ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель 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 радиосигналов, 2 - объект; 3 - приемник радиосигналов; 4 - синхронизатор; 5 - индикатор [А.П.Сиверс, 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 радиосигналов 1 и приемника радиосигналов 3. Источник 1 по сигналу синхронизатора 4 со своей антенны посылает сигнал, часть которого отражается объектом 2 и поступает на антенну приемника 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 ΔТ определяется расстояние до объекта 2, равное произведению скорости распространения локационного сигнала V на запаздывание ΔТ. Результат измерения отображается на индикаторе 5. Таким образом, система позволяет определить расстояние между местом размещения источника радиосигнала и объектом 2.
Описанный измеритель линейных перемещений является ближайшим аналогом предлагаемого и принят за прототип полезной модели. Его преимуществом является отсутствие зависимости от метеоусловий, поскольку прохождение электромагнитных волн практически не зависит от оптических свойств атмосферы.
Недостатком прототипа 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 не достаточно эффективно, в связи с противоречивостью требований его узконаправленного действия и малого искажения фазы.
Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения точности и упрощения конструкции измерителя линейных перемещений.
Поставленная задача решается тем, что предлагается измеритель линейных перемещений, включающий первый источник радиосигналов и первый приемник радиосигналов, второй источник радиосигналов и второй приемник радиосигналов, а также средство анализа и индикации, причем каждый приемник радиосигналов снабжен средством измерения временных интервалов и соединен со средство анализа и индикации через названное средство измерения временных интервалов, а приемники радиосигналов расположены между источниками радиосигналов.
Один источник радиосигналов может быть выполнен как ретранслятор сигнала другого источника радиосигналов на другой несущей частоте, а средства измерения временных интервалов выполнены в форме двухканальных фазометров.
Вследствие такого расположения источников и приемников радиосигналов, сигналы от разных источников достигают разных приемников с различными задержками во времени, имеющими противоположные знаки. Эти задержки во времени измеряются средствами измерения временных интервалов, а результат измерения отправляется на средство анализа и индикации. Если источники и приемники расположены на одной линии, то разница измеренных задержек равна удвоенному расстоянию между приемниками, деленному на скорость распространения радиоволн (известную как скорость света в вакууме). При ином расположении в результат необходимо внести соответствующие поправки, которые легко вычисляются по правилам геометрии. Поскольку в измерителе объект не используется в качестве отражателя радиоволн, а вместо этого в этом месте закреплена антенна одного из приемников, источники могут работать на любой удобной частоте, в том числе могут быть использованы уже имеющиеся источники, выполняющие другие функции. Это устройство не требует синхронизатора между источником и приемником, поскольку функции синхронизатора выполняет один из источников, а функции формирователя измерительного сигнала выполняет другой источник. Действительно, если оба приемника синхронизуют свои средства измерения временных интервалов, например, по сигналу от источника 1, то средство 6 отстает во времени от средства 5 на величину, которая пропорциональна расстоянию между антеннами приемников 3 и 4. При этом оба средства измерения временных интервалов измеряют время прихода соответствующих сигналов от источника 2, и прием этого сигнала запаздывает в приемнике 3 по сравнению с приемником 4 на эту же величину, только теперь уже запаздывание имеет место на другом приемнике. Таким образом, суммарное отличие времени прихода синхронизирующего сигнала от источника 1 и измерительного сигнала от источника 2 равно удвоенному запаздыванию, то есть несоответствие шкал времени двух приемников лишь приводит к удвоению чувствительности схемы измерения в сравнении с той ситуацией, если бы была обеспечена идеальная синхронность работы приемников.
Источниками могут служить любые радиопередатчики любого частотного диапазона при условии их соответствующего расположения, например, передатчики частотно-модулированного сигнала с несовпадающими частотами модуляции.
Приемниками могут служить любые радиотехнические приемники, например, одна или две антенны в каждом приемнике с двумя избирательными контурами усиления, настроенными на рабочие частоты передатчиков.
Средствами измерителей временных интервалов могут служить счетчики времени или фазометры при условии обеспечения требуемой точности. Например, может быть использован, фазометр с гетеродинным преобразованием частоты, включающий времязадающее средство и, по крайней мере, пару средств выделения разностной частоты, средство сбора и обработки данных измерений текущей разности фаз, у которого каждое средство для выделения разностной частоты выполнено в форме аналого-цифрового преобразователя, связывающего с названным средством сбора и обработки данных измерений текущей разности фаз входы фазометра, причем выход времязадающего средства соединен с тактовыми входами аналого-цифровых преобразователей и со входом средства сбора и обработки данных измерений текущей разности фаз, а аналого-цифровой преобразователь выполнен таким образом, что несущая частота входных сигналов с некоторой точностью в заданное целое число раз превышает частоту получения их отсчетов с его помощью [Патент РФ №2225012].
Средством анализа и индикации может служить персональный компьютер, оснащенный соответствующими средствами связи и программой для обработки сигналов.
Схема предлагаемой системы 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.
ij
Выходом измерителя является информация, накапливаемая в средстве анализа и индикации 7. Пусть источники 1 и 2, а также приемники 3 и 4 расположены в линию, как показано на рис.4, причем расстояние между приемниками 3 и 4 обозначим L, а расстояние между i-м источником и j-м приемником обозначим L.
Предлагаемый 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.
1
1
2
2
Например, пусть в момент времени t первый источник радиосигналов посылает сигнал U, а в момент времени t второй источник посылает сигнал U.
11
21
Первый приемник воспримет сигнал первого источника в момент времени t с задержкой во времени, равной расстоянию между источником и приемником, деленному на скорость света в вакууме с, а сигнал второго источника - в момент времени t с аналогичной задержкой.
Таким образом, сигналы первого и второго источников радиосигналов будут восприняты первым приемником в моменты:
11
1
11
21
2
21
t=t+L/c, t=t+L/c.
Аналогично сигналы первого и второго источников будут восприняты вторым приемником в моменты:
12
1
12
22
2
22
t=t+L/c, t=t+L/c.
Каждое из средств измерения временных интервалов определяет разность этих моментов с учетом их знака следующим образом:
1
21
11
2
1
21
11
Δt=t-t=t-t+(L-L)/c,
2
22
12
2
1
22
12
Δt=t-t=t-t+(L-L)/c.
Если источники и приемники выстроены в прямую линию, начинающуюся первым источником, проходящую через первый приемник, затем через второй приемник и после этого через второй источник, как показано на рис.4, то справедливы следующие соотношения:
12
11
21
22
L-L=L-L=L.
Разница получаемых измерений, вычисляемая анализирующим устройством, равна
1
2
21
11
22
12
τ=Δt-Δt=(L-L-L+L)/c=2L/c.
Таким образом, эта разница зависит только от искомого расстояния между приемниками L, а также от скорости радиоволны при расположении источников и приемников в линию, как показано на рис.4.
Это позволяет вычислить величину L, не используя отражатели сигнала.
1
2
Вклад запаздывания сигнала от различных средств измерения временных интервалов 5 и 6 к средству анализа и индикации 7 можно не учитывать, если обеспечено постоянство величин Δt и Δt или если темп их изменения мал настолько, что за это время запаздывания их изменение не превысит допустимую погрешность измерения величины L.
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 конструкции измерителя и повышение точности измерений.
Таким образом, предлагаемый измеритель обеспечивает повышенную точность измерений за счет упрощения и устранения отражателя и зависимости от его качества.
Дополнительно можно свести к нулю ту часть погрешности, которая определяется вкладом разности запаздываний передачи сигналов от средств 5 и 6 к средству анализа и индикации 7. С этой целью второй источник радиосигналов выполняется в виде ретранслятора сигнала от первого источника, который работает на другой несущей частоте. В этом случае признаком времени первого источника может служить модуляционная частота от собственного низкочастотного генератора, а признаком времени второго источника может служить эта же модуляционная частота, которая получена путем демодуляции принятого сигнала от первого источника. При этом оба приемника содержат два селекторных каскада, два демодулятора и в качестве средства измерения временных интервалов содержат дифференциальный фазометр.
1
Например, модулирующий сигнал от первого источника U имеет вид гармонического сигнала с индивидуальным значением начальной фазы:
1
1
1
U(t)=Acos(ωt+φ).
Тогда модуляционный сигнал от второго источника имеет такой же вид, и хотя его амплитуда и фаза не совпадают, но его частота полностью совпадает с частотой сигнала первого источника, поскольку эти модуляционная частота формируется путем демодуляции принятого сигнала от первого источника:
2
1
2
U(t)=Bcos(ωt+φ).
1
2
Здесь соответственно, φ и φ - фазы сигналов первого и второго источников в момент времени, условно принятый за начало отсчета. Отличие фазы сигнала второго источника вызвано запаздыванием распространения сигнала от первого источника в пространстве, а также задержками модуляционных цепей второго источника. Это отличие мало меняется во времени, поскольку параметры элементов схемы источника постоянны, или меняется крайне медленно, и расстояние между источниками также остается постоянным.
Фаза сигнала от I-го источника на J-ом приемнике будет, соответственно, равна
IJ
1
1
IJ
Ψ=φ+ω(t-L/c) для I и J меняющихся от 1 до 2.
Разность фаз сигналов от 1-го и 2-го источника на J-ом приемнике равна:
J
2J
1J
2
I
1
2J
1J
ΔΨ=Ψ-Ψ=φ-φ-ω(L-L)/c
Эта величина и может быть определена с высокой точностью с помощью, например, цифрового фазометра (Гончаренко А.М. Быстродействующий прецизионный цифровой фазометр с прямым вычислением фазы сигнала // Приборы и техника эксперимента. 2005. N 2. с.88-91). Эта величина, кроме того, постоянна, она не зависит от времени, поэтому результат ее определения может быть усреднен на значительном временном отрезке и передан по каналу связи для дальнейшей обработки без учета запаздывания канала.
После этого анализирующим устройством может быть вычислена разность этих разностей фаз, т.е. двойная разность. Она равна, соответственно,
Δ
2
1
1
22
12
12
11
1
ΔΨ=ΔΨ-ΔΨ=-ω(L-L-L-L)/c=-2ωL/c.
1
2
Эта величина не зависит от начальных фаз генераторов φ и φ, а зависит лишь от разности расстояний между приемниками. Если приемники расположены, как показано на рис.4, то длина L может быть легко определена из этого соотношения по величине двойной разности фаз.