидетельство СССР

03979, кл. Н 03 M 1/24; 1987.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

ПРЯЖЕ НИЕ

Изобретение относится к измерительтехнике и может быть использовано, в ности, в сварочном производстве для ативного контроля сварочных перемеий и деформаций широкого класса издев процессе сварки, а также для создания матизированных систем контроля сваых деформаций. Целью изобретения

Изобретение относится к измерительтехнике и может быть использовано, в ности, в сварочном производстве для ативного контроля сварочных перемеий и деформаций широкого класса издепроцессе сварки, а также для создания матизированных систем контроля сваых. деформаций.

Целью изобретения является повышеыстродействия преобразователя перения в напряжение. а фиг . 1 изображена блок-схема презователя перемещения в напряжение; иг. 2 — выполнение анализатора и свяых с ним блоков; на фиг. 3 — эквиваленэлектрическая схема анализатора с является повышение быстродействия преобразователя перемещения в напряжение.

Цель достигается тем, что в преобразователь перемещения в напряжение, содержащий излучатель, модулятор, коллиматор. генератор, двигатель, в качестве ротора которого используется анализатор, считывающий элемент, формирователь начала отсчета, два усилителя, два демодулятора, два фильтра, три формирователя импульсов, два триггера, источник опорного напряжения, шесть ключей, два интегратора и два устройства выборки-хранения, дополнительно введены два программируемых усилителя, программируемый делитель частоты и формирователь импульсов с соответствующими связями, Применение программируемых усилителей позволяет эа счет уменьшения количества итераций увеличить быстродействие преобразователя. 5 ил. блоком обработки; нэ фиг. 4 — временная диаграмма работы преобразователя; на фиг. 5 — график зависимости коэффициента передачи дисперсии случайной погрешности от параметра настройки О, . Cd

Преобразователь перемещения в на- 4 пряжение содержит излучатель 1, модуля- (д) тор 2, коллиматор 3, анализатор 4, сО генератор 5, анализатор 4 закреплен в ме- а таллической обойме 6, которая выполняет функдиа Остера двигателя 7. состоящего иа статора 8 и блока 9 возбуждения, формирователь 10 начала отсчета, считывающий зле° и ий мент 1Т в виде кольца, усилители 12 и 13, согласующий элемент, выполненный на резисторе 14, демодуляторы 15 и 16. фильтры

1837391

17 и 18, формирователи 19, 20 и 21 импульсов, триггеры 22 и 23, ключи 24...29, источник

30 опорного напряжения, программируемые усилители 31 и 32, интеграторы 33 и 34, устройства 35 и 36 выборки-хранения, программируемый делитель 37 частоты, формирователь 38 импульсов, входы 39 усправления преобразователя.

Анализатор 4 содержит прозрачный диск 40, с одной стороны которого нанесены прямолинейный 41 и спиралевидный 42 фотоприемники, состоящие из прозрачных металлических электродов 43 и 44 и фоточувствительного слоя 45„кольцевую.непрозрачную зону 46 с прозрачным окном 47, отверстие 48 под ось, прозрачные кольцевые электроды 49, 50, 51.

Считывающий элемент 11 содержит кольцевые прозрачные электроды 52, 53, 54.

Формирователь 10 начала отсчета содержит излучатель 55 и фотоприемник 56.

Преобразователь перемещения в напряжение работает следующим образом.

Излучатель 1, в качестве которого может быть использован гелий-неоновый лазер, с закрепленным на нем модулятором 2 и коллиматором 3 устанавливаются на неподвижной базовой оснастке in используются для задания опорного направления.

Генератор 5 задает частоту модуляции луча излучателя 1. Анализатор 4 устанавливается в контролируемой точке объекта и вращается вокруг своей оси при помощи двигателя

7, ротором которого является металлическая обойма 6. в которую помещен анализатор 4, а статор 8 выполнен в виде

LU-образного сердечника с тремя обмотками. Блок возбуждения 9 генерирует три последовательности импульсов, при подаче которых в обмотке статора 8 возникает "бегущее" магнитное поле, приводящее в движение анализатор 4.

Один раз за полный оборот анализатор

4 на выходе прямолинейного 41 и спиралевидного 42 фотоп циемников вырабатываются пачки импульсов, поступающих через проходные емкости С1, С2 и СЗ на входы усилителей 12 и 13. Прямолинейный 41 и спиралевидный 42 фотоприемники представляют собой профилировэнные фотодиоды, нанесенные на поверхность прозрачного диска 40 анализатора 4, и образованы каждый двумя прозрачными электродами 43 и 44, между которыми расположен фоточувствительный слой 45.

При этом прозрачные электроды 43 обоих фотоприемников 41 и 42, непосредственно нанесенные на поверхность анализатора 4, электрически связаны друг с другом (общий электрод). Общий электрод 43 имеет также электрическую связь с кольцевым электродом 50, нанесенным на обратную сторону диска 40 (например, при помощи переходного металлизированного отверстия). Ос5 тавшиеся два кольцевых электрода 49 и 51 связаны, соответственно, со вторыми прозрачными электродами 44 прямолинейного

41 и спиралевидного 42 фотоприемников.

Проходные конденсаторы С1, С2 и СЗ обра10 зованы, соответственно, кольцевыми электродами.49 и 52, 50 и 53, 51 и 54. Кольцевые электроды 52, 53 и 54 нанесены на поверхность считывающего элемента 11 и идентичны по своим параметрам кольцевым

15 электродам 49, 50 и 51 (см. фиг. 2), На свободные поверхности всех кольцевых электродов 49...54 наносится тонкое диэлектрическое покрытие для устранения возможности прямого электрического кон20 такта между обкладками проходных конденсаторов из-зэ возможной непараллельности считывающего элемента 11 и анализатора 4, поскольку для увеличения емкости этих конденсаторов расстояние d между их обкладК3ММ следует выбирать минимальным; При

d = 0,1 мм емкость проходных конденсаторов составляет 150 пФ, При помощи резистора 14 осуществляется привязка плавающих входов усилителей 12 и 13 к об30 щей точке устройства. Сигналы Т,р и Т сл с выходов усилителей 12 и 13 поступают на входы демодуляторов 15 и 16, а с их выходов — на входы соответствующих фильтров 17 и 18. На выходах этих фильтров

35 .формируются сигналы Тпр и Тсп, поступающие.в блок обработки. Один раз за полный оборот диска 40 анализатора 4 прозрачное окно 47 открывает путь световому потоку от излучателя 55 к фотоприемнику 56 формиро40 вателя 10 начала отсчета. При этом на выходе последнего вырабатывается импульс

Тно. Покрытие непрозрачной зоны 46 выполняется диэлектрическим во избежание паразитной связи между проходными кон45 денсаторами С1, С2 и СЗ.

Таким образом, в блок обработки поступают три последовательности импульсов

Tao. Тпр, Тсп (фиг. 4а,б,B), период следования которых равен периоду гц (фиг. 4з) враще50 ния анализатора 4. Длительность импульсов

T„o пропорциональна 2 р1, где p1 — угол раствора прямолинейного фотоприемника

41. Основной постоянной компонентой в длительности импульсов Т» является постоянной компонентой в длительности импУльсов Тпр ЯвлЯетсЯ 2t1 =2 Р1 й), а в дЛИтЕЛЬНОСтИ ИМПУЛЬСОВ Тсл — 2т1 = 2 p2 ®.

Длительность импульсов Т» также имеет переменую компоненту тз = рддр, а дли1837391 ьность импульсов Тсп — переменные коменты t4 = р4 а=гЪ = + ш При этом знаия углов фз, р4 и ф5 зд Висят От ективного радиуса r опорного луча в . скости анализатора 4 и полярной коор- 5 аты р опорного луча относительно ценанализатора 4 (см. фиг. 2). Под ективным радиусом г опорного луча поается максимальное расстояние от ценпятна излучателя до точки, 10 енсивность излучения а которой равна огу срабатывания спиралевидного 42 и молинейного 41 фотоприемников аналиора 4. Переменные компоненты r3, t4 и являются источником методической пошности преобразователя, причем значее этой погрешности невозможно ределить заранее и скомпенсировать пу-. введения поправок, поскольку значение: фективного радиуса r зависит от многих: 20 кторов. Важнейшими из этих факторов явтся порог чувствительности фотоприемков 41 и 42 и закон .распределения тенсивности излучения в лазерном луче, орый s значительной степени определяет- 25 фокусировкой луча в плоскости анализато4.

В предлагаемом устройстве компейсая методической погрешности от неизвеного эффективного радиуса r опорного 30 л ча производится следующим образом.

На фиг. 2 видно, что полярная координата. р. порного луча относительно центра аналитора 4 пропорциональная длительнОсти пульса Тр между центрами импульсов Тпр 35

T ï ((сcмM. . ф иMгr, . 44)), а полярная координата р- ительности импульса Т между центрами пульсов Тпр и Тно (фиг. 4д). Обозначив р = 73 + T1: сп = 74 + 72 = 75 + 72, МОЖНО э писать(см, фиг. 4):

Ц с

3 и и

А и

Ц) = Tp + (T ï ð + т сп) 2

tip = ф + тпрl2 + гно/2 (1) 45

55 где R1 и R2 — сопротивления усилителя 31 по соответствующим входам; с — емкость интегратора 33;

k — коэффициент передачи устройства

35 выборки-хранения; и те по че эф пл ди тр э н тр ин и и за.

lS н

О т

Ф л н и

-к c

e t>p = Го/2;

7р- интервал времени между задним ронтом импульса Тпр и передним фронтом пульса Тсп (фиг. 4е); ф- интервал времени между задним ронтом импульса Тпр и передним фронтом мпульса Тно (фиг. 4г).

При этом для получения полярных коорнат p Np необходимо выполнить следущие функциональные преобразования: р = ; p = 2г -; 0 = = cor1st, (2) т Tì К гц гц где. гц — период вращения анализатора 4.

Интервалы времени тц формируются при-помощи триггера 22, который устанавливается по заднему фронту импульса Тпр и сбрасывается по переднему фронту импульса Тпо(импульсы установки и сброса формируются, .соответственно, формирователями

20 и 19).

Интервалы времени тр формируются . при помощи триггера 23, устанавливаемого по заднему фронту импульса Тпр и сбрасываемого по переднему фронту импульса Тсп (импульсы установки и сброса формируются, соответственно, формирователями 20 и

21). Для реализации формчл преобразова ния (2) в блоке обработки имеются итераци-: онные функциональные преобразователи; полярной координаты р (ключи 24, 25, 26. программируемый усилитель 31, интегратор

ЗЗ и устройство 35 выборки-хранения) и полярной координаты р(ключи 27, 28, 29, программируемый усилитель 32, интегратор 34 и устройство 36 выборки-хранения).

Итерационный функциональный преобразователь порядной координаты rp работает циклично. При этом длительность каждого цикла итерации составляет N tq, где

N — заданный на входах 39 управления код.

В каждом цикле осуществляется:

N-кратное интегрирование интегратором 33 напряжения с выхода усилителя 31 в течение интервалоа времени rp, тпр и хсп, " — интегрирование интегратором 33 выходного напряжения устройства 35 выборки-хранения через усилитель 31 в течение. времени цикла N тц,, — выборка выходного напряжения интегратора 33 устройством 35 выборки-хранения по сигналу с формирователя 38.

Предположим, что перед началом преобразования напряжение на выходе устройства 35 выборки- хранения равно Оп. Тогда, учитывая, что сопротивление усилителя 31 по входам Т,р и Тно, но вдвое больше сопротивления по входу Tp (см. фиг. 1), это напряжение после первого цикла работы станет равным:

1837391 (6) где

Я(; л

"К=(;„1Í " "

O - 1 — о- коэффициент окедииоK!! Nt

N R1C сти.

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

После несложных преобразований пол.учим: (/Ä ((= E.—, —" (!-а(!!" э (/„Ц"

Последнее выражение состоит из двух частей; геометрической пргрессии, сходящейся при условии IQt < 1 убывающего, при этом же .условии, члена U!Qн. Используя формулу для cYMMbi членов геометрической и прогрессии Х Q"; = (1 - Q.")/ (1 - Q), в уста-! — 1 новившемся режиме (и —. оо) получим:

Up = Ит Up(n) = Eo ——

R1 т О !!-э оо R2 оц

Таким образом, если ЕоК1/Вг тц2т, то напряжение Up на выходе устройства 35 выборки-хранения будет пропорционально координате р контролируемой точки объекта, Таким образом, в преобразователе производится компенсация методической погрешности от неизвестного эффективного радиуса r опорного луча путем интегрирования эталонного напряжения +Eo/N в течение времени напр и t!!o но через удвоенное значение входного сопротивления 2йг по соответствующим входам усилителя 31, Тем самым в неявном виде находятся середины импульсов Тпр и Т !р, позволяя определить значение координаты р без дополнительной методической погрешности, обусловленной эффективным радиусом опорного луча в плоскости анализатора 4.

Аналогичным образом работает итерационный. функциональный преобразователь полярной координаты p . При этом сопротивление усилителя 32 по входу интегрирования Тр равно Вз, по входам интегрирования Тпр и Т п равно 2йз. В установившемся режиме напряжение на выходе устройства 36 выборки-хранения определяется выражением: в т gn. л

1! Е p ("cn+ пр)/2

"и

Таким образом. если Ео 2 л, то

R1 йз т„ напряжение Up на выходе устройства 36 будет пропорционально координате р контролируемой.точки объекта, причем погрешность от эффективного радиуса опорного

10 луча будет практически полностью скомпенсирована. Остаточная погрешность пропорциональна (г4 -r5)!2 =0 для каждого из значений полярной координаты (см. фиг. 2, ф4 =e)

Рассмотрим работу преобразователя с учетом влияния случайной погрешности.

Предположим, что Tp (i) — входная последовательность.импульсов, длительности

tp(i) которых пропорциональны полярной координате р опорного луча. При этом

tp(i) = tp+ Amp (1), где ЬФр(3) — случайные отклонения от среднего значения tp. .В соответствии с этим формула (3) при25 к ч(1» к й,с ""ч ц (4 и" ц я", После несложных преобразований можно получить: Е К„

ОЧ(1 R с Z"ю0" +

Е К

" -(;-11к " " (5) 8 установившемся режиме первый член в(5) равен Up, второй член стремится к нулю и случайная погрешность преобразования

40 координаты р полностью определится третьим членом:

Предположим, что случайные отклоне- ния Ьтф ) некоррелированы между собой, причем их дисперсия равна очаг. При этом отсчеты случайной величины г, (() будут также некоррелированы, причем ее матожидание и дисперсия:

M(г((()) = 0

0g r. (i)) = 0 /N. (7) 10

1837391 и т в м

1 — 0

Кпп-N 1+0 (8) (9) u»„р п К

U„R „ N

Из этого выражения видно, что коэффи-, циент передачи ПУ 31 и 32 обратно nponoð"ционален значению кода N на входах 39 преобразователя.

С учетом изложенного выражение (6) лностью аналогично выражению, харакрному для.работы прототипа. Соответстнно, дисперсию случайной погрешности жно определить по формуле:

О =(Ьф) = 2n((i)) 1+ Q а 3 унетом (7);

O(h, Ор ) = o t N — „

Из приведенного видно, что путем наджащего выбора параметров N u Q можно стичь подавления случайной погрешнои в Кпп раз, где:

При й- сп и С}1Кпп- оо, однако увелиние,Q приводит к увеличению числа итеаций и, необходимого для достижения опустимой. величины динамической пог ешности у, согласно: увеличение N влечет удлинение каждой терации. При этом общее время преобраования будет:

Тпр = n N ö

Можно показать, что при помощи предагаемого устройства при равных условиях прототипом соответствующим выбором араметров 0 и N можно дббиться уменьшеия времени преобразования в сравнении с рототипом, При этом зафиксируем значеие Тпр и определим соотношение между и й, обеспечивающее максимум коэффицинта подавления дисперсии Кпп. Учитывая

8) и (9), можно записать:!

Проведя несложное исследование на кстремум полученного для Кпп выражения, ажно показать, что оно имеет максимум

= N npu Q = О. Это наглядно иллюстриовано на фиг. 5, где изображена зависиость коэффициента передачи дисперсии лучайной погрешности (величины, обратой К„„) от параметра 0 при заданном времени преобразования М»х и динамической: погрешности от сходимости итеративного процесса у.

Таким образом, условие настройки:Q5 О, при агом требуемое подавление Кпп - N будет достигнуто за минимальное число оборотов анализатора, равное N.

Работа программируемых усилителей (ПУ) 31 и 32, используемых в устройстве, 10 основана на работе операционного усилите- ля (ОУ) по схеме включения с отрицательной обратной связью (OC). При этом, как известно, его коэффициент передачи определяется отношением сопротивления OC к

15 соответствующему входному сопротивлению, взятому с обратным знаком. Для изменения (программирования) коэффициента передачи можно изменять значение сопротивления, стоящего в прямой цепи или в

20 обратной связи. Для получения обратно пропорциональной зависимости коэффциента передачи необходимо изменять значение сопротивления в 0С.

B ПУ 31 и 32 в качестве резистора ОС

25 используется цепочка R — 2R с соответствующими управляющими ключами, которая функциональнео полно соответствует стандартным ЦАП.

Коэффициент передачи такого ПУ легко

30 получить. написав выражение для баланса токов на инвертирующем входе ОУ (виртуальная земля): вых Я

ex ll

35 где 14» — напряжение на соответствующем входе ПУ;

R>< — сопротивление ПУ по соответствующему входу;

40 и — количество двоичных разрядов ЦАП;

R — номинальное значение резистора Я в цепочке R — 2R ЦАП;

N — значение двоичного кода на входах управления ЦАП.

45 Из этой формулы легко получить коэффициент передачи ПУ:

Формула изобретения

Преобразователь перемещения в напряжение, содержащий излучатель, оптически соединенный через модулятор и коллиматор с анализатором, выполненным

1837391

nepeoro и второго усилителей и первым ь . водом согласующего элемента, второй еь; вод которого соединен с шиной нулевог, потенциала, выход первого усилителя соединен с входом первого демодулятора, выход которого соединен с входом первого фильтра, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей и входом первого формирователя импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого и второго триггеров, выходы которых соединены с управляющими входами соответственно третьего и четвертого клю15

20 входом второго демодулятора. выход которого соединен с входом второго фильтра, выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа и входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом второго триггера, формирователь начала отсчета, выход которого соединен с управляющим входом шес25 ра, источник опорного напряжения, выход

30 нения, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами преобразователя, а управляющие входы обоих устройств выборки-хранения обьеди40 импульсов, выход которого соединен с управлиющим входом первого устройства выборки-хранения, выходы первого и второго устройств выборки-хранения соединены с первыми информационными входами соответственно первого и второго программируемых усилителей, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго интеграторов, выходы третьего, первого и шестого ключей соединены соответственно с вторым, третьим и четвертым информационными входами первого программируемого усилителя, выходы четвертого, пятого и второго ключей соединены соответственно с вторым, третьим и четвертым информационными входами второго программируемого усилителя, выход третьего формирователя импульсов соединен с тактовым входом программируемого делителя частоты, выход которого соединен с входом в виде прозрачного диска с радиусом R>, на одной стороне которого расположены два активных участка и непрозрачная зона, первый активный участок выполнен в виде радиального сектора с угловым раствором 2 р1, 5 ограниченного дугой окружности радиусом

R, где R < R>, внутренняя сторона второго активного участка выполнена в виде спирали Архимеда с началом в центре диска, развернутой по радиусу R на угол 2 x — ро, где 10 Ъ >ф, а внешняя сторона второго активного участка образована сдвигом этой же спирали Архимеда на угол 2 yz без пересе.чения с первым активным участком, при. чей; выход второго усилителя соединен с этом оба активных участка являются фотоприемниками, образованными фоточувствительными слоями, размещенными между двумя прозрачными металлическими электродами, непрозрачная зона анализатора выполнена в виде кольца, ограниченного радиусами R и R> и имеющего прозрачный сектор с угловым раствором 2 р1, сопряженный с первым активным участком, на другой стороне прозрачного 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 мационными входами соответственно участка. а крайние кольцевые электроды ана- пеРвого и втоРого устройств.: выборки-хрализатора соединены с другими прозрачными металлическими электродами соответственно первого и второго активных участков анализатора, считывающий элемент. 35 выполненный в виде прозрачного кольца,.or- нены. отличающийся тем, что, с целью раниченного радиусами R и R>, на одной из повышения быстродействия преобразоватесторон которого размещены три прозрачных ля, в него введены первый и второй програмкольцевых электрода, образующих с кольце- мируемые усилители, программируемый выми электродами анализатора соответст- делитель частоты и четвертый формирователь венно три кольцевых конденсатора, выходы кольцевых электродов считывающего элемента, связанные с первым и вторым активными участками анализатора, являются первь м и BTGpbIM выходами считывающего 45 элемента соответственно, а выход среднего кольцевого электрода считывающего элемента является его третьим выходом, двигатель, статор которого выполнен в виде LLI-образного сердечника с тремя обмотками, подключенными к блоку возбуждения, а ротор — в виде металлической обоймы, внутри которой установлен анализатор, генератор, выход которого соединен с управляющим входом модулятора, первый выход считыва- 55 ющего элемента соединен с первым входом первого усилителя, второй выход считывающего элемента соединен с первым входом второго усилителя, третий выход считывающего элемента соединен с вторыми входами

1837391

13 твертого формирователя импульсов, а упвляющие входы объединены с соответстющими управляющими входами первого! г ч и второго программируемых усилителей и р являются управляющими входами преобра6 эователя.

1837391 т„, 4 пр тса

Т

Тф

P т

Р

Тр

1„

Г

I !

vÄ

I

I

1 с

I

l

J

I !

У! у р2 conS1. P, 9 У5 Var

Фиг. 4

1837391 °

6,25

0,2

О,fS

0,f

005

0,2 Редактор !! Заказ 2871 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035 Москва Ж-35 Ра аская нэб. 4 5

0 ! !

Составитель Е.Бударина ..

Техрер M.Mîðãåíòàë Корректор ЛЛивринц

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