CN103630066A - 一种高速位移和速度测量装置和方法 - Google Patents

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李亮
韩小涛
周中玉
赖志鹏
曹全梁
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Abstract

本发明公开了一种高速位移和速度测量装置，包括磁场产生装置、探测线圈组和数据采集仪，磁场产生装置用于产生背景磁场，探测线圈组包含若干探测线圈，探测线圈组和数据采集仪通过电缆连接，数据采集仪用于记录探测线圈组中各个探测线圈的电磁感应电压，并通过检测电磁感应电压的峰值时间并结合探测线圈的位置，以获得被测对象的位移，进而获得被测对象的速度。本发明的装置将位移信息转换成电信号，通过对电信号的检测实现位移及速度的高速测量，实现简单方案、低造价、以及微秒级内的位移及速度测量。

Description

一种高速位移和速度测量装置和方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，更具体地，涉及一种高速位移和速度测量装置和方法。
背景技术
对运动或者变形物体的位移及速度测量在工业生产、科研仪器等行业产业中有着广泛应用。随着对测量对象要求的不断提高，高速位移和速度测量成为重要的研究课题。而目前在高速位移和速度测量方面，主要采用的方法有光学方法、基于高速摄像机的测量方法、基于多普勒效应声学方法等。上述测量方法存在设备成本高、测量方案复杂等问题，直接制约了其应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高速位移和速度测量装置和方法，其目的在于，将位移信息转换成电信号，通过对电信号的检测实现位移及速度的高速测量，实现简单方案、低造价、以及微秒级内的位移及速度测量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高速位移和速度测量装置，包括磁场产生装置、探测线圈组和数据采集仪，磁场产生装置用于产生背景磁场，探测线圈组包含若干探测线圈，探测线圈组和数据采集仪通过电缆连接，数据采集仪用于记录探测线圈组中各个探测线圈的电磁感应电压，并通过检测电磁感应电压的峰值时间并结合探测线圈的位置，以获得被测对象的位移，进而获得被测对象的速度。
优选地，探测线圈为金属导体制作，探测线圈在被测对象运动方向的几何尺寸小于被测对象在运动方向的几何尺寸，并且探测线圈的探测面积小到被测对象通过探测线圈上方所引起的电磁感应电压大于背景磁场引起的电磁感应电压。
优选地，探测线圈组中探测线圈沿被测对象运动方向依次布置，探测线圈之间的距离和探测线圈的个数决定位移测量精度。
优选地，磁场发生装置为可产生磁场的电磁铁、脉冲磁体或永磁体，其产生的背景磁场可以是稳态也可以是时变的。
按照本发明的另一方面，提供了一种高速位移和速度测量方法，包括以下步骤：
（1）将探测线圈组放置在被测对象侧面，并保证该探测线圈组的平面和被测对象运动平面平行；
（2）将探测线圈组中探测线圈分别通过电缆连接到数据采集仪；
（3）布置磁场产生装置使其不妨碍被测对象运动，同时保证其产生的背景磁场能够覆盖被测对象运动范围；
（4）磁场产生装置产生背景磁场；
（5）被测对象运动，其在运动过程中感应涡流进而产生磁场；
（6）数据记录仪记录探测线圈组中各个探测线圈的电磁感应电压，其中当被测对象依次经过探测线圈组中各个探测线圈正上方时，探测线圈分别感应到电磁感应电压的峰值时间；
（7）数据采集仪读取电磁感应电压的峰值时间，并结合探测线圈的位置，即可获得被测对象的位移，进而获得被测对象的速度。
优选地，被测对象需含有金属材料，否则事先缠绕金属导电材料或者铺设金属涂层在被测对象表面。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明的探测线圈组中探测线圈，在现有印刷电路板技术水平下，可以轻松实现100um间隔的探测线圈布置，也即位移测量精度可以达到100um，而且随着微电子技术及MEMS技术的进步，该测量精度还可以提高；同时，整个运动范围内的速度探测的精度由数据采集仪决定，而目前采样率10MS/s（时间分辨率100ns）以上的数据采集卡成本远远低于同量级高速摄像机。所以基于该发明的基本原理和设计思路，对高速位移和速度的测量随着微电子技术和数据采集技术的进步可不断提升其性能。
附图说明
图1是本发明高速位移和速度测量装置的示意图。
图2是探测线圈感应电压波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明应用于高速电磁胀形试验中测量金属环膨胀位移和速度，本发明的高速位移和速度测量装置包括探测线圈组1、数据采集仪2和磁场产生装置4，因为电磁胀环试验中所使用的胀环线圈可以产生脉冲磁场，因而本实施例中胀环线圈兼做磁场产生装置4，省却了专门的磁场产生装置。其中电磁胀形系统由被测对象3（本实施中为金属环）和胀环线圈（本实施中即为磁场产生装置4）构成。
探测线圈组1和数据采集仪2通过电缆连接，探测线圈组1中探测线圈为金属材料，采用印刷电路板制作，探测线圈组1布置在被测对象3的运动行程内，并且线圈组平面平行于被测对象3的运动平面。探测线圈组1中探测线圈沿运动方向（即径向）几何尺寸小于被测对象3径向宽度，并且保证其探测面积足够小，以保证被测量对象3引起的电磁感应电压大于背景磁场感应的电压信号。
探测线圈组1中探测线圈的个数和不同探测线圈间的间距决定了整个运动范围内的位移探测精度：间距越小或个数越多，位移探测精度越高，反之则越低，。
数据采集仪2用于记录探测线圈组1中各个探测线圈的感应电压，通过检测电磁感应电压的峰值时间并结合探测线圈的位置，即可获得被测对象3的位移，进而通过诸如先平滑处理后微分的数学处理方法就可以获得被测对象3的速度。
本发明利用上述高速位移和速度测量装置实现的高速位移和速度测量方法包括以下步骤：
（1）将多个探测线圈布置在同一平面上，以形成探测线圈组1，该探测线圈组1的平面和被测对象3（即金属环）运动平面平行，并使探测线圈组1、磁场发生装置4（即胀环线圈）以及被测对象3（即金属环）同轴；
（2）将探测线圈组1中的探测线圈分别通过电缆5连接到数据采集仪2；
（3）向磁场发生装置4（即胀环线圈）通入脉冲电流，被测对象3感应涡流，二者相互作用，使被测对象3（即金属环）向外高速膨胀；
（4）数据记录仪2记录探测线圈组1中各个探测线圈的电磁感应电压，其中当被测对象3依次经过探测线圈组1中各个探测线圈正上方时，探测线圈分别感应到电磁感应电压的峰值时间；
（5）数据采集仪2读取电磁感应电压的峰值时间，并结合探测线圈的位置，即可获得被测对象3的位移，进而通过诸如先平滑处理后微分的数学处理方法就可以获得被测对象3的速度。图2给出了探测线圈组1中三个探测线圈输出的感应电压波形示意图。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高速位移和速度测量装置，包括磁场产生装置、探测线圈组和数据采集仪，其特征在于，
磁场产生装置用于产生背景磁场；
探测线圈组包含若干探测线圈，探测线圈组和数据采集仪通过电缆连接；
数据采集仪用于记录探测线圈组中各个探测线圈的电磁感应电压，并通过检测电磁感应电压的峰值时间并结合探测线圈的位置，以获得被测对象的位移，进而获得被测对象的速度。
2.根据权利要求1所述的高速位移和速度测量装置，其特征在于，探测线圈为金属导体制作，探测线圈在被测对象运动方向的几何尺寸小于被测对象在运动方向的几何尺寸，并且探测线圈的探测面积小到被测对象通过探测线圈上方所引起的电磁感应电压大于背景磁场引起的电磁感应电压。
3.根据权利要求1所述的高速位移和速度测量装置，其特征在于，探测线圈组中探测线圈沿被测对象运动方向依次布置，探测线圈之间的距离和探测线圈的个数决定位移测量精度。
4.根据权利要求1所述的高速位移和速度测量装置，其特征在于，磁场发生装置为可产生磁场的电磁铁、脉冲磁体或永磁体，其产生的背景磁场可以是稳态也可以是时变的。
5.一种利用权利要求1至4中所述高速位移和速度测量装置实现的高速位移和速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将探测线圈组放置在被测对象侧面，并保证该探测线圈组的平面和被测对象运动平面平行；
（2）将探测线圈组中探测线圈分别通过电缆连接到数据采集仪；
（3）布置磁场产生装置使其不妨碍被测对象运动，同时保证其产生的背景磁场能够覆盖被测对象运动范围；
（4）磁场产生装置产生背景磁场；
（5）被测对象运动，其在运动过程中感应涡流进而产生磁场；
（6）数据记录仪记录探测线圈组中各个探测线圈的电磁感应电压，其中当被测对象依次经过探测线圈组中各个探测线圈正上方时，探测线圈分别感应到电磁感应电压的峰值时间；
（7）数据采集仪读取电磁感应电压的峰值时间，并结合探测线圈的位置，即可获得被测对象的位移，进而获得被测对象的速度。
6.根据权利要求4所述的高速位移和速度测量方法，其特征在于，被测对象需含有金属材料，否则事先缠绕金属导电材料或者铺设金属涂层在被测对象表面。
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