PL223714B1

PL223714B1 - Inductance sensor

Info

Publication number: PL223714B1
Application number: PL402061A
Authority: PL
Inventors: Maciej Kozarski; Marek Darowski; Krzysztof Jakub Pałko; Krzysztof Zieliński
Original assignee: Inst Biocybernetyki I Inżynierii Biomedycznej Im Macieja Nałęcza Polskiej Akademii
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2016-10-31
Also published as: PL402061A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest indukcyjnościowy czujnik przemieszczeń stosowany w budowie przemysłowych przyrządów pomiarowych i w układach sterowania ruchem części maszyn, a także w robotyce i budowie aparatury medycznej.The subject of the invention is an inductive displacement sensor used in the construction of industrial measuring instruments and in systems for controlling the movement of machine parts, as well as in robotics and construction of medical equipment.

Znane są liczne, opisywane w literaturze metrologicznej i podręcznikach akademickich indukcyjnościowe czujniki przemieszczeń a w szczególności różnego rodzaju układy mostkowe prądu zmiennego. Z reguły mają one postać pełnych mostków zasilanych napięciowo lub prądowo, w których w jednej lub dwu gałęziach są umieszczane cewki czujnikowe o indukcyjności przestrajalnej różnicowo za pomocą przemieszczania rdzenia ferromagnetycznego, który jest właściwym elementem czujnikowym związanym z mierzonym przemieszczeniem. W wymienionych układach mostkowych, także rezonansowych, dokonuje się zwykle pomiaru napięcia lub prądu powstałego na przekątnej mostka. Ten sygnał na ogół jest poddawany fazoczułej detekcji, jeśli jest istotne określenie znaku sygnału wyjściowego w okolicach stanu równowagi mostka.There are many inductive displacement sensors described in metrological literature and academic textbooks, and in particular various types of alternating current bridge systems. As a rule, they are in the form of full voltage or current bridges, in which sensor coils are placed in one or two branches of the inductance differentially tunable by displacing the ferromagnetic core, which is the actual sensing element associated with the measured displacement. In the above-mentioned bridge systems, also resonant ones, the voltage or current generated on the bridge diagonal is usually measured. This signal is generally phase-sensitive if it is important to determine the sign of the output signal around the equilibrium state of the bridge.

Innym rodzajem czujnika indukcyjnościowego jest transformator różnicowy, który bezpośrednio wytwarza napięciowy sygnał wyjściowy, proporcjonalny do mierzonego przemieszczenia rdzenia ferromagnetycznego i podobnie jak w układach mostkowych podlegający fazoczułej detekcji.Another type of inductive sensor is a differential transformer, which directly generates a voltage output signal proportional to the measured displacement of the ferromagnetic core and, like in bridge systems, subject to phase-sensitive detection.

Indukcyjnościowy czujnik według wynalazku składa się z pierwszej gałęzi zbudowanej z szeregowo połączonych pierwszej cewki i pierwszego rezystora połączonych następnie z pierwszą skrajną końcówką uzwojenia wtórnego transformatora napięcia. Druga, skrajna końcówka wtórnego uzwojenia transformatora jest połączona z drugą gałęzią czujnika zbudowaną także z szeregowo połączonych drugiej cewki czujnika i drugiego rezystora. Środkowa końcówka wtórnego uzwojenia transformatora jest połączona z masą elektryczną układu. Pierwsza i druga gałąź czujnika są, po stronie niełączącej się z transformatorem, dołączone do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego, które jest także połączone za pomocą rezystora sprzężenia zwrotnego z wyjściem tego wzmacniacza. Jego nieodwracające wejście jest dołączone do masy układu. Wyjście wzmacniacza jest jednocześnie zmiennonapięciowym wyjściem czujnika przemieszczeń. Pierwotne uzwojenie transformatora napięcia zasilającego czujnik przemieszczeń jest połączone z wyjściem generatora napięcia zmiennego, korzystnie sinusoidalnego. Sygnał wyjściowy wzmacniacza jest podawany na wyjście prostownika fazoczułego, do którego wejścia sterującego jest doprowadzany sygnał kluczujący z pierwotnego uzwojenia transformatora natomiast sygnał wyjściowy poprzez filtr dolnoprzepustowy jest podawany do końcówki wyjściowej przetwornika.An inductive sensor according to the invention consists of a first branch of a series-connected first coil and a first resistor then connected to the first terminal end of the secondary winding of the voltage transformer. The second, extreme end of the transformer secondary winding is connected to the second branch of the sensor also consisting of a second sensor coil and a second resistor connected in series. The middle terminal of the transformer secondary winding is connected to the electrical ground of the system. The first and second sensor branches are, on the non-transformer side, connected to the input of the inverting operational amplifier, which is also connected via a feedback resistor to the output of this amplifier. Its non-inverting input is connected to the ground of the system. The output of the amplifier is also the variable voltage output of the displacement sensor. The primary winding of the voltage transformer supplying the displacement sensor is connected to the output of an alternating voltage generator, preferably sinusoidal. The output signal of the amplifier is fed to the output of the phase-sensitive rectifier, to the control input of which the keying signal from the primary winding of the transformer is fed, while the output signal is fed through the low-pass filter to the output terminal of the converter.

Czujnik przemieszczeń według wynalazku w istocie swojego działania opiera się na zasadzie pomiaru różnicy prądów płynących w obu cewkach czujnika, wpływającej do wejścia odwracającego wzmacniacza, czyli pozornej masy układu. Wzmacniacz wraz z rezystorem pomiarowym Rm spełniają rolę przetwornika prąd - napięcie. Dzięki takiemu rozwiązaniu układowemu można mierzyć małe różnice względnie dużych prądów płynących w cewkach za pomocą wzmacniacza operacyjnego małej mocy. Amplituda napięć na cewkach czujnika może być w tym układzie mała przy jednoczesnym zachowaniu dużej czułości pomiarowej przemieszczeń.The displacement sensor according to the invention is essentially based on the principle of measuring the difference in the currents flowing in the two sensor coils flowing into the input of the inverting amplifier, i.e. the apparent mass of the system. The amplifier together with the measuring resistor Rm act as a current-voltage converter. Thanks to this circuit design, it is possible to measure small differences of relatively large currents flowing in the coils with a low power operational amplifier. The amplitude of the voltages on the sensor coils in this system can be small while maintaining high measurement sensitivity of displacements.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym ideowy schemat połączeń czujnika przemieszczeń. Czujnik składa się z pierwszej gałęzi stanowiącej symboliczne szeregowe połączenie cewki 4 i jej własnej rezystancji 6 oraz z drugiej gałęzi również stanowiącej symboliczne połączenie cewki 5 i jej własnej rezystancji 7 równej rezystancji 6. Wspólny punkt połączenia obu gałęzi jest dołączony przewodem w ekranie EK do wejścia odwracającego 8 wzmacniacza operacyjnego W małej mocy. Pierwsza gałąź czujnika jest połączona przewodem w ekranie EK z pierwszą skrajną końcówką 1 wtórnego uzwojenia transformatora zasilającego T natomiast druga gałąź czujnika jest podobnie połączona z drugą skrajną końcówką 2 tegoż transformatora. Trzecia, środkowa końcówka 3 transformatora jest dołączona do masy elektrycznej układu, do której jest również przyłączona końcówka nieodwracająca 9 wzmacniacza W.The subject of the invention has been shown in the embodiment in the drawing showing a schematic diagram of the connection of the displacement sensor. The sensor consists of a first branch, which is a symbolic series connection of coil 4 and its own resistance 6, and a second branch, also representing a symbolic connection of coil 5 and its own resistance 7, equal to resistance 6. The common connection point of both branches is connected by a wire in the shield EK to the inverting input 8 W low power op amp. The first branch of the sensor is connected by a wire in the shield EK to the first end terminal 1 of the secondary winding of the supply transformer T, while the second branch of the sensor is similarly connected to the second end terminal 2 of the same transformer. The third, middle terminal 3 of the transformer is connected to the electrical ground of the system, to which is also connected the non-inverting terminal 9 of the amplifier W.

Uzwojenie wtórne wzmacniacza podzielone końcówką 3 na dwie równe części dostarcza do gałęzi czujnika dwóch napięć u₁ oraz u₂ równych, co do amplitudy, ale o przeciwnej fazie. Napięcia te indukują w obu gałęziach prądy i1 oraz i2 o przeciwnym znaku sumowane na wejściu 8 wzmacniacza W. W efekcie przez rezystor pomiarowy Rm płynie prąd różnicowy i3 = i1 - i2 dając na wyjściu 10 wzmacniacza W napięcie zmienne równe Rm-i₃. Generator G sygnału korzystnie sinusoidalnego zasilania mostka dostarcza do wejścia 12 prostownika fazoczułego D sygnał kluczujący w wyniku czego po dołączeniu do wyjścia 10 wzmacniacza W do wejścia 11 detektora D na jego wyjściu otrzymuje sięThe secondary winding of the amplifier, divided by the terminal 3 into two equal parts, supplies the sensor branch with two voltages u ₁ and u ₂ equal in amplitude but with the opposite phase. These voltages induce in both branches currents i1 and i2 of the opposite sign, summed at the input 8 of the amplifier W. As a result, a differential current i3 = i1 - i2 flows through the measuring resistor Rm, giving an alternating voltage at the output 10 of the amplifier W, Rm-i ₃ . The signal generator G of the preferably sinusoidal power supply of the bridge supplies a keying signal to the input 12 of the phase-sensitive rectifier D, as a result of which, when connected to the output 10 of the amplifier W to the input 11 of the detector D at its output

PL 223 714 B1 sygnał o składowej stałej proporcjonalnej do różnicy AL indukcyjności cewek czujnika. Ten sygnał po podaniu do wejścia 14 filtru dolnoprzepustowego F jest przetworzony na wyjściu 15 filtru na napięcie us0 proporcjonalne do różnicy AL z zachowaniem znaku tej różnicy. Napięciem zmienne na wyjściu 10 wzmacniacza stanowi zmienny sygnał wyjściowy Uz0 o amplitudzie proporcjonalnej do różnicy AL.A signal with a constant component proportional to the difference AL of the inductance of the sensor coils. This signal, when applied to the input 14 of the low-pass filter F, is converted at the output 15 of the filter into a voltage us0 proportional to the difference AL with the sign of the difference. The variable voltage at the output 10 of the amplifier is a variable output signal Uz0 with an amplitude proportional to the difference AL.

Zmiana indukcyjności cewki 4 lub 5 w funkcji przemieszczenia AX jej rdzenia ferromagnetycznego jest do niego proporcjonalna pod warunkiem, iż przemieszczenia jest małe w stosunku do długości cewki.The change in inductance of coil 4 or 5 as a function of the displacement AX of its ferromagnetic core is proportional to it, provided that the displacement is small in relation to the length of the coil.

Można zatem przyjąć, że napięcie wyjściowe us0 jest proporcjonalne do symbolicznie zaznaczonego na rysunku przemieszczenia rdzenia 17 czujnika przemieszczeń. Korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie dwóch współosiowych cewek umieszczonych w kubkach ferrytowych, w otworze których przemieszcza się rdzeń ferromagnetyczny 17 o długości mniejszej od długości obu cewek.Thus, it can be assumed that the output voltage us0 is proportional to the displacement of the core 17 of the displacement sensor symbolically marked in the drawing. A preferred solution is the use of two coaxial coils placed in ferrite cups, in the opening of which the ferromagnetic core 17 moves, which is shorter than the length of both coils.

Opisany czujnik przemieszczeń według wynalazku może być stosowany w robotyce, budowie sprzętu pomiarowego i instrumentów medycznych.The described displacement sensor according to the invention can be used in robotics, construction of measuring equipment and medical instruments.

Claims

Patent claim

An inductive displacement sensor comprising an operational amplifier, a phase-sensitive rectifier, characterized in that the first branch of the sensor made of serially connected first coil 4 and first resistor 6 is connected to the first, extreme end 1 of the secondary winding of the voltage transformer T, the second end of which 2 is connected to the second sensor branch also composed of a second sensor coil 5 and a second resistor 7 connected in series, and the third, middle end 3 of the transformer secondary winding T is connected to the electrical ground of the system, the first and second sensor branches connected at a common point to the input 8 of the inverting amplifier W whose input 8 is also connected via a feedback resistor Rm to the output 10 of this amplifier, the non-inverting input 9 of which is connected to the electrical ground of the circuit, and the output terminal of the amplifier 10 is also the variable-voltage output terminal of the sensor, the primary winding of the voltage transformer supplying the displacement sensor is connected to the output of the alternating voltage generator G, preferably sinusoidal, with the output signal of the amplifier W being fed to the input 11 of the phase-sensitive rectifier D, to which the control input 12 is fed the keying signal from the primary winding of the transformer T, and the signal the output at the terminal 13 of the rectifier D is fed to the input terminal 14 of the low-pass filter F, in the output terminal 15 of which an electric signal is obtained with an average value proportional to the difference AL of the inductance of the measuring coils 4 and 5, and thus to the measured displacement, AX.