RU2023978C1 - Distance measuring device - Google Patents
Distance measuring device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2023978C1 RU2023978C1 SU5021620A RU2023978C1 RU 2023978 C1 RU2023978 C1 RU 2023978C1 SU 5021620 A SU5021620 A SU 5021620A RU 2023978 C1 RU2023978 C1 RU 2023978C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- outputs
- channel
- voltage
- detectors
- correction
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
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. The invention relates to measurements of non-electric quantities and can be used to measure distances to the metal surface of an object both in a static state and in moving an object relative to a device. The most appropriate application of the proposed device for measuring in the range from fractions of a millimeter to 40-100 mm of gaps in transport on a magnetic suspension, air cushion, as well as vibration, thickness of non-metallic coatings, etc.
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. A device for non-contact measurement of distances to a metal surface [1], comprising a primary converter in the form of an inductor forming an oscillator circuit with a capacitor, which is part of the oscillator, a pulse counter, a memory register, a code converter based on read-only memory, a digital-to-analog converter, and Control block.
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. Depending on the distance between the inductor and the metal surface of the object, the value of the eddy currents induced in the surface layers of the object changes. The reverse action of eddy currents leads to a decrease in the magnetic field of the coil of the primary transducer, which causes the effect of reducing the inductance of this coil. As a result, depending on the distance to the object, the oscillator generates oscillations of various frequencies.
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. A differential device for measuring distance is also known containing two identical inductors located on ferrite cores and connected to a square-wave generator through resistors, two amplitude detectors and a voltage subtraction unit. Near the induction coils are two metal bodies, the distance to one of which is to be measured.
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. Closest to the invention is a device for non-contact distance measurement [3], comprising an AC voltage source, a primary converter with two inductors, two resistors connected in series with the inductors and connected to the output of the AC voltage source, three detectors connected to inputs to the inductors , a voltage subtraction unit connected to the outputs of two detectors that rectify the voltages of two inductors, and a division unit, to the inputs otorrhea are voltages from the outputs of the third voltage detector and the subtraction unit.
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%. The disadvantage of this device is the low accuracy of distance measurement when the primary transducer is near the edge of the surface of the object, the distance to which is measured. The error caused by the mentioned edge effect can reach 15-30%.
Изобретение позволяет повысить точность измерения путем уменьшения краевого эффекта. The invention improves the accuracy of the measurement by reducing the edge effect.
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. To provide this device, containing an AC power source, a measuring channel connected to it, consisting of an inductive gap converter with two coils, each of which is connected through a corresponding resistor to the mentioned power source, three detectors, the inputs of two of which are connected in parallel to one inductor and the input of the third is parallel to another inductor, a subtraction unit connected to the outputs of the first and third detectors, and a division unit, connected the input to the outputs of the subtraction unit and the second detector, and the output to the output of the measuring channel of the device, is additionally equipped with at least one correction channel, consisting of two inductors, each of which is connected through the corresponding resistor to the aforementioned power source, connected in parallel to these inductors two detectors connected to their outputs of the subtraction unit and connected to it in series by the block selection of the differential voltage module, the output of which is connected nen to the auxiliary input of the measuring channel subtraction unit, wherein the correcting channel inductor arranged offset relative to one another in the direction of the corresponding component of the corrected offset and located beside the transducer coils.
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. The expansion of the functionality of the device, which consists in obtaining information about the proximity of the primary transducer to the edge of the surface of the object, the distance to which is measured, is achieved by the fact that the device is equipped with additional outputs connected to the outputs of the subtraction blocks of the corresponding correction channels.
Устройство может быть дополнительно снабжено блоками функционального преобразования корректирующих сигналов, присоединенными между выходами соответствующих каналов и выходами соответствующих блоков вычитания. The device may be further provided with blocks of functional conversion of correction signals connected between the outputs of the corresponding channels and the outputs of the corresponding subtraction blocks.
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. Figure 1 shows the structural diagram of the proposed device, figure 2 - graphs of the dependencies of the stresses at the main points of the device from the measured distance and the displacement of the object relative to the primary transducer.
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. The device contains a measuring channel, which includes an AC power source 1,
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. Each correction channel 11 and 12 includes additional inductors 13 and 14, which, with additional resistors 15 and 16, also form an electric bridge, powered by an AC power source. Additional detectors 17 and 18 are connected to the inductors 13 and 14, from which the voltages are supplied to an additional voltage subtraction unit 19 and then to the voltage module isolation unit 20. The outputs of the latter are connected to additional inputs of the voltage subtraction unit 9.
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. With the dimensions of this surface commensurate with the sizes of the
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. The outputs of the blocks can be connected to the outputs of the device directly or via non-linearity blocks 21 and 22, depending on the requirements for the corresponding output signals, as well as on the shape of the edges of the surface of the object.
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. The device operates as follows. Under the action of the alternating voltage of the source 1, an alternating current flows through the resistors 4, 5 and 15, 16 in the
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. The
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 Lх.Eddy currents in the surface layers of the object are created mainly by the magnetic field of the measuring coil 3, therefore, the dependence of the amplitude value of the voltage U 3 on it has the form shown in figure 2. The magnetic field of the
После выпрямления напряжений U2 и U3 детекторами 6 и 7 напряжения U6 и U7 на их выходах будут иметь такую же зависимость от расстояния Lх(см.фиг. 2). Разность этих напряжений на выходе блока вычитания 9 (напряжение U^ ) c увеличением расстояния Lх будет уменьшаться. Блоком деления 10 напряжение U^ преобразуется в выходное напряжение, практически линейно зависящее от расстояния Lх.After rectification of the voltages U 2 and U 3 by the detectors 6 and 7, the voltages U 6 and U 7 at their outputs will have the same dependence on the distance L x (see Fig. 2). The difference of these voltages at the output of the subtraction unit 9 (voltage U ^) with increasing distance L x will decrease. By the division unit 10, the voltage U ^ is converted into an output voltage that is almost linearly dependent on the distance L x .
На фиг. 2 показана зависимость от Lх выходного напряжения Uвых(L) при отсутствии влияния корректирующих каналов, т.е. при работе только измерительного канала.In FIG. Figure 2 shows the dependence on L x of the output voltage U o (L) in the absence of the influence of correction channels, i.e. when operating only the measuring channel.
Краевой эффект в работе измерительного канала проявляется в следующем. При приближении первичного преобразователя к краю поверхности объекта (без изменения расстояния Lх 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.The edge effect in the operation of the measuring channel is manifested in the following. When the primary transducer approaches the edge of the surface of the object (without changing the distance L x to it), the surface area with induced eddy currents decreases, which causes an increase in voltage U 3 . The consequence of this is a decrease in the voltage U ^ and an increase in the output voltage of the device.
В качестве примера на фиг.2 показана зависимость выходного напряжения Uвых от поперечного смещения В первичного преобразователя при неизменном расстоянии Lх и отключенных корректирующих каналах (напряжение Uвых(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).As an example, Fig. 2 shows the dependence of the output voltage U o on the lateral displacement B of the primary transducer at a constant distance L x and off the correction channels (voltage U o (V)) when measuring the distance to the object in the form of a metal strip. In this case, the voltages on the inductors 13 and 14 of the correction channel of the transverse displacement (for example, channel 11) will differ from each other the greater, the greater the transverse displacement B).
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 Uкк) 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 Uкк), 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.The voltage difference highlighted by the subtraction unit 19 will carry information about the bias B. The sign of this voltage will depend on the direction of the bias relative to the central position of the primary transducer. After passing through the module selection unit 20, the resulting voltage (output voltage of the correction channel U kk ) will have one polarity (see figure 2). This voltage in the voltage subtraction unit 9 is added to the voltage U ^ (or subtracted depending on the voltage polarity U кк ), adjusting the decrease in the voltage difference U 2 and U 3 due to the edge effect. As a result, the output voltage of the device Uout will be practically independent of the displacement В in a rather wide range of its variation.
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. To ensure the sensitivity of the correction channel to the lateral displacement of the primary transducer, the inductors 13 and 14 of the corresponding correction channel (for example, channel 11) must be located offset from each other in the transverse direction. As a result of this, the coils 13 and 14, being at different distances from each edge of the body, will provide the sensitivity of the primary transducer to lateral displacement.
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. When measuring the distance to the body, the controlled surface of which is limited both in the longitudinal and transverse directions of the body, the device is made with two corrective channels 11 and 12. Moreover, if the inductance coils 13 and 14 of the channel 11 are spaced relative to each other in the direction of the transverse component of the displacement, then accordingly, the inductors of the channel 12 are spaced relative to each other in the direction of the longitudinal component of the bias.
При наличии выступающих бортов на краях поверхности объекта, до которой измеряется расстояние, краевой эффект приводит к увеличению напряжения U^ и уменьшению Uвых(В) при смещении первичного преобразователя относительно центрального положения объекта. В таком случае необходимо вычитание напряжения Uкк из напряжения U^.In the presence of protruding sides at the edges of the surface of the object to which the distance is measured, the edge effect leads to an increase in the voltage U ^ and a decrease in U o (B) when the primary transducer is displaced relative to the central position of the object. In this case, it is necessary to subtract the voltage U kk from the voltage 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. The voltages at the outputs of the subtraction blocks 19 of the correction channels 11 and 12 carry information on the degree of proximity of the primary transducer to the edge of the object surface. However, the dependence of this signal on the displacement has a different form for objects of different sizes and shapes. If it is necessary to linearize the dependence of the signal at the additional outputs of the device on the offset, functional conversion blocks 21 and 22 can be introduced for each correction channel 11 and 12. The additional inputs of blocks 21 and 22 can be connected to the outputs of the subtraction blocks 9 or division 10 of the measuring channel, as well as subtracting blocks 19 and highlighting module 20 of another correction channel. This can be used to correct the dependence of the bias signal on the measured distance or bias along the second coordinate.
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. The proposed technical solution allows for accurate measurement of the distance to the object of limited size when moving the device relative to the object in different directions. One of the promising areas of application of the proposal is to measure the length of the air gap in the magnetic suspension system of high-speed land transport. The insensitivity of the device to the transverse displacements of the primary transducer makes it possible in this case to use the fixed part of the magnetic suspension system with a rather narrow surface as an object, resulting in metal savings of more than 1 ton per 1 km of track.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5021620 RU2023978C1 (en) | 1991-10-30 | 1991-10-30 | Distance measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5021620 RU2023978C1 (en) | 1991-10-30 | 1991-10-30 | Distance measuring device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2023978C1 true RU2023978C1 (en) | 1994-11-30 |
Family
ID=21594128
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5021620 RU2023978C1 (en) | 1991-10-30 | 1991-10-30 | Distance measuring device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2023978C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2561244C2 (en) * | 2013-07-02 | 2015-08-27 | Закрытое акционерное общество "Газприборавтоматикасервис" | Distance meter for measuring of distance between sensor and conducting material object |
-
1991
- 1991-10-30 RU SU5021620 patent/RU2023978C1/en active
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 1. Герасимов В.Г. Электромагнитный контроль однослойных и многослойных изделий, М.: Энергия, 1972, с.15. (56) * |
| 2. Патент Франции N 2451566, кл. G 01B 7/00, 1975. (56) * |
| 3. Авторское свидетельство СССР N 1760310, кл. G 01B 7/14, 1992. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2561244C2 (en) * | 2013-07-02 | 2015-08-27 | Закрытое акционерное общество "Газприборавтоматикасервис" | Distance meter for measuring of distance between sensor and conducting material object |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8008909B2 (en) | Analysis and compensation circuit for an inductive displacement sensor | |
| US5617023A (en) | Industrial contactless position sensor | |
| JP2846814B2 (en) | Position measuring device | |
| US5412317A (en) | Position detector utilizing absolute and incremental position sensors in combination | |
| USRE37490E1 (en) | Electronic caliper using a reduced offset induced current position transducer | |
| US6329813B1 (en) | Reduced offset high accuracy induced current absolute position transducer | |
| US5650730A (en) | Label detection and registration system | |
| US20080284554A1 (en) | Compact robust linear position sensor | |
| ATE49471T1 (en) | INDUCTIVE MEASUREMENT ARRANGEMENTS SENSOR ARRANGEMENT AND USE OF SAME. | |
| DE68928063D1 (en) | Position sensor with opposing coils for improved linearity and temperature compensation | |
| US5821517A (en) | Magnetic encoder for reading marks on an associated magnetic track | |
| RU2023978C1 (en) | Distance measuring device | |
| US8198888B2 (en) | Method and system for determining the distance between a profiled surface and a functional surface moving in relation thereto by using measurement coils and a reference coil | |
| CN218781916U (en) | Sensor ambient temperature measuring circuit and sensor | |
| Saxena et al. | Differential inductive ratio transducer with short-circuiting ring for displacement measurement | |
| RU2163350C2 (en) | Meter of linear displacement | |
| Tian et al. | The research of a frequency-modulated displacement sensor | |
| RU2717904C1 (en) | Method of measuring using differential sensor | |
| US20230251074A1 (en) | Linear inductive position sensor | |
| SU1273809A1 (en) | Eddy current speed meter | |
| SU881628A1 (en) | Electrostatic field pickup | |
| SU750260A1 (en) | Machine-tool assembly relative-displacement transducer | |
| RU2057283C1 (en) | Device for measurement of displacement | |
| SU1581615A1 (en) | Apparatus for automated inspection of wear-out and shifts of contact wire | |
| SU1728639A1 (en) | Displacement transducer |
