ЦИФРОВОЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ИЛИ УГЛА ПОВОРОТА
DIGITAL DISPLACEMENT OR TURNING ANGLE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений, углов поворота. При использовании в датчике опциональных узлов генерации временных меток и дополнительной обработки результатов могут также в нем определяться кинематические характеристики - производные по времени исходных измеряемых величин, вычисляемые по численным алгоритмам.
Существуют инкрементальные датчики для измерения перемещения или угла поворота, передающие на устройство фиксации импульсы при изменении измеряемой величины на известный небольшой шаг. Их недостаток состоит в том, что при потере передаваемых импульсов в показания датчика будут вноситься постоянные ошибки, пропорциональные количеству пропущенных импульсов, так как импульсы инкрементального датчика указывают лишь на изменение измеряемой величины на вышеупомянутый небольшой шаг.
Предлагаемый датчик перемещения или угла поворота состоит из двух подвижных относительно друг друга частей. На одной из них расположен источник возбуждения, на другой - воспринимающая это возбуждение часть устройства и производящая цифровую фиксацию изменения своего состояния. Средства блокировки используются для предотвращения выдачи на шину результатов двух и большего числа значений.
Источник возбуждения может оказывать воздействие с помощью магнитного поля (маленькая магнитная игла или тонкая пластина), электростатического поля (локальное повышение поля постоянным зарядом), электромагнитным излучением (светодиод или лазер), источником радиоактивного излучения, контактным путем (подача электрического тока через проводник или газовый разряд).
Конструктивно фиксирующая часть выполнена из одного или нескольких последовательно соединенных однотипных узлов, фиксирующих воздействие источника возбуждения. Назовем эти узлы узлами цифровой фиксации или просто узлами фиксации
Узел фиксации состоит из последовательно расположенных фиксирующих воздействие участков - участков фиксации, идентификационного компонента, выдающего номер узла фиксации и опционально дополнительные биты для устойчивости передачи номера узла фиксации и его контроля, шины для передачи цифрового кода-результата, вспомогательных компонентов, обеспечивающих работу узла фиксации (шина тактового сигнала, электрического питания, излучения лазеров или светодиодов при использовании оптических средств передачи информации в датчике вместо электрических).
Участок фиксации состоит из 1) одного или нескольких компонентов фиксации, которые реагируют на воздействие источника возбуждения, 2) информационного компонента, содержащего номер участка фиксации и опционально дополнительные биты для устойчивости передачи этого номера и его восстановления в случае помех, а также 3) средств передачи содержимого информационного компонента на шину данных узла фиксации и 4) средств блокировки предыдущих участков фиксации для предотвращения одновременной передачи цифровой информации из нескольких участков фиксации, испытывающих воздействие источника возбуждения.
Компоненты фиксации должны реагировать на источник воздействия. При использовании магнитного воздействия они могут быть миниатюрными датчиками Холла или герконами; при электростатическом воздействии могут использоваться токовые ключи; при воздействии электромагнитным излучением могут использоваться фотодиоды или другие элементы, реагирующие на электромагнитное излучение; при использовании для возбуждения радиоактивного излучения могут использоваться датчики такого излучения; при передаче возбуждения контактным путем могут использоваться электропроводящие контакты, передающие электрический ток участку фиксации.
Компоненты фиксации работают по логическому ИЛИ или независимо. В первом случае такое соединение обеспечивает устойчивость работы устройства при выходе из строя отдельных компонентов фиксации. При появлении сигнала с компонентов фиксации он поступает в информационный компонент, разрешая вывод хранящегося в нем кода на шину узла фиксации. Во втором случае сигналы с отдельных компонент фиксации или групп компонент фиксации, соединенных по логическому ИЛИ (также для устойчивости работы устройства), поступают на отдельные группы битов информационного компонента, разрешая их вывод на шину узла фиксации.
Средства передачи содержимого компонента обеспечивают передачу информационного кода информационного компонента активного участка фиксации на шину узла фиксации при наличии разрешения на такую передачу со стороны средств блокировки.
Средства блокировки участка фиксации на вход получают сигнал блокировки от следующих участков блокировки, а на выходе передают сигнал блокировки предыдущим участкам фиксации. Входной сигнал самого последнего участка фиксации является входным сигналом всего узла фиксации, а выходной сигнал блокировки с самого первого участка фиксации является выходным сигналом всего узла фиксации. Выходной сигнал блокировки с участка фиксации вырабатывается по логическому ИЛИ входного сигнала блокировки и сигнала срабатывания одного или нескольких компонентов фиксации этого участка. Участок фиксации, на котором сработали один или несколько компонентов фиксации, при отсутствии входного сигнала блокировки является активным.
Информационный код подается на шину данных узла фиксации с него. При наличии входного сигнала блокировки на участке фиксации передача информации с него на шину узла фиксации заблокирована.
Сигнал с активного участка фиксации разрешает также передачу на шину узла фиксации идентификационной информации (номера) узла фиксации.
Входной сигнал блокировки на узел фиксации блокирует также передачу на шину узла фиксации идентификационной информации узла фиксации.
Такая организация блокировки обеспечивает активность единственного участка фиксации на всех узлах фиксации при последовательном соединении их выходных и входных сигналов блокировки и параллельном соединении шин данных.
Синхронизация работы датчика может обеспечиваться сигналом с тактового генератора.
Информационный код с шин узлов фиксации, содержащий номер узла фиксации, номер активного участка фиксации на нем и дополнительные биты контроля и исправления информации, может непосредственно передаваться на внешнее устройство записи измерительной информации или поступать на коммуникационный контроллер для передачи в цифровом виде по стандартным протоколам (например, RS485, медный, оптический Ethernet или по беспроводным каналам связи).
Контроллер может быть также более сложным, обеспечивая дополнительную обработку измеренных данных, а также временных меток с тактового генератора. Такой вариант устройства обеспечит внутреннюю калибровку прибора (значения в миллиметрах и градусах, а не в виде номеров узлов фиксации и участков фиксации) и формирование цифровым дифференцированием кинематических характеристик (скорости, ускорения, угловой скорости, углового ускорения), которые могут передаваться вместе с исходной измерительной информацией или без нее.
На противоположном конце канала передачи данных опционально может быть использовано приемное устройство, выделяющее из поступающей информации измеренное значение и производящее цифроаналоговое преобразование для подачи аналогового сигнала на существующие типы вторичных преобразователей.
Точность формирования узлом фиксации цифрового сигнала пропорциональна шагу, с которым реализованы участки фиксации. Если датчик жесткий, то эта точность не сильно изменяется при использовании большого числа узлов фиксации. Это позволяет создавать высокоточные датчики для больших диапазонов измеряемых величин.