JP2000121308A - 距離測定器 - Google Patents

距離測定器

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JP2000121308A
JP2000121308A JP10328780A JP32878098A JP2000121308A JP 2000121308 A JP2000121308 A JP 2000121308A JP 10328780 A JP10328780 A JP 10328780A JP 32878098 A JP32878098 A JP 32878098A JP 2000121308 A JP2000121308 A JP 2000121308A
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JP
Japan
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distance
voltage
impedance
measuring device
time
Prior art date
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Application number
JP10328780A
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English (en)
Inventor
Eiichi Hirai
叡一 平井
Seiji Toda
成二 戸田
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RIBEKKUSU KK
Levex Corp
Original Assignee
RIBEKKUSU KK
Levex Corp
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Publication date
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  • Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長い距離を環境変化等の外乱に大きく影響さ
れず、アブソリュートの距離検出器を得ることを目的と
する。 【構成】 インピーダンス等分布状態とみなされる平行
導体(38)の一端に高周波パルスを印加し、この平行
導体(38)の途中にインピーダンス不整合発生器
(2)を設置し、このインピーダンス不整合発生器
(2)によって反射波を発生させ、これが返ってくるま
での時間を計測し、この時間に電圧の伝搬速度を乗ずる
ことで、平行導体端の印可位置からインピーダンス不整
合発生器(2)までの距離を計測するように構成した距
離測定器。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、トラッククレーンのフ
レーム伸縮長さ計測、立体駐車場または自動倉庫の搬送
台車の位置計測、コンテナキャリアまたは天井走行クレ
ーンの位置計測、大型タンクの液面高さ計測等長距離位
置計測に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の長距離位置計測はレーザを利用し
た三角測量とか、回転検出器を内蔵したリールにワイヤ
を巻付けワイヤの巻取り回数と巻取り角度を計測して位
置に換算する方法とか、回転計をコロに係合し、このコ
ロをレール等に押圧してコロの回転数及び角度を計測し
て距離に換算する方法があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の距離計測器は例
えば三角測定法では天候に、ワーヤとローラを用いた測
定方法では一回転当りの巻取り半径の変化とか乱巻によ
って一回転当りのワーヤ巻取り量が変化し、レールとコ
ロを用いた計測ではスリップ等によってコロの回転回数
が変化して誤差が発生すると共に、回転数計測そのもの
が一回転毎の同じ信号の繰返し(インクリメンタル)の
ため、計測装置を電源停止後再復帰するためには原点合
わせが必要となり、ファクトリーオートメーション分野
で連続使用するには確実性に欠けるという問題があっ
た。
【0004】本発明は計測距離が長距離計測であっても
アブソリュート(インクリメンタルでない)で得られる
こと、雨とか気温等の環境変化で測定精度が著しく低下
しないような物理特性に基づいた計測器を提供すること
を目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の距離計測器では導体を伝搬する電圧の伝搬
速度が外部環境の変化に対して安定していることに着目
し、この通過時間を計測することで距離を測定する。
【0006】導体の材質によって導体を伝搬する電圧の
伝搬速度は異なるが、通常非常に高速であり、銅線のよ
うに電圧の伝搬速度が1mを約5ns(ナノ秒)で伝達
する導体では、1cmの分解能を得るには0.05ns
以上の分解能を持つ高速カウンタが必要になる。
【0007】本発明では、再現性の高い距離測定を行う
ための距離測定原理と、計測距離を的確に定める機械的
手段と、このような高速現象を確実に計測する電気的手
段を提供する。
【0008】
【作用】平行導線(38)を図1の等価回路のように等
価インダクタンスL、等価抵抗R、等価容量Cの等分布
状態とみなし、この平行導線の1端に印加パルスを印加
すると電圧は平行導線内を伝搬し、反対端末まで達した
後反射して再度印加部へ返ってくる。
【0009】この反射による電圧の変化は反対端末の接
続状態により異なり、また導体途中に図2−1、図2−
2、図2−3、図2−4のようなインピーダンス不整合
が発生した場合は、このインピーダンス不整合部分で反
射が発生する。
【0010】初期に返ってくる反射波を一次反射波と
し、印加部で電圧が逆転して再反射する反射波を二次反
射波としたとき、印加パルスを加えた端末に一次反射波
が返ってくるまでの時間は、導体内の電圧の伝搬速度で
定まり外部環境変化による影響は小さい。
【0011】機械的に外部からインピーダンス不整合を
発生させるには抵抗RまたはインダクタンスLまたは容
量Cの1種類または各要素を組合わせた機構物を構成
し、平行導体の途中にこの機構物を接近または接触させ
て行う。
【0012】パルス印加から一次反射波が返ってくるま
での非常に短い時間を高分解能で計測するには大規模な
構成の超高速のカウンタが必要となるため、ここでは簡
便で信頼性の高い時間計測用の高速アナログ回路を提供
する。
【0013】またパルス印加時の電圧の立上がり時間そ
のものが測定距離の計測に影響するため、この誤差を予
め除去する機械的処理も提供する。
【実施例】
【0014】最長測定距離(Lt)が100mで、導体
を伝搬する電圧の伝搬速度Veが5ns(ナノ秒)/1
mの条件を仮定して本発明の距離計測器の構成を示す。
【0015】図4および図5に示すようにT1はLtの
往復距離(2×100m)にVe(5ns/m)を乗じ
た1μs(μ秒)となり、平行導体のインピーダンスが
特に大きくなく、反射波の2次反射波がTtより短い時
間で終わる場合はTp=Ttとし、T=Tt+Tp=2
×Ttと設定する。
【0016】従ってTは2×Ttで2μs(マイクロ
秒)となり、印加パルスの印加周波数Fは1秒をTで除
した500KH(キロヘルツ)とする。
【0017】途中にインピーダンス不整合部分がない
と、一次反射波は1μs後に発生し、導体の長さは1μ
sを電圧の伝搬速度Ve(5ns/m)で除して200
mとなるが、通過時間は往復なのでこれを2で割った1
00mが平行導体の距離として求められる。
【0018】途中L1の位置にインピーダンス不整合部
分があると、T1後に一次反射波が発生し、インピーダ
ンス不整合部までの距離T1をVeで除した値の二分の
一が測定距離となる。
【0019】次にこのようにして得られた時間を高分解
能で測定するために、微小な時間変化を取出す必要が有
り、ここでは時間を電圧に置き換える方法を用いるた
め、この変換方法を示す。
【0020】図6に示すようにパルス発生器(8)で形
成されたFヘルツの周波数のパルスを波形整形器(3
4)で形の整った矩形波形にした後、分配器(36)に
送り、平行導体(38)への印加パルス(14)に用い
る。
【0021】平行導体から返ってきた反射波は分配器
(36)を介してパルス増幅器(7)へ送られ、この信
号と基準電圧発生器より得られた信号をコンパレータ
(3)で比較し、この電圧が一致した瞬間基準電圧の出
力を停止し、基準電圧が出力していた時間T1と基準電
圧の積を基準周期Tで除して平均電圧(37)を求め、
この平均電圧(37)は、印加パルス印加後から電圧伝
搬がインピーダンス不整合発生器(2)に達し、ここで
反射して返ってくるまでの時間に比例するためこの平均
電圧を求めることで、パルス印加部から平行導体(3
8)途中に置かれたインピーダンス不整合発生器までの
距離を計測することができる。
【0022】同様に、図7に示すようにセンサケーブル
(5)の全長をLM、助走距離(19)をL0、センサ
ケーブル(5)端末からインピーダンス不整合発生器
(2)までの距離をL1、基準電圧(16)をしきい値
(4)E0とし、印加パルスを印加すると同時にノコギ
リ波発生器からノコギリ波(6)電圧を発生させ、コン
パレータ(3)で一次反射波(13)E1がしきい値
(4)E0を越えた時、ノコギリ波の昇圧を停止保存
し、この電圧を測定することでセンサケーブルのパルス
印加端末からインピーダンス発生器までの距離を測定す
ることができる。
【0023】次にインピーダンス不整合を発生させる手
法は、図3に示すように抵抗変化を利用して平行導体
(38)間を短絡したり、平行導体の片方の導体だけに
急激な熱変化を加えて抵抗変化を与えたり、インダクタ
ンス変化を利用して高周波反応型のマグネットリング
(11)とかコイルを接近させたり、誘電体を利用して
平行導体間の静電容量を変化させる方法があり、本発明
のような高周波のインダクタンス変化に対応させるには
透磁率が低く、固有抵抗の大きなMn−Zn系フェライ
ト、Ni−Zn系フェライト、カーボニル鉄ダスト等が
有効である。
【0024】短絡によるインピーダンス不整合を起こす
機構として、図8、図9に各々短絡用の平行導体の形状
を示し、同時に短絡を短絡用コロ(25)で直接発生さ
せる機構を図8に、短絡用コロから固定ケース(30)
を介して短絡を起こさせる例を図9に示す。
【0025】全体構成としてアンプ(1)、平行導体
(38)、インピーダンス不整合発生器(2)および平
行導体巻取り装置(31)等を組合わせ、プーリの移動
に合わせて平行導体が平行導体巻取り装置から巻き出さ
れたり巻き取られるように構成し、インピーダンス不整
合発生器(2)は固定することで、プーリの移動距離を
測定できるようにした例を図10、11に示す。
【0026】
【発明の効果】電磁波を利用した長距離計測装置として
レーダがあるが、本発明はレーダのように開放された空
間ではなく、平行導体という閉鎖された空間で反射を利
用して距離を測定するため平行導体(38)を自由に屈
曲させることも可能であり、また平行導体内の電圧の伝
搬速度を計測の基準にしているため外乱に対して乱れが
少なく、また電圧の伝搬速度が既知の導体ということで
絶対位置計測(アブソリュート)ができ、逆に同じ距離
に設置した異なった材質の平行導体を計測すると異材質
の伝搬速度の差を利用して平行導体の材質の分類ができ
る。
【0027】超音波の反射を利用した距離計測器もある
が、測定の基準になっているのは空気中の音速のため、
温度の影響を受け易いだけでなく、伝搬速度が遅いため
高速移動体の計測には向かない。
【0028】また時間を高速カウンタを利用しないで電
圧に変換できるため、短距離の超高速時間処理即ち距離
測定が可能となり、可撓性の導体を用いれば曲りとか曲
率をもつ形状に対しても距離測定が可能なため、従来無
かった新たなファクトリーオートメーション用途での距
離測定が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】等分布状態とみなした平行導体の等価回路
【図2】平行導体の不整合発生等価回路
【図3】機械的不整合発生方法
【図4】不整合発生器の位置と反射電圧の関係
【図5】反射波形状とインピーダンス不整合発生器の位
【図6】距離検出器ブロック図
【図7】ノコギリ波を用いた検出距離出力方法
【図8】平行導体に対する接触式距離測定機構A
【図9】平行導体に対する接触式距離測定機構B
【図10】平行導体巻取り装置A
【図11】平行導体巻取り装置B
【符号の説明】
1 アンプ 2 インピーダンス不整合発生器 3 コンパレータ 4 しきい値 5 センサケーブル 6 ノコギリ波 7 パルス幅復器 8 パルス発生器 9 パルス幅復調回路 10 マグネットコア 11 マグネットリング 12 案内用コロ 13 一次反射波 14 印加パルス 15 印加電圧 16 基準電圧 17 距離検出センサ 18 実測距離 19 助走距離 20 接触子 21 絶縁体 22 測定距離 23 測定全長 24 短絡 25 短絡用コロ 26 低域フィルタ 27 等価インダクタンス 28 等価抵抗 29 等価容量 30 導体 30−1 導体A 30−2 導体B 31 導体巻取り装置 32 導体保護カバー 33 二次反射波 34 波形整形器 35 反射電圧 36 分配器 37 平均電圧 38 平行導線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F063 AA02 AA11 AA14 CA09 CA14 DA01 DA02 DB03 DC08 DD02 JA10 LA06 LA11 LA16 LA18 LA23 MA04 2F067 AA02 AA21 AA23 BB13 CC09 DD01 EE04 HH10 NN10 RR02 RR07 RR24 RR28 SS03 2F077 AA24 AA25 MM16 TT35

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 インピーダンス等分布状態にあるとみ
    なされる平行導体(38)で、電圧の伝搬速度も既知の
    平行導体(38)の一端に高周波パルスを印加し、この
    平行導体(38)の途中にインダクタンスLまたは抵抗
    Rまたは静電容量Cを接近または接触させて平行導体
    (38)間の特定部にインピーダンス変化を起こさせる
    インピーダンス不整合発生器(2)を設置し、このイン
    ピーダンス不整合発生器(2)の設置位置で印加パルス
    の反射波を発生させ、印可パルスの印加開始直後から一
    次反射波(13)が返ってくるまでの時間を計測し、こ
    の時間に電圧の伝搬速度を乗ずることで、平行導体(3
    8)端の印可位置からインピーダンス不整合発生器
    (2)までの距離を計測するように構成した距離測定
    器。
  2. 【請求項2】 インピーダンス等分布状態にあるとみ
    なされる平行導体(38)で、電圧の伝搬速度も既知の
    平行導体(38)の一端に高周波パルスを印加し、この
    平行導体(38)の途中にインダクタンスLまたは抵抗
    Rまたは静電容量Cを接近または接触させて平行導体
    (38)間の特定部にインピーダンス変化を起こさせる
    インピーダンス不整合発生器(2)を設置し、このイン
    ピーダンス不整合発生器(2)の設置位置で印加パルス
    の反射波を発生させ、印可パルスの印加開始直後から一
    次反射波(13)が返ってくるまでの時間を計測し、こ
    の時間に電圧の伝搬速度を乗ずることで、平行導体(3
    8)端の印可位置からインピーダンス不整合発生器
    (2)までの距離を計測するように構成した距離測定器
    に於いて、平行導体(38)端末へ印加パルスを印可し
    た時、所定の電圧に達するまでの過渡時間T0に平行導
    体(38)の電圧の伝搬速度を乗じた距離を助走距離
    (19)とし、測定に必要な長さに予めこの助走距離
    (19)を加算した長さの平行導体を用いるように構成
    した距離測定器。
  3. 【請求項3】 請求項1の距離測定器において、高周
    波用マグネットコア(10)またはマグネットリング
    (11)または高周波用コイルまたはコンデンサCまた
    はこれ等を各々を組合わせたものを平行導体(38)の
    特定部に外部から接近させるか外周の一部を覆うこと
    で、平行導体(38)間の特定部にインピーダンス変化
    を起こさせるよう構成したインピーダンス不整合発生器
    を用いた非接触式距離検出器。
  4. 【請求項4】 請求項1の距離測定器において最長測
    定距離Ltを定め、平行導体(38)端部に印加パルス
    が最長測定距離Lt端で反射して返ってくるまでの往復
    時間を最大反射時間Ttとし、この反射電圧が印加部で
    2次反射を起こして減衰に至るまでの時間をTpとした
    時、印加パルスの印加周波数Fを1/(Tt+Tp)と
    するように構成した距離測定器。
  5. 【請求項5】 請求項1の距離測定器において、平行
    導体(38)をセンサケーブル(5)とみなし、この全
    長をLt、助走距離(19)をL0、センサケーブル
    (5)端末からインピーダンス不整合発生器(2)まで
    の距離をL1、基準電圧(16)をしきい値(4)と
    し、センサケーブル端末に矩形の印加パルスを印加する
    と同時に基準電圧(16)発生器から比較用電圧を発生
    させ、コンパレータ(3)で一次反射波(13)E1が
    しきい値(4)E0を越えた時、基準電圧(16)の出
    力を停止し、この電圧を印加周波数F0間で平均化し、
    この平均電圧(37)をセンサケーブル端末からインピ
    ーダンス発生器までの距離とするように構成した距離測
    定器。
  6. 【請求項6】 請求項1の距離測定器において、セン
    サケーブル(5)の全長をLM、助走距離(19)をL
    0、センサケーブル(5)端末からインピーダンス不整
    合発生器(2)までの距離をL1、基準電圧(16)を
    しきい値(4)E0とし、印加パルスを印加すると同時
    にノコギリ波発生器からノコギリ波(6)電圧を発生さ
    せ、コンパレータ(3)で一次反射波(13)E1がし
    きい値(4)E0を越えた時、ノコギリ波の昇圧を停止
    保存し、この時の電圧をセンサケーブル端末からインピ
    ーダンス発生器までの距離とするように構成した距離測
    定器。
  7. 【請求項7】 請求項5または6の距離測定器におい
    てセンサケーブル(5)の全長をLM、助走距離(1
    9)をL0、平行導体(38)端末からインピーダンス
    不整合発生器(2)までの距離をL1と固定し、異なる
    平行導体を同じ距離で並べて各々の出力電圧を計測する
    ことにより平行導体の材質の差を分類するように構成し
    た距離測定器を使用した材質分類装置。
JP10328780A 1998-10-13 1998-10-13 距離測定器 Pending JP2000121308A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007044867A (ja) * 2005-08-11 2007-02-22 Hilti Ag 工具の貫入深度を測定可能な工作機械

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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