способ измерения параметров движения объекта и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров движения объекта, заключающийся в том, что регистрируют механические колебания инерционного элемента, установленного в положение устойчивого равновесия в магнитном поле, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и расширения частотного диапазона измерений, осуществляют изменение напряженности магнитного поля с частотой, большей частоты колебаний объекта, а параметры движения объекта определяют по изменениям амплитуды колебаний инерционного элемента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту изменения напряженности магнитного поля выбирают кратной или дольной собственной резонансной частоте инерционного элемента.

3. Устройство для измерения параметров движения объекта, содержащее корпус, предназначенный для жесткой связи с объектом, ферромагнитный инерционный элемент, магнитную систему, выполненную в виде соленоида, немагнитной опоры, на которой в положении устойчивого равновесия установлен ферромагнитный инерционный элемент, и источника постоянного тока, регистратор и соединенные емкостный датчик и преобразователь емкость н напряжение, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и расширения частотного диапазона, оно снабжено модулятором, первый вход которого соединен с выходом источника постоянного тока, а выход с катушкой соленоида, синхронным детектором, сигнальный вход которого соединен с выходом преобразователя емкость напряжение, а выход с входом регистратора, и генератором опорной частоты, выходы которого соединены с вторым входом модулятора и управляющим входом синхронного детектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для регистрации параметров вибраций объектов и сооружений в инфранизкочастотном диапазоне частот, в геофизике для регистрации инфранизкочастотных сейсмических колебаний, наклонов земной поверхности, приливных лунно-солнечных колебаний земной поверхности для целей современной геодинамики и прогноза землетрясений.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и расширение частотного диапазона за счет обеспечения возможности регистрации инфранизкочастотных движений контролируемого объекта.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 эпюры напряжений на выходе блоков устройства.

Способ измерения параметров движения объекта заключается в том, что на объекте закрепляют инерционный элемент, установленный в положении устойчивого равновесия в магнитном поле, осуществляют изменение напряженности магнитного поля с частотой, много большей частоты колебаний объекта, регистрируют механические колебания инерционного элемента и определяют параметры движения объекта по изменениям амплитуды колебаний. Частоту изменения напряженности магнитного поля выбирают кратной или дольной собственной резонансной частоты инерционного элемента.

Устройство для реализации способа содержит корпус 1, жестко связанный с контролируемым объектом, магнитную систему, выполненную в виде соленоида 2 и немагнитной опоры 3, установленный на последней в положении устойчивого равновесия ферромагнитный инерционный элемент 4, соединенные источник 5 постоянного тока и модулятор 6, выход которого соединен с катушкой соленоида 2, последовательно соединенные емкостный датчик 7, преобразователь 8, емкость-напряжение, синхронный детектор 9 и регистратор 10, и генератор 11 опорной частоты, выходы которого соединены с вторым входом модулятора 6 и управляющим входом синхронного детектора 9.

Ферромагнитный инерционный элемент 4 может быть выполнен в виде стержня с острым концом, который для уменьшения сухого трения устанавливается на рубиновом или сапфировом подпятнике. Емкостной датчик 7 может быть выполнен в виде двух пластин 12 и 13, подключенных к входам преобразователя 8 емкость-напряжение.

Устройство реализует способ следующим образом.

Через источник 5 постоянного тока в катушку соленоида поступает постоянный ток I_пост., создающий постоянное магнитное поле в зоне расположения ферромагнитного инерционного элемента 4. Величину I_пост. выбирают такой величины, чтобы обеспечить удержание последнего на немагнитной опоре 3, т.е. постоянное магнитное поле с напряженностью H_пост., создающееся за счет тока I_пост., обеспечивает притяжение ферромагнитного инерционного элемента 4 к немагнитной опоре 3, компенсируя гравитационную сил, за счет которой ферромагнитный инерционный элемент 4 стремится упасть вниз. Кроме того, величина I_пост. выбирается из условия обеспечения минимального прижима к немагнитной опоре 3 для создания достаточно малой величины сухого трения.

В положении устойчивого равновесия ферромагнитного инерционного элемента 4 рассматриваемая колебательная система будет иметь свою собственную резонансную частоту F_рез., которая определяется размерами элемента 4, его массой, а также эквивалентной жесткостью "пружины", возвращающей ферромагнитный инерционный элемент 4 в положение устойчивого равновесия при его отклонения от вертикали. Эквивалентная жесткость указанной "пружины" определяется в основном гравитационным полем Земли и в некоторой степени магнитным полем магнитной системы.

С помощью генератора 11 опорной частоты, частоту F_мод. которого выбирают намного большей частоты колебаний контролируемого объекта, и модулятора 6, на постоянный ток I_пост., запитывающий катушку соленоида 2, накладывают переменную составляющую тока. Так как при этом конфигурация магнитного поля не изменяется, то при строгой ориентации ферромагнитного инерционного элемента 4 по вертикали /т.е. при выполнении условия, когда направление вектора силы тяжести и направление вектора магнитных силовых линий магнитной системы совпадают/ и при отсутствии внешней возмущающей силы, воздействующей на корпус 1, амплитуда колебаний ферромагнитного инерционного элемента 4 будет равна нулю на частоте модуляции напряженности магнитного поля. При воздействии возмущающей силы F_возм. на корпус 1 последний изменяет свое положение, при этом изменяется направление вектора магнитный силовых линий, в результате чего появится составляющая силы, которая будет пытаться установить ферромагнитный инерционный элемент 4 вдоль магнитный силовых линий. При увеличении магнитного поля /изменение напряженности магнитного поля обусловлено его модуляцией с частотой F_мод., равной частоте генератора 11 опорной частоты/ элемент4 стремится занять положение вдоль направления вектора магнитных силовых линий, а при уменьшении магнитного поля ферромагнитный инерционный элемент 4 уходит из прежнего положения и стремится принять ориентацию вдоль вектора силы тяжести. При нулевой разориентации, т.е. когда направление вектора магнитных силовых линий и направление вектора силы тяжести совпадают, силы, действующей на элемент 4, не возникает. Таким образом, при движении контролируемого объекта, а, следовательно, и корпуса 1 устройства возникают механические колебания ферромагнитного инерционного элемента 4 с частотой модуляции напряженности магнитного поля магнитной системы, при этом амплитуда колебаний будет изменяться в соответствии с параметрами колебаний контролируемого объекта.

Механические колебания ферромагнитного инерционного элемента 4 преобразуются в электрический сигнал с помощью емкостного датчика 7 и преобразователя 8 емкость-напряжение, детектируется синхронным детектором 9 и регистрируются регистратором 10, который записывает электрический сигнал, соответствующий колебаниям контролируемого объекта.

Для повышения чувствительности измерений частоту F_мод. изменения напряженности магнитного поля можно выбирать кратной или дольной собственной резонансной частоте F_рез.ферромагнитного инерционного элемента 4. При размерах последнего порядка единиц см и его массе порядка долей и единиц грамм, F_рез. будет порядка единиц и десятков Гц, и частоту F_мод. можно выбирать в 2-3 раза выше или ниже частоты F_рез.. При этом будет выполняться условие выбора частоты F_мод. намного выше частоты колебаний контролируемого объекта, например инфранизкочастотных вибраций сооружений, узлов, механизмов, приливных лунно-солнечных колебаний земной коры, инфранизкочастотных сейсмических колебаний, наклонов земной поверхности и т.д.

Предлагаемое решение позволяет повысить информативность измерений путем расширения диапазона измерений в сторону инфранизких частот. Действительно, осуществляя модуляцию напряженности магнитного поля, можно получить механические колебания инерционного элемента, амплитуда которых изменяется в соответствии с изменением параметров движения контролируемого объекта. При этом частоту модуляции F_мод. напряженности магнитного поля можно выбрать достаточно большой /F_мод. порядка единиц, десятков и сотен Гц/ по сравнению с частотой F_контр. колебаний контролируемого объекта /F_контр. порядка десятых долей сек, единиц, десятков, сотен и тысяч сек, суток, недель и месяцев/. Осуществляя синхронное детектирование амплитуды механических колебаний инерционного элемента с опорной частотой F_мод., можно зарегистрировать инфранизкочастотные колебания контролируемого объекта при стабильном нуль-пункте устройства.

Предлагаемое решение обладает более высокой помехоустойчивостью, так как регистрация параметров движения контролируемого объекта осуществляется с помощью синхронного детектирования с опорной частотой F_мод., задаваемой генератором опорной частоты.

Так как предлагаемое устройство обладает малыми массогабаритными показателями /все устройства порядка нескольких десятков грамм/, оно не предъявляет особых требований к монтажу на контролируемом объекте и может быть размещено в самых разнообразных условиях /на различных сооружениях, узлах, механизмах, глубоководных и летательных аппаратах, в глубоких и сверхглубоких скважинах и т.д./.

Предлагаемое устройство обеспечивает более высокую чувствительность измерений и стабильный нуль-пункт по сравнению с известными маятниковыми датчиками вибраций и сейсмометрами. Высокая чувствительность измерений обусловлена весьма малым сухим трением инерционного элемента в опоре, а также тем, что сила давления инерционного элемента на опору может быть минимизирована за счет выбора напряженности магнитного поля. Высокая стабильность нуль-пункта предлагаемого устройства обусловлена отсутствием неконтролируемых временных перемещений инерционного элемента /маятника/ относительно его опоры, например, из-за вытягивания маятниковой системы из заделки, явлений вторичной упругости в материалах, особенно явлений упругого последействия и ползучести, вида закрепления маятника и т.д. имеющие место в известных датчиках вибрации и сейсмометрах.