专利名称：微位移测量装置以及位移过程转换成电信号的方法
技术领域：
本发明涉及检测仪器领域，特别是微位移的测量，可以用于测量、检测和记录自然、工程和仿生学中的蠕变和动态内过程，例如，在气象学中记录气压、热和湿度变化，在安全系统中记录工程结构的蠕变，检测大小装置的防漏，以及记录地震、次声和重力波。在仿生学中，所述装置可以在仿生假肢、仿生机器人和动物机器人中用作触觉。
为了具体实施上述课题，测量系统应具有最大可能的灵敏度(直到单位埃-)、宽的动态范围和低的惯性。
目前，实现光谱测定方法的X射线干涉仪可以提供最高的灵敏度和宽的动态范围。但是，对于计量学和研究材料的晶体结构以外的情况，由于敏感元件高的惯性、笨重的设备设计、复杂性以及高价格，这些方法无法应用。
在小位移测量中电容和电感传感器有着广泛的应用，但其局限性在于由于模拟测量特征的非线性，提高这些传感器的灵敏度必然导致动态范围变窄。特性特殊部分决定了传感器的动态范围(例如参见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测量元素(网格)的线性或角位移人工量化的设备，对于测量小位移是公知的。作为一个例子可以参考增量编码器(К.Бриндли，“Измерителъные преобразователиСправочное пособие”，由英翻译的，M.，Энергоатомиздат，1991，pp.62-63)。这种类型的编码器的分辨率取决于传感器盘或带上敏感段的数量，这决定了其灵敏度的机械限制(不超过0.01微米)。
作为原型被接收的最接近的结果是根据苏联授权人证书No.947626的微位移传感器，其中实现了使用自然量化效应的测量方法。该装置含有传感器，传感器包括敏感和测量元件，将单调的位移转换成脉冲δ调制电信号。敏感元件固定在弹性膜上并与微位移源(被测物体)相互作用，而弹性加载移动测量元件是电磁铁的铁芯，当从信号调节器施加励磁电流时，该铁芯将测量元件固定在与敏感元件接触的位置上。
在初始状态，敏感和测量元件间的电接触产生电流流动的封闭电流回路，结果，信号调节器的输出表现为激励电磁铁并固定测量元件的励磁电流。当测试物体移动时，在膜产生的测量力作用下，敏感元件沿着打开测量和敏感元件之间接触的方向移动。在电路断开的同时，信号调节器从固定电磁铁的线圈中去除励磁电流，在弹簧的作用下测量元件沿敏感元件的方向移动，直到敏感和测量元件之间的接触恢复并且测量元件固定在一个新位置。
接触的断开和恢复形成脉冲信号的前沿和后沿，等价于测量元件的一次移动，从而利用自然量化效应-磁滞现象，将单调的位移转换成脉冲δ调制电信号。量化位移的特征是其数值由两个电接触状态(闭合-打开)确定。
该已知装置的缺点在于在测量和敏感元件之间形成接触的瞬间，移动测量元件的弹簧压力通过敏感元件传递到测试物体上，结果由于此接触力在被测物体产生弹性微变形。这个微变形的数值将最终可达到的灵敏度限制在0.2微米。另外，当电接触断开时生成电腐蚀桥。当存在接触时，该桥电流被信号调节器检测，并且仅在桥断开后产生测量脉冲。这样，测量元件的每个微位移的长度不能小于电腐蚀桥的长度，并且也计入了产生的微变形数值。另外，电腐蚀桥的出现导致接触元件的几何破坏，使其计量学特性不稳定。
本发明的目的是，通过消除“传感器-物体”空间回路的弹性微变形在宽动态范围提高装置的灵敏度，也消除敏感和测量元件工作表面上的电腐蚀过程。
上述目的是通过如下方式达到的测量微位移的装置具有测量和敏感元件，膜，信号调节器，信号调节器的输出连接到固定电磁铁的线圈，还具有测量元件；拉动电磁铁的线圈连接在信号调节器的第二输出，第二输出与连接固定电磁铁线圈的输出反相。
被测量的微位移的最大动态范围是通过将拉动电磁铁定位在连接敏感元件的膜上达到的。
为了防止氧化物、水或其它类似的膜在敏感和测量元件的工作表面上形成，本发明的装置位于充有惰性介质的密封外壳中。
本发明装置中使用的、将微位移转换成电信号的方法消除了运动间隙中形成的电腐蚀桥。这种方法是，当测量和敏感元件之间产生电场发射电流时将测量元件固定，当电场发射电流中断时释放并移动测量元件。
本发明装置的原理图示于附图
。
微位移测量装置包括敏感元件1，具有垫圈3的测量元件2，固定电磁铁5。测量元件2连接到信号调节器6，信号调节器6具有工作电源7和限流器8。信号调节器6的输出连接到放大器9的输入，放大器9的直接输出连接到固定电磁铁4的线圈，反相输出连接到拉动电磁铁5的线圈。拉动电磁铁5位于膜10上，膜10与外壳11一起形成充有保护介质的密封室12。输出脉冲信号从放大器9到达指示器13。条件测试物体14与敏感元件连接。
该装置按如下方式工作当敏感元件1跟随着测试物体14在膜10的弹性力作用下移动时，在测量电路“工作电源7-限流器8-测量元件2-敏感元件1-膜10-地”中出现断电。在电场发射电流中断的瞬间，信号调节器6控制的放大器9去除固定电磁铁4的励磁电流，同时对拉动电磁铁5的线圈施加励磁电流。在施加在垫圈3上的拉动电磁铁5的吸引力作用下，脱离了电磁铁4的固定力的测量元件2，向敏感元件1方向移动。这个移动存在，一直到在上述测量电路的敏感元件和测量元件2之间出现电场发射电流，移动的距离由下式确定
λ＝U/E式中λ-出现电场发射电流时测量元件2与敏感元件1之间的间隙大小；U-选定的工作电压值；E-电场发射强度，等于～109V/m。
当选定工作电压为0.05V时，出现当前电场发射的距离等于5×10-11m或0.5。
在出现发射电流的瞬间，由放大器9控制的电磁铁4和5改变其状态从拉动电磁铁5上去除励磁电流，由于固定电磁铁4的吸引，测量元件2固定在一个新位置上。跟随测试物体14的移动，在膜10的弹性力作用下敏感元件1继续移动，使电场发射电流中断(测量元件2和敏感元件1之间的距离等于λ+Δ，这里Δ是电场发射滞后的数值)，并按上述顺序重复这一过程。
在敏感元件1移动的每个循环形成脉冲的前沿和后沿，等价于测量元件2的一次移动。产生的脉冲由放大器9到达指示器13并记录下来。
一个脉冲的“数值”由综合的磁滞确定，这取决于测量元件2的惯性，拉动电磁铁5和固定电磁铁4的响应时间以及电场发射滞后的数值。
拉动电磁铁5在膜10上的位置在测量元件2所有移动距离上提供装置的功能，该移动距离由膜10允许的偏转决定。这是由于当敏感元件1移动时，磁运动间隙在这种情况下保持不变。
测量元件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，这些膜阻止电场发射电流的产生，其中密封室12由外壳11和膜10确定并填充惰性介质。
本发明具有以下特征在不产生“传感器-物体”空间回路微变形的情况下将单调微位移转换成δ调制脉冲电信号。由上面所述可以看出，这是通过下面方式实现的测量电路从一个稳定状态转换到另一个稳定状态是在测量元件2与敏感元件1之间没有直接电接触的条件下完成的，因此不产生弹性变形；测量电路的灵敏度由选定的工作电压值确定。
本发明特征和方法的结合将微位移转换成δ调制脉冲电信号，同时装置的灵敏度在单位埃的范围内。
具体实施例根据由GOST8.491-83(前苏联的GOST-全苏联标准)确定的程序进行金属条位移的测量。这可以排除在使用螺旋幅时与不均匀位移相关的一些干扰(根据GOST程序)。采用01∏型测量弹簧头(光学扭簧测微仪)作为参考装置。当条伸展1微米时(由光学扭簧测微仪记录)，本发明传感器的信号调节器产生一系列2×104脉冲，由чз-34A频率计记录(当使用测量和敏感元件的金表面时，并且当测量电路的工作电压等于0.05V时)。这意味着一个脉冲相当于×10-10米，即0.5-确定本发明装置灵敏度的数值。
根据需要，本发明装置可以以两通道版本具体实施，以测量符号改变的位移。
权利要求
1.一种微位移测量装置，包括信号条件测量和敏感元件，与测量元件连接的膜，以及其线圈连接信号调节器的输出的固定电磁铁，其特征在于该装置还具有与测量元件相互作用的拉动电磁铁，并且拉动电磁铁的线圈与信号调节器的第二输出连接，信号调节器的第二输出与连接到固定电磁铁线圈的输出反相。
2.如权利要求1所述的装置，其中拉动电磁铁位于连接敏感元件的膜上。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述装置位于充有惰性介质的密封外壳中，外壳的一个壁是由连接敏感元件的膜形成的。
4.一种通过自然量化将微位移转换成电信号的方法，包括固定和释放测量元件并随后沿敏感元件方向移动测量元件的操作，其特征在于当产生电场发射电流时固定测量元件，当电场发射电流中断时释放测量元件。
全文摘要
本发明涉及微位移测量领域，可以用于记录自然、人工起源的蠕变和动态内过程，例如，地震过程、次声和重力波。本发明的目的是在宽的动态范围内提高测量灵敏度。微位移测量装置包括测量元件(2)和敏感元件(1)，膜(10)，信号调节器(6)，其输出连接到固定电磁铁(4)的线圈。根据本发明，该装置还具有与测量元件(2)相互作用的拉动电磁铁(5)，拉动电磁铁(5)的线圈连接到信号调节器(6)的第二反输出。拉动电磁铁优选地位于膜(10)上，以增大可测量的位移范围。另外，由装置外壳(11)与膜(10)形成的密封空间，能防止测量元件(2)和敏感元件(1)的工作表面上形成氧化物或类似的膜。在所述装置中具体实施将位移转换成电信号的方法，此方法包括将电场发射电流作为一个特性，并据此进行量化。所述的方法允许被记录的位移在单位埃的范围内。
文档编号G01M99/00GK1474946SQ01818853
公开日2004年2月11日 申请日期2001年5月3日 优先权日2000年11月24日
发明者L·贝克斯, B·卢布根斯, J·芬克尔施泰因斯, J·努罗夫斯, A·皮奥伦斯基斯, L 贝克斯, 侣姿够 , 几, 硕 ┨┮蛩, 薹蛩 申请人:L·贝克斯, B·卢布根斯, L 贝克斯