一種高速位移和速度測(cè)量裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速位移和速度測(cè)量裝置，包括磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置、探測(cè)線圈組和數(shù)據(jù)采集儀，磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生背景磁場(chǎng)，探測(cè)線圈組包含若干探測(cè)線圈，探測(cè)線圈組和數(shù)據(jù)采集儀通過電纜連接，數(shù)據(jù)采集儀用于記錄探測(cè)線圈組中各個(gè)探測(cè)線圈的電磁感應(yīng)電壓，并通過檢測(cè)電磁感應(yīng)電壓的峰值時(shí)間并結(jié)合探測(cè)線圈的位置，以獲得被測(cè)對(duì)象的位移，進(jìn)而獲得被測(cè)對(duì)象的速度。本發(fā)明的裝置將位移信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過對(duì)電信號(hào)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)位移及速度的高速測(cè)量，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方案、低造價(jià)、以及微秒級(jí)內(nèi)的位移及速度測(cè)量。
【專利說明】一種高速位移和速度測(cè)量裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種高速位移和速度測(cè)量裝置和方法。【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)運(yùn)動(dòng)或者變形物體的位移及速度測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)、科研儀器等行業(yè)產(chǎn)業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。隨著對(duì)測(cè)量對(duì)象要求的不斷提高，高速位移和速度測(cè)量成為重要的研究課題。而目前在高速位移和速度測(cè)量方面，主要采用的方法有光學(xué)方法、基于高速攝像機(jī)的測(cè)量方法、基于多普勒效應(yīng)聲學(xué)方法等。上述測(cè)量方法存在設(shè)備成本高、測(cè)量方案復(fù)雜等問題，直接制約了其應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種高速位移和速度測(cè)量裝置和方法，其目的在于，將位移信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過對(duì)電信號(hào)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)位移及速度的高速測(cè)量，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方案、低造價(jià)、以及微秒級(jí)內(nèi)的位移及速度測(cè)量。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種高速位移和速度測(cè)量裝置，包括磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置、探測(cè)線圈組和數(shù)據(jù)采集儀，磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生背景磁場(chǎng)，探測(cè)線圈組包含若干探測(cè)線圈，探測(cè)線圈組和數(shù)據(jù)采集儀通過電纜連接，數(shù)據(jù)采集儀用于記錄探測(cè)線圈組中各個(gè)探測(cè)線圈的電磁感應(yīng)電壓，并通過檢測(cè)電磁感應(yīng)電壓的峰值時(shí)間并結(jié)合探測(cè)線圈的位置，以獲得被測(cè)對(duì)象的位移，進(jìn)而獲得被測(cè)對(duì)象的速度。
[0005]優(yōu)選地，探測(cè)線圈為金屬導(dǎo)體制作，探測(cè)線圈在被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)方向的幾何尺寸小于被測(cè)對(duì)象在運(yùn)動(dòng)方向的幾何尺寸，并且探測(cè)線圈的探測(cè)面積小到被測(cè)對(duì)象通過探測(cè)線圈上方所引起的電磁感應(yīng)電壓大于背景磁場(chǎng)引起的電磁感應(yīng)電壓。
[0006]優(yōu)選地，探測(cè)線圈組中探測(cè)線圈沿被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)方向依次布置，探測(cè)線圈之間的距離和探測(cè)線圈的個(gè)數(shù)決定位移測(cè)量精度。
[0007]優(yōu)選地，磁場(chǎng)發(fā)生裝置為可產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵、脈沖磁體或永磁體,其產(chǎn)生的背景磁場(chǎng)可以是穩(wěn)態(tài)也可以是時(shí)變的。
[0008]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種高速位移和速度測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0009]( I)將探測(cè)線圈組放置在被測(cè)對(duì)象側(cè)面，并保證該探測(cè)線圈組的平面和被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)平面平行；
[0010](2)將探測(cè)線圈組中探測(cè)線圈分別通過電纜連接到數(shù)據(jù)采集儀；
[0011](3)布置磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置使其不妨礙被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證其產(chǎn)生的背景磁場(chǎng)能夠覆蓋被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)范圍；
[0012](4)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置產(chǎn)生背景磁場(chǎng)；
[0013](5)被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)，其在運(yùn)動(dòng)過程中感應(yīng)渦流進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)；
[0014](6)數(shù)據(jù)記錄儀記錄探測(cè)線圈組中各個(gè)探測(cè)線圈的電磁感應(yīng)電壓，其中當(dāng)被測(cè)對(duì)象依次經(jīng)過探測(cè)線圈組中各個(gè)探測(cè)線圈正上方時(shí)，探測(cè)線圈分別感應(yīng)到電磁感應(yīng)電壓的峰值時(shí)間；
[0015](7)數(shù)據(jù)采集儀讀取電磁感應(yīng)電壓的峰值時(shí)間，并結(jié)合探測(cè)線圈的位置，即可獲得被測(cè)對(duì)象的位移，進(jìn)而獲得被測(cè)對(duì)象的速度。
[0016]優(yōu)選地，被測(cè)對(duì)象需含有金屬材料，否則事先纏繞金屬導(dǎo)電材料或者鋪設(shè)金屬涂層在被測(cè)對(duì)象表面。
[0017]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0018]本發(fā)明的探測(cè)線圈組中探測(cè)線圈，在現(xiàn)有印刷電路板技術(shù)水平下，可以輕松實(shí)現(xiàn)IOOum間隔的探測(cè)線圈布置，也即位移測(cè)量精度可以達(dá)到lOOum，而且隨著微電子技術(shù)及MEMS技術(shù)的進(jìn)步，該測(cè)量精度還可以提高；同時(shí)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的速度探測(cè)的精度由數(shù)據(jù)采集儀決定，而目前采樣率lOMS/s (時(shí)間分辨率IOOns)以上的數(shù)據(jù)采集卡成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同量級(jí)高速攝像機(jī)。所以基于該發(fā)明的基本原理和設(shè)計(jì)思路，對(duì)高速位移和速度的測(cè)量隨著微電子技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步可不斷提升其性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明高速位移和速度測(cè)量裝置的示意圖。
[0020]圖2是探測(cè)線圈感應(yīng)電壓波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明應(yīng)用于高速電磁脹形試驗(yàn)中測(cè)量金屬環(huán)膨脹位移和速度，本發(fā)明的高速位移和速度測(cè)量裝置包括探測(cè)線圈組1、數(shù)據(jù)采集儀2和磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置4，因?yàn)殡姶琶洯h(huán)試驗(yàn)中所使用的脹環(huán)線圈可以產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，因而本實(shí)施例中脹環(huán)線圈兼做磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置4，省卻了專門的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置。其中電磁脹形系統(tǒng)由被測(cè)對(duì)象3 (本實(shí)施中為金屬環(huán))和脹環(huán)線圈(本實(shí)施中即為磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置4)構(gòu)成。
[0023]探測(cè)線圈組I和數(shù)據(jù)采集儀2通過電纜連接，探測(cè)線圈組I中探測(cè)線圈為金屬材料，采用印刷電路板制作，探測(cè)線圈組I布置在被測(cè)對(duì)象3的運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)，并且線圈組平面平行于被測(cè)對(duì)象3的運(yùn)動(dòng)平面。探測(cè)線圈組I中探測(cè)線圈沿運(yùn)動(dòng)方向(即徑向)幾何尺寸小于被測(cè)對(duì)象3徑向?qū)挾龋⑶冶ＷC其探測(cè)面積足夠小，以保證被測(cè)量對(duì)象3引起的電磁感應(yīng)電壓大于背景磁場(chǎng)感應(yīng)的電壓信號(hào)。
[0024]探測(cè)線圈組I中探測(cè)線圈的個(gè)數(shù)和不同探測(cè)線圈間的間距決定了整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的位移探測(cè)精度:間距越小或個(gè)數(shù)越多，位移探測(cè)精度越高，反之則越低，。
[0025]數(shù)據(jù)采集儀2用于記錄探測(cè)線圈組I中各個(gè)探測(cè)線圈的感應(yīng)電壓，通過檢測(cè)電磁感應(yīng)電壓的峰值時(shí)間并結(jié)合探測(cè)線圈的位置，即可獲得被測(cè)對(duì)象3的位移，進(jìn)而通過諸如先平滑處理后微分的數(shù)學(xué)處理方法就可以獲得被測(cè)對(duì)象3的速度。
[0026]本發(fā)明利用上述高速位移和速度測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的高速位移和速度測(cè)量方法包括以下步驟:
[0027](I)將多個(gè)探測(cè)線圈布置在同一平面上，以形成探測(cè)線圈組1，該探測(cè)線圈組I的平面和被測(cè)對(duì)象3 (即金屬環(huán))運(yùn)動(dòng)平面平行，并使探測(cè)線圈組1、磁場(chǎng)發(fā)生裝置4 (即脹環(huán)線圈)以及被測(cè)對(duì)象3 (即金屬環(huán))同軸；
[0028](2)將探測(cè)線圈組I中的探測(cè)線圈分別通過電纜5連接到數(shù)據(jù)采集儀2 ；
[0029](3)向磁場(chǎng)發(fā)生裝置4 (即脹環(huán)線圈)通入脈沖電流，被測(cè)對(duì)象3感應(yīng)渦流，二者相互作用，使被測(cè)對(duì)象3 (即金屬環(huán))向外高速膨脹；
[0030](4)數(shù)據(jù)記錄儀2記錄探測(cè)線圈組I中各個(gè)探測(cè)線圈的電磁感應(yīng)電壓，其中當(dāng)被測(cè)對(duì)象3依次經(jīng)過探測(cè)線圈組I中各個(gè)探測(cè)線圈正上方時(shí)，探測(cè)線圈分別感應(yīng)到電磁感應(yīng)電壓的峰值時(shí)間；
[0031](5)數(shù)據(jù)采集儀2讀取電磁感應(yīng)電壓的峰值時(shí)間，并結(jié)合探測(cè)線圈的位置，即可獲得被測(cè)對(duì)象3的位移，進(jìn)而通過諸如先平滑處理后微分的數(shù)學(xué)處理方法就可以獲得被測(cè)對(duì)象3的速度。圖2給出了探測(cè)線圈組I中三個(gè)探測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電壓波形示意圖。
[0032]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高速位移和速度測(cè)量裝置，包括磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置、探測(cè)線圈組和數(shù)據(jù)采集儀，其特征在于， 磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生背景磁場(chǎng)； 探測(cè)線圈組包含若干探測(cè)線圈，探測(cè)線圈組和數(shù)據(jù)采集儀通過電纜連接； 數(shù)據(jù)采集儀用于記錄探測(cè)線圈組中各個(gè)探測(cè)線圈的電磁感應(yīng)電壓，并通過檢測(cè)電磁感應(yīng)電壓的峰值時(shí)間并結(jié)合探測(cè)線圈的位置，以獲得被測(cè)對(duì)象的位移，進(jìn)而獲得被測(cè)對(duì)象的速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速位移和速度測(cè)量裝置，其特征在于，探測(cè)線圈為金屬導(dǎo)體制作，探測(cè)線圈在被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)方向的幾何尺寸小于被測(cè)對(duì)象在運(yùn)動(dòng)方向的幾何尺寸，并且探測(cè)線圈的探測(cè)面積小到被測(cè)對(duì)象通過探測(cè)線圈上方所引起的電磁感應(yīng)電壓大于背景磁場(chǎng)引起的電磁感應(yīng)電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速位移和速度測(cè)量裝置，其特征在于，探測(cè)線圈組中探測(cè)線圈沿被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)方向依次布置，探測(cè)線圈之間的距離和探測(cè)線圈的個(gè)數(shù)決定位移測(cè)量精度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速位移和速度測(cè)量裝置，其特征在于，磁場(chǎng)發(fā)生裝置為可產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵、脈沖磁體或永磁體,其產(chǎn)生的背景磁場(chǎng)可以是穩(wěn)態(tài)也可以是時(shí)變的。
5.一種利用權(quán)利要求1至4中所述高速位移和速度測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的高速位移和速度測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將探測(cè)線圈組放置在被測(cè)對(duì)象側(cè)面，并保證該探測(cè)線圈組的平面和被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)平面平行； (2)將探測(cè)線圈組中探測(cè)線圈分別通過電纜連接到數(shù)據(jù)采集儀； (3)布置磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置使其不妨礙被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證其產(chǎn)生的背景磁場(chǎng)能夠覆蓋被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)范圍； (4)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置產(chǎn)生背景磁場(chǎng)； (5)被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)，其在運(yùn)動(dòng)過程中感應(yīng)渦流進(jìn)而產(chǎn)生磁場(chǎng)； (6)數(shù)據(jù)記錄儀記錄探測(cè)線圈組中各個(gè)探測(cè)線圈的電磁感應(yīng)電壓，其中當(dāng)被測(cè)對(duì)象依次經(jīng)過探測(cè)線圈組中各個(gè)探測(cè)線圈正上方時(shí)，探測(cè)線圈分別感應(yīng)到電磁感應(yīng)電壓的峰值時(shí)間； (7)數(shù)據(jù)采集儀讀取電磁感應(yīng)電壓的峰值時(shí)間，并結(jié)合探測(cè)線圈的位置，即可獲得被測(cè)對(duì)象的位移，進(jìn)而獲得被測(cè)對(duì)象的速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速位移和速度測(cè)量方法，其特征在于，被測(cè)對(duì)象需含有金屬材料，否則事先纏繞金屬導(dǎo)電材料或者鋪設(shè)金屬涂層在被測(cè)對(duì)象表面。
【文檔編號(hào)】G01B7/02GK103630066SQ201310583053
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】李亮, 韓小濤, 周中玉, 賴志鵬, 曹全梁 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)