RU2052765C1

RU2052765C1 - Apparatus for measuring linear motion

Info

Publication number: RU2052765C1
Authority: RU
Inventors: Виталий Иванович Смирнов; Вячеслав Андреевич Сергеев; Александра Максимовна Смирнова
Original assignee: Виталий Иванович Смирнов; Вячеслав Андреевич Сергеев; Александра Максимовна Смирнова
Priority date: 1992-05-06
Filing date: 1992-05-06
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: measuring technique. SUBSTANCE: apparatus for measuring linear motions includes a sensitive member in the form of RL-ciruit, connected with an output of a pulse generator. A leading front of pulses of the above mentioned pulse generator depends upon an inductance value, changing with a distance till an object. A time moment of achieving a predetermined level of pulses is detected with use of a "time-interval - amplitude" converter, whose output is connected with a unit for statistical procession. EFFECT: enhanced responsibility and high accuracy of measurement of linear motion. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения малых линейных размеров, перемещений, вибраций подвижных элементов и частей машин, механизмов, строительных конструкций и других объектов. The invention relates to measuring equipment and can be used to measure small linear dimensions, displacements, vibrations of moving elements and parts of machines, mechanisms, building structures and other objects.

Известны устройства для измерения линейных перемещений [1] содержащие индуктивные или емкостные датчики перемещений, преобразующие линейное перемещение объекта в изменение индуктивности или емкости чувствительного элемента: катушки индуктивности или конденсатора, соответственно, расположенных в непосредственной близости от перемещаемого объекта, а также преобразователи индуктивности или емкости в электрический сигнал. Known devices for measuring linear displacements [1] containing inductive or capacitive displacement sensors that convert the linear displacement of an object into a change in the inductance or capacitance of a sensing element: an inductor or capacitor, respectively, located in close proximity to the displaced object, as well as inductors or capacitors in electrical signal.

Недостатки известных аналогов низкие чувствительность и точность измерения перемещения. The disadvantages of the known analogues are low sensitivity and accuracy of measurement of displacement.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения перемещений [2] содержащее индуктивный датчик, выполненный в виде LC-контура, катушка индуктивности которого является чувствительным элементом и расположена вблизи от перемещаемого объекта, и измеритель частоты контура, содержащий перестраиваемый по частоте генератор электрических сигналов, подключенный к LC-контуру через ограничительный резистор, индикатор резонанса и частотомер, подключенный к выходу генератора. The closest in technical essence to the claimed invention is a device for measuring displacements [2] selected as a prototype, comprising an inductive sensor made in the form of an LC circuit, the inductor of which is a sensitive element and is located close to the moving object, and a loop frequency meter, containing frequency-tunable electrical signal generator connected to the LC circuit through a limiting resistor, a resonance indicator and a frequency meter connected to the output for generators.

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные признаки: они содержат катушку индуктивности в качестве чувствительного элемента и генератор электрических сигналов, подключенный к катушке через ограничительное сопротивление. The prototype and the claimed invention have the following similar features: they contain an inductor as a sensing element and an electric signal generator connected to the coil through a limiting resistance.

Недостатки прототипа низкая чувствительность и точность измерения перемещения, обусловленные тем, что резонансная частота контура f_p является не линейной функцией индуктивности L, а изменяется по закону f_p≈L^-1/2. Существенной является погрешность измерения резонансной частоты Δ f_p, обусловленная неточностью настройки на резонанс. Эта погрешность обратно пропорциональна добротности контура Q: Δ f_p≈1/Q и не может быть исключена.The disadvantages of the prototype are low sensitivity and accuracy of measurement of displacement, due to the fact that the resonant frequency of the circuit f _p is not a linear function of the inductance L, but changes according to the law f _p ≈ L ^-1/2 . Significant is the measurement error of the resonance frequency Δ f _p due to inaccuracy of tuning to resonance. This error is inversely proportional to the quality factor of the circuit Q: Δ f _p ≈1 / Q and cannot be excluded.

Цель изобретения повышение чувствительности и точности измерения линейных перемещений. The purpose of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of measuring linear displacements.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем индуктивный датчик в виде LC-контура, генератор сигналов, выход которого соединен со входом датчика, и преобразователь сигналов, вход которого подключен к выходу датчика, в качестве датчика используется RL-цепь, в качестве генератора сигнала генератор последовательности прямоугольных импульсов. В качестве преобразователя используются последовательно включенные преобразователь типа временной интервал амплитуда импульса и преобразователь типа амплитуда число импульсов. Дополнительно введен блок статистической обработки, вход которого подключен к выходу преобразователя амплитуда число импульсов. The goal is achieved in that in a device containing an inductive sensor in the form of an LC circuit, a signal generator, the output of which is connected to the sensor input, and a signal converter, the input of which is connected to the sensor output, uses an RL circuit as a sensor, as a signal generator rectangular pulse sequence generator. As a transducer, a serially connected transducer of the type time interval amplitude of a pulse and a transducer of type amplitude the number of pulses are used. Additionally, a statistical processing unit has been introduced, the input of which is connected to the output of the converter, the amplitude is the number of pulses.

Изобретение имеет следующие отличительные признаки: в качестве генератора электрических сигналов используется генератор последовательности прямоугольных импульсов, а в качестве преобразователя последовательно включенные преобразователь временной интервал амплитуда и амплитуда число импульсов и блок статистической обработки. The invention has the following distinctive features: a rectangular pulse sequence generator is used as an electric signal generator, and a time interval amplitude and amplitude, the number of pulses and a statistical processing unit are included in series as a converter.

Введение этих блоков позволяет преобразовать изменение индуктивности ΔL во временной сдвиг τ. Связь между временным сдвигом и индуктивность является линейной (τ ≈L), что позволяет повысить чувствительность, а также исключить необходимость настройки генератора на резонансную частоту, что позволяет повысить точность (если считать, что измерения частоты и интервала времени могут быть произведены с одинаковой точностью). The introduction of these blocks allows you to convert the change in the inductance ΔL into a time shift τ. The relationship between the time shift and inductance is linear (τ ≈L), which improves sensitivity and eliminates the need to tune the generator to a resonant frequency, which improves accuracy (assuming that the frequency and time interval can be measured with the same accuracy) .

По имеющимся сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Новизна". Сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "Изобретательский уровень". According to reports, the set of essential features characterizing the essence of the claimed invention is not known from the prior art, which allows us to conclude that the invention meets the criterion of "Novelty." The essence of the claimed invention does not follow for a specialist explicitly from the prior art, which allows us to conclude that it meets the criterion of "Inventive step".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в измерительной технике с получением технического результата, заключающегося в новой конструкции чувствительного элемента, обусловливающего обеспечение достижения поставленной цели повышение чувствительности и точности измерения линейных перемещений, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Промышленная применимость". The set of essential features characterizing the essence of the invention can be repeatedly used in measuring technique to obtain a technical result consisting in a new design of the sensing element, which ensures the achievement of the goal, increasing the sensitivity and accuracy of measuring linear movements, which allows us to conclude that the invention meets the criterion "Industrial applicability".

На фиг. 1 показана структурная схема устройства для измерения линейных перемещений; на фиг. 2 эпюры, поясняющие работу устройства. In FIG. 1 shows a block diagram of a device for measuring linear displacements; in FIG. 2 diagrams explaining the operation of the device.

Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, катушку 2 индуктивности, низкоомные резисторы 3 и 4, преобразователь 5 временной интервал амплитуда, преобразователь 6 амплитуда число импульсов, блок 7 статистической обработки. The device comprises a rectangular pulse generator 1, an inductor 2, low-resistance resistors 3 and 4, a converter 5 a time interval amplitude, a converter 6 an amplitude number of pulses, a statistical processing unit 7.

Устройство работает следующим образом. Импульсы прямоугольной формы U_г с выхода генератора 1 поступают на индуктивный датчик, представляющий собой катушку 2 индуктивности, размещаемую вблизи перемещающегося объекта, и последовательно включенный резистор 4, и на один из входов преобразователя 5. На второй вход преобразователя 5 поступают импульсы напряжения U_д, снимаемые с резистора 4. Преобразователь 5 по заданному уровню U_o формирует стартовый и стоповый импульсы U_старт и U_стоп, которые соответствуют началу и окончанию временных интервалов Δt_i, определяющих временной сдвиг импульсов U_д относительно U_г. Далее временной интервал Δt_i преобразуется в блоке 5 в импульсы фиксированной длительности с амплитудой U_i, пропорциональной Δt_i. Эти импульсы поступают на преобразователь 6, в котором они преобразуются в пачки коротких импульсов, число импульсов в которых m_i пропорционально U_i, а значит, и Δt_i. Последовательности импульсов m_i поступают на блок статистической обработки 7.The device operates as follows. The rectangular pulses U _g from the output of the generator 1 are fed to an inductive sensor, which is an inductor 2 located near the moving object, and a resistor 4 connected in series, and to one of the inputs of the converter 5. Voltage pulses U _d are received at the second input of the converter 5, removed from the resistor 4. The Converter 5 at a given level U _o generates start and stop pulses U _start and U _stop , which correspond to the beginning and end of time intervals Δt _i that determine the time shift and pulses U _d relative to U _g . Next, the time interval Δt _{i is} converted in block 5 into pulses of a fixed duration with an amplitude U _i proportional to Δt _i . These pulses are fed to the converter 6, in which they are converted into bursts of short pulses, the number of pulses in which m _{i is} proportional to U _i , and hence Δt _i . The sequence of pulses m _i arrive at the block of statistical processing 7.

Блок статистической обработки формирует гистограмму распределения m_i и рассчитывает параметры этого распределения. Математическое ожидание случайной величины m_i(M[m_i]) очевидно определяется величиной индуктивности катушки 2 L и сопротивлением резистора 4 R. При изменении расстояния l между подвижным элементом и катушкой индуктивность будет изменяться по некоторому закону L L(l), а значит, и математическое ожидание M[m_i] будет некоторой функцией расстояния l f(l). В общем случае точный вид функции f(l) неизвестен и ее можно найти только калибровкой.The statistical processing unit generates a histogram of the distribution of m _i and calculates the parameters of this distribution. The mathematical expectation of a random variable m _i (M [m _i ]) is obviously determined by the magnitude of the inductance of the coil 2 L and the resistance of the resistor 4 R. When the distance l between the movable element and the coil changes, the inductance will change according to some law LL (l), which means expectation M [m _i ] will be some function of distance lf (l). In the general case, the exact form of the function f (l) is unknown and can only be found by gauge.

Положительный эффект данного технического решения состоит в том, что в предложенном устройстве величина Δt_i определяется постоянной времени RL-цепи τ= L/R. Относительное изменение постоянной времени равно Δ τ/τ ΔL/L. Это более чем в два раза превышает относительное изменение резонансной частоты (Δf_p/f_p≈1/2· ΔL/L) в случае использования в качестве датчика резонансного контура. Кроме того, точное измерение резонансной частоты требует значительного времени, тогда как длительность одиночного измерения Δt в предложенном устройстве определяется быстродействием преобразователя амплитуда-число импульсов.The positive effect of this technical solution is that in the proposed device, the value Δt _i is determined by the time constant of the RL-circuit τ = L / R. The relative change in the time constant is Δ τ / τ ΔL / L. This is more than two times the relative change in the resonant frequency (Δf _p / f _p ≈1 / 2 · ΔL / L) in the case of using a resonant circuit as a sensor. In addition, an accurate measurement of the resonant frequency requires a significant amount of time, while the duration of a single measurement Δt in the proposed device is determined by the speed of the amplitude-number converter.

Как показали результаты опытной проверки, при использовании заявляемого устройства для измерения линейных перемещений обеспечивается измерение перемещений с порогом чувствительности порядка 5 мкм и относительной погрешностью менее 5% что недостижимо с помощью известных авторам устройств. Это позволяет существенно расширить области применения таких устройств в промышленности, на транспорте и т.п. а также повысить точность измерений в известных областях применения, например в измерителях давления, колебаний. As shown by the results of a pilot test, when using the inventive device for measuring linear displacements, a measurement of displacements with a sensitivity threshold of about 5 μm and a relative error of less than 5% is achieved, which is unattainable with the help of devices known to the authors. This allows you to significantly expand the scope of such devices in industry, transport, etc. and also increase the accuracy of measurements in known applications, for example, pressure, vibration meters.

Claims

DEVICE FOR MEASURING LINEAR MOVEMENTS, containing an electric signal generator, the output of which is connected to an inductive sensor, and a signal parameter converter, the input of which is connected to the sensor output, characterized in that the sensor is made in the form of an RL circuit, a rectangular sequence generator is used as a signal generator pulses, as a converter, two series-connected converters are used: the converter is a time interval - amplitude, to the second input of which unplugged generator output electrical signals and a converter amplitude - the number of pulses to which output is connected further inputted statistical processing unit.