專利名稱：微位移測量裝置以及位移過程轉(zhuǎn)換成電信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測儀器領(lǐng)域，特別是微位移的測量，可以用于測量、檢測和記錄自然、工程和仿生學(xué)中的蠕變和動態(tài)內(nèi)過程，例如，在氣象學(xué)中記錄氣壓、熱和濕度變化，在安全系統(tǒng)中記錄工程結(jié)構(gòu)的蠕變，檢測大小裝置的防漏，以及記錄地震、次聲和重力波。在仿生學(xué)中，所述裝置可以在仿生假肢、仿生機(jī)器人和動物機(jī)器人中用作觸覺。
為了具體實施上述課題，測量系統(tǒng)應(yīng)具有最大可能的靈敏度(直到單位埃-)、寬的動態(tài)范圍和低的慣性。
目前，實現(xiàn)光譜測定方法的X射線干涉儀可以提供最高的靈敏度和寬的動態(tài)范圍。但是，對于計量學(xué)和研究材料的晶體結(jié)構(gòu)以外的情況，由于敏感元件高的慣性、笨重的設(shè)備設(shè)計、復(fù)雜性以及高價格，這些方法無法應(yīng)用。
在小位移測量中電容和電感傳感器有著廣泛的應(yīng)用，但其局限性在于由于模擬測量特征的非線性，提高這些傳感器的靈敏度必然導(dǎo)致動態(tài)范圍變窄。特性特殊部分決定了傳感器的動態(tài)范圍(例如參見A.M.Tуричин et al.，“Электрические измереиия незлектрических величин”，Л.，“Энергия>>，1975，pp.96-98)。
那些基于使用分布量化測量元素(網(wǎng)格)的線性或角位移人工量化的設(shè)備，對于測量小位移是公知的。作為一個例子可以參考增量編碼器(К.Бриндли，“Измерителъные преобразователиСправочное пособие”，由英翻譯的，M.，Энергоатомиздат，1991，pp.62-63)。這種類型的編碼器的分辨率取決于傳感器盤或帶上敏感段的數(shù)量，這決定了其靈敏度的機(jī)械限制(不超過0.01微米)。
作為原型被接收的最接近的結(jié)果是根據(jù)蘇聯(lián)授權(quán)人證書No.947626的微位移傳感器，其中實現(xiàn)了使用自然量化效應(yīng)的測量方法。該裝置含有傳感器，傳感器包括敏感和測量元件，將單調(diào)的位移轉(zhuǎn)換成脈沖δ調(diào)制電信號。敏感元件固定在彈性膜上并與微位移源(被測物體)相互作用，而彈性加載移動測量元件是電磁鐵的鐵芯，當(dāng)從信號調(diào)節(jié)器施加勵磁電流時，該鐵芯將測量元件固定在與敏感元件接觸的位置上。
在初始狀態(tài)，敏感和測量元件間的電接觸產(chǎn)生電流流動的封閉電流回路，結(jié)果，信號調(diào)節(jié)器的輸出表現(xiàn)為激勵電磁鐵并固定測量元件的勵磁電流。當(dāng)測試物體移動時，在膜產(chǎn)生的測量力作用下，敏感元件沿著打開測量和敏感元件之間接觸的方向移動。在電路斷開的同時，信號調(diào)節(jié)器從固定電磁鐵的線圈中去除勵磁電流，在彈簧的作用下測量元件沿敏感元件的方向移動，直到敏感和測量元件之間的接觸恢復(fù)并且測量元件固定在一個新位置。
接觸的斷開和恢復(fù)形成脈沖信號的前沿和后沿，等價于測量元件的一次移動，從而利用自然量化效應(yīng)-磁滯現(xiàn)象，將單調(diào)的位移轉(zhuǎn)換成脈沖δ調(diào)制電信號。量化位移的特征是其數(shù)值由兩個電接觸狀態(tài)(閉合-打開)確定。
該已知裝置的缺點(diǎn)在于在測量和敏感元件之間形成接觸的瞬間，移動測量元件的彈簧壓力通過敏感元件傳遞到測試物體上，結(jié)果由于此接觸力在被測物體產(chǎn)生彈性微變形。這個微變形的數(shù)值將最終可達(dá)到的靈敏度限制在0.2微米。另外，當(dāng)電接觸斷開時生成電腐蝕橋。當(dāng)存在接觸時，該橋電流被信號調(diào)節(jié)器檢測，并且僅在橋斷開后產(chǎn)生測量脈沖。這樣，測量元件的每個微位移的長度不能小于電腐蝕橋的長度，并且也計入了產(chǎn)生的微變形數(shù)值。另外，電腐蝕橋的出現(xiàn)導(dǎo)致接觸元件的幾何破壞，使其計量學(xué)特性不穩(wěn)定。
本發(fā)明的目的是，通過消除“傳感器-物體”空間回路的彈性微變形在寬動態(tài)范圍提高裝置的靈敏度，也消除敏感和測量元件工作表面上的電腐蝕過程。
上述目的是通過如下方式達(dá)到的測量微位移的裝置具有測量和敏感元件，膜，信號調(diào)節(jié)器，信號調(diào)節(jié)器的輸出連接到固定電磁鐵的線圈，還具有測量元件；拉動電磁鐵的線圈連接在信號調(diào)節(jié)器的第二輸出，第二輸出與連接固定電磁鐵線圈的輸出反相。
被測量的微位移的最大動態(tài)范圍是通過將拉動電磁鐵定位在連接敏感元件的膜上達(dá)到的。
為了防止氧化物、水或其它類似的膜在敏感和測量元件的工作表面上形成，本發(fā)明的裝置位于充有惰性介質(zhì)的密封外殼中。
本發(fā)明裝置中使用的、將微位移轉(zhuǎn)換成電信號的方法消除了運(yùn)動間隙中形成的電腐蝕橋。這種方法是，當(dāng)測量和敏感元件之間產(chǎn)生電場發(fā)射電流時將測量元件固定，當(dāng)電場發(fā)射電流中斷時釋放并移動測量元件。
本發(fā)明裝置的原理圖示于附圖
。
微位移測量裝置包括敏感元件1，具有墊圈3的測量元件2，固定電磁鐵5。測量元件2連接到信號調(diào)節(jié)器6，信號調(diào)節(jié)器6具有工作電源7和限流器8。信號調(diào)節(jié)器6的輸出連接到放大器9的輸入，放大器9的直接輸出連接到固定電磁鐵4的線圈，反相輸出連接到拉動電磁鐵5的線圈。拉動電磁鐵5位于膜10上，膜10與外殼11一起形成充有保護(hù)介質(zhì)的密封室12。輸出脈沖信號從放大器9到達(dá)指示器13。條件測試物體14與敏感元件連接。
該裝置按如下方式工作當(dāng)敏感元件1跟隨著測試物體14在膜10的彈性力作用下移動時，在測量電路“工作電源7-限流器8-測量元件2-敏感元件1-膜10-地”中出現(xiàn)斷電。在電場發(fā)射電流中斷的瞬間，信號調(diào)節(jié)器6控制的放大器9去除固定電磁鐵4的勵磁電流，同時對拉動電磁鐵5的線圈施加勵磁電流。在施加在墊圈3上的拉動電磁鐵5的吸引力作用下，脫離了電磁鐵4的固定力的測量元件2，向敏感元件1方向移動。這個移動存在，一直到在上述測量電路的敏感元件和測量元件2之間出現(xiàn)電場發(fā)射電流，移動的距離由下式確定
λ＝U/E式中λ-出現(xiàn)電場發(fā)射電流時測量元件2與敏感元件1之間的間隙大??；U-選定的工作電壓值；E-電場發(fā)射強(qiáng)度，等于～109V/m。
當(dāng)選定工作電壓為0.05V時，出現(xiàn)當(dāng)前電場發(fā)射的距離等于5×10-11m或0.5。
在出現(xiàn)發(fā)射電流的瞬間，由放大器9控制的電磁鐵4和5改變其狀態(tài)從拉動電磁鐵5上去除勵磁電流，由于固定電磁鐵4的吸引，測量元件2固定在一個新位置上。跟隨測試物體14的移動，在膜10的彈性力作用下敏感元件1繼續(xù)移動，使電場發(fā)射電流中斷(測量元件2和敏感元件1之間的距離等于λ+Δ，這里Δ是電場發(fā)射滯后的數(shù)值)，并按上述順序重復(fù)這一過程。
在敏感元件1移動的每個循環(huán)形成脈沖的前沿和后沿，等價于測量元件2的一次移動。產(chǎn)生的脈沖由放大器9到達(dá)指示器13并記錄下來。
一個脈沖的“數(shù)值”由綜合的磁滯確定，這取決于測量元件2的慣性，拉動電磁鐵5和固定電磁鐵4的響應(yīng)時間以及電場發(fā)射滯后的數(shù)值。
拉動電磁鐵5在膜10上的位置在測量元件2所有移動距離上提供裝置的功能，該移動距離由膜10允許的偏轉(zhuǎn)決定。這是由于當(dāng)敏感元件1移動時，磁運(yùn)動間隙在這種情況下保持不變。
測量元件2和敏感元件1在密封室12中的位置防止工作表面形成氧化物和其它膜，這些膜阻止電場發(fā)射電流的產(chǎn)生，其中密封室12由外殼11和膜10確定并填充惰性介質(zhì)。
本發(fā)明具有以下特征在不產(chǎn)生“傳感器-物體”空間回路微變形的情況下將單調(diào)微位移轉(zhuǎn)換成δ調(diào)制脈沖電信號。由上面所述可以看出，這是通過下面方式實現(xiàn)的測量電路從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個穩(wěn)定狀態(tài)是在測量元件2與敏感元件1之間沒有直接電接觸的條件下完成的，因此不產(chǎn)生彈性變形；測量電路的靈敏度由選定的工作電壓值確定。
本發(fā)明特征和方法的結(jié)合將微位移轉(zhuǎn)換成δ調(diào)制脈沖電信號，同時裝置的靈敏度在單位埃的范圍內(nèi)。
具體實施例根據(jù)由GOST8.491-83(前蘇聯(lián)的GOST-全蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn))確定的程序進(jìn)行金屬條位移的測量。這可以排除在使用螺旋幅時與不均勻位移相關(guān)的一些干擾(根據(jù)GOST程序)。采用01∏型測量彈簧頭(光學(xué)扭簧測微儀)作為參考裝置。當(dāng)條伸展1微米時(由光學(xué)扭簧測微儀記錄)，本發(fā)明傳感器的信號調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一系列2×104脈沖，由чз-34A頻率計記錄(當(dāng)使用測量和敏感元件的金表面時，并且當(dāng)測量電路的工作電壓等于0.05V時)。這意味著一個脈沖相當(dāng)于×10-10米，即0.5-確定本發(fā)明裝置靈敏度的數(shù)值。
根據(jù)需要，本發(fā)明裝置可以以兩通道版本具體實施，以測量符號改變的位移。
權(quán)利要求
1.一種微位移測量裝置，包括信號條件測量和敏感元件，與測量元件連接的膜，以及其線圈連接信號調(diào)節(jié)器的輸出的固定電磁鐵，其特征在于該裝置還具有與測量元件相互作用的拉動電磁鐵，并且拉動電磁鐵的線圈與信號調(diào)節(jié)器的第二輸出連接，信號調(diào)節(jié)器的第二輸出與連接到固定電磁鐵線圈的輸出反相。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中拉動電磁鐵位于連接敏感元件的膜上。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置位于充有惰性介質(zhì)的密封外殼中，外殼的一個壁是由連接敏感元件的膜形成的。
4.一種通過自然量化將微位移轉(zhuǎn)換成電信號的方法，包括固定和釋放測量元件并隨后沿敏感元件方向移動測量元件的操作，其特征在于當(dāng)產(chǎn)生電場發(fā)射電流時固定測量元件，當(dāng)電場發(fā)射電流中斷時釋放測量元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及微位移測量領(lǐng)域，可以用于記錄自然、人工起源的蠕變和動態(tài)內(nèi)過程，例如，地震過程、次聲和重力波。本發(fā)明的目的是在寬的動態(tài)范圍內(nèi)提高測量靈敏度。微位移測量裝置包括測量元件(2)和敏感元件(1)，膜(10)，信號調(diào)節(jié)器(6)，其輸出連接到固定電磁鐵(4)的線圈。根據(jù)本發(fā)明，該裝置還具有與測量元件(2)相互作用的拉動電磁鐵(5)，拉動電磁鐵(5)的線圈連接到信號調(diào)節(jié)器(6)的第二反輸出。拉動電磁鐵優(yōu)選地位于膜(10)上，以增大可測量的位移范圍。另外，由裝置外殼(11)與膜(10)形成的密封空間，能防止測量元件(2)和敏感元件(1)的工作表面上形成氧化物或類似的膜。在所述裝置中具體實施將位移轉(zhuǎn)換成電信號的方法，此方法包括將電場發(fā)射電流作為一個特性，并據(jù)此進(jìn)行量化。所述的方法允許被記錄的位移在單位埃的范圍內(nèi)。
文檔編號G01M99/00GK1474946SQ01818853
公開日2004年2月11日 申請日期2001年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月24日
發(fā)明者L·貝克斯, B·盧布根斯, J·芬克爾施泰因斯, J·努羅夫斯, A·皮奧倫斯基斯, L 貝克斯, 侶姿夠 , 幾, 碩 ┨┮蛩, 薹蛩 申請人:L·貝克斯, B·盧布根斯, L 貝克斯