Устройство для измерения линейных перемещений

 

Использование: в измерительной технике. Цель - повышение чувствительности и точности измерения линейных перемещений. Сущность: в устройство для измерения линейных перемещений в качестве чувствительного элемента используется RL-цепь, подключенная к выходу генератора импульсов, передний фронт которых определяется индуктивностью, зависящей от расстояния до объекта. Момент времени достижения определенного уровня импульсов измеряется с помощью преобразователя временной интервал - амплитуда, выход которого подключен к блоку статистической обработки. 2 ил.

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.

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.

Недостатки известных аналогов низкие чувствительность и точность измерения перемещения.

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.

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.

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_pL^-1/2. Существенной является погрешность измерения резонансной частоты f_p, обусловленная неточностью настройки на резонанс. Эта погрешность обратно пропорциональна добротности контура Q: f_p1/Q и не может быть исключена.

Цель изобретения повышение чувствительности и точности измерения линейных перемещений.

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.

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.

Введение этих блоков позволяет преобразовать изменение индуктивности L во временной сдвиг . Связь между временным сдвигом и индуктивность является линейной ( 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).

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".

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".

На фиг. 1 показана структурная схема устройства для измерения линейных перемещений; на фиг. 2 эпюры, поясняющие работу устройства.

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.

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 t_i, определяющих временной сдвиг импульсов U_д относительно U_г. Далее временной интервал t_i преобразуется в блоке 5 в импульсы фиксированной длительности с амплитудой U_i, пропорциональной t_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 t_i. Последовательности импульсов m_i поступают на блок статистической обработки 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.

Положительный эффект данного технического решения состоит в том, что в предложенном устройстве величина t_i определяется постоянной времени RL-цепи = L/R. Относительное изменение постоянной времени равно / L/L. Это более чем в два раза превышает относительное изменение резонансной частоты (f_p/f_p1/2 L/L) в случае использования в качестве датчика резонансного контура. Кроме того, точное измерение резонансной частоты требует значительного времени, тогда как длительность одиночного измерения t в предложенном устройстве определяется быстродействием преобразователя амплитуда-число импульсов.

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.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее генератор электрических сигналов, к выходу которого подключен индуктивный датчик, и преобразователь параметров сигналов, вход которого подключен к выходу датчика, отличающееся тем, что датчик выполнен в виде RL-цепи, в качестве генератора сигналов используется генератор последовательности прямоугольных импульсов, в качестве преобразователя используется два последовательно включенных преобразователя: преобразователь временной интервал - амплитуда, к второму входу которого подключен выход генератора электрических сигналов, и преобразователь амплитуда - число импульсов, к выходу которого подключен дополнительно введенный блок статистической обработки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2