цифровой способ преобразования параметров индуктивных датчиков с использованием временной инверсии сигнала

Формула изобретения

Цифровой способ преобразования параметров индуктивных датчиков, заключающийся в том, что кратковременным электрическим импульсом возбуждаются колебательные процессы в LC-контурах измерительного и опорного плеч датчика и определяются частоты колебаний микроконтроллером, который преобразует с помощью встроенных в него аналого-цифровых преобразователей сигналы с измерительного и опорного плеч датчика в цифровой код, вычисляет спектр и определяет основные гармоники сигналов для каждого из плеч датчика, отличающийся тем, что для каждого из сигналов производят временную инверсию путем переиндексации элементов массивов, осуществляют Фурье-преобразование полученных в результате инверсии сигналов, определяют действительные Re U(f) и мнимые Im U(f) трансформанты сигналов на частоте, наиболее близкой к частоте основной гармоники, вычисляют начальные фазы колебаний сигналов для измерительного и опорного плеч датчика по формуле и находят их разность, однозначно связанную с изменением параметров датчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля технологических процессов, осуществляющих измерения механических и магнитных величин с помощью датчиков индуктивного типа.

Среди существующих способов преобразования параметров индуктивных датчиков имеются способы, принцип действия которых основан на преобразовании параметров датчика в частоту колебаний LC-контура и последующего преобразования частоты в выходное напряжение (Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. - М.: Энергия, 1976). Реализации данного способа отличаются высокой чувствительностью к изменениям параметров датчиков, но на их точность существенно влияют функциональные элементы, осуществляющие преобразование частоты в выходной сигнал. Более высокой точностью обладают цифровые методы измерений (Ратхор Т.С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника. - М.: Техносфера, 2004).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ, положенный в основу работы цифрового преобразователя параметров датчиков индуктивного типа (см. патент РФ № 2421741, Б.И. № 17, 2011 г.) В прототипе используют способ преобразования параметров индуктивных датчиков, который заключается в возбуждении кратковременным электрическим импульсом колебательных процессов в измерительном и опорном плечах датчика и определении разности частот колебаний, зависящей от параметров датчика. Определение частоты колебаний осуществляет микроконтроллер, который преобразует с помощью встроенных в него аналого-цифровых преобразователей сигналы с измерительного и опорного плеч датчика в цифровой код, вычисляет спектры и определяет основные гармоники сигналов для каждого из плеч датчика.

Недостатком прототипа является то, что при ограниченном количестве отсчетов N при оцифровке сигналов (объеме выборки) дискретность частоты f в спектрах, полученных с помощью преобразования Фурье, может существенно превышать изменение частоты колебаний f в измерительном плече датчика, вызванном воздействием на индуктивный датчик измеряемой физической величины:

,

где f_s - частота дискретизации сигнала.

Это вызывает погрешность измерений, обусловленную тем, что частота основной гармоники сигнала с датчика не совпадает с дискретным значением частоты в спектре сигнала и для ее точного определения требуется обработка спектра, основанная на использовании различных интерполяционных методов. Такая обработка позволяет уменьшить погрешность, но ее величина, тем не менее, остается существенной. Для уменьшения f необходимо увеличивать объем выборки N, увеличив тем самым количество дискретных значений частоты в спектре, но это снижает быстродействие преобразователя параметров индуктивных датчиков.

Технический результат - повышение точности цифрового способа преобразования параметров индуктивных датчиков при сохранении ограниченного объема выборки при оцифровке сигналов с датчиков.

Технический результат достигается тем, что кратковременным электрическим импульсом возбуждаются колебательные процессы в LC-контурах измерительного и опорного плеч датчика и определяются частоты колебаний микроконтроллером, который преобразует с помощью встроенных в него аналого-цифровых преобразователей сигналы с измерительного и опорного плеч датчика в цифровой код, вычисляет спектр и определяет основные гармоники сигналов для каждого из плеч датчика.

Особенностью является то, что для каждого из сигналов производят временную инверсию путем переиндексации элементов массивов, осуществляют Фурье-преобразование полученных в результате инверсии сигналов, определяют действительные Re U(f) и мнимые Im U(f) трансформанты сигналов на частоте, наиболее близкой к частоте основной гармоники, вычисляют начальные фазы колебаний а сигналов для измерительного и опорного плеч датчика по формуле

и находят их разность, однозначно связанную с изменением параметров датчика.

Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг.1а представлен вид сигналов с измерительного и опорного плеч датчика, а на фиг.1б представлен результат временной инверсии.

Способ осуществляется следующим образом: снимают сигналы с LC-контуров измерительного и опорного плеч датчика, преобразуют с помощью микроконтроллера в числовые массивы данных, после чего производят временную инверсию сигналов путем переиндексации элементов каждого массива - первый элемент становится последним и наоборот. Временную инверсию производят для того, чтобы получить наибольшее отличие в начальных фазах для сигналов, снимаемых с измерительного и опорного плеч датчика. Затем производят Фурье-преобразование полученных в результате инверсии сигналов и определение действительных Re U(f) и мнимых Im U(f) трансформант сигналов на частоте, наиболее близкой к частоте основной гармоники. После этого вычисляют начальную фазу колебаний а сигналов для каждого из плеч датчика:

Разность начальных фаз сигналов, снимаемых с измерительного и опорного плеч, однозначно связана с изменением параметров датчика, вызванным воздействием на него измеряемой физической величины.

Повышение точности заявленного способа преобразования параметров индуктивных датчиков достигается за счет того, что, в отличие от прототипа, в нем не требуется точно определять частоту основной гармоники сигнала. Достаточно вычислить мнимую и вещественную трансформанты при дискретном значении частоты, наиболее близкой к частоте основной гармоники, и найти их отношение. Операция деления трансформант друг на друга позволяет скомпенсировать погрешности, обусловленные не совпадением основной гармоники сигнала с дискретным значением частоты спектра.