PL223714B1 - Indukcyjnościowy czujnik przemieszczeń - Google Patents

Description

Opis wynalazku

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 się

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.

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.

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.

Opisany czujnik przemieszczeń według wynalazku może być stosowany w robotyce, budowie sprzętu pomiarowego i instrumentów medycznych.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Indukcyjnościowy czujnik przemieszczeń zawierający wzmacniacz operacyjny, prostownik fazoczuły, znamienny tym, że pierwsza gałąź czujnika zbudowana z szeregowo połączonych pierwszej cewki 4 i pierwszego rezystora 6 jest połączona z pierwszą, skrajną końcówką 1 wtórnego uzwojenia transformatora T napięcia, którego druga skrajna końcówka 2 jest połączona z drugą gałęzią czujnika zbudowaną także z szeregowo połączonych drugiej cewki czujnika 5 i drugiego rezystora 7 a trzecia, środkowa końcówka 3 wtórnego uzwojenia transformatora T jest połączona z masą elektryczną układu przy czym pierwsza i druga gałąź czujnika są dołączone w punkcie wspólnym do wejścia 8 odwracającego wzmacniacza W operacyjnego, którego wejście 8 jest także połączone za pomocą rezystora Rm sprzężenia zwrotnego z wyjściem 10 tego wzmacniacza, którego nieodwracające wejście 9 jest połączone z masą elektryczną układu, a końcówką wyjściową wzmacniacza 10 jest jednocześnie zmiennonapięciową końcówką wyjściową czujnika, przy czym pierwotne uzwojenie transformatora napięcia zasilającego czujnik przemieszczeń jest połączone z wyjściem generatora G napięcia zmiennego, korzystnie sinusoidalnego przy czym sygnał wyjściowy wzmacniacza W jest podawany na wejście 11 prostownika fazoczułego D, do którego wejścia sterującego 12 jest doprowadzony sygnał kluczujący z pierwotnego uzwojenia transformatora T natomiast sygnał wyjściowy w końcówce 13 prostownika D jest podawany do końcówki wejściowej 14 filtru dolnoprzepustowego F, w którego końcówce wyjściowej 15 otrzymuje się sygnał elektryczny o wartości średniej proporcjonalnej do różnicy AL indukcyjności cewek pomiarowych 4 i 5 a więc i do mierzonego przemieszczenia, AX.