Устройство для бесконтактного измерения расстояний Советский патент 1992 года по МПК G01B7/02 

Изобретение относится к области измерения неэлектрических величин и может быть использовано для измерения расстояний до металлической поверхности объекта как в статическом состоянии, так и при перемещении последнего Наиболее целесообразно применение предлагаемого устройства для измерения в диапазоне до 30-40 мм зазоров в транспорте на магнитном подвесе, воздушной подушке, а также при измерении толщины неметаллических покрытий, вибрации и т.п.

Известно устройство для бесконтактного измерения расстояния до металлической поверхности, 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 постоянно запоминающего устройства, циф- роаналоговый преобразователь и блок управления.

В зависимости от расстояния между катушкой индуктивности и металлической поверхностью объекта меняется величина вихревых токов, наводимых в поверхностных слоях объекта. Обратное действие вихревых токов вызывает уменьшение магнитного поля катушки первичного преобра х| О О СО

О

эователя, что вызывает эффект уменьшения индуктивности этой катушки. В результате в зависимости от расстояния до объекта автогенератор вырабатывает колебания различной частоты.

Блок управления включает счетчик на строго определенное время, за которое подсчитывается количество колебаний автогенератора. Затем это количество переписывается в регистр памяти, выходной код которого поступает на вход преобразователя кодов. Передаточная функция преобразователя определяется содержимым постоянного запоминающего устройства. В него записываются коды, обеспечивающие коррекцию нелинейности преобразования расстояние - частота. Обратное преобразование числовых кодов в аналоговый сигнал осуществляется цифроаналоговым преобразователем.

Существенными недостатками такого устройства, ограничивающими область его применения, являются:

необходимость тщательного и индивидуального подбора конденсаторов колебательного контура автогенератора для обеспечения приемлемой термостабильности частоты;

сложность схемной реализации;

ступенчатая форма передаточной характеристики;

большая инерционность устройства (время преобразования составляет несколько сотен микросекунд);

большой уровень собственных шумов, обусловленный работой цифроаналогового преобразователя;

ограниченный температурный диапазон работы первичного преобразователя в связи с необходимостью размещения в его ссгаве полупроводниковых элементов автогенератора.

Известно также дифференциальное устройство для измерения расстояния. Это устройство содержит две одинаковых катушки индуктивности, расположенные на ферри- товых 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.

Принцип действия датчика заключается в измерении падения напряжения на катушках, индуктивность одной из которых изменяется в зависимости от контролируемого расстояния. Благодаря применению второй компенсирующей катушки удается в значительной степени ослабить влияние дестабилизирующих факторов на первичный преобразователь, образованный двумя катушками индуктивности

Недостатками данного устройства являются:

большая нелинейность передаточной характеристики, обусловленная нелинейной зависимостью индуктивности катушки

0 от измеряемого расстояния, и вызванный этим малый диапазон измерения расстояний;

недостаточная точность измерений из- за сильного влияния на результаты измере5 ний выходного напряжения генератора под действием температуры, старения, колебаний напряжения питания датчика;

большая чувствительность к внешним магнитным полям, вызываемая параметри0 ческим эффектом из-за нелинейности кривой намагничивания ферритовых сердечников, а также сложением напряжений помех, наводимых в катушках, с напряжением полезного сигнала.

5 Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения толщины защитного слоя бетона в железобетонных конструкциях.

Устройство содержит источник пере0 менного напряжения, включающий блок питания, генератор и выходной усилитель, первичный преобразователь - индуктивный датчик в виде П-образных сердечников, один из которых содержит одну питающую

5 и две измерительных обмотки, а другой - одну питающую и одну измерительную обмотки, причем выступы сердечника с двумя измерительными обмотками короче выступов сердечника с одной измерительной об0 моткой на известную величину, выходной блок с показывающим устройством логомет- рического типа, включающий два амплитудных детект.ора и делительное устройство, которое выполнено в виде двух логарифми5 рующих элементов и измерительного прибора. Последний включен по схеме измерения разности напряжений логарифмирующих элементов, т.е. образует узел вычитания напряжения.

0 Принцип действия прибора заключается в определении сигналов на измерительных обмотках, вычитании напряжений двух обмоток и делении напряжения третьей измерительной обмотки на разностное. При

5 этом благодаря операции деления, выполняемой делительным устройством, ослабляется влияние нестабильности выходного напряжения усилителя а также осуществляется линеаризация передаточной характеристики.

Недостатками этого устройства являются1 большая погрешность измерений, в особенности при измерении расстояний, близких к максимальным величинам, из-за влияния сдвига фаз вычитаемых напряжений измерительных обмоток, температурных изменений падений напряжения на диодах амплитудных детекторов;

сильное влияние внешних магнитных полей, наводящих в измерительных катушках дополнительную ЭДС и изменяющих магнитную проницаемость сердечников с обмотками;

сложность конструкции первичного преобразователя.

Целью изобретения является повышение TOWOCTH и помехоустойчивости устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее источник переменного напряжения, первичный преобразователь с двумя катушками индуктивности, узел вычитания, блок деления, два резистора, включенные последовательно с соответствующими катушками индуктивности первичного преобразователя, и два детектора, один из которых включен между первой катушкой индуктивности и входом блока деле- ния. снабжено третьим детектором, включенным между второй катушкой индуктивности и первым входом узла вычитания, второй детектор включен между первой катушкой индуктивности и вторым входом узла вычитания, а выход узла вычитания соединен с вторым входом блока деления.

При этом операция детектирования осуществляется для напряжений на катушках индуктивности. Эти напряжения имеют достаточно большую величину и при детектировании происходит изменение напряжений практически на одинаковую величину, т.е. нелинейность передаточной характеристики детектирующих элементов проявляется одинаково. Последующее вычитание компенсирует влияние детекторов и разностное напряжение на выходе узла вычитания пропорционально разности напряжений на катушках индуктивности с высокой точностью. Последущее деление компенсирует влияние колебаний напряжения.

Этим достигается повышение точности и стабильности устройства.

Повышенная симметрия каналов и отсутствие ферромагнитных сердечников способствует увеличению помехоустойчивости устройства.

Применение интегрирующей цепи и выполнение источника переменного напряжения в виде формирователя прямоугольных

импульсов стабилизирует форму напряжения питани0 измерительной цепи и способствует дальнейшему повышению точности и стабильности устройства.

Выполнение катушек индуктивности печатным способом и разнесение их на заданное расстояние также обеспечивает повышение стабильности устройства.

Выполнение катушек индуктивности в

виде двух секций, разнесенных в направлении, перпендикулярном измеряемому расстоянию, и соединенных последовательно, обеспечивает компенсацию ЭДС, наводимой магнитными полями, что приводит к повышению помехоустойчивости устройства. Разделительные цепи между катушками индуктивности и детекторами ослабляют сигнал помехи, так как ее спектр, как правило, не совпадает со спектром полезного

сигнала и еще более увеличивает помехоустойчивость.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства

Устройство содержит источник переменного напряжения 1; первичный преобразователь 2, выполненный в виде катушек индуктивности 3 и 4; резисторы 5 и 6, образующие с катушками 3 и 4 электрический мост 7; детекторы 8, 9 и 10; узел вычитания

напряжения 11 и блок деления 12. Устройство может включать интегрирующую цепь 13, выполненную, например, в виде RC-цепи из резистора 14 и конденсатора 15, а также разделительные цепи 16 и 17.

Питание моста осуществляется.от источника переменного напряжения 1 непосредственно либо через интегрирующую цепь 13. Входы детекторов 8, 9 и 10 подключены к катушкам индуктивности 3 и 4 непосредственно либо через фильтры 16 и 17, а выходы - к входам узла вычитания напряжения 11 и блока деления 12. Выход узла вычитания напряжения 11 соединен с одним из входов блока деления 12.

На катушках индуктивности 3 и 4 формируется переменное или импульсное напряжение, огибающие которых обозначены Ui и IJ2 соответственно. На выходе детекторов 8-10 формируются соответственно напряжения Un и Uia выпрямлением напряжения Ui и Lbi - выпрямлением напряжения U2. После вычитания напряжений Uia и U2i формируется напряжение Уд. т.е.

UA Ki -(U21-U12).

где Ki - коэффициент усиления узла вычитания напряжений 11.

После деления напряжений U и Un блоком деления 12 напряжение Увых подается на выход устройства. Это напряжение равно

- К2 Uu

и

-К2 U11

п

Уд

(1) (2)

где К2 - коэффициент усиления блока деления 12.

Вид выражения (1) или (2) выбирается в зависимости от требуемой передаточной характеристики устройства.

Устройство работает следующим образом.

При протекании переменного тока через ветви электрического моста 7 на катушках индуктивности 3 и 4 создаются падения напряжения Ui и LJ2 за счет ЭДС самоиндукции, которые зависят от индуктивности этих катушек. Измерительная катушка, например 4, находится вблизи металлической поверхности. Магнитное поле этой катушки наводит в металлической поверхности вихревые токи, которые обратным воздействием уменьшают ЭДС катушки 4, создавая эффект уменьшения ее индуктивности. Компенсирующая катушка 3 находится от металлической поверхности на значительно большем расстоянии и может быть дополнительно экранирована от ее влияния. Поэтому ЭДС катушки индуктивности 3, а следовательно, и напряжение Ui практически не зависят от измеряемого расстояния.

При выпрямлении напряжений Ui и U2 детекторами 9 и 10 получаем

U12 - Ul-Ufl,

U2i и2-ид,

где Уд - падение напряжения на детекторах 9 и 10.

После вычитания получаем

U Kr(U2i-Ui2)Ki(U2-Ui).

Таким образом, при одинаковых детекторах 9 и 10 их влияние на результаты измерения практически отсутствует. Вычитание выпрямленных напряжений приводит также к компенсации пульсаций. Это позволяет уменьшить постоянные времени фильтров и в результате повысить быстродействие устройства.

Выбором сопротивлений резисторов 5 и 6 можно получить такие величины напряжений Ui и Уз. при которых напряжение

U имеет зависимость от расстояния близкую к виду

II -Кз

где -Кз - коэффициент пропорциональности.

В таком случае при выполнении деления по формуле (2) получаем практически линейную зависимость 0Вых от расстояния

д. Для обеспечения нелинейной передаточной характеристики логарифмического типа входа блока деления 12 меняются друг с другом и в результате деление осуществляется по формуле (1).

При изменении амплитуды выходного

напряжения источника переменного напряжения 1 происходит пропорциональное изменение напряжений Ui и U2, что приводит к одинаковому относительному изменению

напряжений U и Un, входящих в формулы (1) и (2), В результате напряжение Увых будет независимым от амплитуды напряжения источника переменного напряжения 1. Наиболее полно указанное положение будет выполнено при достаточно малых падениях напряжения на детекторе 8. Остаточное падение напряжения может быть скомпенсировано цепями смещения блока деления, как это предусмотрено, например, в микросхеме

К525ПС2.

Некоторая непропорциональность изменения напряжений Ui и Ua при изменении формы напряжения источника переменного напряжения 1 может быть ослаблена введением между источниками переменного напряжения 1 и электрическим мостом 7 интегрирующей цепи 13, выполненной, например, в виде RC-цепи из резистора 14 и конденсатора 15. Наиболее

полно действие интегрирующей цепи 13 будет проявляться при выполнении источника переменного напряжения 1 в виде формирователя прямоугольных импульсов. При этом на питание моста 7 поступает напряжение

экспоненциальной формы и изменение формы (фронтов) напряжения генератора напряжения 1, например, из-за температурного изменения характеристик его выходного каскада будет отфильтровано.

Для того, чтобы изменение индуктивности катушек 3 и 4 и их активного сопротивления с температурой не сказывалось на результатах измерения, указанные изменения в измерительной и компенсационной

катушках должны быть одинаковыми В этом случае происходит их компенсация Наиболее полно это условие достигается при выполнении катушек 3 и А печатным способом. Минимальная разница темпера

тур катушек 3 и 4 может быть получена при их достаточно близком расположении по отношению друг к другу. Для этого катушки 3 и 4 располагаются одна над другой на фиксированном расстоянии друг от друга. Различное их удаление от контролируемой металлической поверхности приводит к тому, что на наиболее удаленной от металлической поверхности компенсирующей катушке 3 изменение падения напряжения в зависимости от расстояния будет достаточно малым и не скажется на характеристиках устройства. Компенсирующая катушка может быть закрыта от влияния металлической поверхности дополнительным экраном, помещенным между катушками индуктивности 3 и 4.

Внешнее переменное магнитное поле наводит в катушках 3 и 4 ЭДС помехи, величина которой пропорциональна площади катушек и количеству витков. При неравномерном магнитном поле ЭДС помехи в каждой из катушек будет равной. Это приводит к тому, что на выходе узла вычитания будет дополнительно выделяться напряжение помехи, проходящее затем на выход устройства. Уменьшение ЭДС помехи каждой катушки, а следовательно, и выделяемого разностного сигнала достигается выполнением катушек индуктивности 3 и 4 в виде двух последовательно соединенных секций. Магнитные поля секций направляются в различные стороны. Разнесение секций в направлении, перпендикулярном измеряемому расстоянию, приводит к созданию результирующего магнитного поля, напоминающего по конфигурации поле подковообразного магнита. В результатэ этого индукция магнитного поля по мере удаления от измерительной катушки 4 затухает более медленно, что увеличивает вихревые токи в металлической поверхности и усиливает ее влияние на индуктивность катушки 4. Увеличение полезного сигнала, достигаемое при этом, способствует дальнейшему повышению точности, стабильности и помехоустойчивости.

Еще большее ослабление сигнала помехи может быть достигнуто введением между катушками индуктивности 3 и 4 и входами детекторов 8, 9, 10 фильтров 16 и 17, параметры которых выбраны таким образом, чтобы в максимальной степени пропустить

полезный сигнал и ослабить помеху. В качестве фильтров могут быть использованы RC- цепи, трансформаторные цепи или более сложные узлы.

Таким образом, устройство для бесконтактного измерения расстояния по сравнению с устройством, принятым за прототип, обладает более высокими точностью, помехоустойчивостью и стабильностью.

,

Формула изобретения

1.Устройство для бесконтактного измерения расстояний, содержащее источник

переменного напряжения, первичный преобразователь с двумя катушками индуктивности, каждая из которых через резистор соединена с выходом источника переменного напряжения, блок вычитания напряжений, блок деления, первый детектор, включенный между первой катушкой индуктивности и первым входом блока деления, и второй детектор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и помехоустойчивости, оно снабжено третьим детектором, включенным между второй катушкой индуктивности и первым входом блока вычитания напряжений, второй детектор включен между первой катушкой индуктивности и вторым входом блока вычитания напряжений, а его выход соединен с вторым входом блока деления.

2.Устройство пол.1,отличающее- с я тем, что оно снабжено интегрирующей

цепью, включенной между источником переменного напряжения и резисторами, а источник переменного напряжения выполнен в виде формирователя прямоугольных импульсов.

3. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что катушки индуктивности выполнены печатным способом и смещены в направлении измеряемого расстояния на заданное значение.

4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что каждая катушка индуктивности выполнена в виде двух секций, соединенных последовательно.

5. Устройство поп.1,отличэющеес я тем, что оно снабжено двумя фильтрами, каждый из которых включен между соответствующей катушкой индуктивности и детектором.

Ь r ,- I

. лit . I : - - - -

23

,- I

it . I : - - - -

dj

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах электромагнитного подвеса, для измерения толщины покрытия на металлах и т.п. Цель изобретения - повышение точности и помехоустойчивости устройства для измерения расстояния до проводящей поверхности в диапазоне до десятков миллиметров. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем источник переменного напряжения, первичный преобразователь с двумя катушками индуктивности, узел вычитания, два детектора и блок деления, переменное напряжение подается на первичный измерительный преобразователь через интегрирующие цепи, операцию вычитания выполняют над продетектиро- ванными сигналами, а катушки индуктивности выполнены печатным способом без ферромагнитных сердечников и разнесены на фиксированное расстояние в направлении измеряемых расстояний. Новым также является выполнение их в виде двух последовательно соединенных секций. 4 з.п. ф- лы, 1 ил.