Датчик перемещения

Изобретение относится к области измерения положения подвижного элемента, например, в составе электропривода с поступательным перемещением рабочего органа и может быть использовано для контроля перемещения этого органа с представлением сигнала в цифровом формате. Датчик перемещения содержит конденсатор и катушку в качестве первичного преобразователя, создающего LC-контур, электронные ключи, резистор, подключенный к катушке компаратор, последовательно соединенный с микроконтроллером. Положительный эффект данного технического решения состоит в том, что решена задача создания датчика перемещения простого в схемотехническом исполнении и обеспечивающего помехоустойчивость при передаче сигнала на относительно большое расстояние.

Предлагаемое изобретение относится к области измерения положения подвижного элемента, например, в составе электропривода с поступательным перемещением рабочего органа и может быть использовано для контроля перемещения подвижного элемента с представлением сигнала в цифровом формате.

Известен датчик перемещения [Смирнов В.И., Сергеев В.А., Смирнова A.M., патент 2052765], содержащий первичный индуктивный преобразователь в составе LC-контура, генератор последовательности прямоугольных импульсов, выход которого соединен с входом индуктивного преобразователя, и вторичный преобразователь сигналов, вход которого подключен к выходу LC-контура. В качестве вторичного преобразователя используется последовательно включенные преобразователь типа «временной интервал - амплитуда импульса» и преобразователь типа «амплитуда - число импульсов». Дополнительно содержит блок статистической обработки, вход которого подключен к выходу преобразователя «амплитуда - число импульсов».

Датчик позволяет преобразовать изменение индуктивности L во временной сдвиг . Блок статистической обработки формирует гистограмму распределения и рассчитывает параметры этого распределения. Математическое ожидание М случайной величины m_i является некоторой функцией расстояния. Точный вид этой функции неизвестен и находится только калибровкой.

Положительный эффект данного технического решения состоит в том, что длительность одиночного измерения t определяется быстродействием преобразователя «амплитуда - число импульсов».

Однако недостатком этого датчика перемещения является сложность технической реализации устройства в виде последовательности генератора, преобразователя «временной интервал - амплитуда», преобразователя «амплитуда - число импульсов» и блока статистической обработки, а также его низкое быстродействие по причине необходимости статистической обработки сигнала и отсутствие цифрового выходного сигнала.

Известен датчик перемещения (прототип), представленный в описании как «Преобразователь перемещения в цифровой код» [Научно-исследовательский институт прикладной механики им. акад. В.И.Кузнецова. Бухавцев В.Н., Кочетков Е.И., патент 2007027], содержащий операционный усилитель с положительной обратной связью, дифференциально-трансформаторный индуктивный датчик (ИД), два выпрямителя, сумматор, вычитатель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Датчик перемещения содержит синтезатор частот и последовательно соединенные функциональный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразователь напряжение-ток, дифференциально-трансформаторные датчик, выпрямитель, аналоговоцифровой преобразователь двухтактного интегрирования (АЦП ДИ). Выходы синтезатора частот соединены с входами функционального ЦАП, выпрямителя и АЦП ДИ.

Однако недостатком данного датчика перемещения является сложное схемотехническое решение, не обеспечивающее при этом возможности передачи сигнала на большие расстояния из-за низкой помехоустойчивости выходного сигнала.

Задача данного изобретения состоит в создании датчика перемещения простого в схемотехническом исполнении и обеспечивающего помехоустойчивость при передаче сигнала на относительно большое расстояние.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого датчика перемещения.

Катушка 1 совместно с конденсатором 2 составляют колебательный LC-контур. Электронные ключи 3 и 4 служат для коммутации цепи с LC-контуром: при замкнутом ключе 3 и разомкнутом ключе 4 контур подключается к источнику питания с ЭДС Е, а при замыкании ключа 4 и размыкании ключа 3 в цепь контура вводится резистор 5. Напряжение с обмотки катушки 1 подается на компаратор 6 (например, типа КР1401СА1) и микроконтроллер 7 (например, AT90S1200-12PI).

Датчик работает следующим образом.

В полости катушки 1 перемещается ферромагнитный сердечник, конструктивно связанный с рабочим органом, перемещение которого подлежит контролю. При изменении положения сердечника изменяется индуктивность обмотки катушки и, соответственно, период собственных колебаний LC-контура. Компаратор 6 преобразует колебания напряжения на обмотке катушки 1 в последовательность прямоугольных импульсов. Микроконтроллер 7 вычисляет число импульсов тактового генератора, уложившихся в первую отрицательную полуволну напряжения на обмотке. Полученное количество импульсов являться числовым кодом, соответствующим положению сердечника в полости катушки 1. Кроме того, микроконтроллер 7 формирует команды на коммутацию ключей 3 и 4. Введение в LC-контур резистора 5 сокращает длительность переходного процесса после окончания первой отрицательной полуволны напряжения на обмотке катушки 1 и тем самым уменьшить длительность цикла опроса датчика перемещения, что существенно для обеспечения точности регистрации перемещения в динамике.

Применение периодически возбуждаемого колебательного LC-контура с принудительно изменяемым периодом свободных колебаний, компаратора 6 и микроконтроллера 7 позволяет значительно упростить схему датчика перемещения, исключив из него синтезатор частот, преобразователь «напряжение-ток», цифроаналоговый преобразователь, аналоговоцифровой преобразователь двухтактного интегрирования.

Использование датчика перемещения предполагает его циклический опрос с частотой, определяемой практически только возможностями внешних устройств. Эти устройства должны быть цифровыми, микроконтроллер в их составе (например, AT90S2313-10PI) должен выполнять генерацию задающей частоты работы системы и организацию приема и передачи данных по каналу связи.

Таким образом, решена задача по получению выходного двоичного кода, который позволяет определить не только перемещение контролируемого элемента, но и передачу информации в цифровом формате в удаленную систему управления.

Предложенное исполнение датчика перемещения имеет простую схемную реализацию, позволяет обеспечивать помехоустойчивую передачу сигналов на расстояние, удовлетворяющее условиям создания устройств различного назначения с локальными обратными связями, например, электроприводов с поступательным движением рабочего органа.

Датчик перемещения, первичный преобразователь которого содержит катушку и конденсатор, образующие LC-контур, отличающийся тем, что введенные один ключ периодически подключает LC-контур к источнику питания постоянного тока, другой ключ при разомкнутом состоянии первого ключа дополнительно вводит резистор в цепь LC-контура, а к катушке подключен компаратор, последовательно соединенный с микроконтроллером.