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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Messausrüstungen, insbesondere die Messung
von Mikrobewegungen, und sie kann verwendet werden, um kriechende
und dynamische Infraprozesse in der Natur, den Ingenieurwesen und
der Bionik zu messen, zu ermitteln und aufzuzeichnen, beispielsweise
um Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitstendenzen in der Meteorologie
aufzuzeichnen, um Kriechverhalten technischer Strukturen aufzuzeichnen,
um Lecksicherheit kleiner und großer Anlagen zu testen, in Sicherheitssystemen,
sowie für
die Aufzeichnung seismischer Wellen, Infraschallwellen und Gravitationswellen.
In der Bionik kann das vorgeschlagene Gerät als ein Teil einer Tastempfindlichkeitseinheit,
in bionischen Prothesen, bionischen Robotern und Zoo-Robotern verwendet
werden.
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Zur
Lösung
der obgenannten Aufgaben soll das Messsystem eine maximal mögliche Empfindlichkeit, (bis
zu Ångström-Einheiten – Å), einen
weiten Dynamikbereich und eine geringe Trägheit aufweisen.
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Die
derzeit höchste
Empfindlichkeit und ein weiter Dynamikbereich werden von Röntgeninterferometern
bereitgestellt, die ein spektrometrisches Messverfahren verkörpern. Jedoch
findet ihre Verwendung in Fällen,
die außerhalb
der Metrologie und der Untersuchungen von Kristallstrukturen von
Materialien liegen, wegen der hohen Trägheit der Fühlelemente, dem unhandlichen
Design der Apparatur, der Komplexität und dem hohen Preis keine
Anwendung.
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Kapazitive
und induktive Messwandler fanden eine weite Anwendung für die Messung
kleiner Bewegungen. Die Einschränkungen
ihrer Verwendung ist der Tatsache zuzuschreiben, dass ein Anheben
der Empfindlichkeit dieser Messwandler aufgrund der Nichtlinearität der analogen
Messcharakteristika notwendigerweise zu einer Verschmälerung des
Dynamikbereichs führt.
Der Abschnitt eines bestimmten Teils der Charakteristik bestimmt
den Dynamikbereich des Messwandlers. (Siehe zum Beispiel,
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Es
sind Geräte
zur Messung kleiner Bewegungen bekannt, die auf einer künstlichen
Quantisierung von Linear- oder Winkelbewegungen mittels Messelementen
mit verteilter Quantisierung (Gitter) basieren. Als ein Beispiel
eines Inkrement-Kodierers
kann auf (K.
aus dem
Englischen übersetzt.
M., 1991, pp. 62–63)
Bezug genommen werden. Die Auflösung
einer solchen Art von Kodierer hängt
von der Anzahl an Fühlsegmenten
auf der Scheibe oder dem Band des Messwandlers ab, wodurch eine
mechanische Grenze ihrer Sensitivität gegeben ist (nicht mehr als
0,01 μm).
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Die
nächstkommende,
als Modell akzeptierte Erteilung ist ein Mikrobewegungs-Sensor gemäß dem USSR-Erfinderzertifikat
Nr. 947 626, in welchem ein Messverfahren enthalten war, welches
natürliche
Quantisierungseffekte verwendet. Dieses Gerät enthält den Messwandler, der aus
Fühl- und
Messelementen besteht, welcher die monotonen Bewegungen in deltamodulierte
elektrische Impulssignale umwandelt. Das Fühlelement ist an der elastischen
Membran fixiert und interagiert mit einer Mikrobewegungs-Quelle
(getestetes Objekt), wohingegen ein federbelastetes, bewegliches
Messelement ein Kern des Elektromagneten ist, der in der Kontaktposition
mit dem Fühlelement das
Messelement fixiert, wenn ein Erregungsstrom von der Signal-Konditioniereinrichtung
aufgebracht wird.
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Im
Anfangszustand erzeugt der elektrische Kontakt zwischen Fühl- und
Messelementen einen geschlossenen elektrischen Kreislauf, durch
den elektrischer Strom fließt;
Als Ergebnis tritt am Ausgang der Signal-Konditioniereinrichtung
ein Erregungsstrom auf, welcher den Elektromagneten mit Energie
versorgt und das Messelement fixiert. Wenn das getestete Objekt
sich verschiebt, bewegt sich das Fühlelement in die Richtung,
in welcher der Kontakt zwischen dem Fühlelement und dem Messelement
aufgrund der Wirkung der von der Membran erzeugten Messkraft abbricht.
In dem Moment, in dem der elektrische Kreislauf unterbrochen wird,
entfernt die Signal-Konditioniereinrichtung
den Erregungsstrom von der Wicklung des fixierenden Elektromagneten,
und das Messelement bewegt sich unter der Wirkung der Feder in die
Richtung des Fühlelements,
bis der Kontakt zwischen den Fühl-
und Messelementen wiedererlangt ist, und das Messelement wird in
einer neuen Position fixiert.
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Das
Unterbrechen und Wiedererlangen des Kontakts bildet die ansteigenden
und die abfallenden Flanken des Impulssignals, das einer einzelnen
Bewegung des Messelements entspricht, wodurch unter Verwendung der
natürlichen
Quantisierungseffekt-Hysterese eine Umwandlung monotoner Bewegung
in deltamodulierte, elektrische Impulssignale ausgeführt wird.
Die quantisierte Bewegung ist durch den Wert gekennzeichnet, der
durch die zwei Zustände
des elektrischen Kontakts bestimmt wird (geschlossen – offen).
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Der
Nachteil des bekannten Geräts
ist durch die Tatsache bestimmt, dass in dem Moment in dem der Kontakt
zwischen den Mess- und Fühlelementen
aufgebaut wird, die Kraft des Federdrucks, welche die Messelemente
bewegt, durch das Fühlelement
hindurch auf das getestete Objekt übertragen wird, in dem als
Ergebnis dieser Kontaktkraft eine elastische Mikroverformung auftritt.
Der Wert dieser Mikroverformung beschränkt die äußerste erreichbare Empfindlichkeit
auf das Niveau von 0,2 μm.
Zusätzlich
tritt, wenn der elektrische Kontakt unterbrochen wird, eine elektroerosive
Brücke
auf. Dieser Brückenstrom
wird von der Signal-Konditioniereinrichtung als ein Vorhandensein
eines Kontaktes erkannt, und der Messimpuls tritt nur nach dem Unterbrechen
der Brücke
auf. Somit kann die Länge
jeder Mikrobewegung des Messelements nicht geringer sein, als die
Länge der
elektroerosiven Brücke
und der Wert der aufgetretenen Mikrodeformation zusammengenommen.
Zusätzlich
führt das
Auftreten der elektroerosiven Brücken
zu einer Verletzung der Geometrie der Kontaktelemente, was eine
Instabilität
ihrer metrologischen Charakteristika verursacht.
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Das
Ziel der vorgeschlagenen Erfindung ist es, die Empfindlichkeit des
Geräts
in einem breiten Dynamikbereich anzuheben, indem elastische Mikrodeformationen
im Dimensionsverlauf „Messwandler – Objekt" eliminiert werden,
und auch, die elektroerosiven Vorgänge an den Arbeitsoberflächen der
Fühl- und Messelemente
zu eliminieren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Mikrobewegungs-Messgerät bereitgestellt, wie es in
dem kennzeichnenden Teil der unabhängigen Ansprüche dargelegt
ist.
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Der
maximale Dynamikbereich der zu messenden Mikrobewegungen kann bereitgestellt
werden, indem der ziehende Elektromagnet auf der Membran angeordnet
wird, die mit dem Fühlelement
verbunden ist.
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Um
die Bildung von Oxid-, Wasser- und anderen ähnlichen Filmen an den Arbeitsoberflächen der
Fühl- und
Messelemente auszuschließen,
ist das beanspruchte Gerät
in einem hermetischen Gehäuse
angeordnet, das mit einem inerten Medium gefüllt ist.
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Das
Verfahren zur Umwandlung von Mikrobewegungen in elektrische Signale,
das in dem beanspruchten Gerät
benutzt wird, schließt
die Bildung der elektroerosiven Brücken im Lauf der Freigabe aus.
Diesem Verfahren liegt die Tatsache zugrunde, dass die Fixierung
der Messelemente dann vorgesehen ist, wenn der Strom der Elektronen-Feldemission
zwischen den Mess- und den Fühlelementen
ansteigt, und das Messelement freigegeben und verschoben wird, wenn
der Strom der Elektronen-Feldemission abbricht.
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Das
prinzipielle Schema des Geräts
ist in der Figur wiedergegeben.
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Das
Gerät zur
Messung von Mikrobewegungen besteht aus dem Fühlelement 1, dem Messelement 2 mit
der Scheibe 3 und dem fixierenden Elektromagneten 4.
Das Messelement 2 ist an die Signal-Konditioniereinrichtung 6 angeschlossen,
welche die Betriebsspannungs-Quelle 7 und den Strombegrenzer 8 enthält. Der Ausgang
der Signal-Konditioniereinrichtung 6 ist an den Eingang
des Verstärkers 9 angeschlossen,
dessen direkter Ausgang an die Wicklung des fixierenden Elektromagneten 4 angeschossen
ist, und dessen invertierender Ausgang an die Wicklung des ziehenden
Elektromagneten 5 angeschlossen ist. Der ziehende Elektromagnet 5 ist
an der Membran 10 angeordnet, welche zusammen mit dem Gehäuse 11 die
hermetische Kammer 12 ausbildet, die mit Schutzmedium gefüllt ist.
Das Aus gangs-Impulssignal gelangt von dem Verstärker 9 zu der Anzeigeeinheit 13.
Das jeweilige getestete Objekt 14 ist mit dem Fühlelement
verbunden.
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Das
Gerät arbeitet
auf die folgende Weise.
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Wenn
das Fühlelement 1 sich
unter der Einwirkung der elastischen Kraft der Membran 10 dem
getesteten Objekt 14 folgend bewegt, wird die elektrische
Leitung im Messschaltkreis „Betriebsspannungs-Quelle 7 – Strombegrenzer 8 – Messelement 2 – Fühlelement 1 – Membran 10 – Erdung" unterbrochen. Im
Moment der Unterbrechung des Elektronen-Feldemissionsstroms entfernt
der von der Signal-Konditioniereinrichtung 6 gesteuerte
Verstärker 9 eine
Erregungsspannung von dem fixierenden Elektromagneten 4,
und legt gleichzeitig eine Erregungsspannung an die Wicklungen des
ziehenden Elektromagneten 5 an. Unter der Einwirkung der Anziehungskraft
vom ziehenden Elektromagneten 5 die auf die Scheibe 3 wirkt,
bewegt sich das Messelement 2, das von der fixierenden
Kraft des Elektromagneten 4 befreit ist, in Richtung des
Fühlelements 1.
Diese Bewegung tritt auf, bis der Elektronen-Feldemissionsstrom
zwischen dem Fühlelement
und dem Messelement 2 in dem obigen Messschaltkreis ansteigt,
d.h. in der Entfernung, die durch den Ausdruck: λ = U/Ebestimmt
ist, wobei
- λ
- – ein Wert der Entfernung zwischen
dem Messelement 2 und dem Fühlelement 1 ist, bei
dem der Elektronen-Feldemissionsstrom
ansteigt;
- U
- – der gewählte Wert der Betriebsspannung
ist;
- E
- – die Intensität der Elektronen-Feldemission
ist, gleich ~109 Volt/Meter.
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Beim
gewählten
Wert der Betriebsspannung von 0,05 Volt ist die Entfernung, bei
welcher der Elektronen-Feldemissionsstrom
auftreten wird, gleich 5·10–11 m
oder 0,5 Å.
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In
dem Moment, wenn der Emissionsstrom ansteigt, ändern die vom Verstärker 9 gesteuerten
Elektromagneten 4 und 5 ihren Zustand: Der Erregungsstrom
wird von dem ziehenden Elektromagneten 5 entfernt und das
Messelement 2 ist aufgrund der Anziehung zum fixierenden
Elektromagneten 4 in einer neuen Position fixiert. Die
fortschreitende Bewegung des Fühlelements 1 unter
der elastischen Kraft der Membran 10, die dem bewegten
getesteten Objekt 14 folgt, führt zu einer Unterbrechung
des Elektronen-Feldemissionsstroms (in der Entfernung zwischen dem
Messelement 2 und dem Fühlelement 1,
die gleich λ + Δ ist, wobei Δ der Wert der
Hysterese der Elektronen-Feldemission
ist) und der Vorgang wird in der obigen Abfolge wiederholt.
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Jeder
Kreislauf, der sich mit der Bewegung des Fühlelements 1 wiederholt,
bildet sowohl ansteigende, als auch abfallende Flanken von Impulsen,
die zu einer einzelnen Bewegung des Messelements 2 äquivalent sind.
Die auftretenden Impulse gelangen vom Verstärker 9 zu der Anzeigeeinheit 13 und
werden aufgezeichnet.
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Der „Wert" eines Impulses wird
aus der kombinierten Hysterese ermittelt, die von der Trägheit des Messelements 2 und
der Reaktionszeit des ziehenden Elektromagneten 5 und des fixierenden
Elektromagneten 4 und auch von dem Wert der Hysterese der
Elektronen-Feldemission abhängig
ist.
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Die
Anordnung des ziehenden Elektromagneten 5 auf der Membran 10 sieht
eine Funktion des Geräts bei
allen Bewegungslängen
der Messung 2 vor, die von der erlaubten Ablenkung der
Membran 10 bestimmt wird. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass
während
der Bewegung des Fühlelements 1 der
laufende Magnetspalt in diesem Fall konstant gehalten wird.
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Die
Anordnung des Messelements 2 und des Fühlelements 1 in der
hermetischen Kammer 12 die aus dem Gehäuse 11 und der Membran 10 besteht,
und mit inertem Medium gefüllt
ist, schließt
eine Bildung von Oxid- und anderen Filmen an den Arbeitsoberflächen aus,
die das Auftreten von Elektronen-Feldemissionsstrom
verhindern.
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Die
vorgeschlagene Lösung
weist die folgenden Merkmale auf:
- – Umwandlung
der monotonen Mikrobewegungen in deltamodulierte elektrische Impulssignale
tritt auf, ohne Mikrodeformationen im Dimensionsverlauf „Messwandler-Objekt" hervorzurufen. Wie
aus dem vorhergehenden klar ist, wird dies auf die folgende Weise
bereitgestellt: Der Übergang
des Messschaltkreises von einem stabilen Zustand in einen anderen
tritt in Abwesenheit eines direkten elektrischen Kontakts zwischen
dem Messelement 2 und dem Fühlelement 1 auf, und
daher ohne das Auftreten von elastischen Deformationen;
- – Die
Empfindlichkeit des Messschaltkreises wird durch den gewählten Wert
der Betriebsspannung eingestellt.
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Der
gesamte Komplex der beanspruchten Merkmale und das Verfahren sehen
eine Umwandlung von Mikrobewegungen in deltamodulierte elektrische
Impulssignale vor, wobei die Empfindlichkeit des Geräts in einem
Bereich von Ångström-Einheiten
liegt.
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Beispiel einer
Ausführungsform
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Die
Messung der Bewegung des Metallstabes wurde gemäß dem Verfahren durchgeführt, das
von der GOST 8.491-83 bestimmt wird (GOST – Standard des gesamten Staatszusammenschlusses
der ehemaligen UDSSR). Dies erlaubte es, im Falle der Verwendung
eines Schraubenpaars einige Störungen
in Verbindung mit nicht einheitlichen Bewegungen auszuschließen (gemäß dem GOST-Verfahren).
Es wurde der Mess-Federkopf (Optikator) des 01Π-Typs als Referenzvorrichtung
verwendet. Während
der Stab um 1 μm
ausgedehnt wurde (dies wird vom Optikator aufgezeichnet), erzeugte
die Signal-Konditioniereinrichtung
des beanspruchten Messwandlers eine Abfolge von 2·104 Impulsen, die von dem ɥ3-34A-Frequenzmesser
aufgezeichnet wurden (wenn Goldoberflächen der Mess- und Fühlelemente
verwendet wurden, und wenn der Wert der Betriebsspannung in dem
Messschaltkreis gleich 0,05 Volt ist). Das bedeutet, dass ein Impuls
1/2·10–10 Metern
entspricht, das heißt
0,5 Å – der Wert,
der die Sensitivität
des beanspruchten Geräts
definiert.
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Das
vorgeschlagene Gerät
kann in einer Zweikanal-Version verkörpert sein, sollte der Bedarf
bestehen, vorzeichenveränderliche
Bewegungen zu messen.
