СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING SPEED

Изобретение относится к области измерения параметров движения объектов и может быть применено для определения положения и скорости взаимного перемещения объектов.
Известен способ определения скорости объекта, движущегося относительно другого объекта [1], при котором измеряют сигнал с преобразователя магнитного поля в виде катушки индуктивности, установленной на неподвижном основании (стволе), охватывающем движущийся объект (снаряд). Катушка взаимодействует с двумя источниками магнитного поля в виде кольцевых постоянных магнитов, установленных на снаряде, с намагниченностью, ориентированной вдоль направления его движения. При прохождении снаряда с постоянными магнитами вблизи катушки потокосцепление (магнитный поток) в ней изменяется и появляются сигналы (эдс), по которым определяют скорость движения объекта.
Недостатками известного способа являются: низкая точность определения мгновенной скорости объекта в месте расположения датчика из-за усреднения времени прохождения объекта на базе конечной длины (расстоянии между постоянными магнитами в направлении движения снаряда); сложность устройства для реализации способа, обусловленная необходимостью применения двух источников магнитного поля; низкая точность определения скоростей движения объекта в области малых значений из-за снижения чувствительности преобразователя магнитного поля, выполненного на основе катушки индуктивности.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ измерения скорости с помощью устройства [2]. Он заключается в том, что измеряют интервал Δt времени между сигналами измерителя магнитного поля, установленного на одном из объектов, движущемся относительно неподвижного основания, и взаимодействующего с двумя источниками магнитного поля, расположенными на другом, неподвижном, объекте - основании. Скорость движения объекта (усредненное значение на заданной базе) определяется расстоянием между источниками магнитного поля и временем прохождения объекта от одного источника к другому.
Недостатками способа-прототипа являются: низкая точность определения мгновенной скорости объекта в месте расположения датчика из-за усреднения времени прохождения объекта на достаточно большой базе (расстоянии между источниками магнитного поля в направлении движения объекта); сложность устройства для реализации способа, обусловленная необходимостью применения двух источников магнитного поля.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности определения мгновенной скорости движения объекта и упрощение устройства для реализации способа.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения скорости движения одного объекта относительно другого, включающем определение зависимости во времени t параметра магнитного поля с помощью измерителя, расположенного на одном из объектов и взаимодействующего с источником магнитного поля, расположенным на другом объекте, и определение скорости с использованием указанной зависимости, согласно изобретению в качестве источника магнитного поля используют постоянный магнит с плоскостью симметрии магнитного поля, совпадающей с направлением движения объекта, и намагниченностью, перпендикулярной или параллельной направлению движения объекта, измеряют во времени составляющую b магнитной индукции В, лежащую в указанной плоскости и направленную вдоль или поперек направления движения объекта. Далее определяют первую производную зависимости b(t), выбирают одно или более экстремальных значений П зависимости (db/dt)(t) а скорость движения объекта определяют по формуле ν=П/А, где А - соответствующее параметру П экстремальное значение первой производной зависимости параметра b от длины в направлении движения объекта.
м
м
Кроме того, дополнительно определяют одно из экстремальных значений b зависимости b(t), а параметр А выбирают из семейства градуировочных зависимостей А(b).
м
м
м
Выбор в качестве источника магнитного поля постоянного магнита с плоскостью симметрии магнитного поля, совпадающей с направлением движения объекта, позволяет использовать градуировочные зависимости составляющих b магнитной индукции от длины l в направлении взаимного перемещения объектов, т.е. характеристики b(l), для вычисления скорости движения объекта по измеряемой зависимости b(t). При этом дополнительное определение одного из экстремальных значений b на измеряемой временной характеристике и использование семейства градуировочных зависимостей А(b) дает возможность устранить влияние неконтролируемого расстояния δ между измерителем и магнитом в момент отсчета показаний, поскольку параметр b однозначно связан с указанным расстоянием. Ориентация намагниченности магнита и оси чувствительности датчика магнитного поля вдоль или поперек направлению движения объекта обеспечивает получение простых, симметричных относительно начала координат, характеристик b(l).
Таким образом, имеется возможность с помощью одного магнита и одного датчика магнитного поля (вместо обычно применяемых двух датчиков и одного источника либо двух источников и одного датчика магнитного поля) определять мгновенную скорость в месте расположения датчика независимо от расстояния δ между ним и магнитом.
Из уровня техники известен способ измерения мгновенной скорости вращения [3] по максимальному значению эдс с катушки индуктивности, установленной на вращающемся валу и взаимодействующей с магнитным полем постоянного магнита, расположенного на неподвижном объекте (основании). Недостатком способа с использованием катушки индуктивности является низкая точность определения максимального значения эдс из-за влияния помех, наводимых в катушке, а также ограниченные возможности миниатюризации устройства из-за больших габаритов катушек по сравнению с измерителями магнитного поля (например, датчиками Холла). Кроме того, необходимость изготовления специальных катушек создает неудобства при серийном изготовлении устройств и приводит к их удорожанию.
Другие существенные отличительные от прототипа признаки предлагаемого технического решения не обнаружены из уровня техники, поэтому считаем, что оно соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».
м
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема взаимного положения постоянного магнита с плоскостью симметрии магнитного поля, совпадающей с направлением движения объекта, и датчика магнитного поля с осью чувствительности, лежащей в указанной плоскости и направленной перпендикулярно направлению движения объекта; на фиг.2 - то же, с осью чувствительности датчика, ориентированной вдоль направления движения объекта; на фиг.3 - зависимость от времени t составляющей b магнитной индукции на ось чувствительности датчика по схеме фиг.1; на фиг.4 - то же для составляющей b магнитной индукции на ось чувствительности датчика по схеме фиг.2; на фиг.5 - первая производная зависимости b(t) по фиг.3; на фиг.6 - первая производная зависимости b(t) по фиг.4; на фиг.7 - зависимость составляющей b магнитной индукции на ось чувствительности датчика по схеме фиг.1 от длины l в направлении движения магнита; на фиг.8 - то же, для составляющей b магнитной индукции на ось чувствительности датчика по схеме фиг.2; на фиг.9 - первая производная зависимости b(l) по фиг.7; на фиг.10 - первая производная зависимости b(l) по фиг.8; на фиг.11 - градуировочная зависимость параметра А от выбранного экстремального значения b магнитной индукции.
Устройство для реализации предлагаемого способа (фиг.1, 2) состоит из источника магнитного поля - постоянного магнита 1 с плоскостью симметрии магнитного поля (плоскостью, проходящей через ось симметрии магнитного поля), совпадающей с направлением движения объекта, и измерителя (датчика) 2 магнитного поля (например, датчика Холла), с осью чувствительности, лежащей в указанной плоскости. При цилиндрической форме магнита с осевой намагниченностью плоскости симметрии магнитного поля проходят через ось цилиндра, а при выполнении магнита в форме прямоугольного параллелепипеда (в частности, куба) такие плоскости проходят через центр параллелепипеда параллельно граням (в кубе - также по ребрам), совпадающим по направлению с намагниченностью магнита. Магнит располагается на движущемся объекте, а датчик - на неподвижном объекте (объекты на фигурах не показаны), направление перемещения магнита относительно датчика показано стрелкой. Намагниченность М постоянного магнита 1 в обоих случаях перпендикулярна направлению движения, а ось чувствительности датчика 2 в одном случае ориентирована поперек направления движения (фиг.1), в другом случае - вдоль направления движения объекта (фиг.2). Возможно также направление намагниченности магнита, совпадающее с направлением движения. Кроме того, магнит может располагаться на неподвижном, а датчик - на подвижном объекте.
Способ определения скорости движения объекта заключается в следующем.
1
2
1
2
1
2
При движении магнита 1, установленного на движущемся объекте, относительно датчика 2 (например, по схеме фиг.1) последний фиксирует изменяющееся во времени магнитного поле, при этом зависимость от времени t составляющей b магнитной индукции В будет иметь вид, показанный на фиг.3. После измерения зависимости b(t) вычисляют ее первую производную - (db/dt)(t) (фиг.5), выбирают на ней одно или более экстремальных значений П (например, минимальное П и/или максимальное П значения производных) и определяют мгновенную скорость движения объекта (скорость взаимного перемещения магнита и датчика) по формуле ν=П/А, где А - соответствующее выбранному параметру П экстремальное значение первой производной зависимости b(l) (фиг.7), например, минимальное A и/или максимальное А значения производных (фиг.9), соответствующих параметрам П и П на фиг.5. Зависимости b(l) (фиг.7) и (db/dl)(l) (фиг.9) характеризуют топографию магнитного поля вблизи магнита и при постоянной величине δ (фиг.1) на участке отсчета параметров П и А являются неизменными.
1
2
1
2
1
2
Аналогично осуществляется способ определения скорости движения объекта по схеме фиг.2. При движении магнита 1 относительно датчика 2 последний фиксирует зависимость b(t) (фиг.4). Вычисляют ее первую производную - (db/dt)(t) (фиг.6), выбирают на ней одно или более экстремальных значений П (например, минимальное П и/или максимальное П значения производных) и определяют мгновенную скорость движения объекта по формуле ν=П/А, где А - соответствующее выбранному параметру П экстремальное значение первой производной зависимости b(l) (фиг.8), например, минимальное A и/или максимальное А значения производных (фиг.10), соответствующих параметрам П и П на фиг.6.
1
2
Во всех случаях мгновенная скорость на участке снятия кривой b(t) определяется, вообще говоря, выражением ν=dl/dt=(db/dt)/(db/dl). Однако во всех точках зависимости b(t), кроме тех, которые соответствуют экстремальным значениям ее первой производной, установить соответствие между производными (db/dt) и (db/dl), т.е. определить скорость ν, не представляется возможным. Это возможно только в точках экстремумов на указанных производных, поскольку максимальное изменение параметра b на кривой (db/dt)(t) строго соответствует максимальному изменению b на кривой (db/dl)(l). При этом определяется мгновенная скорость движения в точках по длине l, соответствующих выбранным экстремумам A или А на кривой (db/dl)(l).
м
1
м
2
м
м
1
2
м
м2
м2
м
1
2
При непостоянстве зазора δ между магнитом 1 и датчиком 2 (фиг.1, 2) дополнительно определяют одно из экстремальных значений b зависимостей b(t), а параметр А выбирают из семейства градуировочных зависимостей А(b) и/или А(b) (фиг.11). Поскольку параметр b однозначно связан с величиной δ (с увеличением δ, как показано на фиг.3 и 4, от значения δ до δ параметр b уменьшается от b до b'), то представляется возможным увеличить точность определения скорости движения объекта за счет использования заранее снятых на магните характеристик А(b), соответствующих выбранным экстремальным значениям А (A и/или А, фиг.11).
Источники информации
1. Bogdanoff D.W., Knowlen С., Murakami D. and Stonich I. Magnetic Detector for Projectiles in Tubes. - AIAA Jornal, Vol.28, N11, 1990, p.p.1942-1944.
2. Описание к патенту РФ на изобретение «Датчик положения объекта» №2339957, G01P 3/42 (прототип).
3. Описание к патенту РФ на изобретение «Устройство для измерения мгновенной скорости вращения» №2227304, G01P 3/487.