Способ измерения перемещений

 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал. Техническим результатом является повышение точности. Способ основан на том, что формируют эталонный сигнал с известным спектром, определяют спектр выходного сигнала, сравнивают между собой спектры эталонного и выходного сигналов и, в случае их неидентичности, определяют с учетом обратного преобразования Фурье спектр сигнала возбуждения. 1 ил.

Изобретение относится к локационному методу преобразования неэлектрических величин в электрический сигнал, а именно к устройствам измерения перемещения.

Известен локационный способ, основанный на измерении времени прохождения измеряемого перемещения (расстояния) излучением, скорость которого известна и остается неизменной в процессе измерения [см. Спектор С.А. Электрические измерения неэлектрических величин: Методы измерений: Учебн. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987, с.172-178].

Недостатком способа является низкая точность, обусловленная неоднородностью свойств по длине участков прохождения излучения от места возбуждения до места приема и изменением этих свойств под влиянием внешних факторов (температура и т. п. ), что приводит к изменению скорости распространения излучения и зависимости ее от времени и координаты.

Наиболее близким к изобретению является также локационный способ измерения перемещений, основанный на измерении промежутка времени прохождения упругой волной участка волновода, равного измеряемому перемещению, от момента ее возбуждения до момента приема, при котором с целью получения высокой точности измерения форму сигнала возбуждения выбирают такой, чтобы выходной сигнал после прохождения волноводного тракта имел максимальную амплитуду при нормальных условиях, причем за одну из характерных точек выходного сигнала берут точку максимума [см. Артемьев Э.А., Дружинин В.А. Оптимизация формы зондирующего сигнала магнитострикционного датчика линейных перемещений. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров". М. : 1985. - 95 с.] (здесь и далее характерной точкой будем называть точку уровня отсчета).

Однако точность данного способа также невысока из-за действия влияющих величин на свойства волноводного тракта и, следовательно, на скорость распространения излучения.

Для достижения технического результата - повышения точности измерения перемещений - организуют волноводный тракт, состоящий из волновода, формирователя сигнала возбуждения и приемника, формируют сигнал возбуждения, возбуждают волны в волноводе, принимают волну после ее прохождения через участок волновода, равный измеряемому перемещению, преобразуют волну в выходной сигнал, формируют эталонный сигнал с известным спектром, определяют спектр выходного сигнала, сравнивают между собой спектры эталонного и выходного сигналов и, в случае их неидентичности, определяют спектр сигнала возбуждения, вычисляют комплексную частотную характеристику участка волноводного тракта, соответствующего измеряемому перемещению в текущий момент времени, вычисляют спектр нового сигнала возбуждения, при котором спектр выходного сигнала соответствует спектру эталонного сигнала в текущий момент времени, и формируют новый сигнал возбуждения, причем за результат измерения принимают промежуток времени между характерными точками сигнала возбуждения и выходного сигнала при идентичности спектров выходного и эталонного сигналов.

Известно, что при локационном способе измерения промежуток времени Δt между характерными точками сигнала возбуждения S_ВОЗБ(t) и выходного сигнала S_ВЫХ(t) зависит, кроме проходимого волной измеряемого расстояния x, еще и от динамических свойств волноводного канала, определяемых его комплексной частотной характеристикой К(ω): Δt=F₁(x,K(ω),...). (1) При распространении волн в волноводе вследствие неоднородности его свойств по длине, разной протяженности участка волновода, явления дисперсии и изменений параметров среды распространения излучения, вызываемых действиями влияющих факторов (температуры и т.п.), изменяется комплексная частотная характеристика К(ω) участка волновода: где S_ВЫХ(ω) и S_ВОЗБ(ω) - соответственно спектры выходного сигнала и сигнала возбуждения; x - измеряемое перемещение [м]; ω - частота [Гц]; Θ - температура окружающей среды [^oС]; с - средняя скорость распространения волны на участке волновода в текущий момент времени [м/с].

При изменении К(ω) в конечном итоге изменяется форма выходного сигнала (и его спектр) и соответственно изменяется положение характерной точки его во времени относительно характерной точки сигнала возбуждения, что приводит к появлению погрешности измерения.

Характерными точками (XT) входного и выходного сигналов могут быть положение их экстремума на временной оси, моменты перехода их через нуль, положение точки на их фронтах, соответствующей определенной доли от амплитуды, их комбинации и т.п.

Если поддерживать неизменной форму (и спектр) выходного сигнала S_ВЫХ(ω), т.е.

S_ВЫХ(ω)=S_ЭТ(ω)=const, (3) то положение характерной точки отсчета на временной оси для выходного сигнала будет неизменным и при неизменном положении характерной точки сигнала возбуждения временной интервал Δt будет однозначно определять измеряемое перемещение:
Δt=x/c. (4)
Текущему значению КЧХ K_i(ω) участка волноводного тракта, соответствующего измеряемому перемещению x в текущий момент времени t, должен соответствовать следующий спектр сигнала возбуждения:

Спектрам сигнала возбуждения S_ВОЗБ(ω) и выходного сигнала S_ВЫХ(ω)=S_ЭТ(ω) соответствуют сигналы, форма которых с учетом обратного преобразования Фурье имеет вид:

Спектр принятого сигнала вследствие задержки при прохождении по волноводному тракту (спектр задержанного сигнала) будет иметь вид:

где S_ВЫХ0(ω) - спектр выходного сигнала, принятого в системе при отсутствии смещения приемника относительно излучателя (Δt_i);
Δt_i - промежуток времени между запуском и приемом сигнала [с].

Таким образом, можно определить промежуток времени Δt_i между характерными точками сигналов возбуждения и приема на временной оси, а также расстояние Х_i между приемником и излучателем.

Так как форма выходного сигнала S_ВЫХ(ω) остается неизменной (S_ВЫХ(ω)= S_ЭТ(ω)), то характерные точки, например, положение экстремума выходного сигнала относительно перехода через нуль сигнала возбуждения, будут однозначно определять измеряемое перемещение независимо от действия влияющих величин на параметры волноводного тракта, чем и достигается технический эффект.

На чертеже представлена структурная схема магнитострикционного преобразователя перемещений (МПП), реализующего предлагаемый способ.

МПП состоит из волноводного тракта (ВТ) и блока обработки и управления (БОУ).

ВТ содержит ферромагнитный волновод 1, концы которого помещены в демпферы 3, формирователь сигналов возбуждения (ФВ) 6, возбудитель упругих волн (УВ) в волноводе 2, преобразователь 4 УВ в ЭДС и усилитель выходного сигнала 5, причем последние вместе образуют приемник УВ.

Объект, перемещение которого измеряется, жестко связан с возбудителем 2.

БОУ содержит формирователь 7 спектра эталонного сигнала (ФЭ), спектроанализаторы (СА) 8 и 9 соответственно выходного и входного сигналов, блок сравнения 10 спектров эталонного и выходного сигналов, вычислитель КЧХ (ВК) 11, функциональный генератор (ФГ) 13, реализующий функцию (5) и генерацию требуемого выходного сигнала, а также вычислитель интервалов времени (ВИ) 12 и блок управления 14.

МПП работает следующим образом.

По команде "Пуск" с выхода 2 БОУ на входы ФВ 6 и СА 9 поступает сигнал заданной формы (с известным спектром). В ФВ 6 он усиливается и с помощью возбудителя 2 вследствие прямого эффекта магнитострикции возбуждает в волноводе 1 УВ, которая распространяется в последнем со скоростью c(t) в обе стороны от места возбуждения. Достигнув демпферов 3, эта волна поглощается ими.

УВ, распространяясь вправо от места возбуждения, проходит под преобразователем 4 и в этот момент на его выходе (вследствие обратного эффекта магнитострикции) формируется ЭДС, которая усиливается усилителем 5 и поступает на входы ВИ 12 и СА 8. Интервал времени между моментом возбуждения УВ в волноводе 1 и моментом возникновения ЭДС на выходе преобразователя 4 определяет измеряемое перемещение x.

На выходе СА 8 формируется спектр S_ВЫХ(ω) выходного сигнала, который поступает на второй вход БС 10. Одновременно с этим на первый вход БС 10 поступает спектр эталонного сигнала S_ЭТ(ω) с выхода блока 7. В БС 10 осуществляется сравнение спектров эталонного и выходного сигналов и при их равенстве формируется сигнал запуска ВИ 12, который вычисляет результат измерения по формуле (4).

При неидентичности спектров эталонного и выходного сигналов на втором выходе БС 10 появляется сигнал, который поступает на БУ 14, и на выходах 1 и 4 его появляются сигналы управления, которые, во-первых, запускают СА 9 на определение спектра сигнала возбуждения, а во-вторых, на вычисление КЧХ ВТ вычислителем ВК 11.

Вычисленное текущее значение КЧХ ВТ К(ω) поступает на первый вход ФГ 13. Одновременно с этим на второй вход ФГ 13 поступает сигнал с выхода ФЭ 7, после чего по команде от БУ 14 на выходе ФГ 7 формируется сигнал возбуждения, спектр (и форма) которого определяется выражением (5).

Далее цикл работы МПП повторяется.

Положительный эффект достигается за счет того, что форма выходного сигнала S_ВЫХ(ω) остается неизменной (S_ВЫХ(ω)=S_ЭТ(ω)) и характерные точки будут однозначно определять измеряемое перемещение независимо от действия влияющих величин на параметры волноводного тракта.

Источники информации
1. Спектор С.А. Электрические измерения неэлектрических величин: Методы измерений: Учебн. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987, с.172-178.

2. Артемьев Э.А., Дружинин В.А. Оптимизация формы зондирующего сигнала магнитострикционного датчика линейных перемещений. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров". М.: 1985. - 95 с.

Формула изобретения

Способ измерения перемещений, реализованный волноводным трактом, состоящим из волновода, формирователя сигнала возбуждения и приемника, заключающийся в том, что формируют сигнал возбуждения, возбуждают волну в волноводе, принимают волну после ее прохождения через участок волновода, равный измеряемому перемещению, и преобразуют волну в выходной сигнал, отличающийся тем, что формируют эталонный сигнал с известным спектром, определяют спектр выходного сигнала, сравнивают между собой спектры эталонного и выходного сигналов и, в случае их неидентичности, определяют с учетом обратного преобразования Фурье спектр сигнала возбуждения, вычисляют комплексную частотную характеристику участка волноводного тракта, соответствующего измеряемому перемещению в текущий момент времени, как отношение спектра выходного сигнала к спектру сигнала возбуждения, вычисляют спектр нового сигнала возбуждения как отношение спектра эталонного сигнала к упомянутой комплексной частотной характеристике и повторяют цикл измерения, измеряемое перемещение соответствует промежутку времени между характерными точками сигнала возбуждения и выходного сигнала при идентичности спектров выходного и эталонного сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1