датчик малого перемещения сканирующего объекта ( № 85998)

Классы МПК:G01B7/00   
Автор(ы):Моисеев Павел Петрович (RU)
Патентообладатель(и):Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) (RU)
Приоритеты:
начало действия патента:
23.03.2009
публикация патента:
20.08.2009

Полезная модель предназначена для использования в составе прецизионных сканеров с малым линейным или угловым перемещением сканирующего объекта.

Полезная модель решает задачу повышения точности измерения перемещения сканирующего объекта.

Технический результат - коррекция кода выходного сигнала датчика на основе пространственной привязки зависимости выходного сигнала блока обработки измерительной информации от перемещения сканирующего объекта к двум контрольным точкам на краях диапазона сканирования, автоматическое определение разности значений текущей зависимости от записанной в энергонезависимую память калиброванной зависимости в этих контрольных точках, с последующим вычислением корректирующих коэффициентов и внесением коррекции в код текущего выходного сигнала датчика.

Датчик малого перемещения сканирующего объекта, содержит магнитную систему, установленную на сканирующем объекте сканера, измерительный преобразователь на элементе Холла, неподвижно закрепленный на основании сканера, и блок обработки измерительной информации, подключенный к выходу измерительного преобразователя, в котором магнитная система содержит две пары постоянных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей, с заданным промежутком между парами магнитов, ограничивающим диапазон сканирования, и воздушным зазором между парными магнитами, внутри которого перпендикулярно к магнитным осям расположен измерительный преобразователь на элементе Холла. С целью повышения точности измерения перемещения сканирующего объекта в магнитную систему введены две пары дополнительных постоянных магнитов, каждая из которых установлена вплотную к внешним краям парных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей к их осям, введены два неподвижно закрепленных на основании сканера контрольных преобразователя на элементах Холла, установленных в воздушном зазоре магнитной системы перпендикулярно к магнитным осям с двух сторон от измерительного преобразователя на заданном расстоянии от него, а блок обработки измерительной информации включает канал обработки измерительной информации, подключенный к выходу измерительного преобразователя и выполненный в виде последовательно соединенных усилителя и аналого-цифрового преобразователя, два канала обработки контрольной информации, каждый из которых подключен к выходу соответствующего контрольного преобразователя и выполнен в виде последовательно соединенных усилителя и компаратора, и устройство коррекции выходного сигнала, подключенное к выходам аналого-цифрового преобразователя и компараторов, выполненное на основе микроконтроллера с энергонезависимой памятью.

Заданное расстояние h между центрами контрольных и измерительного преобразователей определяется из выражения: h=A+0,5d, где А - расстояние от центра заданного промежутка между парами постоянных магнитов до места их соединения с дополнительными постоянными магнитами, a d - диапазон сканирования.

В энергонезависимой памяти микроконтроллера устройства коррекции выходного сигнала записана калиброванная зависимость выходного сигнала канала обработки измерительной информации от перемещения сканирующего объекта и калиброванные значения величин выходного сигнала канала обработки измерительной информации в двух контрольных точках пространственной привязки сканирующего объекта на краях диапазона сканирования.

Предложенное устройство выгодно отличается от известного устройства, принятого за прототип. Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя канала обработки измерительной информации и выходные сигналы компараторов каналов обработки контрольных информации подаются на входы микроконтроллера устройства коррекции выходного сигнала. Одновременная обработка сигналов от каналов обработки измерительной и контрольных информации микроконтроллером обеспечивает в двух контрольных точках высокоточную пространственную привязку положения сканирующего объекта в широком диапазоне температур. По записанным в энергонезависимой памяти микроконтроллера калиброванной зависимости выходного сигнала канала обработки измерительной информации и калиброванным значениям величин выходного сигнала канала обработки измерительной информации в двух контрольных точках пространственной привязки сканирующего объекта на краях диапазона сканирования в микроконтроллере производится автоматическое определение величины изменения текущего выходного сигнала канала обработки измерительной информации от калиброванного значения в этих двух контрольных точках пространственной привязки и на основании величин этих изменений произвести вычисление корректирующих коэффициентов и внесение коррекции в выходной сигнал на всем диапазоне перемещения до следующего последовательного прохождения двух контрольных точек пространственной привязки.

Таким образом, предложенный датчик малого перемещения сканирующего объекта позволяет существенно повысить точность измерения перемещения. 3 п., 3 ил.

Полезная модель датчика относится к области измерительной техники и может быть использована в составе прецизионных сканеров с малым линейным или угловым перемещением сканирующего объекта, а именно для преобразования этого перемещения в код.

Известны датчики малого перемещения сканирующего объекта, содержащие магнитную систему и измерительный преобразователь с блоком обработки измерительной информации. Один из этих элементов устанавливается на сканирующем объекте сканера, а другой - неподвижно закрепляется на его основании. При этом по изменению взаимного расположения магнитной системы и измерительного преобразователя судят о перемещении сканирующего объекта. В зависимости от конструкции сканера, таким образом, может определяться как линейное, так и угловое перемещение [1, 2, 3].

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является датчик малого перемещения сканирующего объекта, содержащий магнитную систему, установленную на сканирующем объекте сканера, измерительный преобразователь на элементе Холла, неподвижно закрепленный на основании сканера, и блок обработки измерительной информации, подключенный к выходу измерительного преобразователя, в котором магнитная система содержит две пары постоянных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей, с заданным промежутком между парами магнитов, ограничивающим диапазон сканирования, и воздушным зазором между парами магнитов, внутри которого перпендикулярно к магнитным осям расположен измерительный преобразователь на элементе Холла [4]. Данный датчик принят за прототип.

При перемещении по диапазону сканирования закрепленной на сканирующем объекте магнитной системы относительно неподвижно закрепленного на основании сканера измерительного преобразователя на элементе Холла на выходе датчика имеется линейная зависимость выходного сигнала от перемещения сканирующего объекта

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного, принятого за прототип датчика относится следующее, при изменении температуры окружающей среды происходит изменение зависимости выходного сигнала датчика от перемещения сканирующего объекта, связанное с температурной зависимостью элемента Холла и элементов блока обработки измерительной информации, что не позволяет обеспечить более точное измерение перемещения в широком диапазоне температуры окружающей среды.

Таким образом, точность определения малых перемещений при использовании известного датчика, принятого за прототип, ограничена.

Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения точности измерения перемещения сканирующего объекта.

Технический результат - коррекция кода выходного сигнала датчика на основе пространственной привязки зависимости выходного сигнала блока обработки измерительной информации от перемещения сканирующего объекта к двум контрольным точкам на краях диапазона сканирования и внесением автоматической коррекции в код текущего выходного сигнала датчика.

Это достигается тем, что в известный датчик малого перемещения сканирующего объекта, содержащий магнитную систему, установленную на сканирующем объекте сканера, измерительный преобразователь на элементе Холла, неподвижно закрепленный на основании сканера, и блок обработки измерительной информации, подключенный к выходу измерительного преобразователя, в котором магнитная система содержит две пары постоянных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей, с заданным промежутком между парами магнитов, ограничивающим диапазон сканирования, и воздушным зазором между парными магнитами, внутри которого перпендикулярно к магнитным осям расположен измерительный преобразователь на элементе Холла, согласно полезной модели в магнитную систему введены две пары дополнительных постоянных магнитов, каждая из которых установлена вплотную к внешним краям парных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей к их осям, дополнительно введены два неподвижно закрепленных на основании сканера контрольных преобразователя на элементах Холла, установленных в воздушном зазоре магнитной системы перпендикулярно к магнитным осям с двух сторон от измерительного преобразователя на заданном расстоянии от него, а блок обработки измерительной информации включает канал обработки измерительной информации, подключенный к выходу измерительного преобразователя и выполненный в виде последовательно соединенных усилителя и аналого-цифрового преобразователя, два канала обработки контрольной информации, каждый из которых подключен к выходу соответствующего контрольного преобразователя и выполнен в виде последовательно соединенных усилителя и компаратора, и устройство коррекции выходного сигнала, подключенное к выходам аналого-цифрового преобразователя и компараторов каналов обработки, выполненное на основе микроконтроллера с энергонезависимой памятью.

В предложенном датчике заданное расстояние h между центрами контрольных и измерительного преобразователей определяется из выражения: h=A+0,5d, где А - расстояние от центра заданного промежутка между парами постоянных магнитов до места их соединения с дополнительными постоянными магнитами, a d -диапазон сканирования. При этом в энергонезависимой памяти микроконтроллера устройства коррекции выходного сигнала записана калиброванная зависимость выходного сигнала канала обработки измерительной информации от перемещения сканирующего объекта и калиброванные значения величин выходного сигнала канала обработки измерительной информации в двух контрольных точках пространственной привязки сканирующего объекта на краях диапазона сканирования.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 представлена функциональная схема датчика малого перемещения сканирующего объекта, на фиг.2 представлена схема расположения преобразователей на элементах Холла относительно постоянных магнитов в воздушном зазоре магнитной системы, а на фиг.3 показаны диаграммы, демонстрирующие изменение величины магнитной индукции В измерительной магнитной системы и выходных сигналов элементов датчика при перемещении сканирующего объекта в диапазоне сканирования.

Датчик малого перемещения сканирующего объекта (фиг.1) содержит магнитную систему 1, установленную на сканирующем объекте и состоящую из двух пар постоянных магнитов 2, 3 и 4, 5, имеющих встречно-параллельные направления своих магнитных осей, с заданным промежутком между парами магнитов, ограничивающим диапазон сканирования, и воздушным зазором между парными магнитами, а также из двух пар дополнительных постоянных магнитов 6, 7 и 8, 9, установленных вплотную к внешним краям парных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей к их осям. Измерительный преобразователь на элементе Холла 10 неподвижно закреплен на основании сканера и выходом подключен к каналу обработки измерительной информации 11, выполненному в виде последовательно соединенных усилителя 12 и аналого-цифрового преобразователя 13. Контрольные преобразователи на элементах Холла 14 и 15 также неподвижно закреплены на основании сканера и выходами подключены, соответственно, к каналам обработки контрольной информации 16 и 17, выполненным в виде последовательно соединенных усилителей 18, 19 и компараторов 20 и 21. Устройство коррекции выходного сигнала 22, подключенное к выходам аналого-цифрового преобразователя 13 и компараторов 20, 21, выполнено на основе микроконтроллера с энергонезависимой памятью. В энергонезависимой памяти микроконтроллера записана калиброванная зависимость выходного сигнала канала обработки измерительной информации от перемещения сканирующего объекта и калиброванные значения величин выходного сигнала канала обработки измерительной информации в двух контрольных точках пространственной привязки сканирующего объекта на краях диапазона сканирования. С выхода устройства коррекции выходного сигнала 22 считывается код выходного сигнала датчика.

Измерительный преобразователь на элементе Холла 10 (фиг.2) установлен воздушным зазором между двух пар постоянных магнитов 2, 3 и 4, 5 имеющих встречно-параллельные направления своих магнитных осей, перпендикулярно к их магнитным осям. Эти две пары постоянных магнитов образуют измерительную магнитную систему. Контрольные преобразователи на элементах Холла 14 и 15 установлены в воздушном зазоре магнитной системы перпендикулярно к магнитным осям с двух сторон от измерительного преобразователя 10 на заданном расстоянии от него, которое определяется из выражения h=А+0,5 с1, где d -диапазон сканирования, а А - расстояние от центра заданного промежутка между парами постоянных магнитов 2, 3 и 4, 5 до места их соединения с дополнительными постоянными магнитами, соответственно, 6, 7 и 8, 9. Пары магнитов 2, 3 и 6, 7 образуют контрольную магнитную систему для контрольного преобразователя 14, а Пары магнитов 4, 5 и 8, 9 -образуют контрольную магнитную систему для контрольного преобразователя 15.

Датчик работает следующим образом. При перемещении сканирующего объекта закрепленная на нам магнитная система 1 перемещается относительно неподвижно закрепленных на основании сканера измерительного 10 и двух контрольных преобразователей 14, 15. Величина магнитной индукции В измерительной магнитной системы в диапазоне сканирования имеет линейную знакопеременную характеристику, показанную на фиг.3, а, что позволяет при перемещении сканирующего объекта на выходе измерительного преобразователя иметь зависимость выходного сигнала Uun линейной знакопеременной формы, которая показана на фиг.3, б. Выходной сигнал измерительного преобразователя усиливается и преобразовывается аналого-цифровым преобразователем в код в канале обработке измерительной информации 11. График 1 выходного сигнала измерительного преобразователя Uun показывает калиброванную зависимость выходного сигнала от перемещения, снятую при одной температуре окружающей среды, а графики 2 и 3 показывают изменение зависимости выходного сигнала, полученные при температурах на противоположных границах широкого диапазона температур окружающей среды.

Пространственная привязка контрольных преобразователей относительно постоянных магнитов магнитной системы позволяет на границах диапазона сканирования на выходе контрольных преобразователей иметь выходные сигналы Uкn1 и Uкn2 линейной знакопеременной формы с достаточной крутизной своих фронтов, показанные на фиг.3, в и фиг.3, г. Выходные сигналы контрольных преобразователей подаются на входы соответствующих каналов обработки контрольной информации, в которых усиливаются и подаются на входы компараторов, настроенных на выдачу своих выходных сигналов Uвых комn1 и Uвых комn2, показанные на фиг.3, д и фиг.3, е в момент перехода выходного сигнала контрольного преобразователя через нулевой уровень.

Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя 12 канала обработки измерительной информации 11 и выходные сигналы компараторов 20, 21 каналов обработки контрольных информации 16 и 17 подаются на входы микроконтроллера устройства коррекции выходного сигнала. Одновременная обработка сигналов от каналов обработки измерительной и контрольных информации микроконтроллером обеспечивает в двух контрольных точках высокоточную пространственную привязку положения сканирующего объекта в широком диапазоне температур. По записанным в энергонезависимой памяти микроконтроллера калиброванной зависимости выходного сигнала канала обработки измерительной информации 11 и калиброванным значениям величин выходного сигнала канала обработки измерительной информации в двух контрольных точках пространственной привязки сканирующего объекта на краях диапазона сканирования в микроконтроллере производится автоматическое определение величины изменения текущего выходного сигнала канала обработки измерительной информации от калиброванного значения в этих двух контрольных точках пространственной привязки и на основании величин этих изменений произвести вычисление корректирующих коэффициентов и внесение коррекции в выходной сигнал на всем диапазоне перемещения до следующего последовательного прохождения двух контрольных точек пространственной привязки.

Таким образом, предложенный датчик малого перемещения сканирующего объекта позволяет существенно повысить точность измерения перемещения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 Авторское свидетельство СССР № 589538, 1976, G01B 7/00

2 Прокошин В.И., Шепелевич В.Г., Ярмолович В.А. Дилатометр на основе эффекта Холла // Изв. АН БССР. Сер. физ. - энерг. н., 1985. № 2. - С.121-123.

ЗМедушев С. В., Ремизов В.Е., Огома С.А. Постоянные магниты в прецизионных приводах оптико-механических сканирующих устройств // Электротехника, 1989. № 11. - С.53-59.

4 Моисеев П.П., Рожавский Э.И., Драпезо А.П. Применение малогабаритных датчиков углового положения в сканирующих устройствах космического назначения // Известия ОрелГТУ. - Сер. Машиностроение. Приборостроение. - Орел: ОрелГТУ, 2006. № 1. - С.15.

ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

1. Датчик малого перемещения сканирующего объекта, содержащий магнитную систему, установленную на сканирующем объекте сканера, измерительный преобразователь на элементе Холла, неподвижно закрепленный на основании сканера, и блок обработки измерительной информации, подключенный к выходу измерительного преобразователя, в котором магнитная система содержит две пары постоянных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей, с заданным промежутком между парами магнитов, ограничивающим диапазон сканирования, и воздушным зазором между парными магнитами, внутри которого перпендикулярно к магнитным осям расположен измерительный преобразователь на элементе Холла, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения перемещения сканирующего объекта, в магнитную систему введены две пары дополнительных постоянных магнитов, каждая из которых установлена вплотную к внешним краям парных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей к их осям, введены два неподвижно закрепленных на основании сканера контрольных преобразователя на элементах Холла, установленных в воздушном зазоре магнитной системы перпендикулярно к магнитным осям с двух сторон от измерительного преобразователя на заданном расстоянии от него, а блок обработки измерительной информации включает канал обработки измерительной информации, подключенный к выходу измерительного преобразователя и выполненный в виде последовательно соединенных усилителя и аналого-цифрового преобразователя, два канала обработки контрольной информации, каждый из которых подключен к выходу соответствующего контрольного преобразователя и выполнен в виде последовательно соединенных усилителя и компаратора, и устройство коррекции выходного сигнала, подключенное к выходам аналого-цифрового преобразователя и компараторов, выполненное на основе микроконтроллера с энергонезависимой памятью.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что заданное расстояние h между центрами контрольных и измерительного преобразователей определяется из выражения: h=A+0,5d, где А - расстояние от центра заданного промежутка между парами постоянных магнитов до места их соединения с дополнительными постоянными магнитами, a d - диапазон сканирования.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в энергонезависимой памяти микроконтроллера устройства коррекции выходного сигнала записана калиброванная зависимость выходного сигнала канала обработки измерительной информации от перемещения сканирующего объекта и калиброванные значения величин выходного сигнала канала обработки измерительной информации в двух контрольных точках пространственной привязки сканирующего объекта на краях диапазона сканирования.

Наверх