способ измерения перемещений контролируемых объектов

Формула изобретения

Способ измерения перемещений контролируемых объектов, заключающийся в том, что в колебательном контуре, который содержит катушку индуктивности, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля, изменяют емкость колебательного контура, а перемещение контролируемого объекта измеряют за счет изменения частоты резонансных колебаний колебательного контура, отличающийся тем, что внутри и/или снаружи катушки индуктивности помещают воздействующий объект, перемещают воздействующий объект относительно катушки индуктивности, в результате чего изменяют собственную емкость катушки индуктивности, которая является емкостью, распределенной вдоль обмотки катушки индуктивности, путем изменения емкостной связи между отдельными участками витков катушки индуктивности.

Описание изобретения к патенту

Способ измерения перемещений контролируемых объектов предназначен для использования в устройствах автоматизации измерения перемещений контролируемых объектов.

Технический результат - расширение арсенала технических средств для измерения перемещений контролируемых объектов.

Сущность изобретения: в колебательном контуре, который содержит катушку индуктивности, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля, изменяют емкость колебательного контура, собственную емкость катушки индуктивности, которая является емкостью, распределенной вдоль обмотки катушки индуктивности, путем изменения емкостной связи, емкости, между отдельными участками витков катушки индуктивности, перемещение контролируемого объекта измеряют за счет изменения частоты резонансных колебаний колебательного контура.

Изобретение относиться к автоматике и вычислительной технике, а именно к автоматизации измерения перемещений контролируемых объектов, и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений, деформации, а также применено в устройствах для измерения ускорения, скорости, давления.

Известен способ измерения перемещений движущихся объектов, основанный на применении линейного дифференциального трансформатора (см. кн. под редакцией У. Томпкинса и Дж.Уэбстера. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. - М.: Мир, 1992, с. 379-381), заключающийся в том, что линейный дифференциальный трансформатор (ЛДТ) - это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходной электрический сигнал, пропорциональный смещению отдельного сердечника, соединенного с движущимся объектом.

ЛДТ состоит из первичной и двух вторичных обмоток, симметрично расположенных на цилиндрическом каркасе. Свободно движущийся внутри обмотки магнитный сердечник в форме стержня обеспечивает связь этих обмоток через магнитный поток. Сдвиг сердечника из нулевой позиции вызывает увеличение взаимной индуктивности (с первичной обмоткой) для одной вторичной обмотки и ее уменьшение для другой. При возбуждении первичной обмотки с помощью внешнего источника напряжения переменного тока в двух вторичных обмотках наводятся напряжения (ЭДС). Вторичные обмотки включены последовательно навстречу друг другу так, что индуцируемые в них напряжения для выходной цепи ЛДТ являются разнополярными напряжениями. В результате вырабатывается дифференциальный выходной сигнал, амплитуда которого линейно зависит от положения сердечника.

Таким образом, ЛДТ работает на принципе изменения взаимной индуктивности между магнитосвязанными обмотками (катушками индуктивности), тогда как измерение перемещений в предлагаемом способе основано на изменении собственной емкости катушки индуктивности, которая является емкостью, распределенной вдоль обмотки катушки. (см. Кушнир Ф.В., Савенко В.Г. Электрорадиоизмерения. - Л.: Энергия, 1975, с. 211).

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является устройство, представляющее собой датчик перемещений (см. описание к а.с. СССР 1173168, кл. G 01 В 7/08. Датчик перемещений), содержащий конденсатор и катушку индуктивности, образующие колебательный контур и включенные в резонансную схему измерений, корпус датчика выполнен в виде соединенных общей осью двух пластин из диэлектрика так, что они образуют разные плечи, причем на внутренних сторонах длинных плеч укреплены обкладки конденсатора, соединенные пружинами с размещенной на оси катушкой индуктивности, а короткие плечи связаны с источником перемещений.

Измеряемое перемещение вызывает изменение емкости конденсатора. Поэтому при изменении емкости изменяется резонансная частота колебательного контура. По ее изменению судят о величине перемещений.

Данное изобретение может быть использовано для измерения малых перемещений, например при измерении давления, линейного расширения материалов.

Общими признаками предлагаемого способа и наиболее близкого аналога при измерении перемещений контролируемых объектов является то, что в колебательном контуре, который содержит катушку индуктивности, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля, изменяют емкость колебательного контура, перемещение контролируемого объекта измеряют за счет изменения частоты резонансных колебаний колебательного контура, а отличительными признаками при измерении перемещений является то, что в наиболее близком аналоге изменяют емкость конденсатора, тогда как в предлагаемом способе при измерении перемещений изменяют собственную емкость катушки индуктивности, которая является емкостью, распределенной вдоль обмотки катушки индуктивности, путем изменения емкостной связи, емкости, между отдельными участками витков катушки индуктивности.

При измерении перемещений предлагаемым способом выполняют следующие действия: воздействующий объект помещают внутри и (или) снаружи катушки индуктивности, воздействующий объект является полностью изолированным от катушки индуктивности, в колебательном контуре, который содержит катушку индуктивности, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля, измеряют параметры колебаний в колебательном контуре (частоту резонансных колебаний), перемещают воздействующий объект относительно катушки индуктивности, в результате чего изменяют собственную емкость катушки индуктивности, которая является емкостью, распределенной вдоль обмотки катушки индуктивности, путем изменения емкостной связи, емкости, между отдельными участками витков катушки индуктивности, и частоту резонансных колебаний колебательного контура, перемещение контролируемого объекта определяет перемещение воздействующего объекта относительно катушки индуктивности, измеряют новое значение частоты резонансных колебаний колебательного контура, по изменению частоты резонансных колебаний колебательного контура определяют перемещение воздействующего объекта относительно катушки индуктивности, для чего функциональную зависимость между частотой резонансных колебаний колебательного контура и положением воздействующего объекта относительно катушки индуктивности определяют предварительной градуировкой, результаты которой хранят в памяти ЭВМ.

Таким образом, перемещение контролируемого объекта, которое определяет перемещение воздействующего объекта относительно катушки индуктивности, измеряют за счет изменения частоты резонансных колебаний колебательного контура.

В качестве контролируемого объекта может выступать и воздействующий объект, перемещение которого относительно катушки индуктивности определяют по изменению частоты резонансных колебаний колебательного контура, например при использовании данного способа в устройствах для измерения ускорения, скорости, в которых перемещение воздействующего объекта относительно катушки индуктивности есть мера изменения соответствующих измеряемых величин.

В качестве устройства, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа, может быть использовано устройство, реализующее способ измерения магнитных характеристик сред и физических величин плотности и давления (см. описание к патенту РФ 2149390, кл. G 01 N 27/00, 9/00, G 01 L 9/00, G 01 R 33/16. Способ измерения магнитных характеристик сред и физических величин плотности и давления).

На чертеже изображена структурная схема одного из возможных вариантов технической реализации предлагаемого способа.

Указанное устройство содержит колебательный контур 1, внутри катушки индуктивности 15 вместо испытуемой среды 2 помещают воздействующий объект 2, а катушку индуктивности 15 закрепляют неподвижно, контролируемый объект (на чертеже не показан) непосредственно соединяют с воздействующим объектом 2, обмотку 3 подкачки энергии, обмотку 4 считывания информации, выводы которой соединены с входами измерительного усилителя 5, выход которого подключен к входу компаратора 6, выход которого соединен с синхровходом делителя частоты (на чертеже не показан) формирователя 7 временных интервалов, с первым входом элемента ИЛИ 8 и с синхровходом триггера 9, информационный вход которого подключен к выходу ждущего мультивибратора (на чертеже не показан) формирователя 7 временных интервалов, а прямой выход соединен с входом запуска измерителя 10 временных интервалов, группа информационных входов-выходов которого соединена с ЭВМ 11 через плату (на чертеже не показана) IEEE 488 CARD, устанавливаемую в ЭВМ 11, и является каналом общего пользования (КОП), формирователь 7 временных интервалов через канал последовательной передачи информации RS-232C подключен к ЭВМ 11, второй вход элемента ИЛИ 8 является входом 12 запуска непрерывных незатухающих колебаний колебательного контура 1, а открытый коллекторный выход, подтянутый к плюсовому выводу напряжения питания через резистор (на чертеже не показан), соединен с базой транзисторов 13, эмиттер которого подключен к выводу "общий" питания, а коллектор подключен к первому выводу обмотки 3 подкачки энергии, второй вывод которой подключен к плюсовому выводу 14 питания, а колебательный контур 1 содержит катушку 15 индуктивности и конденсатор 16.

Катушка 15 индуктивности может быть выполнена следующим образом. На каркас из трубы, сделанный из полимерного, неферромагнитного материала, наматывают катушку эмалированным проводом и получают соленоид. Сверху катушки 15 индуктивности наматывают катушку 3 подкачки и катушку 4 считывания информации.

Измерительный усилитель 5 известен из кн. Кофман Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. - М.: Мир, 1979, с. 148 и может быть выполнен на стандартных операционных усилителях типа КР544УД2. Компаратор 6 может быть выполнен на КР554СА3, а триггер 9, элемент ИЛИ 8 и транзистор 13 соответственно на К555ТМ2, К555ЛЕ1 и КТ3102.

В качестве формирователя 7 временных интервалов может быть использован многоканальный программируемый генератор импульсов (см. описание изобретения к патенту СССР 1757085, кл. Н 03 К 3/64. Многоканальный программируемый генератор импульсов). При этом все связи генератора 11 и синхровходы таймеров 14 (см. чертеж к описанию патента 1757085) разрывают. Один из трех таймеров 14-1 включают в режим делителя частоты. Его вход синхронизации используют в устройстве, реализующем способ, в качестве синхровхода формирователя 7 временных интервалов, а выход, входящий в группу 33-1 выходов, соединяют с синхровходом одного из таймеров 14-2, включенного в режим ждущего мультивибратора, выход ждущего мультивибратора, входящего в группу выходов 33-2, используют в качестве выхода формирователя 7 временных интервалов в устройстве, реализующем способ.

Подробное описание работы таймеров 14-1, 14-2,.... 14-N и параметры функционирования в режимах делителя частоты и ждущего мультивибратора описаны в кн. под редакцией Шахнова В.А. Справочник. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Т. 1. - М.: Радио и связь, 1988, с. 76-82.

В качестве измерителя временных интервалов выбран прибор И2-24, описанный в кн. под редакцией Кузнецова В.А. Справочник. Измерения в электронике. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 351.

ЭВМ 11 может быть типа IBM PC.

Работу устройства рассмотрим на примере помещения внутри катушки индуктивности 15 воздействующего объекта 2.

Способ осуществляют следующим образом.

После включения питания программа ЭВМ 11 устанавливает в соответствии с описанием изобретения к патенту СССР 1757085 режимы работы таймеров 14-1, 14-2 (на чертеже не показаны) формирователя 7 временных интервалов. Канал 0 таймера 14-1 (на чертеже не показан) устанавливают в режим 2 - делителя частоты. Канал 0 таймера 14-2 (на чертеже не показан) устанавливают в режим 1 - ждущего мультивибратора. При этом выходы этих каналов устанавливаются в единичное состояние. Таким образом, на информационном входе триггера 9 устанавливают уровень логической единицы. На входы выборки таймеров 14-1 и 14-2 (на чертеже не показаны) подаются уровни логического нуля, которые запрещают работу таймеров. Измеритель 10 временных интервалов через канал общего пользования с помощью ЭВМ 11 устанавливают в режим измерения длительности импульса.

Затем на вход 12 запуска и далее на второй вход элемента ИЛИ 8 подают единичный импульс, например, с параллельного канала (на чертеже не показан) ЭВМ 11, либо с помощью кнопки и временной задержки. На базу транзистора 13 поступает положительный импульс, который открывает транзистор 13, и через обмотку 3 подкачки энергии начинает протекать ток, который наводит ЭДС - электродвижущую силу индукции в колебательном контуре 1, в котором возникают электромагнитные колебания. При перемещении внутри катушки индуктивности 15 воздействующего объекта 2 изменяется собственная емкость катушки индуктивности 15, которая является емкостью, распределенной вдоль обмотки катушки, путем изменения емкостной связи, емкости, между отдельными участками витков катушки индуктивности 15, и частота резонансных колебаний колебательного контура 1, которую измеряют путем снятия информации с катушки 4 считывания информации. Выводы катушки 4 считывания подключены к прямым входам измерительного усилителя 5, который усиливает сигнал. Затем сигнал с выхода измерительного усилителя 5 поступает на прямой вход компаратора 6, на инверсный вход которого подают опорное напряжение. С выхода компаратора 6 положительные сигналы прямоугольной формы поступают на первый вход элемента ИЛИ 8 (на второй вход элемента ИЛИ 8 в это время подают уровень логического нуля), синхровход формирователя 7 временных интервалов и на синхровход триггера 9. С выхода элемента ИЛИ 8 прямоугольные импульсы поступают на базу транзистора 13, при открывании которого через катушку 3 подкачки энергии течет ток, при изменении которого в колебательном контуре 1 возникает ЭДС индукции, под действием которой в колебательном контуре 1 возникают токи, согласные с направлением тока в катушке 15 в каждый полупериод колебаний колебательного контура 1. Причем в положительный полупериод колебаний в колебательном контуре 1 происходит подкачка энергии во время увеличения тока в катушке 3 подкачки энергии, а в отрицательный полупериод колебаний подкачка энергии происходит во время уменьшения тока в катушке 3 подкачки энергии, поскольку передача энергии происходит в моменты изменения тока в катушке 3 подкачки энергии. Таким образом в колебательном контуре 1 возбуждают непрерывные незатухающие резонансные колебания с подкачкой энергии в определенные моменты времени, увеличивают в эти моменты амплитуду колебаний, преобразуют эти колебания в цифровую форму и определяют частоту колебаний колебательного контура.

Далее программа ЭВМ 11 подает с блока запуска (на чертеже не показан) на входы разрешения таймеров 14-1, 14-2 (на чертеже не показаны) уровни логической единицы и разрешает их работу. При этом один из таймеров группы 14-1 (на чертеже не показаны), установленный в режим делителя частоты, начинает делить входную частоту, поступающую с выхода компаратора 6 на синхровход формирователя 7 временных интервалов, на число n, установленное с помощью программы ЭВМ в счетчик канала 0 таймера (на чертеже не показан). На выходе этого таймера (на чертеже не показан) по окончании счета каждый раз вырабатывается отрицательный импульс, длительность которого равна длительности периода частоты входного сигнала, поступающего с выхода компаратора 6. С выхода делителя (на чертеже не показан) частоты сигнал поступает на вход синхронизации таймера группы таймеров 14-2 (на чертеже не показаны) формирователя 7 временных интервалов, который работает в режиме ждущего мультивибратора, и по отрицательному перепаду входного импульса запускает ждущий мультивибратор (на чертеже не показан), выход которого устанавливается в уровень логического нуля. Этот логический нуль поступает на информационный вход триггера 9, который по положительному фронту импульса, поступающего с выхода компаратора 6, устанавливается в нулевое состояние и формирует начало временного интервала, который начинает измерять измеритель 10 временных интервалов. Ждущий мультивибратор (на чертеже не показан) формирователя 7 временных интервалов декрементирует записанное в его счетчик число (отсчитывает число поступающих на его синхровход отрицательных импульсов с выхода делителя (на чертеже не показан) частоты) и по поступлении заданного числа импульсов устанавливают свой выход в уровень логической единицы. При этом по первому положительному перепаду импульса, поступающего с выхода компаратора 6 на синхровход триггера 9, триггер 9 устанавливается в единичное состояние и формирует закрытие измерения временного интервала для измерителя 10 временного интервала. Триггер 9 необходим для того, чтобы устранить влияние временных задержек переключения по фронтам при срабатывании счетчиков (на чертеже не показаны) формирователя 7 временных интервалов. Сформированный триггером 9 и измеренный измерителем 10 временных интервалов временной интервал считывают через канал общего пользования с помощью программ ЭВМ 11 и определяют величину частоты колебаний в колебательном контуре 1 путем измерения интервала времени, в который укладывается заданное число периодов колебаний колебательного контура 1.

Измерение частоты колебаний колебательного контура 1 производят до и после перемещения контролируемого объекта. Затем с помощью программы ЭВМ 11 вычисляют перемещение контролируемого объекта, которое определяет перемещение воздействующего объекта относительно катушки индуктивности 15, для чего функциональную зависимость между частотой резонансных колебаний колебательного контура 1 и положением воздействующего объекта относительно катушки индуктивности 15 определяют предварительной градуировкой, результаты которой хранят в памяти ЭВМ 11.

Воздействующий объект 2 является диамагнитным веществом и может быть выполнен в виде круглого стержня из полимерного материала, на поверхности которого выполнен тонкий металлический цилиндр с разрезом по образующей.

При поступательном движении внутрь катушки индуктивности 15 металлического цилиндра с разрезом по образующей собственная емкость катушки индуктивности 15, которая является емкостью, распределенной вдоль обмотки катушки индуктивности, будет увеличиваться, так как емкостная связь, емкость, между отдельными участками витков катушки индуктивности 15, которые прикрывает изнутри катушки индуктивности 15 металлический цилиндр с разрезом по образующей, будет повышаться.

Так как воздействующий объект 2 является диамагнитным веществом, то влияние воздействующего объекта 2 на частоту резонансных колебаний колебательного контура 1, связанное с изменением индуктивности катушки 15 при перемещении воздействующего объекта 2 относительно катушки индуктивности 15, практически не будет.

Таким образом, изменение частоты колебаний колебательного контура 1 при перемещении воздействующего объекта 2 относительно катушки индуктивности 15 определяется изменением собственной емкости катушки индуктивности 15, величина которой определяется положением воздействующего объекта 2 относительно катушки индуктивности 15.

Вследствие того, что перемещение контролируемого объекта определяет перемещение воздействующего объекта 2 относительно катушки индуктивности 15, то перемещение контролируемого объекта измеряют за счет изменения частоты резонансных колебаний колебательного контура 1.