Способ измерения перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений произвольно ориентированных объектов. Цель - повышение точности. Приводят чувствительный элемент преобразователя (НЭП) в колебания, последовательно изменяют пространственную ориентацию НЭП. Устанавливают НЭП в направлении, в котором вычисленный с помощью коэффициента преобразования Фурье модуль Фурье коэффициента (МФК), соответствующий частоте колебаний ЧЭП, приобретает максимальное значение. Перемещение объекта определяют с учетом отношения МФК, соответствующего нулевой частоте механических колебаний, и МФК, соответствующего частоте механических колебаний ЧЭП в направлении окончательной установки ЧЭП. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 В 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4775346/28

{22) 03.11.89 (46) 07.03.92. Бюл, ЛЬ 9

{71) Каунасский политехнический институт им. А.Снечкуса (72) А.В.Мозурас и К.Н.Рагульскис (53) 531.717.7 {088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

hh 1227938, кл. 6 01 В 7/00, 1986.

Авторское свидетельство СССР

М 1226015, кл, G 01 В 7/00, 1986. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений произвольно ориИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для . измерения перемещений произвольно ориентированных объектов.

Известен способ измерения перемещений с помощью емкостного преобразователя, включаемого в колебательный контур автогенератора.

Недостатком данного способа является невозможность измерения абсолютных значений перемещения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения перемещений.

Недостатками являются невозможность абсолютных измерений, влияние на результат измерения возможной непараллельности размещений объекта и элементов преобразователя, „, 50„„1717944 А1 ентированных объектов. Цель — повышение точности. Приводят чувствительный элемент преобразователя (ЧЭП) в колебания, последовательно изменяют пространственную ориентацию ЧЭП. Устанавливают ЧЭП в направлении, в котором вычисленный с помощью коэффициента преобразования

Фурье модуль Фурье коэффициента (МФК), соответствующий частоте колебаний ЧЭП, приобретает максимальное значение. Перемещение объекта определяют с учетом отношения МФК, соответствующего нулевой частоте механических колебаний, и

МФК, соответствующего частоте механических колебаний ЧЭП в направлении окончательной установки ЧЭП. 2 ил.

Целью изобретения является повышение точности. ЫЬ

Сущность изобретения заключается в том, что при приведении чувствительного а элемента в колебания с заданной амплитудой, последовательном пространственном сканировании в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, одновременном определении максимального значения модуля 4

Фурье коэффициента, соответствующего частоте механических колебаний чувствительного элемента, слежении за изменением модуля Фурье коэффициента, соответствующего нулевой частоте механических колебаний, представляется возможность определить абсолютное перемещение объекта без погрешности из-за непараллельности поверхностей объекта и

1717944 чувствительного элемента, что повышает точность измерения.

На фиг.1 изображена схема реализации способа; на фиг,2 — схема определения направления механических колебаний элемента.

Схема способа включаетобъект1,виброискатель 2, чувствительный элемент 3(электрод), катушку 4 индуктивности, цепь 5 обратной связи, усилитель 6, двухкоординатный сканирующий механизм 7, блок 8 управления, частотомер 9, вычислительный блок 10.

Фиг.2 поясняет определение направления механических колебаний чувствительного элемента, перпендикулярного поверхности объекта, где х, у, z- координатные оси; хозгод, заданная амплитуда колебаний чувствительного элемента; Р— произвольная плоскость; а — направление колебаний чувствительного элемента в пло, скости Р; а1 — направление колебаний чувствительного элемента в плоскости Р, проэкция амплитуды KGTopblx на Ось 2 явля ется максимальной; а — угол между а и а1;

az — направление колебаний чувствительного элемента, совпадающее с осью 2; Р- угол между плоскостью P и осью 2; Q- плоскость, перпендикулярная плоскости P и проходящая через направление а1

Пример. В качестве преобразователя линейных перемещений выберем преобразователь, содержащий резонансный контур (фиг,1), Квадрат резонансной частоты электрических колебаний в контуре линейно зависит от перемещений объекта 1, поэтому он выбирается в качестве информативного сигнала преобразователя.

К поверхности объекта 1, перемещения которого измеряются (фиг.1), приближают виброискатель 2 с электродом 3 (чувствительным элементом преобразователя в данном случае является электрод 3) так, чтобы между электродом 3 и поверхностью объекта 1 образовался конденсатор.

В резонансном контуре, содержащем конденсатор и катушку 4 индуктивности возбуждают резонансные электрические колебания в диапазоне частот от единиц до сотен мегагерц. Это осуществляется тем, что энергия через положительную обратную связь (цепь обратной связи 5) с выхода усилителя 6 подается на колебательный контур.

Электрод 3, закрепленный на конце виброискателя 2, приводят в колебания с заданной амплитудой хозад, Резонансная частота электрических колебаний в контуре изменяется по закону, определяемому изменением растояния между обкладками динамического конденсатора, одной обкладкой которого является электрод 3, другой — поверхность объекта 1.

B начальном местоположении исследуемого объекта 1 с помощью двухкоординат5 ного сканирующего механизма 7, вход которого подключен к выходу блока 8 управления, последовательно поворачивают виброискатель 2 с электродом 3 в произвольно выбранной плоскости, таким образом изме10 няя направление механических колебаний электрода 3. В каждом направлении виброискателя 2 частотомером 9, подключенным к выходу усилителя 6, измеряют N мгновенных значений резонансной частоты vn (n=

15 0,1, ..., N-1) электрических колебаний в контуре (каждое мгновенное значение резонансной частоты v> измеряют через интервал времени сщ. и измеренных значений помещают в память вычислительного блока 10, 20 вход которого соединен с выходом частотомера 9. В вычислительном блоке 10 определяют модуль Фурье коэффициента, соответствующего частоте механических колебаний электрода 3. Для этого по формуле

25 и-1 „N-1 !

ЬР(1с)! =Ь? (g асов(2лф)) + (X 4з!"(g)j где 1Ь (К)1 — модуль коэффициента Фурье, 30 соответствующего параметру k; k — целое положительное число, изменяющееся от 0 до N-1; v> — и-е измеренное значение резонансной частоты электрических колебаний, N — число измеренных значений резонансной частоты для данного направления виброискателя 2; Ьт — интервал времени между двумя измерениями частоты v>, определяют значения (ЬР(М) I для k = 0,1„„,N — 1; При

40 механических колебаниях электрода 3 некоторое число k = k< будет соответствовать частоте механических колебаний электрода.

Из множества значений )Ь ®) (k =

0,1,...,N — 1) выбирают значение IM(kq)l, которое является искомым модулем коэффициента Фурье, соответствующего частоте механических колебаний электрода 3.

Фиксируют направление виброискателя 2, в котором модуль коэффициента

Фурье, соответствующего частоте механических колебаний электрода 3, имеет максимальное значение. С помощью двухкоординатного сканирующего механизма 7 последовательно поворачивают виброискатель 2 в следующей плоскости, перпендикулярной первой плоскости и проходящей через последнее фиксированное направление виброискателя 2. При этом с помощью вышеописанных операций определяют на1717944

40

50

55 правление виброискателя 2, в котором модуль коэффициента Фурье, соответствующего частоте механических колебаний электрода 3, имеет максимальное значение

1Ь ф1)1 = Ihw (}<1)!макс (2)

В этом направлении по и измеренным значениям резонансной частоты электрических колебаний v,-, по формуле (1) определяют также и модуль коэффициента Фурье, соответствующего нулевой частоте механических колебаний, 1Ь (0)1 т.е. модуль коэффициента Фурье при k = О.

В конечном местоположении объекта 1, в котором нас интересует перемещение относительно начального местоположения объекта 1, по N измеренным значениям частоты электрических колебаний .v> по формуле (1) определяют модуль коэффициента

Фурье 1Ь }(0) I, а перемещение объекта 1 находят по формуле; BID (3) ! (k1) 1 макс. где хозад. заданная амплитуда механических колебаний электрода 3;

1&(ki) l макс. — максимальное значение модуля коэффициента Фурье, соответствующего частоте механических колебаний электрода 3; Л1AP(0) I — изменение модуля коэффициента Фурье, соответствующего нулевой частоте механических колебаний, т.е. разница между значениями !Ь (0)1, рассчитанными в конечном и начальном местоположениях объекта 1.

Последовательный поворот виброискателя 2 с электродом 3 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при одновременном определении модуля коэффициента Фурье !ЛР(k1)l, соответствующего частоте механических колебаний электрода

3, необходим для определения направления виброискателя 2, в котором он является перпендикулярным поверхности объекта 1, также направление колебания электрода 3 с заданной амплитудой хозад, является перпендикулярным поверхности объекта 1, и поверхность рабочей плоскости электрода 3 является параллельной поверхности объекта 1, что повышает точность измерений.

Операции нахождения перпендикулярного поверхности обьекта 1 направления иллюстрируются на фиг.2.

Определяемый по формуле (1) модуль коэффициента Фурье I M(k1) I, соответствующий частоте колебаний электрода 3, пропорционален проэкции заданной амплитуды колебаний измерительного электрода 3 хозад. на ось z (фиг.2). Поэтому можно записать

I (k }) I = A Хозад.COSQCOSj9, (4) где А — коэффициент пропорциональности; хозад. — заданная амплитуда электрода

3;аф — углы, определяющие направление а} виброискателя 2 с электродом 3. Поэтому, как следует из формулы (4), модуль коэффициента Фурье 1,6Р(К1)1 приобретает максимальное значение при а = О йф = О, Зто направление виброискателя 2 является перпендикулярным поверхности объекта 1. Направление, в котором модуль коэффициента

1Ь (k1) !является максимальным, в предлагаемом способе находится следующим образом.

Сначала виброискателя 2 поворачивается в произвольно выбранной плоскости Р, ищется направление в этой плоскости, в котором модуль коэффициента Фурье имеет максимальное значение. На фиг.2 это направление обозначено а1. Затем виброискатель поворачивается в.плоскости Q, перпендикулярной первой плоскости P u проходящей через направление а1. Ищется направление виброискателя 2, в котором модуль коэффициента Фурье I Ь (k1) I приобретает максимальное значение. На фиг.2 направление обозначено а2, оно совпадает с направлением оси z. B направлении а2

I (k1) 1 макс = Ахозад. (5) где I ВР(}с1) l — максимальное значение модуля коэффициента Фурье, соответствующего частоте механических колебаний электрода 3.

В предлагаемом способе повышена точность измерения из-за исключения погрешностей, связанных с неизвестной ориентацией объекта, Точность измерения по сравнению с прототипом повышается в среднем 14,7 раза.

Предлагаемый способ обеспечивает возможность измерения точных абсолютных значений перемещения, измерения перемещений объектов с трудно определяемой ориентацией их поверхности.

Формула изобретения

Способ измерения перемещений, заключающийся в том, что размещают чувствительный элемент преобразователя линейных перемещений на заданном расстоянии от поверхности контролируемого объекта, измеряют сигнал преобразователя, по измеренному сигналу судят о перемещении, отл и ч а ю щ и и ся тем, что, с целью повышения точности измерения, приводят

1717944

4иг. 1

55 чувствительный элемент преобразователя в механическое гармоническое колебание с заданной амплитудой в направлении его оси чувствительности, последовательно изменяют направление механических гармонических колебаний в фиксированной плоскости путем поворота оси чувствительного элемента в указанной плоскости, для каждого из направлений чувствительного элемента по сигналам преобразователя вычисляют коэффициент преобразования Фурье, соответствующий частоте колебаний чувствительного элемента, фиксируют направление оси чувствительного элемента в плоскости, при котором вычисленный коэффициент имеет максимальное значение. последовательно изменяют направление колебаний в плоскости, перпендикулярной первоначальной, путем поворота оси чувствительного

5 элемента, по сигналам преобразователя вычисляют коэффициент преобразования

Фурье, соответствующий частоте колебаний чувствительного элемента, фиксируют направление оси чувствительного элемен10 та, при котором вычисленные значение коэффициента имеет максимальное значение, вычисляют коэффициент преобразования Фурье, соответствующий нулевой частоте, а о перемещении судят

15 по изменениям данного коэффициента в процессе измерений.

1717944

Фиг. 2

Составитель А.Мозурас

Редактор Н,Лазаренко Техред М.Моргентал Корректор М.Кучерявая

Заказ 868 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101