RU2401461C2 - Frequency angular-displacement sensor and measuring device for it - Google Patents
Frequency angular-displacement sensor and measuring device for it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2401461C2 RU2401461C2 RU2007136431/09A RU2007136431A RU2401461C2 RU 2401461 C2 RU2401461 C2 RU 2401461C2 RU 2007136431/09 A RU2007136431/09 A RU 2007136431/09A RU 2007136431 A RU2007136431 A RU 2007136431A RU 2401461 C2 RU2401461 C2 RU 2401461C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- sensor
- disk
- displacements
- angular
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для оперативного цифрового измерения угловых перемещений в условиях действия интенсивных электромагнитных помех от исполнительных устройств роботов и может использоваться для построения портативных цифровых датчиков угловых перемещений.The invention relates to instrumentation and is intended for operational digital measurement of angular displacements under the action of intense electromagnetic interference from actuators of robots and can be used to build portable digital sensors of angular displacements.
Известен датчик угла поворота [1], содержащий магнитопровод, в виде незамкнутого кольца, распределенные по магнитопроводу первичную и вторичную обмотки и ротор в виде короткозамкнутого витка, связанный с контролируемым объектом.A known angle of rotation sensor [1], containing a magnetic circuit, in the form of an open ring, distributed along the magnetic circuit of the primary and secondary windings and a rotor in the form of a short-circuited coil, associated with a controlled object.
Недостатками аналога [1] являются:The disadvantages of the analogue [1] are:
- низкая точность и помехоустойчивость измерения амплитудного выходного сигнала датчика;- low accuracy and noise immunity of measuring the amplitude output signal of the sensor;
- сложные конструкция датчика и технология равномерной намотки обмоток на магнитопровод;- complex design of the sensor and the technology of uniform winding of the windings on the magnetic circuit;
- непригодность для измерения угловых перемещений в динамике.- unsuitability for measuring angular displacements in dynamics.
Наиболее близким к предложенному известным техническим решением является высокочастотный датчик положения и скорости изменения положения объекта [2], содержащий отрезок линии в виде корпуса с проводящим покрытием, диэлектрического основания с проводящим проводником в виде группы коротких проводящих стержней, с одной стороны электрически короткозамкнутых между собой. Прототип обеспечивает оперативное измерение положения проводящей поверхности относительно разомкнутых концов проводящих стержней путем контроля частоты или амплитуды ВЧ колебаний на выходе ВЧ резонатора, образованного корпусом, диэлектрическим основанием и группой стержней.Closest to the proposed known technical solution is a high-frequency position and speed sensor for changing the position of an object [2], containing a line segment in the form of a housing with a conductive coating, a dielectric base with a conductive conductor in the form of a group of short conductive rods, on the one hand, electrically shorted to each other. The prototype provides an operational measurement of the position of the conductive surface relative to the open ends of the conductive rods by controlling the frequency or amplitude of the RF oscillations at the output of the RF resonator formed by the housing, the dielectric base and the group of rods.
Недостатками прототипа [2] при его применении для преобразования угла поворота в частоту являются:The disadvantages of the prototype [2] when it is used to convert the angle of rotation into frequency are:
- влияние величины зазора между вращающимся телом и группой стержней на частоту и амплитуду ВЧ колебаний на выходе датчика;- the influence of the gap between the rotating body and the group of rods on the frequency and amplitude of the RF oscillations at the output of the sensor;
- значительное влияние дестабилизирующих факторов на результат измерения из-за одноканальной структуры датчика;- significant influence of destabilizing factors on the measurement result due to the single-channel structure of the sensor;
- низкая чувствительность выходной частоты к изменению углового положения вращающегося объекта;- low sensitivity of the output frequency to a change in the angular position of a rotating object;
- отсутствие в единой конструкции датчика встроенного преобразователя выходных сигналов в прямой код измеряемого углового перемещения.- the absence in the integrated sensor design of a built-in converter of output signals into a direct code of the measured angular displacement
Известно также измерительное информационное устройство (3), обеспечивающее оперативное преобразование частотных сигналов дифференциального датчика в прямой код измеряемой величины при любой аналитической зависимости частотных сигналов датчика от этой величины. Этот аналог позволяет производить точное преобразование малых угловых перемещений в прямой код измеряемой величины, однако при измерении больших угловых перемещений в нем отсутствует устройство для их преобразования в прямой цифровой код.Also known is a measuring information device (3), which provides an operative conversion of the frequency signals of a differential sensor into a direct code of the measured value for any analytical dependence of the frequency signals of the sensor on this value. This analogue allows accurate conversion of small angular displacements into a direct code of the measured quantity, however, when measuring large angular displacements, there is no device for converting them into a direct digital code.
Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и точности измерения как малых, так и больших угловых перемещений в условиях интенсивных помех с оперативным преобразованием измеряемых перемещений в прямой цифровой код.The technical result of the invention is to increase the speed and accuracy of measurement of both small and large angular displacements in conditions of intense interference with the operational conversion of the measured displacements into a direct digital code.
Для достижения технического результата:To achieve a technical result:
- в датчике диэлектрическое основание выполнено подвижным в виде диска, а размещенные на этом основании токопроводящие проводники выполнены в виде сегментов, нанесенных с двух сторон диска, кроме того, в устройство введены две однослойные катушки индуктивности П-образного профиля и подключены в частотозадающую цепь первого и второго высокочастотных автогенераторов;- in the sensor, the dielectric base is made movable in the form of a disk, and the conductive conductors placed on this base are made in the form of segments deposited on both sides of the disk, in addition, two single-layer U-shaped inductors are introduced into the device and connected to the frequency setting circuit of the first and second high-frequency oscillators;
- в измерительное устройство введен частотный дискриминатор, датчик направления вращения, формирователь кода больших перемещений со входами начальной установки больших перемещений и со входом разрешения начальной установки, цифровые выходы которого подключены к введенным в устройство старшим разрядам имеющегося в устройстве цифрового индикатора, причем частотный дискриминатор подключен входами к выходам автогенераторов частотного датчика угловых перемещений, выход частотного дискриминатора подключен к счетному входу формирователя кода больших перемещений, а выход датчика направления вращения подключен во входу управления направлением счета формирователя кода больших перемещений- a frequency discriminator, a rotation direction sensor, a large displacement code generator with inputs for the initial installation of large displacements and with an input for enabling the initial installation, the digital outputs of which are connected to the high-order bits of the digital indicator in the device, are inserted into the measuring device, and the frequency discriminator is connected by inputs to the outputs of the oscillators of the frequency sensor of angular displacements, the output of the frequency discriminator is connected to the counting input of the For the code of large displacements, and the output of the rotation direction sensor is connected to the input of the direction control of the account of the generator of the code of large displacements
Структура предлагаемого датчика приведена на Фиг.1, на Фиг.2 представлена разностная частота Δf=f1-f2 генераторов 7 и 8 как функция углового положения диска I, на Фиг.3 приведена структура цифрового преобразователя угловых перемещений с предложенным частотным датчиком угловых перемещений. Датчик содержит диэлектрический диск 1, закрепленный на оси 2, причем на поверхности диска нанесены немагнитные высокопроводящие секторы 3, чередующиеся с диэлектрическими секторами 4. С диском 1 взаимодействуют две однослойные П-образные катушки индуктивности 5 и 6, включенные в частотозадающие цепи высокочастотных автогенераторов 7 и 8. Катушки 5 и 6 размещены таким образом, что их взаимное угловое положение отличается на угол φc секторов 3 и 4. Резонансные частоты f1 и f2 генераторов 7 и 8 могут быть представлены в следующем виде:The structure of the proposed sensor is shown in figure 1, figure 2 shows the differential frequency Δf = f 1 -f 2 of the generators 7 and 8 as a function of the angular position of the disk I, figure 3 shows the structure of a digital converter of angular displacements with the proposed frequency sensor of angular displacements . The sensor contains a
где LC - собственная индуктивность катушек 5 и 6;where L C is the intrinsic inductance of coils 5 and 6;
L∂ - эквивалентная индуктивность сектора 3, взаимодействующего с катушкой индуктивности;L ∂ is the equivalent inductance of sector 3 interacting with the inductor;
М - взаимоидуктивность сектора 3 и катушки при полностью введенном секторе в катушку;M is the mutual inductance of sector 3 and the coil when the sector is fully inserted into the coil;
Сн - начальная емкость LC контура, который задает резонансную частоту автогенераторов 7 и 8;With n - the initial capacity of the LC circuit, which sets the resonant frequency of the
ξ0=8,8541·10-12 Ф/м - диэлектрическая постоянная;ξ 0 = 8.8541 · 10 -12 F / m is the dielectric constant;
S - площадь проводника катушки, взаимодействующая с проводящими секторами 3;S is the area of the conductor of the coil, interacting with the conductive sectors 3;
ξ - относительная диэлектрическая проницаемость газа в зазоре между катушкой индуктивности и сектором;ξ is the relative dielectric constant of the gas in the gap between the inductor and the sector;
φc - угол сектора 3;φ c is the angle of sector 3;
φn - угол перекрытия сектора 3 катушкой 7 и 8;φ n is the angle of overlap of sector 3 by
в - зазор между поверхностями катушки и сектора 3.in - the gap between the surfaces of the coil and sector 3.
Разностная частота Δf=f1-f2 генераторов 7 и 8 представлена в виде графика Фиг.2 в функции от углового положения диска I.The difference frequency Δf = f 1 -f 2 of the generators 7 and 8 is presented in the form of a graph of Figure 2 as a function of the angular position of the disk I.
За счет противофазного изменения частот f1 и f2 обеспечивается высокий коэффициент преобразования угловых перемещений в разность частот Δf при компенсации аддитивного смещения этих частот от дестабилизирующих факторов. При исходных данныхDue to the antiphase change in the frequencies f 1 and f 2 , a high conversion coefficient of angular displacements into the frequency difference Δf is ensured while compensating the additive bias of these frequencies from destabilizing factors. With raw data
ξ0=8,854·10-12 Ф/м обеспечен коэффициент преобразования в пределах (306÷634) кГц/Град (см. табл.1).ξ 0 = 8.854 · 10 -12 F / m the conversion coefficient is provided in the range (306 ÷ 634) kHz / Grad (see table 1).
При реально обеспечиваемой нестабильности частот высокочастотных автогенераторов 7 и 8 не выше 10-5 возможен отсчет угловых перемещений с абсолютной погрешностью не более 0,5×10-4 угловых градусов при достаточно малом времени измерения и высокой помехоустойчивости. Например, при требуемой дискретности цифрового отсчета угла не более 1/300 град время tи однократного цифрового измерения разностной частоты Δf может быть ограничено значением 10-3 с. В таблице 1 приведены основные параметры датчика в функции от измеряемого углового перемещения.With the really provided instability of the frequencies of high-
Таблица 1 подтверждает возможность точного контроля угловых перемещений исполнительных органов роботов при достаточно высокой скорости изменения угла.Table 1 confirms the ability to accurately control the angular displacements of the executive bodies of robots at a sufficiently high rate of change of angle.
Структура цифрового преобразователя угловых перемещений с предложенным датчиком приведена на Фиг.3.The structure of the digital Converter angular displacement with the proposed sensor is shown in Fig.3.
В состав измерителя входят генераторы 7 и 8 предлагаемого датчика, частотно-цифровой преобразователь (ЧЦП) 9 частот f1 и f2 в код Nм малых перемещений, (выполненный, например, по а.с. СССР №1314360), а также частотный дискриминатор 10 формирователь 11 кода Nσ больших перемещений, старшие разряды 13 цифрового индикатора 12, датчик 14 направления вращения, входы 15 подачи кода N0 начальной установки и вход 16 разрешения начальной установки счетчика 11. Перед началом работы диск 1 датчика устанавливается в начальное положение, и на вход 14 формирователя 11 подается сигнал Uзап, при этом формирователь 11 устанавливается в начальное состояние, заданное кодом N0 на его входах. Код N0 может подаваться с клавиатуры или с выхода другого внешнего цифрового задатчика. На выходах ЧЦП 9 с задержкой в интервал счета tu обновляется информация о значении малых перемещений (код Nм) независимо от скорости и направления вращения, на индикаторе 13 индицируется значение угловых перемещений. При наличии вращения диска I в моменты равенства частот f1 и f2 на выходе элемента 10 формируется сигнал U0, и формирователь 11 изменяет свое состояние на единицу в сторону увеличения (при Up=I) или в сторону уменьшения (при Up=0).The meter includes
Малые угловые перемещения могут отсчитываться по комбинации частот f1 и f2, а перемещения, превышающие угол φc целесообразно отсчитывать по числу срабатываний частотного дискриминатора 10, например в момент равенства частот f1 и f2. Угловой размер секторов 3 может быть выбран с обеспечением неповторяемых комбинаций частот f1 и f2 в пределах малых перемещений до 10 угловых градусов, (например φc=5), в то время как большие перемещения будут отсчитываться с шагом в 10 угловых градусов.Small angular displacements can be counted by a combination of frequencies f 1 and f 2 , and movements exceeding the angle φ c should be counted by the number of times the
Таким образом, на младших разрядах 12 и старших разрядах 13 цифрового индикатора и на выходах преобразователя Фиг.3 выдаются цифровые коды Nσ и Nм, несущие информацию о значении углового перемещения диска 1 и оси 2.Thus, at the
Устройство Фиг.3 может работать в режиме отсчета заданного кодом N0 значения больших перемещений, если обеспечить сигналом Up=0 вычитающий счет импульсов U0 после записи в формирователь 11 кода N0. Тогда, при отсчете заданных кодом больших перемещений на выходе RA (нулевое состояние) формирователя 11 имеет место сигнал Uотр=I, который сигнализирует об отработке кода N0. Данный режим работы устройства Фиг.3 необходим в робототехнике для задания определенных угловых перемещений исполнительных элементов роботов.The device of FIG. 3 can operate in the counting mode of the value of large displacements specified by the code N 0 , provided that the signal U p = 0 subtracts the pulse count U 0 after writing code N 0 to the
Частотно-цифровой преобразователь 9 может быть реализован на базе известного устройства [3], формирователь 11 может быть реализован на реверсивном счетчике с предустановкой кода, к выходам которого подключено энергонезависимое запоминающее устройство, с помощью которого обеспечивается преобразование выходного кода счетчика в код Nσ больших перемещений.The frequency-
По сравнению с прототипом [2] предложенный датчик обладает следующими достоинствами:Compared with the prototype [2], the proposed sensor has the following advantages:
- некритичность датчика к осевому смещению диэлектрического диска 1 относительно П-образных катушек 5 и 6;- uncriticality of the sensor to the axial displacement of the
- значительно меньшее влияние температуры, напряжения питания и других дестабилизирующих факторов на результат измерения за счет одинакового аддитивного смещения частот f1 и f2;- significantly less influence of temperature, supply voltage and other destabilizing factors on the measurement result due to the same additive frequency offset f 1 and f 2 ;
- более высокие чувствительность и точность датчика из-за дифференциального изменения частот f1 и f2 от изменения угла поворота φ.- higher sensitivity and accuracy of the sensor due to the differential change in the frequencies f 1 and f 2 from changes in the angle of rotation φ.
По сравнению с известным измерительным устройством (3) предложенная структура измерительного устройства Фиг.3 обеспечивает оперативный цифровой отсчет сколь угодно больших угловых перемещений, задаваемых кодом N0. Наиболее близким известным промышленным вариантом является серийно выпускаемый угломерный стол СТ-320 с цифровым отсчетом, в котором в качестве датчика угла поворота использованы оптический растровый датчик на интерференционных решетках. Применение базового варианта в роботах затруднено в связи с высокими требованиями к отсутствию загрязнения интерференционных решеток, что в реальных условиях применения роботов практически невыполнимо из-за недопустимого увеличения габаритов датчика и необходимости его дополнения пылевлагозащищающей арматурой.Compared with the known measuring device (3), the proposed structure of the measuring device of Fig. 3 provides an operative digital readout of arbitrarily large angular displacements specified by code N 0 . The closest known industrial option is the commercially available ST-320 goniometer table with a digital readout, in which an optical raster sensor on interference gratings is used as a rotation angle sensor. The use of the basic version in robots is difficult due to the high requirements for the absence of contamination of interference gratings, which is practically impossible due to the unacceptable increase in the dimensions of the sensor and the need to supplement it with dust and moisture protection fittings.
Предложенный датчик некритичен к загрязнению диска 1 пылью, маслом, моющими средствами, допускает осевой люфт диска в пределах зазора П-образных катушек 5 и 6. Габариты датчика практически определяются диаметром диска I, который может быть выбран в пределах 10-80 мм при общей высоте конструкции в пределах от 2 мм до 10 мм.The proposed sensor is not critical to contamination of the
Известные другие аналоги [4, 5] имеют дисковые роторы, на которых нанесены или печатные обмотки, или электромагнитные экраны в виде изогнутых секторов. Их недостатком являются низкие чувствительность и помехоустойчивость из-за амплитудного метода съема выходного сигнала. В аналоге [5] имеются высокочастотный источник тока, питающий первичную обмотку, а со вторичных печатных обмоток снимают ЭДС и подают на фазовые демодуляторы. Общим для аналогов [4, 5] существенным недостатком является влияние зазора между ротором и статором на результат измерения. В предложенном решении это влияние практически исключено за счет частотного выхода и конструкции катушек индуктивности, охватывающих подвижный диск с двух сторон. При выявлении признаков, сходных с признаками, известными в науке и технике, последних обнаружено не было - следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия". Предложенная конструкция датчика технологична, процесс его изготовления и сборки приемлем для автоматизации. Цифровое измерительное устройство конструктивно можно выполнить в виде ЧИПа и встроить в структуру датчика, а цифровые выходы кодов Nм и Nб подключить к внешнему процессору или к любому другому цифровому устройству.Other known analogues [4, 5] have disk rotors, on which are printed or printed windings, or electromagnetic screens in the form of curved sectors. Their disadvantage is low sensitivity and noise immunity due to the amplitude method of picking up the output signal. In analogue [5] there is a high-frequency current source supplying the primary winding, and the emf is removed from the secondary printed windings and fed to phase demodulators. A common drawback for analogues [4, 5] is the influence of the gap between the rotor and stator on the measurement result. In the proposed solution, this effect is practically eliminated due to the frequency output and the design of inductors, covering the movable disk on both sides. When identifying signs similar to those known in science and technology, the latter were not found - therefore, the claimed technical solution meets the criterion of "significant differences". The proposed sensor design is technologically advanced, the process of its manufacture and assembly is acceptable for automation. A digital measuring device can be structurally implemented as a CHIP and integrated into the sensor structure, and the digital outputs of codes N m and N b can be connected to an external processor or to any other digital device.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Авт. св. СССР №1232937, М. Кл. G01B 7/30.1. Auth. St. USSR No. 1232937, M. Cl.
2. Авт. св. СССР №859800, М. Кл. G01B 7/00.2. Auth. St. USSR No. 859800, M. Cl.
3. Авт.св. СССР №1314360, М. Кл. G08C 19/28.3. Auto USSR No. 1314360, M. Cl. G08C 19/28.
4. Авт.Св. СССР №442945, М. Кл. G01B 7/30.4. Aut. St. USSR No. 442945, M. Cl.
5. Авт.Св. СССР №887921, М. Кл. G01B 7/30.5. Aut. St. USSR No. 887921, M. Cl.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007136431/09A RU2401461C2 (en) | 2007-10-01 | 2007-10-01 | Frequency angular-displacement sensor and measuring device for it |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007136431/09A RU2401461C2 (en) | 2007-10-01 | 2007-10-01 | Frequency angular-displacement sensor and measuring device for it |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007136431A RU2007136431A (en) | 2009-04-10 |
RU2401461C2 true RU2401461C2 (en) | 2010-10-10 |
Family
ID=41014499
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007136431/09A RU2401461C2 (en) | 2007-10-01 | 2007-10-01 | Frequency angular-displacement sensor and measuring device for it |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2401461C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518977C1 (en) * | 2012-12-17 | 2014-06-10 | Сергей Владимирович Карпенко | Adaptive sensor for identifying and monitoring position of heated nonmetallic and unheated nonmetallic articles |
-
2007
- 2007-10-01 RU RU2007136431/09A patent/RU2401461C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518977C1 (en) * | 2012-12-17 | 2014-06-10 | Сергей Владимирович Карпенко | Adaptive sensor for identifying and monitoring position of heated nonmetallic and unheated nonmetallic articles |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007136431A (en) | 2009-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US2674729A (en) | Measuring apparatus | |
JP6821288B2 (en) | Absolute type time grating angular displacement sensor based on alternating electric field | |
RU2432549C2 (en) | Method and instrument for contactless detection of absolute position and device equipped with this instrument | |
US4238781A (en) | Capacitive angular displacement transducer for remote meter reading | |
Wang et al. | Design and realization of a compact high-precision capacitive absolute angular position sensor based on time grating | |
EP3187819B1 (en) | Rotation-detecting apparatus | |
KR102551009B1 (en) | inductive motion sensor | |
US8134065B2 (en) | Key speed sensor of electronic instrument | |
JPH0374767B2 (en) | ||
CN103868535A (en) | Inductive position measurement device | |
US11828628B2 (en) | Position sensing apparatus with remote electronics for harsh environments | |
US10295618B2 (en) | Magnetic permeability sensor and magnetic permeability detecting method, dielectric permittivity sensor and dielectric permittivity detecting method, and magnetic permeability and dielectric permittivity sensor and magnetic permeability and dielectric permittivity detecting method | |
US20230175869A1 (en) | Position sensing apparatus having internal target rod with remote electronics for harsh environments | |
JP6617788B2 (en) | Permeability detection method | |
US2930033A (en) | Angular position converter | |
RU2401461C2 (en) | Frequency angular-displacement sensor and measuring device for it | |
KR20160031827A (en) | Step motor and system for driving step motor | |
US10203225B2 (en) | Rotation detector | |
CN1229467A (en) | Capacitance micrometer | |
RU2427794C1 (en) | Incremental capacity transducer of angular movements | |
JP6613599B2 (en) | Permeability / dielectric constant sensor and permeability / dielectric constant detection method | |
JP2018119830A (en) | Eddy current metal sensor and method for detecting eddy current | |
JP2011226877A (en) | Location sensor | |
CN220552468U (en) | Encoder based on LC oscillating circuit | |
RU2816167C1 (en) | Rotor position sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091225 |