RU2048674C1

RU2048674C1 - Small distances sensor

Info

Publication number: RU2048674C1
Authority: RU
Inventors: А.С. Совлуков
Original assignee: Институт проблем управления РАН
Priority date: 1991-02-22
Filing date: 1991-02-22
Publication date: 1995-11-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: small distances sensor is meant for contactless measurement of distances to surface reflecting electromagnetic waves. Three-arm circulator is connected with one of arms to one of butts of waveguide resonator open from other butt which is directed towards controlled surface. Two other arms of circulator are short-circuited or interconnected. EFFECT: increased precision of measurement. 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения расстояний (зазоров) до отражающей электромагнитные волны поверхности. Оно может быть использовано, в частности, для измерения толщины горячего и холодного проката (металлических листов). The invention relates to measuring technique and can be used for non-contact measurement of distances (gaps) to a surface reflecting electromagnetic waves. It can be used, in particular, for measuring the thickness of hot and cold rolled products (metal sheets).

Известен датчик малых расстояний до отражающей (металлической) поверхности на основе волноводного СВЧ-резонатора. Одна из торцевых поверхностей его открыта и расположена вблизи металлической поверхности, являющейся бесконтактной торцевой стенкой этого резонатора. При изменении расстояний до данной стенки изменяется длина резонатора и, следовательно, его собственная частота электромагнитных колебаний, определяя которую можно судить об интересующем расстоянии. Этот датчик, однако, имеет недостаточную чувствительность к перемещениям металлической поверхности. A known sensor of small distances to a reflective (metal) surface based on a waveguide microwave resonator. One of its end surfaces is open and located near a metal surface, which is the non-contact end wall of this resonator. When changing the distances to this wall, the length of the resonator and, therefore, its natural frequency of electromagnetic oscillations, determining which one can judge the distance of interest, change. This sensor, however, has insufficient sensitivity to metal surface movements.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (датчику) является датчик расстояний, которая имеет оба торца открытых и расположенных вблизи контролируемой поверхности. При этом имеет место воздействие отражателя (поверхности) на оба торца резонатора, что существенно повышает чувствительность по сравнению с известным датчиком. Но и этот датчик имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что открытыми торцами резонатора зондируют разные области поверхности отражателя. Любые перекосы, смещения отражающей поверхности относительно торцов резонатора имеют следствием неодинаковость измеряемых расстояний, что снижает точность измерения. На практике это происходит при измерении толщины движущегося металлического листа в процессе проката, где используют два датчика, расположенных с обеих сторон листа, измеряют их собственные (резонансные) частоты, являющиеся функциями расстояний до соответствующих поверхностей листа, и по результатам этих измерений определяют искомую толщину листа. Диапазон однозначных измерений контролируемых расстояний не превышает четверти длины волны. Это при работе в 3-сантиметровом диапазоне длин волн (частота 10 ГГц) составляет 7,5 мм. The closest in technical essence to the proposed device (sensor) is a distance sensor, which has both ends open and located near the surface to be monitored. In this case, a reflector (surface) acts on both ends of the resonator, which significantly increases the sensitivity in comparison with the known sensor. But this sensor also has a significant drawback, namely that different regions of the reflector surface are probed with open ends of the resonator. Any distortions, displacements of the reflecting surface relative to the ends of the resonator result in a difference in the measured distances, which reduces the accuracy of the measurement. In practice, this happens when measuring the thickness of a moving metal sheet during the rolling process, where two sensors are used located on both sides of the sheet, their own (resonant) frequencies are measured, which are functions of the distances to the corresponding sheet surfaces, and the desired sheet thickness is determined from the results of these measurements . The range of unambiguous measurements of controlled distances does not exceed a quarter of the wavelength. This when working in the 3-centimeter wavelength range (frequency 10 GHz) is 7.5 mm.

Целью изобретения является повышение точности измерения. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement.

Это достигается тем, что в датчике малых расстояний, содержащем волноводный резонатор, один торец которого открыт и установлен перпендикулярно контролируемой поверхности, к второму торцу волноводного резонатора одним плечом подсоединен трехплечий циркулятор, два других плеча которого короткозамкнуты или соединены между собой волноводом. This is achieved by the fact that in a small distance sensor containing a waveguide resonator, one end of which is open and mounted perpendicular to the controllable surface, a three-arm circulator is connected with one shoulder to the second end of the waveguide resonator, the other two arms of which are short-circuited or interconnected by the waveguide.

На фиг. 1 изображен предложенный датчик, в конструкции которого два плеча циркулятора короткозамкнуты; на фиг. 2 то же, два плеча циркулятора соединены между собой волноводом; на фиг. 3 траектория распространения волн в резонаторе; на фиг. 4 эквивалентная схема взаимодействия резонатора с контролируемой поверхностью; на фиг. 5 пример схемы устройства, содержащего датчик. In FIG. 1 shows the proposed sensor, in the design of which two arms of the circulator are short-circuited; in FIG. 2 the same, two shoulders of the circulator are interconnected by a waveguide; in FIG. 3 path of propagation of waves in the resonator; in FIG. 4 equivalent circuit of the interaction of the resonator with a controlled surface; in FIG. 5 is an example diagram of a device containing a sensor.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 контролируемая поверхность, 2 волновод с открытым торцом, 3 циркулятор, 4, 5 короткозамкнутые плечи циркулятора, 6 волновод, 7 вторичный преобразователь. The following notation is used in the drawings: 1 controlled surface, 2 open-ended waveguide, 3 circulator, 4, 5 short-circuited circulator arms, 6 waveguide, 7 secondary transducer.

На фиг. 1 и 2 показано устройство в статике. Здесь к одному из плеч циркулятора подключен волновод 2 с открытым торцом, направленным в сторону контролируемой поверхности 1. Два других плеча циркулятора 3 замкнуты накоротко (см. фиг. 1) или соединены между собой волноводом 6 (см. фиг. 2). In FIG. 1 and 2 show the device in statics. Here, one of the arms of the circulator is connected to a waveguide 2 with an open end directed towards the surface to be monitored 1. The other two arms of the circulator 3 are short-circuited (see Fig. 1) or interconnected by a waveguide 6 (see Fig. 2).

Устройство (датчик) работает следующим образом. The device (sensor) operates as follows.

С помощью волновода 2, имеющего открытый торец, направленный в сторону поверхности 1, осуществляют ее зондирование. При этом отраженная от поверхности 1 волна поступает по волноводу 2 в трехплечий циркулятор 3 и далее распространяется в направлении, показанном стрелкой. На фиг. 1 показано, что эта волна поступает сначала в короткозамкнутое плечо 4 циркулятора, отражается от короткозамыкателя, затем поступает через циркулятор 3 и в другое короткозамкнутое плечо 5 циркулятора, вновь отражается от короткозамыкателя в этом плече и приходит по циркулятору в волновод 2. В схеме на фиг. 2 волна между двумя плечами циркулятора 3 проходит по волноводу 6, соединяющему эти плечи. Using a waveguide 2 having an open end directed towards the surface 1, it is probed. In this case, the wave reflected from the surface 1 enters through the waveguide 2 into the three-arm circulator 3 and then propagates in the direction shown by the arrow. In FIG. 1 it is shown that this wave first enters the short-circuited arm 4 of the circulator, is reflected from the short-circuit, then enters through the circulator 3 and another short-circuited arm 5 of the circulator, again reflects from the short-circuited arm in this arm, and arrives through the circulator to the waveguide 2. In the circuit of FIG. . 2, the wave between the two shoulders of the circulator 3 passes through the waveguide 6 connecting these shoulders.

На фиг. 3 показана траектория распространения электромагнитных волн в рассматриваемом резонаторном датчике. Здесь имеем по существу волноводный резонатор с одним отражателем, у которого один и тот же торец одновременно служит для получения полезной информации об измеряемом расстоянии до поверхности 1. На фиг. 4 показана эквивалентная схема взаимодействия волн в резонаторе с отражающей эти волны поверхностью 1. Здесь имеет место воздействие одновременно на оба торца резонатора так же, как и в датчике-прототипе. Но в отличие от прототипа, теперь контролируемую поверхность 1 зондируют в одной и той же области с помощью одного и того торца резонатора, который является единственным отражателем в таком резонаторе, позволяющим получать полезную информацию. Длина (электрическая) такого резонатора определяется расстоянием, проходимым волной в каждом из направлений между двумя последовательными отражениями, т.е. в данном случае электрической длиной контура на фиг. 3. Как и в прототипе, диапазон однозначности измерений расстояния составляет четверть длины электромагнитной волны (т.е. суммарно для двух отражателей в таких датчиках половину длины волны). Спектр собственных частот резонатора (как предлагаемого, так и прототипа) вдвое гуще (на том же интервале частот), чем в резонаторе с одним рабочим торцом. In FIG. 3 shows the path of propagation of electromagnetic waves in the considered resonator sensor. Here we have essentially a waveguide resonator with one reflector, in which the same end face simultaneously serves to obtain useful information about the measured distance to surface 1. In FIG. 4 shows an equivalent circuit of the interaction of waves in the resonator with surface 1 reflecting these waves. Here, there is an effect on both ends of the resonator at the same time as in the prototype sensor. But unlike the prototype, now the controlled surface 1 is probed in the same region using the same end of the resonator, which is the only reflector in such a resonator, which allows to obtain useful information. The length (electrical) of such a resonator is determined by the distance traveled by the wave in each of the directions between two successive reflections, i.e. in this case, the electric length of the circuit in FIG. 3. As in the prototype, the range of unambiguity of distance measurements is a quarter of the electromagnetic wavelength (ie, for two reflectors in total, half the wavelength in total). The spectrum of natural frequencies of the resonator (both the proposed one and the prototype) is twice as thick (in the same frequency range) than in a resonator with one working end.

Введение в схему датчика волновода 6, соединяющего два плеча циркулятора, дает возможность регулировать длину резонатора, и следовательно, длину волны в резонаторе, определяющую диапазон однозначности измерений. Это также позволяет располагать элементы возбуждения и съема колебаний в резонаторе и на этом волноводе, что может быть удобно на практике. Introduction to the sensor circuit of the waveguide 6, connecting the two arms of the circulator, makes it possible to adjust the length of the resonator, and therefore, the wavelength in the resonator, which determines the range of measurement uniqueness. It also allows you to place the elements of the excitation and removal of oscillations in the resonator and on this waveguide, which can be convenient in practice.

В качестве примера выполнения устройства для измерения малых расстояний, содержащего предлагаемый датчик, на фиг. 5 приведена схема такого устройства. Здесь к волноводу 6 подсоединен вторичный преобразователь 7, который осуществляет возбуждение в резонаторе (датчике) электромагнитных колебаний и измерение его собственной (резонансной) частоты, служащей информативным параметром. Блок 7 может являться автогенератором, в частотозадающую цепь которого включен предлагаемый датчик, частота этого автогенератора в данном случае является информативным параметром. В общем же случае элементы возбуждения и съëма колебаний могут располагаться в произвольных областях конструкции резонатора, место их расположения влияет на величину связи и амплитуду снимаемых сигналов. As an example of the implementation of the device for measuring small distances containing the proposed sensor, in FIG. 5 shows a diagram of such a device. Here, a secondary transducer 7 is connected to the waveguide 6, which excites electromagnetic oscillations in the resonator (sensor) and measures its natural (resonant) frequency, which serves as an informative parameter. Block 7 may be a self-oscillator, in the frequency setting circuit of which the proposed sensor is included, the frequency of this self-oscillator in this case is an informative parameter. In the general case, the elements of the excitation and removal of oscillations can be located in arbitrary regions of the resonator design, their location affects the magnitude of the coupling and the amplitude of the recorded signals.

Датчик за счет зондирования одной и той же области контролируемой поверхности обоими торцами волноводного резонатора позволяет повысить точность измерения по сравнению с прототипом. Он может найти применение для измерения малых (соизмеримых с длиной волны) расстояний до поверхностей, отражающих электромагнитные волны. Коэффициент отражения при этом влияет на величину добротности резонатора, которая, как показывает практика, может быть и невысокой (но не менее 10 20). Предпочтительная область применения металлургия, прокатное производство, а также и другие отрасли и задачи, где необходимо определять расстояния (зазоры) и перемещения металлических поверхностей. The sensor due to the sensing of the same region of the controlled surface by both ends of the waveguide resonator can improve the measurement accuracy compared to the prototype. It can find application for measuring small (commensurate with wavelength) distances to surfaces reflecting electromagnetic waves. The reflection coefficient in this case affects the Q factor of the resonator, which, as practice shows, can be low (but not less than 10 20). The preferred area of application is metallurgy, rolling production, as well as other industries and tasks where it is necessary to determine the distances (gaps) and movements of metal surfaces.

Claims

A SMALL DISTANCE SENSOR containing a waveguide resonator, one end of which is open and mounted perpendicular to the controllable surface, characterized in that a three-arm circulator is connected to the second end of the waveguide resonator, the other two arms of which are short-circuited.