Устройство для измерения расстояния

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность и расширить функциональные возможности устройства для измерения расстояния до проводящих металлических поверхностей бесконтактным способом. Это устройство содержит источник 1 питания переменного тока, первичный преобразователь с двумя катушками индуктивности 2 и 3, три детектора 6, 7 и 8, блока 9 вычитания напряжений, блок 20-й деления хотя бы один корректирующий канал 11. Такой канал содержит две дополнительные катушки индуктивности 13 и 14, два дополнительных детектора 17 и 18, дополнительный блок 19 вычитания и блок 20 выделения модуля. Напряжение на выходе блока вычитания корректирующего канала несет информацию о степени близости первичного преобразователя к краю поверхности контролируемого объекта. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерениям неэлектрических величин и может быть использовано для измерения расстояний до металлической поверхности объекта как в статическом состоянии, так и перемещении объекта относительно устройства. Наиболее целесообразно применение предлагаемого устройства для измерения в диапазоне от долей миллиметра до 40-100 мм зазоров в транспорте на магнитном подвесе, воздушной подушке, а также вибраций, толщины неметаллических покрытий и т.п.

Известно устройство для бесконтактного измерения расстояний до металлической поверхности [1], содержащее первичный преобразователь в виде катушки индуктивности, образующей с конденсатором колебательный контур, который входит в состав автогенератора, счетчик импульсов, регистр памяти, преобразователь кодов на базе постоянного запоминающего устройства, цифроаналоговый преобразователь и блок управления.

В зависимости от расстояния между катушкой индуктивности и металлической поверхностью объекта меняется значение вихревых токов, наводимых в поверхностных слоях объекта. Обратное действие вихревых токов приводит к уменьшению магнитного поля катушки первичного преобразователя, что вызывает эффект уменьшения индуктивности этой катушки. В результате в зависимости от расстояния до объекта автогенератор вырабатывает колебания различной частоты.

Известно также дифференциальное устройство для измерения расстояния содержащее две одинаковые катушки индуктивности, расположенные на ферритовых сердечниках и подключенные к генератору прямоугольных импульсов через резисторы, два амплитудных детектора и блок вычитания напряжений. Около катушек индуктивности располагаются два металлических тела, расстояние до одного из которых подлежит измерению.

Наиболее близким к изобретению является устройство для бесконтактного измерения расстояния [3], содержащее источник переменного напряжения, первичный преобразователь с двумя катушками индуктивности, два резистора, включенные последовательно с катушками индуктивности и подключенные к выходу источника переменного напряжения, три детектора, подключенные входами к катушкам индуктивности, блок вычитания напряжений, подключенный к выходам двух детекторов, которые выпрямляют напряжения двух катушек индуктивности, и блок деления, на входы которого поступают напряжения с выходов третьего детектора и блока вычитания напряжений.

Недостатком устройства является низкая точность измерения расстояния при нахождении первичного преобразователя около края поверхности объекта, расстояние до которого измеряется. Погрешность, вызванная упомянутым краевым эффектом, может достигать 15-30%.

Изобретение позволяет повысить точность измерения путем уменьшения краевого эффекта.

Для обеспечения этого устройства, содержащее источник питания переменного тока, присоединенный к нему измерительный канал, состоящий из индуктивного преобразователя зазора с двумя катушками, каждая из которых присоединена через соответствующий резистор к упомянутому источнику питания, трех детекторов, входы двух из которых подключены параллельно одной катушке индуктивности, а вход третьего - параллельно другой катушке индуктивности, блока вычитания, присоединенного к выходам первого и третьего детекторов, и блока деления, присоединенного входами к выходам блока вычитания и второго детектора, а выходом - к выходу измерительного канала устройства, дополнительно снабжено хотя бы одним корректирующим каналом, состоящим из двух катушек индуктивности, каждая из которых присоединена через соответствующий резистор к упомянутому источнику питания, присоединенных параллельно этим катушкам индуктивности двух детекторов, присоединенного к их выходам блока вычитания и соединенного с ним последовательно блока выделения модуля разностного напряжения, выход которого присоединен к дополнительному входу блока вычитания измерительного канала, причем катушки индуктивности корректирующего канала размещены со смещением одна относительно другой в направлении соответствующей составляющей корректируемого смещения и расположены рядом с катушками измерительного преобразователя.

Расширение функциональных возможностей устройства, заключающееся в получении информации о близости первичного преобразователя к краю поверхности объекта, расстояние до которого измеряется, достигается тем, что устройство снабжено дополнительными выходами, соединенными с выходами блоков вычитания соответствующих корректирующих каналов.

Устройство может быть дополнительно снабжено блоками функционального преобразования корректирующих сигналов, присоединенными между выходами соответствующих каналов и выходами соответствующих блоков вычитания.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - графики зависимостей напряжений в основных точках устройства от измеряемого расстояния и смещения объекта относительно первичного преобразователя.

Устройство содержит измерительный канал, в состав которого входят источник 1 питания переменного тока, катушки 2 и 3 индуктивности, резисторы 4 и 5, образующие с катушками 2 и 3 электрический мост, детекторы 6, 7 и 8, блок 9 вычитаний напряжений, блок 10 деления, а также один или два корректирующих канала 11 и 12. Катушки индуктивности 2 и 3, резисторы 4 и 5, детекторы 6, 7 и 8, а также блоки вычитания 9 и деления 10 образуют измерительный канал.

В состав каждого корректирующего канала 11 и 12 входят дополнительные катушки 13 и 14 индуктивности, которые с дополнительными резисторами 15 и 16 образуют также электрический мост, получающий питание от источника питания переменного тока. К катушкам 13 и 14 индуктивности подключены дополнительные детекторы 17 и 18, с которых напряжения поступают на дополнительный блок 19 вычитания напряжений и затем - на блок 20 выделения модуля напряжения. Выходы последнего соединены с дополнительными входами блока 9 вычитания напряжений. Катушки индуктивности 2 и 3 измерительного канала, а также 13 и 14 корректирующих каналов 11 и 12 образуют первичный преобразователь. Катушки 13 и 14 каждого корректирующего канала 11 и 12 конструктивно разнесены друг относительно друга в направлении корректируемой соответствующим каналом составляющей смещения объекта относительно первичного преобразователя, т.е. параллельно поверхности объекта, до которой измеряется расстояние.

При размерах этой поверхности, соизмеримых с размерами катушек 2 и 3 индуктивности, катушки 13 и 14 индуктивности должны быть расположены симметрично относительно катушек 2 и 3 для обеспечения одинаковой коррекции влияния обоих краев объекта. При больших размерах объекта это требование не является обязательным.

Выходы блоков могут быть соединены с выходами устройства непосредственно или через блоки 21 и 22 нелинейности в зависимости от требований, предъявляемых к соответствующим выходным сигналам, а также от формы краев поверхности объекта.

Устройство работает следующим образом. Под действием переменного напряжения источника 1 через резисторы 4, 5 и 15, 16 в катушках индуктивности 2, 3 и 13, 14 протекает переменный ток, который создает около первичного преобразователя переменное магнитное поле. Это магнитное поле наводит в поверхностных слоях металлического тела вихревые токи, магнитное поле которых уменьшает напряжение на катушках индуктивности. Причем влияние этого эффекта резко уменьшается по мере удаления катушки индуктивности от поверхности объекта. Так как катушки 13 и 14 индуктивности расположены на одинаковом расстоянии от поверхности объекта, то напряжения на них при достаточно большом или одинаковом удалении первичного преобразователя от краев контролируемой поверхности объекта будут равны друг другу. Поэтому равными будут напряжения на выходах детекторов 17 и 18, а напряжения на выходах детекторов 17 и 18, а напряжения на выходах блоков вычитания 19 и выделения модуля 20 будут равны нулю.

Катушки 2 и 3 индуктивности измерительного канала расположены таким образом, что поверхность объекта, до которой измеряется расстояние, находится преимущественного в магнитном поле одной из катушек, например 3, которая в таком случае будет измерительной, а катушка 2 - соответственно - компенсационной.

Вихревые токи в поверхностных слоях объекта создаются, в основном, магнитным полем измерительной катушки 3, поэтому зависимость амплитудного значения напряжения U₃ на ней, имеет вид, показанный на фиг.2. Магнитное поле компенсационной катушки 2 практически не создает вихревых токов в объекте, и напряжение U₂ на ней будет значительно слабее зависеть от расстояния L_х.

После выпрямления напряжений U₂ и U₃ детекторами 6 и 7 напряжения U₆ и U₇ на их выходах будут иметь такую же зависимость от расстояния L_х(см.фиг. 2). Разность этих напряжений на выходе блока вычитания 9 (напряжение U^ ) c увеличением расстояния L_х будет уменьшаться. Блоком деления 10 напряжение U^ преобразуется в выходное напряжение, практически линейно зависящее от расстояния L_х.

На фиг. 2 показана зависимость от L_х выходного напряжения U_вых(L) при отсутствии влияния корректирующих каналов, т.е. при работе только измерительного канала.

Краевой эффект в работе измерительного канала проявляется в следующем. При приближении первичного преобразователя к краю поверхности объекта (без изменения расстояния L_х до нее) площадь поверхности с наведенными вихревыми токами уменьшается, что вызывает увеличение напряжения U₃. Следствием этого является уменьшение напряжения U^ и увеличение выходного напряжения устройства.

В качестве примера на фиг.2 показана зависимость выходного напряжения U_вых от поперечного смещения В первичного преобразователя при неизменном расстоянии L_х и отключенных корректирующих каналах (напряжение U_вых(В)) при измерении расстояния до объекта в виде металлической полосы. В таком случае напряжения на катушках индуктивности 13 и 14 корректирующего канала поперечного смещения (например, канала 11) будут отличаться друг от друга тем больше, чем больше поперечное смещение В).

Разность напряжений, выделенная блоком 19 вычитания, будет нести информацию о смещении В. Знак этого напряжения будет зависеть от направления смещения относительно центрального положения первичного преобразователя. После прохождения через блок 20 выделения модуля полученное напряжение (выходное напряжение корректирующего канала U_кк) будет иметь одну полярность (см. фиг.2). Это напряжение в блоке 9 вычитания напряжений складывается с напряжением U^ (или вычитается в зависимости от полярности напряжения U_кк), корректируя уменьшение разности напряжений U₂ и U₃ из-за краевого эффекта. В результате выходное напряжение устройства Uвых будет практически независимым от смещения В в достаточно широком диапазоне его изменения.

Для обеспечения чувствительности корректирующего канала к поперечному смещению первичного преобразователя катушки индуктивности 13 и 14 соответствующего корректирующего канала (например, канала 11) должны быть расположены со смещением друг относительно друга в поперечном направлении. В результате этого катушки 13 и 14, находясь на разных расстояниях от каждого края тела, будут обеспечивать чувствительность первичного преобразователя к поперечному смещению.

При измерении расстояния до тела, контролируемая поверхность которого ограничена и в продольном и в поперечном направлении тела, устройство выполняется с двумя корректирующими каналами 11 и 12. Причем, если катушки 13 и 14 индуктивности канала 11 разнесены относительно друг друга в направлении поперечной составляющей смещения, то соответственно катушки индуктивности канала 12 разнесены относительно друг друга в направлении продольной составляющей смещения.

При наличии выступающих бортов на краях поверхности объекта, до которой измеряется расстояние, краевой эффект приводит к увеличению напряжения U^ и уменьшению U_вых(В) при смещении первичного преобразователя относительно центрального положения объекта. В таком случае необходимо вычитание напряжения U_кк из напряжения U^.

Напряжения на выходах блоков вычитания 19 корректирующих каналов 11 и 12 несут информацию о степени близости первичного преобразователя к краю поверхности объекта. Однако, зависимость этого сигнала от смещения имеет различный вид для объектов разных размеров и форм. При необходимости линеаризации зависимости сигнала на дополнительных выходах устройства от смещения могут быть введены блоки 21 и 22 функционального преобразования для каждого корректирующего канала 11 и 12. Дополнительные входы блоков 21 и 22 могут быть подключены к выходам блоков вычитания 9 или деления 10 измерительного канала, а также блоков вычитания 19 и выделения модуля 20 другого корректирующего канала. Этим может быть скорректирована зависимость сигнала смещения от измеряемого расстояния или смещения по второй координате.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить точное измерение расстояния до объекта ограниченных размеров при перемещении устройства относительно объекта в различных направлениях. Одной из перспективных областей применения предложения является измерение длины воздушного зазора в системе магнитного подвеса высокоскоростного наземного транспорта. Нечувствительность прибора к поперечным смещениям первичного преобразователя позволяет в таком случае в качестве объекта использовать неподвижную часть магнитной системы подвеса с достаточно узкой поверхностью, обеспечив в результате экономию металла более 1 т на 1 км пути.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ до поверхности объекта, содержащее источник питания переменного тока, присоединенный к нему измерительный канал, состоящий из индуктивного преобразователя зазора с двумя катушками, каждая из которых присоединена через соответствующий резистор к источнику питания, трех детекторов, входы двух из которых подключены параллельно одной катушке индуктивности, а вход третьего - параллельно другой катушке индуктивности, блока вычитания, присоединенного к выходам первого и третьего детекторов, и блока деления, присоединенного входами к выходам блока вычитания и второго детектора, а выходом - к выходу измерительного канала устройства, отличающееся тем, что оно снабжено хотя бы одним корректирующим каналом, состоящим из двух катушек индуктивности, каждая из которых присоединена через соответствующий резистор к источнику питания, присоединенных параллельно этим катушкам индуктивности двух детекторов, присоединенного к их выходам блока вычитания и соединенного с ним последовательно блока выделения модуля разностного напряжения, выход которого присоединен к дополнительному входу блока вычитания измерительного канала, катушки индуктивности корректирующего канала размещены со смещением одна относительно другой в направлении соответствующей составляющей корректируемого смещения и расположены рядом с катушками индуктивного преобразователя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными выходами, соединенными с выходами блоков вычитания соответствующих корректирующих каналов.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено блоками функционального преобразования корректирующих сигналов, присоединенными между выходами соответствующих каналов и выходами соответствующих блоков вычитания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2