УДК 681.5.08:681.3
НОВЫЙ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ЕГО ОСНОВЕ
Изображение выходного сигнала 1/вых(р) после несложных преобразований будет иметь вид:
&вых(р) = ивх(Р) Х
JL . JL
rLC гС
2 (R р +р{г
J_
гС
LCV г
(2)
В. И. Смирнов, В. В. Жарков
Рассмотрен новый способ преобразования параметров индуктивных датчиков, основанный на возбуждении переходного процесса в контуре, содержащем нелинейный элемент — диод с большим временем восстановления обратного сопротивления. Описаны структурные схемы устройств, реализованных на основе данного способа.
Для современных многоканальных измерительно-вычислительных комплексов, используемых для диагностики сложных объектов, важным показателем является производительность, определяемая главным образом быстродействием датчиков и числом измерительных каналов. Если у резисторных датчиков или датчиков генераторного типа быстродействие вполне удовлетворяет требованиям большинства задач, а коммутация измерительных каналов не вызывает особых сложностей, то у датчиков индуктивного типа, для преобразования параметров которых в основном используют мостовую схему или ¿С-колеба-тельный контур, ситуация иная. Длительность однократного измерения у них обычно находится на уровне одной миллисекунды [1], а коммутация измерительных каналов вызывает переходные процессы, не позволяющие существенно повысить быстродействие датчиков.
В связи с этим целесообразно использовать для преобразования параметров непосредственно сам переходный процесс, возбуждаемый в индуктивных датчиках кратковременными электрическими импульсами. Оценку возможностей этого способа с точки зрения быстродействия и чувствительности можно осуществить на примере параллельного £С-контура, в котором возбуждаются быстрозатухающие электромагнитные колебания. При этом длительность однократного измерения должна быть на уровне нескольких десятков микросекунд. Это необходимо при решении ряда задач, например, вибродиагностики автомобильных двигателей, где требуе-
мая частота дискретизации аналогового сигнала превышает 20 кГц [2]. Что касается чувствительности, то первичный преобразователь должен обеспечить возможность регистрации изменений параметров индуктивных датчиков на уровне сотых долей процента.
Схема колебательного контура и форма возбуждающего переходный процесс электрического импульса длительности т и амплитуды Е представлены соответственно на рис. 1, а и 1, б. Расчет формы выходного сигнала UBblx(t) осуществлялся на основе операторного метода. Изображение, возбуждающего переходный процесс напряжения UBX(p), полученное с помощью преобразования Лапласа:
UBX(p)= ¡UBX(t)e-P'dt-
= - е-"х) Р
(1)
1 Ï .
а)
т 6)
7 1 R
Обозначив Юд = 2р = — +
+ ^ ий)2=й)^1 + ^)~Р2,с учетом равенства (1) выражение (2) можно преобразовать к виду:
^вых(Р) =
,... I рх-. 2 R
р[(р + |3)2 + ю2]
г С
(р+ |3)2 + ю2
Перейдя к оригиналу 1/выx(t), получим окончательно при 1 < т:
"вых(» =
Е „-рt
)гС
е p'smco/,
при t > т:
"вых(» =
R+r
X {ew~ + £ cos((o(/ - т) - ф) -
^ ю
ю ) юг С
X (e-pisino)i - x)sinro(/ - т)),
ti/вых, В
Рис. 1. Схема замещения (а), форма импульса возбущцения (б) и переходного процесса (в) в ХС-колебательном контуре
Датчики и Системы • № 4.2001
19
Рис. 2. Схема замещения (а), форма импульса возбуждения (б) и переходного процесса (в) в 1.1) контуре
U-вых, В
, мкс
Рис. 3. Структурная схема сенсорной платы
где m = arceos г^-j .
v Uffl- + p-J
Характеристики переходных процессов UBblx(t), рассчитанные по полученным формулам для двух значений индуктивности и представленные на рис. 1, в, соответствуют параметрам схемы Е = 5 В, т = 3 мкс, /•= 15 Ом, Л = 0,1 Ом, С = 0,3 мкФ, L\ = 40 мкГн (кривая 1), ¿2 = = 50 мкГн (кривая 2).
Принцип действия преобразователя, использующего зависимость длительности переходного процесса от параметров индуктивных датчиков, состоит в следующем. С помощью компаратора определяется момент времени, когда UBblx(t) переходит через 0, то есть длительность переходного процесса Т. Ана-
логичным образом определяется длительность переходного процесса Топ в опорном плече, где параметры датчика фиксированы. Далее выделяется разность А Т= Т ^ Топ, которая затем с помощью интегратора преобразуется в напряжение.
Чувствительность преобразователя в этом случае определяется величиной у] = АТ/(АЬ/Ь) и скоростью нарастания выходного напряжения в момент его перехода через 0, то есть величиной у2 = сШШЛ11(1)/(11 в точке / = Т. Эти величины взаимосвязаны — увеличение одной из них, обусловленное изменением параметров схемы (главным образом С и I), приводит к уменьшению другой. При оптимальном выборе параметров, определяемом критерием максимальной чувствительности преоб-
разователя, значения у] «0,1 мкс/%, а у2® 50 мВ/мкс. Таким образом, для того, чтобы преобразователь мог зарегистрировать изменения параметров индуктивных датчиков на уровне 0,01 %, необходимо, чтобы переключение логического состояния выхода компаратора происходило при изменении напряжения на одном из его входов примерно на 0,05 мВ, что выходит за пределы возможностей современных компараторов [3].
Повысить чувствительность и одновременно сохранить высокое быстродействие позволила замена конденсатора в £С-колебательном контуре нелинейным элементом — диодом с большим временем восстановления обратного сопротивления [4]. Схема такого /./)-контура. а также форма возникающего в нем переходного процесса, соответственно представлены на рис. 2. Параметры элементов схем на рис. 2 и 1, а примерно совпадают.
Кратковременный электрический импульс возбуждает в ЬО-контуре переходный процесс, сопровождающийся инжекцией неосновных носителей в базу диода и последующим их рассасыванием. Величина инжектированного через />-я-переход заряда и, соответственно, длительность переходного процесса зависят от параметров датчиков. Преобразование параметров датчиков в напряжение происходит аналогично рассмотренному выше для £С-колебательного контура, но в данной схеме величина £/£/вых(/)/<# при 1 = Т, примерно на порядок выше, что и позволило в итоге увеличить чувствительность преобразователя. Длительность переходного процесса при этом не превышает 20 мкс.
На основе разработанного нами способа преобразования были сконструированы и изготовлены опытные образцы измерительных устройств двух типов, отличающиеся конструкцией и функциональным назначением. Первый тип конструктивно выполнен в виде специализированной сенсорной платы расширения для персонального компьютера, размещаемой в слоте его системной магистрали [5], второй — в виде автономного микропроцессорного устройства, сопряженного с компьютером посредством последовательного интерфейса [6].
Структурная схема сенсорной платы представлена на рис. 3. Блок формирования импульсов, изготовленный на основе кварцевого резо-
20 _ Sensors & Systems • № 4.2001
Рис. 4. Структурная схема автономного микропроцессорного устройства
натора 32 кГц, вырабатывает две последовательности импульсов разной длительности, с помощью которых возбуждаются переходные процессы в чувствительных элементах устройства, изменяются номера измерительных каналов, обеспечивается обмен данными между АЦП и системной магистралью. Регистр режимов работы предназначен для программного изменения частоты опроса датчиков (максимальна частота — 16 кГц), числа задействованных каналов (максимально — 7), а также коэффициента усиления сигнала с выхода интегратора. Схема коррекции позволяет уменьшить влияние температурного дрейфа параметров радиоэлементов платы, используя один из каналов в качестве опорного. Она формирует на одном из входов программируемого дифференциального усилителя напряжение, пропорциональное сигналу опорного канала, к которому подключены датчики-имитаторы с фиксированными параметрами, что и позволяет корректировать возможные изменения выходного сигнала, обусловленные температурным дрейфом параметров радиоэлементов схемы. Для улучшения формы переходного процесса в цепи датчиков введены сопротивления.
Плата предназначена в основном для многоканального измерения быстропротекающих процессов, в частности, параметров вибрации [7] или характеристик фазных токов и полей рассеяния электрических машин при оценке их функционального состояния [8]. Она также входит в состав автоматизированного вискозиметра [9], основанного на бесконтактном измерении затухающих колебаний крутильного маятника в контролируемой среде. Еще одно из применений платы — управление перемещениями курсора на экране монитора. Для решения этой задачи нами был разработан манипулятор оригинальной конструкции, действие которого основано на том, что управление перемещениями курсора осуществляется посредством изменения ориентации манипулятора относительно магнитного поля Земли [10]. По существу он является электронным компасом, сопряженным с компьютером.
Структурная схема автономного микропроцессорного устройства представлена на рис. 4. Конструктивно оно состоит из трех блоков: первичного преобразователя; контроллера, выполненного на базе однокристального программируемого
микроконтроллера 80с31 фирмы Intel и блока питания. Контроллер осуществляет последовательный или параллельный опрос датчиков, подключенных к устройству; предварительную обработку результатов измерений и их передачу посредством последовательного интерфейса RS-232 в персональный компьютер, а также через параллельный порт на внешнее индикаторное устройство. В ПЗУ контроллера наряду с управляющей программой хранится градуировоч-ный файл, что позволяет выводить результаты измерений как в условных единицах, так и в единицах измеряемой физической величины. Контроллер содержит два параллельных порта, выполненных на микросхемах универсального параллельного программируемого интерфейса КР580ВВ55А. Через одну из них осуществляется обмен информацией между контроллером и пультом управления, другая является резервной и при необходимости может быть использована для управления внешними исполнительными устройствами.
Управляющая программа позволяет организовать работу устройства в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.