RU195552U1

RU195552U1 - Inductive Position Sensor

Info

Publication number: RU195552U1
Application number: RU2019135940U
Authority: RU
Inventors: Иван Владимирович Фокин
Original assignee: Акционерное общество Научно-производственная компания "ТЕКО"
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2020-01-31

Abstract

Полезная модель относится к измерительным устройствам, характеризуемым использованием электрических или магнитных средств для измерения расстояния между разнесенными предметами, в частности к индуктивным бесконтактным датчикам, в том числе датчикам положения, перемещения, вращения, действующим на принципе изменения характеристик магнитного поля при наведении вихревых токов в металлическом объекте воздействия. Задачей является расширение эксплуатационных возможностей датчика за счет расширения диапазона рабочих температур при улучшении его технических характеристик в этом диапазоне. Датчик содержит чувствительный элемент 1 из катушки индуктивности и сердечника, связанный с генератором 2, управляемым напряжением, поступающим с цифроаналогового преобразователя 3, который задает напряжение, зависящее от кода, поступающего на него от микроконтроллера 4. Микроконтроллер 4 с помощью имеющегося в нем вычислителя вычисляет код по сигналу от датчика 5 температуры согласно внесенной в его запоминающее устройство таблице или формуле, принимает цифровой сигнал от аналогово-цифрового преобразователя 6 и выдает рассчитанный сигнал на выходное устройство 7. Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей датчика за счет расширения диапазона рабочих температур при улучшении его технических характеристик в этом диапазоне. 1 ил.The utility model relates to measuring devices characterized by the use of electric or magnetic means for measuring the distance between spaced objects, in particular to inductive proximity sensors, including position, displacement, rotation sensors, acting on the principle of changing the characteristics of the magnetic field when inducing eddy currents in a metal object of influence. The objective is to expand the operational capabilities of the sensor by expanding the range of operating temperatures while improving its technical characteristics in this range. The sensor contains a sensing element 1 from an inductor and a core connected to a generator 2 controlled by a voltage coming from a digital-to-analog converter 3, which sets the voltage depending on the code supplied to it from the microcontroller 4. The microcontroller 4 calculates the code using the computer available in it according to the signal from the temperature sensor 5, according to the table or formula entered in his memory device, receives a digital signal from the analog-to-digital converter 6 and provides a calculated signal al to the output device 7. The technical result is the expansion of the operational capabilities of the sensor by expanding the range of operating temperatures while improving its technical characteristics in this range. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительным устройствам, характеризуемым использованием электрических или магнитных средств для измерения расстояния между разнесенными предметами, в частности, к индуктивным бесконтактным датчикам, в том числе датчикам положения, перемещения, вращения, действующим на принципе изменения характеристик магнитного поля при наведении вихревых токов в металлическом объекте воздействия.The invention relates to measuring devices characterized by the use of electrical or magnetic means for measuring the distance between spaced objects, in particular to inductive proximity sensors, including position, displacement, rotation sensors, acting on the principle of changing the characteristics of the magnetic field when inducing eddy currents in metal object exposure.

Индуктивные датчики работают при изменяющихся в широких пределах температурах окружающей среды, что обуславливает необходимость температурной компенсации ухода параметров компонентов.Inductive sensors operate at wide varying ambient temperatures, which necessitates temperature compensation for the departure of the parameters of the components.

Известен датчик положения, представленный в п. РФ №2654371 по кл. G01B 7/30, G01P 3/42, з. 23.05.2017 г., оп. 17.05.2018 г.Known position sensor presented in paragraph. Of the Russian Federation No. 2654371 by class. G01B 7/30, G01P 3/42, c. 05/23/2017, op. 05/17/2018

Известный датчик характеризуется следующей формулой.A known sensor is characterized by the following formula.

Датчик положения, содержащий вращающийся трансформатор (ВТ), состоящий из статора, механически соединенного с корпусом вращающегося трансформатора, и ротора, муфты, механически соединенной с одной стороны с ротором, а с другой стороны - с объектом регулирования, установленном на модуле силовом системы управления, отличающийся тем, что в него дополнительно введены модуль питания датчика положения, усилитель переменного напряжения, первая последовательная шина, вторая последовательная шина, контроллер, включающий в себя модуль аналого-цифрового преобразования, блок коррекции значений АЦП шкалы грубого отсчета, блок коррекции значений АЦП шкалы точного отсчета, блок синхронизации АЦП, блок анализа неисправностей, датчик температуры, тактовый генератор, цифроаналоговый преобразователь, генератор синуса, модуль вычисления угла шкалы грубого отсчета, модуль вычисления угла шкалы точного отсчета, модуль вычисления угла датчика положения, модуль базового адреса датчика положения, постоянное запоминающее устройство, блок компенсации неточности передачи угла, формирователь сигналов последовательной шины канала типа CAN, формирователь сигналов последовательной шины канала типа RS422,A position sensor comprising a rotary transformer (VT), consisting of a stator mechanically connected to the housing of the rotary transformer, and a rotor, a coupling mechanically connected on one side to the rotor, and on the other hand, to the control object mounted on the power control system module, characterized in that it additionally includes a position sensor power supply module, an alternating voltage amplifier, a first serial bus, a second serial bus, a controller including an analog-qi module conversion, block for correcting ADC values of the coarse reference scale, block for correcting ADC values for the ADC scale, ADC synchronization block, fault analysis unit, temperature sensor, clock generator, digital-to-analog converter, sine generator, module for calculating the angle of the scale for coarse reference, module for calculating the angle of the scale of accurate reading, module for calculating the angle of the position sensor, module for the base address of the position sensor, read-only memory, angle transmission inaccuracy compensation unit, former CAN serial channel signals, RS422 type serial channel driver,

причем вращающийся трансформатор реализован на базе бесконтактного многополюсного двухотсчетного индукционного редуктосина с синусными и косинусными обмотками грубого и точного отсчета,moreover, a rotating transformer is implemented on the basis of non-contact multi-pole double-count induction reduktosin with sine and cosine coils of coarse and accurate readout,

при этом статор вращающегося трансформатора датчика положения электрически соединен с модулем аналого-цифрового преобразования контроллера, тактовый генератор контроллера соединен с блоком синхронизации АЦП, который, в свою очередь, соединен с модулем аналого-цифрового преобразования, модулем цифроаналогового преобразователя и модулем генератора синуса, который, в свою очередь, соединен с модулем цифроаналогового преобразователя, а выход модуля цифроаналогового преобразователя контроллера электрически соединен с первым входом усилителя переменного напряжения датчика положения, при этом выход с усилителя переменного напряжения электрически соединен со статором вращающегося трансформатора, первый выход модуля аналого-цифрового преобразования соединен с блоком коррекции значений АЦП шкалы грубого отсчета, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы грубого отсчета, а второй его выход соединен с блоком коррекции значений АЦП шкалы точного отсчета, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы точного отсчета, третий выход модуля аналого-цифрового преобразования соединен с блоком анализа неисправностей, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла датчика положения, в свою очередь, выход модуля вычисления угла шкалы грубого отсчета соединен с модулем вычисления угла датчика положения, а выход модуля вычисления угла шкалы точного отсчета также соединен с модулем вычисления угла датчика положения,the stator of the rotary transformer of the position sensor is electrically connected to the controller analog-to-digital conversion module, the controller clock is connected to the ADC synchronization unit, which, in turn, is connected to the analog-to-digital conversion module, the digital-to-analog converter module, and the sine generator module, which, in turn, is connected to the digital-to-analog converter module, and the output of the controller's digital-to-analog converter module is electrically connected to the first input of the device the alternating voltage amplifier of the position sensor, while the output from the alternating voltage amplifier is electrically connected to the stator of the rotating transformer, the first output of the analog-to-digital conversion module is connected to the block for correcting the values of the ADC of the coarse reference scale, which, in turn, is connected to the module for calculating the rough scale angle reference, and its second output is connected to the block of correction of the ADC values of the exact reference scale, which, in turn, is connected to the module for calculating the angle of the exact reference scale, the third output the analog-to-digital conversion module is connected to the fault analysis unit, which, in turn, is connected to the position sensor angle calculation module, in turn, the output of the coarse scale angle calculation module is connected to the position sensor angle calculation module, and the output of the scale angle calculation module the exact reference is also connected to the module for calculating the angle of the position sensor,

при этом первый выход модуля вычисления угла датчика положения соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, а второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа RS422,wherein the first output of the position sensor angle calculation module is connected to the signal conditioning instrument of a serial bus, for example a channel of type CAN, and its second output is connected to the signal conditioning instrument of a serial bus, for example a channel of type RS422,

в свою очередь, первый выход постоянного запоминающего устройства соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа RS422, третий его выход соединен с модулем вычисления угла датчика положения, а четвертый выход соединен с блоком компенсации неточности передачи угла, который связан с модулем вычисления угла датчика положения и с датчиком температуры,in turn, the first output of the read-only memory is connected to the signal conditioning instrument of a serial bus, for example, a CAN-type channel, its second output is connected to a signal conditioning instrument of a serial bus, for example a RS422-type channel, its third output is connected to a position sensor angle calculation module, and the fourth output connected to an angle transmission inaccuracy compensation unit, which is connected to a position sensor angle calculation module and a temperature sensor,

при этом вход модуля базового адреса датчика положения электрически связан системой управления, первый выход модуля базового адреса датчика положения соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа RS422, третий его выход соединен с системой управления, в свою очередь, модуль питания датчика положения электрически соединен с контроллером, вторым входом усилителя переменного напряжения датчика положения и выходом системы управления, при этом формирователь сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, электрически соединен с первой последовательной шиной, электрически связанной с системой управления, а формирователь сигналов последовательной шины, например канала типа RS422, электрически соединен со второй последовательной шиной, электрически связанной с системой управления.the input of the base address module of the position sensor is electrically connected by the control system, the first output of the base address module of the position sensor is connected to the driver of a serial bus, for example a CAN channel, its second output is connected to a driver of a serial bus, such as a RS422 channel, its third output connected to the control system, in turn, the power module of the position sensor is electrically connected to the controller, the second input of the amplifier of the alternating voltage of the position sensor and you the control system, wherein the serial bus signal driver, for example a CAN-type channel, is electrically connected to the first serial bus electrically connected to the control system, and the serial bus signal driver, for example a RS422-type channel, is electrically connected to the second serial bus, electrically connected to management system.

Недостатком известного устройства являются его большие размеры и большая сложность конструкции, обусловленные областью применения. Кроме того, известный датчик предназначен для определения углового положения объекта, т.е. имеет другое назначение.A disadvantage of the known device is its large size and great design complexity, due to the scope. In addition, the known sensor is designed to determine the angular position of the object, i.e. has a different purpose.

Заявителю не удалось найти для заявляемого датчика положения такого технического решения, где чувствительный элемент был бы расположен только в датчике, а частично не на объекте, до которого определяется расстояние, поэтому за прототип выбран описанный ниже датчик положения, один элемент сенсора которого расположен в датчике, а другой - на перемещающемся относительно него объекте.The applicant was not able to find for the inventive position sensor such a technical solution where the sensing element would be located only in the sensor, and partially not on the object to which the distance is determined, therefore, the position sensor described below was selected for the prototype, one sensor element of which is located in the sensor, and the other on an object moving relative to it.

Известен датчик положения, представленный в п. РФ №2221988 «Датчик перемещений» по кл. G01B 7/14, з. 11.11.02, оп. 20.01.2004 г. и выбранный в качестве прототипа.Known position sensor presented in p. RF №2221988 "Displacement sensor" according to cl. G01B 7/14, z. 11.11.02, op. 01/20/2004, and selected as a prototype.

Известный датчик характеризуется следующей формулой:A known sensor is characterized by the following formula:

1. Индуктивный датчик перемещений, содержащий катушку индуктивности и сердечник, устанавливаемые на взаимно перемещающиеся объекты, генератор переменного напряжения и электрическое сопротивление, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен двумя диодами и конденсатором, один из диодов соединен последовательно с катушкой, образуя первое плечо, другой диод соединен последовательно с электрическим сопротивлением, образуя второе плечо, оба плеча соединены параллельно, образуя замкнутый контур, диоды соединены в контуре последовательно-согласно, первая точка соединения плеч контура подключена к первому выводу генератора, а вторая точка соединения плеч - к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом генератора, причем выводы конденсатора являются выходом устройства.1. An inductive displacement sensor containing an inductor and a core mounted on mutually moving objects, an alternating voltage generator and electrical resistance, characterized in that it is additionally equipped with two diodes and a capacitor, one of the diodes is connected in series with the coil, forming the first arm, the other the diode is connected in series with the electrical resistance, forming a second arm, both arms are connected in parallel, forming a closed loop, the diodes are connected in a loop o according to the first shoulder contour point is connected to the first terminal of the generator connections, and second shoulder point connections - to the first terminal of the capacitor, a second terminal connected to the second output generator, wherein the capacitor leads are device yield.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что электрическое сопротивление выполнено в виде второй катушки индуктивности, идентичной первой катушке.2. The sensor according to claim 1, characterized in that the electrical resistance is made in the form of a second inductor identical to the first coil.

3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен вторым сердечником, установленным внутри второй катушки с возможностью перемещения и фиксации вдоль оси последней.3. The sensor according to claim 2, characterized in that it is further provided with a second core mounted inside the second coil with the possibility of movement and fixing along the axis of the latter.

4. Датчик по п. 3, отличающийся тем, что сердечники выполнены соизмеримыми по длине с соответствующими катушками, первый сердечник снабжен тягой из неметаллического неферромагнитного материала, закрепленной на сердечнике со стороны второй катушки, а второй сердечник выполнен с продольным сквозным отверстием для прохода тяги.4. The sensor according to claim 3, characterized in that the cores are made comparable in length with the respective coils, the first core is provided with a rod of non-metallic non-ferromagnetic material fixed to the core from the side of the second coil, and the second core is made with a longitudinal through hole for the passage of the rod.

5. Датчик по п. 3, отличающийся тем, что сердечники выполнены наборными из нескольких параллельных оси катушек ферромагнитных стержней, скрепленных неметаллическим неферромагнитным материалом.5. The sensor according to claim 3, characterized in that the cores are made of several ferromagnetic rods parallel to the axis of the coils, fastened together with a non-metallic non-ferromagnetic material.

6. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что параллельно катушкам индуктивности подключены активные сопротивления.6. The sensor according to claim 2, characterized in that the active resistance is connected in parallel with the inductors.

Недостаток известного датчика заключается в том, что его эксплуатационные возможности ограничены, т.к. он работает стабильно в относительно небольшом диапазоне температур, и он неудобен в эксплуатации, поскольку существует технологический разброс температурных коэффициентов используемых элементов, а компенсация температурного ухода показателей связана с физическими заменами элементов и не может быть выполнена оперативно.A disadvantage of the known sensor is that its operational capabilities are limited, because it works stably in a relatively small temperature range, and it is inconvenient in operation, since there is a technological variation in the temperature coefficients of the elements used, and compensation for the temperature deviation of indicators is associated with physical replacement of elements and cannot be performed promptly.

Задачей является расширение эксплуатационных возможностей датчика за счет расширения диапазона рабочих температур при улучшении его технических характеристик в этом диапазоне.The objective is to expand the operational capabilities of the sensor by expanding the range of operating temperatures while improving its technical characteristics in this range.

Поставленная задача решается тем, что в индуктивном датчике положения, содержащем сенсор в виде катушки индуктивности и сердечника, связанный с катушкой источник питания в виде генератора переменного напряжения, связанные с катушкой и источником питания узел из элементов компенсации влияния температуры, и выходное устройство, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, источник питания в датчике представляет собой генератор, управляемый напряжением, катушка индуктивности и сердечник расположены непосредственно в датчике, узел компенсации влияния температуры содержит датчик температуры, снабженный запоминающим устройством и вычислителем микроконтроллер, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи сигнала, при этом один из входов микроконтроллера соединен с датчиком температуры, второй его вход подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, соединенного с выходом генератора, второй вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, соединенному с одним из выходов микроконтроллера, второй выход которого связан с выходным устройством.The problem is solved in that in an inductive position sensor containing a sensor in the form of an inductor and a core, a power source connected to the coil in the form of an alternating voltage generator, a node from temperature compensation elements connected to the coil and power source, and an output device, ACCORDING TO USE MODELS, the power supply in the sensor is a voltage-controlled generator, the inductor and core are located directly in the sensor, The temperature contains a temperature sensor, a microcontroller equipped with a memory and a computer, analog-to-digital and digital-to-analog signal converters, while one of the inputs of the microcontroller is connected to a temperature sensor, its second input is connected to the output of the analog-to-digital converter connected to the generator output, the second input of which connected to the output of the digital-to-analog converter connected to one of the outputs of the microcontroller, the second output of which is connected to the output device.

Использование в индуктивном датчике в качестве источника питания генератора, управляемого напряжением, в совокупности с выполнением узла компенсации влияния температуры содержащим датчик температуры и связанный с ним микроконтроллер, снабженный запоминающим устройством и вычислителем, а также преобразователи аналогового сигнала в цифровой и цифрового сигнала в аналоговый при описанных выше связях элементов датчика обеспечивает температурную компенсацию датчика посредством управления характеристикой генератора напряжением при наличии в снабженном вычислителем микроконтроллере записанной в запоминающее устройство зависимости управляющего сигнала от температуры в виде таблицы соответствия «температура - напряжение» и/или в виде полиномиальной зависимости «температура - напряжение». При этом управляющее напряжение задается микроконтроллером и управляет генератором, а напряжение на выходе микроконтроллера является полезным сигналом датчика, зависимость которого от температуры снижается с применением данной компенсации.The use in the inductive sensor as a power source of a voltage-controlled generator, in conjunction with the implementation of a temperature compensation unit comprising a temperature sensor and a microcontroller connected to it, equipped with a storage device and a calculator, as well as converters of the analog signal into a digital and digital signal into analog when described above the connections of the sensor elements provides temperature compensation of the sensor by controlling the characteristic of the voltage generator at if there is a microcontroller equipped with a calculator recorded in the memory, the dependence of the control signal on temperature in the form of a temperature-voltage correspondence table and / or in the form of a temperature-voltage polynomial dependence. In this case, the control voltage is set by the microcontroller and controls the generator, and the voltage at the output of the microcontroller is a useful sensor signal, the temperature dependence of which decreases with the use of this compensation.

Технический результат - расширение диапазона рабочих температур.The technical result is the expansion of the operating temperature range.

Заявляемый индуктивный датчик положения обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение источника питания в датчике в виде генератора, управляемого напряжением, размещение катушки индуктивности и сердечника в датчике, выполнение узла компенсации влияния температуры из датчика температуры, снабженного запоминающим устройством и вычислителем контроллера, аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей сигнала, соединение одного из входов контроллера с датчиком температуры, подключение его второго входа к выходу аналого-цифрового преобразователя, соединенного с выходом генератора, подключение второго входа генератора к выходу цифроаналогового преобразователя, соединенному с одним из выходов микроконтроллера, второй выход которого связан с выходным устройством, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.The inventive inductive position sensor has a novelty in comparison with the prototype, differing from it by such significant features as the performance of the power source in the sensor in the form of a voltage controlled generator, the placement of the inductance coil and the core in the sensor, the implementation of the temperature compensation unit from the temperature sensor equipped with a storage device and calculator of the controller, analog-to-digital and digital-to-analog signal converters, the connection of one of the controller inputs with a temp sensor temperature, connecting its second input to the output of an analog-to-digital converter connected to the output of the generator, connecting the second input of the generator to the output of the digital-to-analog converter connected to one of the outputs of the microcontroller, the second output of which is connected to the output device, which together ensure the achievement of a given result.

Заявляемый индуктивный датчик положения может найти широкое применение в измерительной технике, в частности, для определения положения металлического объекта и потому соответствует критерию «промышленная применимость».The inventive inductive position sensor can be widely used in measuring technique, in particular, for determining the position of a metal object and therefore meets the criterion of "industrial applicability".

Полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлена функциональная схема индуктивного датчика положения.The utility model is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of an inductive position sensor.

Датчик содержит чувствительный элемент 1 из катушки индуктивности и сердечника, связанный с генератором 2, управляемым напряжением, поступающим с цифроаналогового преобразователя 3, который задает напряжение, зависящее от кода, поступающего на него от микроконтроллера 4. Микроконтроллер 4 с помощью имеющегося в нем вычислителя вычисляет код по сигналу от датчика 5 температуры согласно внесенной в его запоминающее устройство таблице или формуле, принимает цифровой сигнал от аналогово-цифрового преобразователя 6 и выдает рассчитанный сигнал на выходное устройство 7.The sensor contains a sensing element 1 from the inductor and the core, connected to the generator 2, controlled by the voltage coming from the digital-to-analog converter 3, which sets the voltage depending on the code supplied to it from the microcontroller 4. The microcontroller 4 calculates the code using the calculator available in it according to the signal from the temperature sensor 5, according to the table or formula entered in its storage device, it receives a digital signal from the analog-to-digital converter 6 and provides a calculated signal Al to the output device 7.

Индуктивный датчик положения работает следующим образом.Inductive position sensor operates as follows.

При появлении в чувствительной зоне датчика объекта воздействия из любого металла изменяются электромагнитные свойства чувствительного элемента 1, от чего меняется напряжение на генераторе 2. Это напряжение через аналого-цифровой преобразователь 6 в виде цифрового сигнала поступает на вход микроконтроллера 4, на второй вход которого подается сигнал с датчика 5 температуры. В микроконтроллере 4 с помощью имеющегося в нем вычислителя вычисляется код по сигналу от датчика 5 температуры согласно внесенной в его запоминающее устройство таблице или формуле и с учетом цифрового сигнала от аналогово-цифрового преобразователя 6 выдается скорректированный по температуре сигнал на выходное устройство 7.When an object of influence appears in the sensor’s sensitive area from any metal, the electromagnetic properties of the sensor 1 change, which changes the voltage at the generator 2. This voltage is transmitted through an analog-to-digital converter 6 as a digital signal to the input of the microcontroller 4, to the second input of which from temperature sensor 5. In the microcontroller 4, using the calculator available in it, the code is calculated by the signal from the temperature sensor 5 according to the table or formula entered in its memory and taking into account the digital signal from the analog-to-digital converter 6, a temperature-corrected signal is output to the output device 7.

В сравнении с прототипом заявляемый индуктивный датчик положения обладает более широкими эксплуатационными возможностями, т.к. может работать с достаточной точностью измерения в более широком диапазоне температур.In comparison with the prototype of the inventive inductive position sensor has wider operational capabilities, because can work with sufficient measurement accuracy over a wider temperature range.

Claims

An inductive position sensor, comprising a sensor in the form of an inductor and a core, a power source connected to the coil in the form of an alternating voltage generator, a node from temperature compensation elements connected to the coil and power source, and an output device, characterized in that the power source in the sensor represents a voltage-controlled generator, the inductor and the core are located directly in the sensor, the temperature compensation unit contains a temperature sensor, a microcontroller, analog-to-digital and digital-to-analog converters, and one of the inputs of the microcontroller is connected to a temperature sensor, its second input is connected to the output of an analog-to-digital converter connected to the output of the generator, the second input of which is connected to the output of the digital-to-analog converter, connected to one of the outputs of the microcontroller, the second output of which is connected to the output device.