ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
LINEAR DISPLACEMENT TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в геодезии, строительстве, системах контроля состояния сложных инженерных сооружений: ГЭС, плотин, мостов и др. для выполнения высокоточных бесконтактных измерений.
Для высокоточных бесконтактных измерений линейных перемещений и размеров применяют методы, основанные на известной скорости распространения оптических волн или радиоволн. Измерительные устройства преобразуют измеряемое линейное расстояние во время задержки отраженного сигнала, которое затем измеряется специальными электронными средствами - измерителями интервалов или фаз. Недостатком оптических измерительных устройств является зависимость точности измерений от метеоусловий, влияющих на скорость распространения оптических волн в воздухе, а также необходимость прямой оптической видимости между источником излучения и приемником излучения. Недостатком радиотехнических измерительных устройств является сложность конструирования источника узконаправленного излучения и отражателя радиоволн и сложность настройки таких устройств, а также возникновение помех от сторонних объектов, которые сложно устранить.
Известен оптический измеритель линейных перемещений, схема которого приведена на рис.1, где 1 - источник оптического излучения, 2 - передающая оптическая система, 3 - объект, 4 - приемная оптическая система, 5 - фотоприемник, 6 - средство обработки, 7 - вычислительное средство, 8 - среда распространения излучения [М.И.Мусяков, И.Д.Миценко. Оптико-электронные системы ближней дальнометрии. Москва: Радио и связь. 1991. с.4]. В этом измерителе излучение от источника оптического излучения 1 через передающую оптическую схему 2 поступает в среду распространения излучения 8, где распространяется до объекта 3 и обратно к приемной оптической системе 4. Фотоприемник 5 преобразует оптический сигнал в электрический, который поступает на средство обработки 6, где определяются соотношения фаз, частот или иных характеристик принятого сигнала, по которым вычислительное средство 7 вычисляет расстояние от измерителя перемещений до объекта. На прохождение через среду 8 в прямом и обратном направлении оптическое излучение затрачивает некоторое время вследствие конечной скорости распространения света в этой среде. Измерение этой задержки позволяет измерять расстояние до объекта. Для измерения этой задержки может использоваться сравнение с сигналом, поступающим на этот же или на дополнительный фотоприемник минуя путь к объекту или обратно. Или же в сигнале, распространяющемся к объекту и обратно, могут содержаться несколько модуляционных частот. Одинаковая задержка по времени в сигналах на различных частотах приводит к разным фазовым сдвигам в принимаемых сигналах, что позволяет вычислить величину задержки во времени. Это вычисление осуществляет средство обработки, а средство вычисления преобразует ее выходные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком или регистрирующим устройством. Недостатком этого измерителя является зависимость результата измерения от метеоусловий, таких как давление и температура, изменяющих скорость света в среде 8, которой является воздух, что снижает точность измерений. Другим недостатком является необходимость прямой оптической видимости на всей измерительной длине между элементами 2, 3 и 4.
Известен также измеритель линейных перемещений, схема которого приведена на рис.2, где 1 - источник электромагнитных волн, 2 - объект; 3 - приемник электромагнитных волн; 4 - синхронизатор; 5 - индикатор [А.П.Сивере, Н.А.Суслов, В.И.Метельский. Основы радиолокации. Ленинград: Судпромгиз. 1959 г. с.9].
Этот измеритель линейных перемещений работает следующим образом. Синхронизатор 4 формирует связанные по времени сигналы на входы источника электромагнитных волн 1 и приемника источник электромагнитных волн 3. Источник электромагнитных волн 1 по сигналу синхронизатора 4 со своей антенны посылает сигнал, часть которого отражается объектом 2 и поступает на антенну приемника электромагнитных волн 3. Время поступления этого сигнала на приемник 3 сравнивается со временем поступления сигнала от синхронизатора и по запаздыванию во времени поступления отраженного сигнала по сравнению с сигналом синхронизатора ΔT определяется расстояние до объекта 2, равное произведению скорости распространения локационного сигнала V на запаздывание ΔT. Результат измерения отображается на индикаторе 5. Таким образом, система позволяет определить расстояние между местом размещения источника электромагнитных волн и приемника электромагнитных волн и объектом 2.
Недостатком этого устройства является недостаточно высокая точность измерений, обусловленная тем, что в нем используется сигнал радиотехнического диапазона, отраженный от объекта сложной формы, что вызывает искажение формы отраженного сигнала. Применение специального отражателя довольно сложно и при этом недостаточно эффективно в связи с противоречивостью требований его узконаправленного действия и малого искажения фазы.
Известен измеритель линейных перемещений, принятый за прототип [Измеритель линейных перемещений, патент на полезную модель №87252, опубликовано 27.09.2009, Бюл. №27].
Схема этого измерителя приведена на рис.3. Она содержит:
- 1 и 2 - источник радиосигналов;
- 3 и 4 - приемник радиосигналов;
- 5 и 6 - средство измерения временных интервалов;
- 7 - средство анализа и индикации.
Выходом измерителя является информация, накапливаемая в средстве анализа и индикации 7.
Этот измеритель линейных перемещений работает следующим образом.
Источники радиосигналов 1 и 2 излучают сигналы, которые легко могут быть отличены друг от друга, причем каждый из таких сигналов содержит периодически появляющиеся признаки времени или фазы встроенного генератора или эталона времени.
NM
11
21
21
22
Каждый приемник воспримет сигнал каждого источника, различая их по характерным признакам. Предположительно, таким признаком отличия сигналов от разных передатчиков является различная несущая частота. Принятые сигналы вместе с содержащимися в них признаками времени поступают на средства измерения временных интервалов. Каждое из средств измерения временных интервалов определяет разность моментов этих признаков. Обозначим время обнаружения временного признака в сигнале от передатчика с номером N на приемнике с номером М как t. Тогда, если приемники и источники выстроены в прямую линию, начинающуюся первым источником, проходящую через первый приемник, затем через второй приемник и после этого через второй источник, то отличие разности моментов возникновения временных признаков Δt=(t-t)-(t-t) пропорционально расстоянию между приемниками.
Эта разница зависит только от искомого расстояния между приемниками, а также от скорости радиоволны. Это позволяет вычислить величину искомого расстояния, не используя отражатели сигнала.
Таким образом, устройство позволяет измерять расстояние между антеннами двух приемников. В устройстве не требуется отражатель электромагнитных волн радиочастотного диапазона, что упрощает его конструкцию и удешевляет, устраняет зависимость результата измерения от качества такого отражателя. Это позволяет повысить точность измерений. В результате достигается упрощение системы и повышение точности измерений.
Второй источник выполняется в виде ретранслятора сигнала от первого источника, который работает на другой несущей частоте. В этом случае признаком времени первого может служить модуляционная частота от собственного низкочастотного генератора, а признаком времени второго передатчика может служить эта же модуляционная частота, которая получена путем демодуляции принятого сигнала от первого передатчика. При этом оба приемника содержат два селекторных каскада, два демодулятора и в качестве средства измерения временных интервалов содержат дифференциальный фазометр.
Недостатком прототипа является недостаточно высокая точность измерений. Одна из причин недостаточной точности состоит в высокой погрешности определения точных моментов поступления признаков времени.
Признак времени может содержаться в явном или неявном виде в форме огибающей функции сигнала, передаваемого каждым из передатчиков. Явным признаком времени может служить, например, фронт импульса или момент инвертирования фазы передаваемого сигнала. Неявным признаком может служить, например, точное значение относительно медленно изменяющейся гармонической огибающей функции. Трудность точного определения явного признака времени состоит в следующем. Во-первых, он является одним из видов быстрого изменения сигнала, и, следовательно, спектр сигнала, содержащего этот признак, очень широкий. При передаче по радиочастотному каналу, имеющему, как правило, не слишком широкий спектр, часть исходного спектра не проходит через приемопередающий спектр. Оставшийся сигнал приобретает искажения, вызывающие изменение точного момента определения характерного признака времени, например фронт импульса растягивается, а момент переключения фазы сглаживается соответствующим переходным процессом. Во-вторых, если применять, например, корреляционный метод отыскания признака времени, то алгоритм реализации этого метода чрезвычайно усложняется, поскольку зависимость корреляционной функции от ошибки настройки коррелятора существенно не плавная, поэтому производная этой функции по ошибке многократно изменяет знак. Это приводит к тому, что возможны ошибочные настройки на локальные экстремумы корреляционной функции. Трудность точного определения неявного признака связана с несущественным изменением сигнала ошибки настройки при небольшой ошибке, то есть с низкой чувствительностью метода.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности измерителя линейных перемещений.
Поставленная задача решается тем, что предлагается измеритель линейных перемещений, включающий два источника радиосигналов, два приемника радиосигналов, два средства измерения временных интервалов и средство анализа и индикации, подключенное своими входами к выходам каждого средства измерения временных интервалов, которые своими входами соединены с выходами соответствующих приемников радиосигналов, а каждый приемник радиосигналов соединен своими входами с выходами каждого источника радиосигналов, при этом на входах каждого источника радиосигналов установлены генератор гладкой модуляции и генератор признаков времени, а между выходами каждого приемника радиосигналов и входами соответствующих средств измерения временных интервалов имеется пара каналов обработки сигналов, каждый из которых содержит подключенные к его входу средство распознавания гладкой модуляции и средство распознавания признаков времени, причем выход средства распознавания гладкой модуляции соединен с дополнительным входом средства распознавания признаков времени, выход которого является выходом канала обработки сигналов, при этом каждый приемник радиосигналов снабжен парой отдельных выходов, каждый из которых соединен с входом соответствующего канала.
Каждое средство распознавания гладкой модуляции может содержать включенные в петлю генератор гладкой модуляции, коррелятор и средство экстремальной настройки, выход которого является выходом этого средства распознавания гладкой модуляции, а его входом является второй вход коррелятора.
Каждое средство распознавания признаков времени может содержать включенные в петлю генератор признаков времени, коррелятор и средство экстремальной настройки, дополнительный вход которого является дополнительным входом этого средства распознавания признаков времени, а его входом является второй вход коррелятора.
Этот измеритель позволяет использовать одновременно два признака времени, один из которых - неявный и служит для робастного (грубого, приближенного) отыскания признака времени и настройки на него, а второй - явный и служит для точного определения признака времени, например, путем настройки фазы собственного (гетеродинного) генератора на этот признак времени. С этой целью в устройство введены два генератора гладкой модуляции и генератор признаков времени на входах каждого передатчика, а также между выходом каждого приемника и входом каждого средства измерения временных интервалов введены параллельно включенные два канала обработки сигналов.
Схема этого измерителя перемещений приведена на рис.4. Она содержит:
1 и 2 - источники радиосигналов;
3 и 4 - приемники радиосигналов;
5 и 6 - средства измерения временных интервалов;
7 - средство анализа и индикации;
8 и 9 - генераторы гладкой модуляции;
10 и 11 - генераторы признаков времени;
13, 14, 15 и 16 - каналы обработки сигналов I, II, III и IV;
17 - средство распознавания гладкой модуляции (в каждом из каналов);
18 - средство распознавания признаков времени (в каждом из каналов).
Выходом измерителя является информация, накапливаемая в средстве анализа и индикации 7.
Этот измеритель линейных перемещений работает следующим образом.
Источники радиосигналов 1 и 2 снабжены двумя генераторами для модуляции передаваемых сигналов: генератором гладкой модулирующей функции и генератором признаков времени. Каждый из источников 1 и 2 излучает сигналы с индивидуальными признаками, например, на индивидуальной несущей частоте. Каждый из двух передаваемых сигналов имеет два вида модуляции. Каждая модуляция осуществляется сигналами с выходов соответствующих генераторов. Генератор гладкой модуляции формирует сигнал, осуществляющий гладкую модуляцию. Эта модуляция содержит неявные признаки времени и служит для робастной (грубой, предварительной) настройки каналов обработки сигналов. Генератор признаков времени формирует сигналы, содержащие явные признаки времени. Эти сигналы служат для модуляции, которая используется для точного определения моментом поступления признаков времени. Разные виды модуляции могут вводиться путем их суммирования или любым иным путем, например одна модуляция может быть амплитудной, а другая частотной. Каждый из приемников принимает сигнал каждого из источников и распознает их по индивидуальному признаку. Распознанный сигнал от каждого источника подается на индивидуальный канал обработки. Каждый из каналов обработки сначала путем распознавания гладкой модуляции для робастной (грубой, предварительной) настройки определяет моменты поступления неявных признаков времени, содержащихся в гладкой модуляции, вводимой в сигналы генераторами 8 или 9, после чего путем распознавания признаков времени более точно определяет моменты поступления явных признаков времени, вводимых в передаваемые сигналы генераторами признаков времени 10 или 11. Результатом действия каналов обработки сигналов 13, 14, 15 и 16 является точное определение моментов поступления явных признаков времени. Сигналы, отмечающие эти моменты, поступают на входы средств измерения временных интервалов 5 и 6, которые определяют разность времени поступления явных признаков времени от различных приемников. Результаты измерений поступают на средство анализа и индикации. Это средство вычисляет разность этих результатов, которая пропорциональна расстоянию между приемниками. Этот результат является выходом всего измерителя и отображается на индикации и (или) отправляется на дальнейшую обработку, например, для мониторинга состояния плотин.
Наличие в принятых сигналах гладкой модуляции позволяет легко осуществить робастную (грубую, предварительную) настройку, что исключает настройку на локальные экстремумы и повышает надежность и быстродействие системы. Наличие в принятых сигналах явных признаков времени позволяет осуществлять более точную окончательную настройку, что повышает точность измерения.
Таким образом, поставленная задача повышения точности решена.
Каждый из каналов обработки сигналов 13, 14, 15 и 16 может быть, например, выполнен по схеме, показанной на рис.5.
Каждый канал содержит средство распознавания гладкой модуляции и средство распознавания признаков времени, причем входной сигнал каждого из этих каналов поступает на каждое из этих средств, и, кроме того, дополнительный сигнал грубой настройки поступает из средства распознавания гладкой модуляции на вход средства распознавания признаков времени. Этот сигнал позволяет более успешно (быстро и надежно) определять приближенное значение моментов поступления признаков времени.
Например, средство распознавания гладкой модуляции может содержать включенные петлей генератор гладкой модуляции, коррелятор и средство экстремальной настройки. Генератор гладкой модуляции 17 полностью идентичен генератору 8 или 9, подключенному к передатчику. Коррелятор сравнивает сигнал с выхода генератора гладкой модуляции 17 с сигналом, поступающим на другой его вход с выхода приемника. Выходной сигнал корреляции характеризуется гладкой зависимостью от ошибки настройки, производная этого сигнала по ошибке плавно изменяет свою величину и редко изменяет свой знак. Это позволяет средству экстремальной настройки надежно и безошибочно настроить фазу генератора гладкой модуляции 17, обеспечив близкое соответствие этой фазы фазе принятого сигнала. Сигнал автоподстройки с выхода средства экстремальной настройки используется средством распознавания признаков времени для предварительной настройки. Средство распознавания признаков времени может работать по такому же принципу и иметь аналогичную структуру, то есть содержать генератор признаков времени 20, идентичный генератору 10 или 11, коррелятор и средство экстремальной настройки. Это средство экстремальной настройки 22 использует информацию, поступающую с выхода средства распознавания гладкой модуляции для предварительной настройки генератора признаков времени. Это ускоряет процесс настройки и исключает настройку генератора признаков времени на локальный экстремум, следовательно, повышает точность определения моментов поступления признаков времени.
Практическая реализация этого устройства может быть осуществлена на быстром микропроцессоре с соответствующей программой или на специализированном цифровом вычислительном устройстве на основе программируемых логических матриц.
В качестве генератора гладкой модуляции может, например, использоваться генератор гармонической функции, аппаратный или программный.
В качестве генератора признаков времени может, например, использоваться программный или программно-аппаратный генератор длинной и сложной псевдослучайной последовательности импульсов.
Источники сигналов могут быть выполнены как обычные радиопередатчики, использующие амплитудную, фазовую или иную модуляцию.
Средствами измерителей временных интервалов, как и в прототипе, могут служить счетчики времени или фазометры при условии обеспечения требуемой точности.
Средством анализа и индикации, как и в прототипе, может служить персональный компьютер, оснащенный соответствующими средствами связи и программой для обработки сигналов.