CN205561748U - 一种电流测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电流测距装置，主要包括：信号产生部分、测量两路信号相位差部分、处理电路部分以及测量信号装置中的金属条和滑动读头。其中信号产生部分包括产生主振信号的晶振电路和产生本振信号的锁相环电路。信号测量装置包括信号发送和接收端、两条相互平行的金属条以及一个用于耦合信号的可滑动读头，其中一条金属条与信号发送端连接，另一条金属条与信号接收端连接，金属媒介用于传导和回馈信号。信号产生部分的主振信号和锁相环电路的本振信号连接到混频电路。上述电流测距装置克服了电磁波信号不能在金属导线上传输来测量距离的问题。

Description

一种电流测距装置

技术领域

本实用新型涉及一种电流测距装置。

背景技术

目前，测量距离的仪器通常是根据光学、声学和电磁波学原理设计的，而测量距离一般采用的方式有两种：脉冲法和相位法。

中国专利CN201510574023.8提出了一种激光短距离测距方法，该方法的具体过程为：步骤一，在激光发射端上固定光导纤维，且光导纤维呈螺旋缠绕式；步骤二，利用带有光导纤维的激光发射端对待测物体进行激光测距，获得激光的传播路径的长度L₂，步骤三，将激光的传播路径的长度L₂减去光导纤维的长度L₁，获得激光发射端与待测物体之间的距离L_true，完成激光的短距离测距。然而，由于光的传播速度太快，激光的传播长度L₁和L₂不容易测量，导致测量误差大。

中国专利CN201210009206.1专利提出了一种微波测距技术，这是一种基于载波调制原理的多测尺微波相位测距方法。在被测点处放置微波无源反射器，在测量点处放置微波测距仪。测距信号源先产生主频测距信号经混频、功放后由发射天线发射，反射器将入射到它的微波信号按原路反射回，接收天线接收微波信号，经过低噪放、带通滤波、混频后，鉴相器测出反射和发射信号相位差ΔΦ1；该相位差与所测距离成比例，因而可得距离。该测距范围受主频信号波长限制，虽增大波长可扩大测距范围，但测距精度会降低。为了保证精度并扩大测距范围，信号源再产生辅频测距信号测距，得到相位差ΔΦ2，再据ΔΦ1和ΔΦ2求出所测距离。这种方法需把信号进行调制和解调，增加了电路的复杂性，容易产生各种干扰。再者，该方法需要在被测点处放置微波无源反射器，不便于测量的方便性。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题而提供的一种电流测距装置，所述电流测距装置包括：电流信号产生部分、信号测量装置、混频与鉴相电路部分以及处理电路部分，所述电流信号产生部分包括产生主振信号的晶振电路和产生本振信号的锁相环电路，所述信号测量装置包括信号发送端和信号接收端、两条相互平行的金属条以及一个在所述金属条上用于耦合信号的可滑动读头，其中一条所述金属条与所述信号发送端连接，另一条所述金属条与所述信号接收端连接，所述混频与鉴相部分包括混频电路和鉴相电路，所述电流信号产生部分的晶振电路、锁相环电路以及所述信号测量装置的信号接收端连接到所述混频电路，所述鉴相电路连接到处理电路部分。

优选地，所述滑动读头上具有由金属层与金属条带形成电容器。

优选地，所述电流测距装置外加温度补偿电路或使用温补晶振(TCXO)。

本实用新型的有益效果在于：在导电率良好的导线中，电流的传播速度可以接近于电磁波。而其衰减程度却远远小于电磁波。采用电流传播法测量，克服了电磁波信号不能在金属导线上传输来测量距离的问题。

附图说明

图1为本实用新型电流测距装置测量距离的原理图；

图2为本实用新型信号产生部分的数学模型；

图3为本实用新型压控振荡器锁相环工作原理的压控特性；

图4为本实用新型信号测量装置的示意图；

图5为本实用新型电流测距装置的工作流程图；

图6为本实用新型鉴相电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步阐述：

本实用新型的电流测距装置采用电流信号沿金属媒介传播测距的技术。如图1所示，要测量的距离其中v为电流传播的速度，t_2L为电流在金属媒介上传播的时间。由于其中，f为电流信号的频率，N为电流信号周期的个数，为相位差。因此，其中λ为电流信号的波长。本论述方案采用单一频率源，这时测量距离具有多值性，即这里N是无法确定的，故测量距离限制在的范围内，即当N＝0时，测量的距离也就是说，在电流信号的波长已知的情况下，只需要测量出电流信号在金属媒介传播的过程中产生的相位差就可以得出该距离。在原理论述部分，电流信号采用单一频率源。由相位法知测尺长度为如下表所示。当测距信号频率越高，测尺长度越短，精度越高。测距信号频率减小时，测尺长度增加，精度相应减小。所以当测量的距离大于决定精度的基本测尺长度时，可再选用一个或多个辅助测尺(粗测尺)。最后再把各个测尺的测量值组合起来即可。如要测量的距离为1254.45m时，可选用3把测尺，其中＝1500m,＝15m，＝1.5m，用它们分别进行测量，可测得1254m，可测得4.4m，可测得0.45m。将三者组合起来便得到准确的测量值1254.45m。

测距信号频率(HZ)	测尺长度	测量精度(0.1％测量误差)
			100M	1.5m	1.5mm
10M	15m	15mm
			1M	150m	15cm
100K	1.5km	1.5m

表1

本实用新型的电流测距装置包括：电流信号产生部分、信号测量装置、混频与鉴相电路部分以及处理电路部分。其中电流信号产生部分包括产生主振信号的晶振电路和产生本振信号的锁相环电路。信号测量装置包括信号发送端和信号接收端、两条相互平行的金属条以及一个在上述金属条上用于耦合信号的可滑动读头，读头的位置未知,其中一条金属条与信号发送端连接，另一条金属条与信号接收端连接，金属媒介用于传导和回馈信号。混频与鉴相电路部分包括混频电路和鉴相电路，信号产生部分的主振信号和锁相环电路的本振信号连接到混频电路。1，锁相环电路的本振信号和测量装置中金属条回馈的信号连接到混频电路。2，在滤除两个混频电路输出端的高频成分后，把低频信号分别连接到鉴相电路的两个输入端。经鉴相电路后，信号输入到后续信号处理电路。电信号在测距装置金属条中传输过程中会产生相位差，传输的距离越长产生的相位差越大，即该相位差与所测距离呈正相关关系。根据相位差和距离的关系，处理电路把测量到的相位差转换成读头的距离，并把该距离在显示屏中显示出来。

更具体的，如图2所示，电流信号产生部分包括晶振电路，电压比较电路和锁相环电路，电压比较电路分别与晶振电路和锁相环电路连接。电流信号产生部分产生两路信号：主振信号和本振信号。主振信号由高稳定的晶振电路产生，它为整个电路系统提供时钟信号。晶振电路输出主振信号至电压比较电路，电压比较电路将主振信号变化成标准方波后分为三路：一路直接输入到测距装置的发送端，作为测量信号；一路输入混频与鉴相部分的混频电路；另一路输入到锁相环电路，作为锁相环电路基准信号输入，并产生本振信号输出。本实用新型信号源的产生采用高稳定度晶振，可直接作为测距信号，省去了信号的调制和解调等过程，克服了调制信号比较微弱而且容易受外界噪声干扰的问题。

锁相环电路由分频器，鉴相器PD，环路低通滤波器LPF和压控振荡器VCO组成。利用锁相环电路，能够锁定和主振信号有一个差频的本振信号，这样本振信号和主振信号就具有相同的稳定度和频率的温度漂移特性，使得差频具有很好的稳定性，提高了测量的精度。

锁相环用作频率综合器时需要使用到分频器，这里为了叙述方便，下面将忽略分频器的作用。锁相环中的鉴相器PD是相位比较器，用来比较输入信号和压控振荡器的输出信号的相位，并把两者的相位差信号转化为电压信号U_d输入到后级。鉴相器通常用模拟乘法器来完成，外界的输入信号的电压为u_i(t)＝U_i sin[ω_it+θ_i(t)]，压控振荡器的输出信号的电压为u₀(t)＝U₀sin[ω₀t+θ₀(t)]，鉴相器(模拟乘法器)输出的信号电压如下：

$\begin{array}{c}{U}_d\left(t\right)=K_d{u}_i\left(t\right)u_o\left(t\right)\\ =K_d{U}_i\sin \[w_{i}t+{\mathrm{\θ}}_i\left(t\right)\]U_o\cos \[w_{o}t+{\mathrm{\θ}}_o\left(t\right)\]\\ =\frac{1}{2}{K}_d{U}_i{U}_o\sin \[w_{i}t+{\mathrm{\θ}}_i\left(t\right)+w_{o}t+{\mathrm{\θ}}_o\left(t\right)\]+\frac{1}{2}{K}_d{U}_i{U}_o\sin \{\[w_{i}t+{\mathrm{\θ}}_i\left(t\right)\]-\[w_{o}t+{\mathrm{\θ}}_o\left(t\right)\]\}\end{array}$

低通滤波器LPF把鉴相器出来的高频信号过滤掉(即把上面的和频信号过滤掉)，剩下的差频分量作为压控振荡器VCO的输入控制电压U_c，输入控制电压U_c的表达式如下：

$U_c\left(t\right)=\frac{1}{2}{K}_d{U}_i{U}_{0}sin\{\[({\mathrm{\ω}}_i-{\mathrm{\ω}}_0)t\]+\[{\mathrm{\θ}}_i\left(t\right)-{\mathrm{\θ}}_0\left(t\right)\]\}=U_{d}sin\{\[({\mathrm{\ω}}_i-{\mathrm{\ω}}_0)t\]+\[{\mathrm{\θ}}_i\left(t\right)-{\mathrm{\θ}}_0\left(t\right)\]\}$

上述表达式中，ω_i和ω₀分别为输入信号和输出信号的瞬时振荡角频率，θ_i(t)和θ₀(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时相位。根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时相位的关系为：即θ(t)＝∫ω(t)dt+θ_d0，故瞬时相位差为θ_d＝(ω_i-ω₀)t+θ_i(t)-θ₀(t)，对两边求微分，可得频差的关系式为当上述关系式等于零时，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，输入信号电压U_c(t)为恒定值。如图3所示，压控振荡器的压控特性的表达式为ω_u(t)＝ω₀+K₀U_c(t)，即压控振荡器的振荡频率ω_u以输出信号的瞬时振荡角频率ω₀为中心，随输入信号电压U_c(t)的变化而变化。锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持ω₀＝ω_i的状态不变。

信号测距装置的测距信号来自于信号产生部分的主振信号。具体地，信号测量部分包括两条相互平行的金属条以及一个用于耦合信号的读头，该读头位置未知，可相对滑动，是编码器的滑动读头，所述滑动读头上的金属层与金属条带形成电容器，耦合发射信号回主电路，通过测量与长度相关的相位差得出读头距离参考点的位置。通过电容器的耦合作用把两条金属条“相连”起来。一条金属条接信号产生部分的主振信号，另一条金属条把测距信号反馈给测距装置的接收端。两条金属条为增量式线性编码器上的导电条，其既作为电流信号的传输介质，亦作为电流信号的测尺，利用电容耦合产生回波信号。

在编码器上直接测量两点的距离并不方便，而且当编码器高速运动时，容易出现误差。常用的电磁波信号不易在固体金属中传输，而金属是电流的良好导体。金属条作为电流测量的传播介质和测尺，可以巧妙地把距离的测量转为电流信号的相位差测量。

电流信号在金属媒介传输过程中相位会产生变化，并且相位差的大小和测距长短成正相关关系，设信号产生部分的主振信号为设经过2L距离后返回到接收电路部分的信号为如前所述，测距装置的发送端和接收端的信号相位差为通过求得该相位差便可计算出滑动读头相对于起始位置的距离。

混频部分包括前置放大电路，滤波电路，混频电路以及带通滤波器。前置放大电路把接收到的信号放大后，经过滤波电路取出所需要的信号。如图5所示，滤波电路选频后所得到的信号为同时设经锁相环锁相后的本振信号为把本振信号u_c和滤波电路选频后所得到的信号u_r进行混频，得到的信号如下：

用ω-ω_c的带通滤波器把上式的第一项高频信号滤除，即可得到低频测距信号：

另外将主振信号和本振信号进行混频，得到的信号如下：

同理，用带通滤波器把上式的第一项高频信号滤除，即可得到低频参考信号：低频测距信号u'₁和低频参考信号u'₂的相位差为也就是说，把高频信号滤除后，相位差不变，但测量的频率降低了倍，亦即周期增大了N倍，这为后面的鉴相降低了难度，从另外一个角度说测量精度相应地提高了N倍。

鉴相电路中包括双稳态触发器，时标脉冲发射器，与门和计数器。与门分别与双稳态触发器，时标脉冲发射器和计数器连接。鉴相电路接收混频电路出来的两路信号，采用数字鉴相方法，将这两路信号加入到双稳态触发器进行鉴相。如图6所示，参考信号e_r和测距信号e_m分别接到触发器的S端和R端。参考信号e_r下降沿使双稳态触发器置位，Q输出高电平，相当于e_r方波的下降作为与门的“开门”信号。经过相对于相位差的时间段后，测距信号e_m开始进入R端，它的下降沿使触发器复位，亦即Q端输出低电平。相当于e_m方波的下降作为与门的“关门”信号。因此由与门输出端所得到的脉冲宽度(即触发器的置位时间)对应着两电流信号的相位差在双稳态触发器置位期间，与门打开，时标脉冲发射器的时标脉冲Cp可以通过与门进入计数器，当双稳态触发器复位时，与门关闭，计数停止。所以计数器所累积的脉冲个数就是参考信号和测距信号的相位差

处理电路部分包括计数转换器和显示器，计数转换器把计数器得到的脉冲数值转化为测量距离，并通过显示器显示出来。

若令计数器单次鉴相所得的脉冲个数为n，则有其中，f_Cp为时标脉冲Cp的频率，f_r为参考信号e_r的频率，t_s为触发器置位的时间。为提高鉴相精度，可采用多周期同步鉴相法，再取平均值。

在导电率良好的导线中，电流的传播速度可以接近于电磁波。而其衰减程度却远远小于电磁波。所以用电流注入到传输导线中，是可以接收到其反馈信号的，亦即是可以通过测量信号的相位差来间接测量读头的绝对位移。采用电流传播法测量，克服了电磁波信号不能在金属导线上传输来测量距离的问题。

结合上述过程可得，本实用新型的电流测距装置采用的电流测距方法包括：

步骤一、利用信号产生部分产生本主振信号和本振信号；

步骤二、把主振信号分别传输至混频与鉴相部分的混频器以及信号测距装置部分的发送端；把测距装置上滑动读头回馈给接收端的信号接到另一混频器；

步骤三、把本振信号分别接到上述两个混频器的输入端。

步骤四、混频电路部分将本振信号与主振信号进行混频得到参考信号，将本振信号与金属条上读头回馈的传播的信号进行混频得到测量信号；

步骤五、在混频电路之后把参考信号和测量信号的高频部分滤除。

步骤六、利用鉴相电路算出参考信号和测量信号的相位差，根据相位差和距离的关系把测量到的相位差转换成要测量读头的距离。

步骤七、当要测量的距离比较大时，用多把测尺来测量。不同的频率源组成测量不同距离的测尺，每把测尺重复步骤一到步骤七的测量过程，最后把各个测尺测到的数据组合起来，得到最终的距离值。

作为一种优选的方案，在步骤六中利用时标脉冲把相位差转化为计数脉冲，根据计数脉冲的个数算出参考信号和测量信号的相位差。

本实用新型的电流测距装置利用电流传播法来测量距离是基于相位法测距来提出的。电流在传播过程中会产生相位的偏移，传播的距离越长，相位的偏移也就越大。把测距装置的发送信号和接收信号进行混频，经过低通滤波器滤除高频信号后，通过测量发送信号和接收信号两者之间的相位差就能够知道要测量距离的长度。这样便可以把测量距离的长度转换成测量电流信号的相位。而用电流传播相位差的方法，能够把两路高频信号的相位差搬移到两路低频信号上来。差频前后，得到的低频信号的相位差和直接测量高频信号的相位差是一样的。但是测量频率大大降低了，也就是说测量周期变长了，相应地测量精度大大地提高了。

以上所述实施例，只是本实用新型的较佳实例，并非来限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本实用新型专利申请范围内。

Claims (3)

1.一种电流测距装置，其特征在于，所述电流测距装置包括：电流信号产生部分、信号测量装置、混频与鉴相电路部分以及处理电路部分，所述电流信号产生部分包括产生主振信号的晶振电路和产生本振信号的锁相环电路，所述信号测量装置包括信号发送端和信号接收端、两条相互平行的金属条以及一个在所述金属条上用于耦合信号的可滑动读头，其中一条所述金属条与所述信号发送端连接，另一条所述金属条与所述信号接收端连接，所述混频与鉴相部分包括混频电路和鉴相电路，所述电流信号产生部分的晶振电路、锁相环电路以及所述信号测量装置的信号接收端连接到所述混频电路，所述鉴相电路连接到处理电路部分。

2.如权利要求1所述的电流测距装置，其特征在于，所述滑动读头上具有由金属层与金属条带形成电容器。

3.如权利要求1所述的电流测距装置，其特征在于，所述电流测距装置外加温度补偿电路或使用温补晶振(TCXO)。