Способ определения величины и скорости перемещения

 

Использование: в измерительной технике для измерения величины и скорости линейных или угловых перемещений при несложной его реализации с использованием стандартных элементов с высокой точностью. Сущность изобретения: перемещение преобразуют одновременно по двум каналам путем n-фазной интерполяции с электрической модуляцией от одного общего генератора в фазовые сигналы S₁ и S₂ формируемые по закону, приведенному в описании. При этом мгновенные фазы сигналов S₁ и S₂ будут сдвинуты относительно своих начальных значений в разные стороны на величину, пропорциональную перемещению. В результате обработки сигналов S₁ и S₂, заключающейся в измерении разности их фаз и/или разности их частот, получают сигналы, пропорциональные величине и/или скорости перемещения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения величины и скорости знакопеременных угловых или линейных перемещений.

Известен способ преобразования перемещений в фазу с механической модуляцией сигналов [1] основанный на сравнении двух движений, измеряемого и опорного, в двух каналах, причем в одном канале движения сонаправленны, а в другом разнонаправленны. Формируемые в этих каналах электрические сигналы имеют фазы и частоты, сдвинутые в противоположных направлениях относительно своих номинальных значений, определяемых параметрами опорного движения, на величину, пропорциональную соответственно величине и скорости перемещения. Способ позволяет производить измерения с высокой точностью и быстродействием. Однако его реализация в сложных условиях эксплуатации, например при вибрациях, или в сложных климатических условиях затруднена из-за использования элементов, совершающих дополнительные механические перемещения, что определяет невысокую надежность способа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ фазовой растровой интерполяции с электрической модуляцией [2] Согласно этому способу, преобразование ведут одновременно по двум каналам путем n-фазного интерполирования перемещением в противоположных направлениях. В первом канале измеряемое перемещение Х преобразуют в первый набор компонент фазового сигнала r₁, r₂,r_n, причем r_i p_iq_i, где p_i= p1+(i-1)-n фазная си- стема несущих сигналов с периодом Т; q_i= qx-x_o)+(i-1)-n фаз- ная система модулирующих сигналов (функций) с периодом по перемещению d; Х_о начальное смещение.

Из первого набора компонент фазового сигнала r₁,r_n путем их суммирования формируют сигнал прямой фазы S₁, т.е. осуществляют выборку функции q (.) в прямом порядке. Во втором канале выборку осуществляют в обратном порядке, т. е. измеряемое перемещение Х преобразуют во второй набор компонент фазового сигнала r₁',r_n', причем r_i' p_iq_n-i+1, из которого путем суммирования r₁', r₂',r_n' формируют сигнал обратной фазы S₂. При этом фазы сигналов S₁ и S₂ получают смещения относительно своей начальной фазы, пропорциональные перемещению Х, равные по величине и противоположные по знаку. Соответственно частоты сигналов S₁ и S₂ будут сдвинуты относительно несущей, равной , частоты на одинаковую величину, пропорциональную скорости перемещения, с противоположными знаками. По разности фаз сигналов S₁ и S₂ судят о величине перемещения, а по разности их частот можно судить о скорости перемещения.

Недостатками данного способа являются сложность его реализации и низкая точность измерения.

Цель изобретения упрощение реализации способа и повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что о способу определения величины и скорости перемещения, по которому измеряемую величину преобразуют в набор n компонент сигнала прямой фазы, каждая из которых задается в виде p_iq_i, где p₁,p_n n-фазная система периодических по времени несущих сигналов; q₁,q_n n-фазная система периодических по перемещению модулирующих сигналов, из которых путем их суммирования формируют сигнал прямой фазы и преобразуют в набор n компонент сигнала обратной фазы, из которых путем их суммирования формируют сигнал обратной фазы, набор n компонент сигналов обратной фазы, начиная с порядкового номера i 2, формируют в виде p_iq_n-i+2, а первая компонента представляет собой p₁q₁.

При четном n набор компонент сигнала прямой фазы и набор компонент сигнала обратной фазы в количестве n/2, при этом в наборе компонент сигнала обратной фазы все компоненты, кроме первой, берут с обратным знаком.

Рассмотрим последовательность преобразований сигналов по предлагаемому способу.

Перемещение Х преобразуют в набор компонент сигнала прямой фазы (n шт), и в набор компонент сигнала обратной фазы, которые, например, для шестифазной сис- темы сигналов вида p_i=u_msint+(i-1), q_i=1+mcos+(i-1) с учетом их перио- дичности запишутся в виде: r₁ p₁q₁ U_m sin _o t [1+ m cos] r¹_i=p_iq_n-i+2=u_msint+(i-11+mcos-(i-1) Из набора компонент сигнала прямой фазы путем их суммирования формируют сигнал прямой фазы: S₁p_iq_i Аналогично из набора компонент сигнала обратной фазы формируют сигнал обратной фазы:
S₂=p₁q₁ +p_iq_n-i+2
Фазы сигналов S₁ и S₂, измеренные относительно опорного, например сигнала р₁, отличаются на величину, пропорциональную перемещению, а разность частот сигналов S₁ и S₂ пропорциональна скорости перемещения. При этом величина разности фаз не содержит дополнительной аддитивной составляющей.

Аналогичные по характеру сигналы S₁ и S₂ будут иметь место при любом целом n и для любых (не обязательно синусоидальных) периодических функций p_i и q_i, составляющих n-фазную систему сигналов.

При четном n для симметричных относительно своей оси абсцисс функций p(. ) и q(. ), т.е. когда отсутствуют четные члены рядов Фурье этих функций, справедливы равенства:
p_i + -p_i
q_i + -q_i
q_n-1+2 -q
Поэтому для формирования компонент сигналов прямой фазы можно использовать не полные системы сигналов p_i и q_i, а усеченные вдвое по количеству, т. е. с номерами от 1 до n/2, так как вторая половина повторяет первую с обратным знаком, что используется при формировании компонент сигнала прямой фазы в синусно-косинусных преобразователях перемещений.

При этом последовательность преобразований сигналов состоит в следующем.

Перемещение Х преобразуют в набор компонент сигнала прямой фазы (n/2 шт. ) и в набор компонент сигнала обратной фазы; из набора компонент сигнала прямой фазы формируют сигнал прямой фазы S₁;из набора компонент сигнала обратной фазы формируют сигнал обратной фазы S₂ путем их суммирования, изменив знак на обратный для всех компонент, кроме первой.

Измерив разность фаз сигналов S₁ и S₂ относительно опорного, получают сигнал, соответствующий величине перемещения Х, а измерив разность их частот, сигнал, соответствующий скорости перемещения. Аналогичные по характеру сигналы S₁ и S₂ будут иметь место при любых четных n и для любых периодических симметричных относительно оси абсцисс функций p(.) и q(.).

При этом число компонент сигнала прямой фазы и сигнала обратной фазы сокращено вдвое по сравнению со способом по п.1.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 функциональная схема возможного варианта исполнения такого устройства; на фиг.3 изображен пример устройства, реализующего способ по п.2.

Устройство содержит фазовые анализаторы 1,2 перемещений, опорный генератор 3, сумматоры 4, 5, устройство 6 обработки, многоканальный инвертор 7, источники 8-12 излучения, фотоприемники 13-17, генератор 18, фазорасщепитель 19, управляемые источники 20-22 тока.

Устройство по предлагаемому способу (фиг.1) выполнено в виде двух фазовых интерполяторов перемещений с электрической модуляцией с некоторыми общими узлами и устройства 6 обработки. Оно содержит два фазовых анализатора 1 и 2 перемещений, на входы которых поступает перемещение Х, величина и/или скорость которого измеряется. При этом фазовый анализатор 1 перемещений выполнен n-фазным, а фазовый анализатор перемещений 2 n-1-фазным.

Опорный генератор 3 непрерывно вырабатывает переменные периодические во времени сигналы p₁,p_n, составляющие n-фазную систему. Входы несущих фазового анализатора 1 перемещений подключены к выходам опорного генератора 3 следующим образом: на вход несущей звена с функцией q₁ к выходу первой фазы; вход несущей звена с функцией q₂ к выходу второй фазы и т.д. вход несущей звена с функцией q_n к выходу n-й фазы. Выходы фазового анализатора 1 перемещений подключены к n входам сумматора 4.

Входы несущих фазового анализатора 2 перемещений подключены к выходам опорного генератора 3, начиная с второго, следующим образом: вход несущей звена с функцией q_n к выходу второй фазы; вход несущей звена с функцией q_n-1 к выходу третьей фазы и т.д. вход несущей звена с функцией q₂ к выходу n-й фазы. Выходы фазового анализатора 2 перемещений подключены к n-1 входам сумматора 5, первый вход которого подключен к выходу звена с функцией q₁ фазового анализатора 1 перемещений.

Выходы сумматоров 4 и 5 подключены к входам устройства 6 обработки, выход которого является выходом устройства.

Таким образом, согласно схеме по фиг.1 и приведенному описанию блоков и их соединений, на входах сумматора 4 будут иметь место сигналы p₁q₁, р₂q₂, p_nq_n, а на входах сумматора 5 сигналы p₁q₁, p₂q₂,p_n-1q₃, p_nq₂. Следовательно, на выходах сумматоров 4 и 5 будут иметь место сигналы S₁ и S₂ соответственно, имеющие фазовые сдвиги, равные по величине и противоположные по знаку, пропорциональные перемещению Х.

Устройство, реализованное по п.2 изобретения (см.фиг.3), также выполнено в виде двух фазовых интерполяторов перемещений с электрической модуляций и устройства обработки сигналов. Оно содержит два фазовых анализатора 1 и 2 перемещений, на входы которых поступает перемещение Х, при этом фазовый анализатор 1 перемещений имеет n/2 фазовых звеньев, а фазовый анализатор 2 перемещений имеет n/2-1 фазовых звеньев.

Опорный генератор непрерывно вырабатывает переменные периодические сигналы на n/2 выходах, составляющие половину n-фазной системы сигналов.

Входы несущих фазового анализатора 1 перемещений попарно подключены к соответствующим выходам опорного генератора 3, а выходы к входам сумматора 4.

Входы несущих фазового анализатора 2 перемещений подключены к выходам опорного генератора 3, начиная с выхода р₂, следующим образом: вход несущей звена с функцией q_n/2 к выходу р₂; вход несущей звена с функцией q_n/2-1 к выходу р₃ и т. д. вход несущей звена с функцией q₁ к выходу p_n/2. Выходы фазового анализатора 2 перемещений попарно подключены к n/2-1 входам многоканального инвертора 7, а его выходы к n/2-1 входам сумматора 5, первый вход которого подключен к выходу звена с функцией q₁ фазового анализатора 2 перемещений.

Выходы сумматоров 4 и 5 попарно подключены к входам устройства 6 обработки, выход которого является выходом устройства.

Работа устройства на фиг.3 будет протекать аналогично работе устройства на фиг.1.

В предлагаемом изобретении формируются два сигнала, составляющие дифференциальную пару, подвергаемые в дальнейшем фазовой обработке. При этом используется принцип последовательной модуляции функции фазового анализатора перемещений электрическими сигналами, что обеспечивает более высокую надежность реализации способа и долговечность устройства, реализующего способ.

Кроме того, согласно предлагаемому изобретению, в наборе компонент сигнала обратной фазы первая компонента совпадает с первой компонентой сигнала прямой фазы, за счет чего при любой реализации данного способа выявляются преимущества: число каналов формирования компонент сигнала обратной фазы сокращается на 1 за счет использования первой компоненты сигнала прямой фазы; информативная величина (разность фаз сигналов дифференциальной пары) не содержит аддитивной помехи, затрудняющей дальнейшую обработку сигналов и вносящей дополнительную погрешность в результат измерения.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ И СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, включающий преобразование перемещения в набор n компонент сигнала прямой фазы и в набор n компонент сигнала обратной фазы, при этом каждую из компонент сигнала прямой фазы задают в виде P_i g_i, где P₁,P_n n-фазная система периодических по времени несущих сигналов, q₁,q_n - n-фазная система периодических по перемещению модулирующих сигналов, формирование сигнала прямой фазы путем суммирования компонент сигнала прямой фазы, формирование сигнала обратной фазы путем суммирования компонент сигнала обратной фазы, причем по разности фаз сигналов прямой и обратной фазы судят о величине перемещения, а по разности частот этих сигналов о скорости перемещения, отличающийся тем, что набор n компонент сигнала обратной фазы, начиная с порядкового номера i=2, формируют в виде P_i q_n-i+2, а первую компоненту задают в виде P₁ q₁.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что набор компонент сигнала прямой фазы и набор компонент сигнала обратной фазы формируют в количестве n/2, при этом в наборе компонент сигнала обратной фазы все компоненты, кроме первой, берут с обратным знаком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3