Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Пристрій для вимірювання малих переміщень, що містить двовходовий НВЧ генератор з включеним в ньому напівпровідниковим діодом Ганна, підключеним до джерела живлення, направлений випромінювач і індикатор, який відрізняється тим, що додатково введені регулятор, диференціальний і підсумувальний підсилювачі, перший і другий лінійні підсилювачі, хвилевідні вигини, детекторні діоди, перша і друга хвилевідні секції рівної довжини з подовжньою щілиною в широкій стінці хвилеводу і з ємнісним зондом в кожній з секцій, підключеним послідовно з детекторним діодом і лінійним підсилювачем, причому перший і другий лінійні підсилювачі підключені одночасно до диференціального і підсумувального підсилювачів, підсумувальний – підключений до індикатора, а диференціальний – до регулятора, при цьому двовходовий хвилевідний генератор виконаний дводіодним і містить високодобротний перестроюваний циліндричний резонатор, підключений до однієї з широких стінок відрізка прямокутного хвилеводу через отвори зв'язку, які забезпечують синфазність вихідних сигналів, до вузьких стінок хвилеводу підключені перестроювані коаксіальні резонатори, які містять діоди Ганна з різними пролітними частотами f1 = (0,7-0,9)fс і f2 = (1,15-1,3)fс, де fс - частота настройки циліндричного резонатора, підключені до одного джерела живлення, при цьому входи хвилевідних секцій з подовжньою щілиною підключені до входів генератора, виходи хвилевідних секцій через хвилевідні вигини в Е-площині сполучені з направленими випромінювачами, апертури яких лежать в одній площині, а зонди в хвилевідних секціях з подовжніми щілинами розміщені з можливістю їх переміщення уздовж щілин при юстируванні з подальшою їх жорсткою фіксацією при експлуатації транспортного засобу.

Текст

Реферат: Об'єкт винаходу: пристрій для вимірювання малих переміщень. Область застосування: радіотехніка надвисоких частот, для безконтактного вимірювання малих переміщень об'єктів, зокрема в інформаційно-управляючій системі магнітолевітуючих транспортних засобів в частині вимірювання вертикальних і горизонтальних переміщень. Суть винаходу: пристрій для вимірювання малих переміщень містить двовходовий НВЧ генератор з включеним в ньому напівпровідниковим діодом Ганна, підключеним до джерела живлення, направлений випромінювач і індикатор, при цьому в нього додатково введені регулятор, диференціальний і підсумувальний підсилювачі, перший і другий лінійні підсилювачі, хвилевідні вигини, детекторні діоди, перша і друга хвилевідні секції рівної довжини з подовжньою щілиною в широкій стінці хвилеводу і з ємнісним зондом в кожній з секцій, підключеним послідовно з детекторним діодом і лінійним підсилювачем, причому перший і другий лінійні підсилювачі підключені одночасно до диференціального і підсумувального підсилювачів, підсумувальний підключений до індикатора, а диференціальний - до регулятора, при цьому двовходовий хвилевідний генератор виконаний двохдіодним і містить високодобротний перестроюваний циліндричний резонатор, підключений до однієї з широких стінок відрізка прямокутного хвилеводу через отвори зв'язку, які забезпечують синфазність вихідних сигналів, до вузьких стінок хвилеводу підключені перестроюванні коаксіальні резонатори, які містять діоди Ганна з різними пролітними частотами f1=(0,7-0,9)fс і f2=(1,15-1,3)fс, UA 105282 C2 (12) UA 105282 C2 де fс - частота настройки циліндричного резонатора, підключені до одного джерела живлення, при цьому входи хвилевідних секцій з подовжньою щілиною підключені до входів генератора, виходи хвилевідних секцій через хвилевідні вигини в Е-площині сполучені з направленими випромінювачами, апертури яких лежать в одній площині, а зонди в хвилевідних секціях з подовжніми щілинами розміщені з можливістю їх переміщення уздовж щілин при юстируванні з подальшою їх жорсткою фіксацією при експлуатації транспортного засобу. Технічний результат: з використанням закономірностей структуризації електромагнітних полів у розузгоджених хвилевідних структурах, особливостей побудови високостабільних НВЧ генераторів з використанням напівпровідникових генераторних структур, що проявляють ефект Ганна, і з урахуванням специфічного впливу НВЧ поля на розвиток доменної нестійкості у вказаних напівпровідникових структурах побудовано пристрій, що дозволяє контролювати просторове положення магнітолевітуючого транспортного засобу в просторі активної шляхової структури. Споживчі властивості: пристрій може бути побудований в короткі терміни, оскільки він нескладний конструктивно і спирається на існуючу елементну базу; пристрій не потребує додаткової термостабілізації, оскільки основні вузли термостійкі. UA 105282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до радіотехніки надвисоких частот і може бути використаний для безконтактного вимірювання малих переміщень об'єктів, зокрема в інформаційно-управляючій системі магнітолевітуючих транспортних засобів в частині вимірювання вертикальних і горизонтальних переміщень. Визначення просторового положення транспортних засобів на магнітному підвісі - одна з найважливіших задач при створенні системи управління і включає визначення відстані між транспортним засобом і шляховою структурою, а також між транспортним засобом і бічними направляючими. Через специфіку умов, в яких повинні працювати відповідні датчики, їх розробка повинна базуватися на безконтактних методах вимірювання, датчики повинні бути безінерційними, повинні відстежувати малі зміни відстаней, тобто повинні вимірювати малі переміщення і при цьому бути перешкодостійкими. В найбільшій мірі вказаним вимогам задовольняють датчики, що базуються на радіохвильових методах вимірювань, що використовують електромагнітні хвилі діапазону надвисоких частот (НВЧ). Відомий пристрій для вимірювання малих переміщень, заснований на зміні режиму роботи напівпровідникових НВЧ генераторів при перевідбиванні НВЧ сигналів від опорних площин з комплексним характером повної провідності [Wireless World.-1980. - V. 86. - P. 34], в якому зміни амплітуди коливань НВЧ генератора на діоді Ганна при навантаженні на різні середовища реєструються діодом змішувача, включеним або безпосередньо в резонатор, який містить генераторний діод Ганна, або в додатковий резонатор, пов'язаний з основним, наприклад, через діафрагму. Проте у вказаному пристрої величина інформаційного сигналу є одночасно і функцією амплітуди коливань і їх частоти (фази) при зміні відстані між пристроєм і площиною, що відбиває, це приводить до появи добавки довільної величини і знака в інформативному сигналі, що вносить деяку невизначеність і невідповідність між величиною сигналу на виході діода змішувача і мірою зміни параметрів навантаження генератора, викликаного зміною положення опорної площини, яка частково відбиває. Частково вільний від вказаних недоліків датчик малих переміщень, що базується на використовуванні двочастотного (двоконтурного) НВЧ генератора на діоді Ганна, в якому частоти взаємозв'язані і взаємозалежні, при цьому одна з частот - надвисокочастотного діапазону, інша - низькочастотного, випромінювання на надвисокій частоті дистантно взаємодіє з об'єктом, зміна відстані між яким і активною шляховою структурою приводить до істотних змін частоти низькочастотного сигналу, відлік яких є більш легким. [Радиоволновый датчик вертикального зазора для высокоскоростного транспорта на магнитном подвесе: материалы 6ой межвузовской конференции стран СНГ, Могилев, 26-28 сентября 1995 г. - С. 10 (авт. Соколовский И.И. и др.); Плаксин С. В., Соколовский И. И. Бесконтактный метод определения пространственного положения магнитол евитирующего транспортного средства // Радиофизика и электроника. - 2004. - № 1. - С. 308-311]. Датчик енергоміцний, стійкий до перешкоджуючих сигналів, проте його практичне використовування утруднено через великосигнальність низької частоти автоколивань (яка є інформативною), що веде до перенавантажування генераторного діода і, як наслідок, до зниження надійності. Найближчим за технічною суттю і за результатом, що досягається, до винаходу, який заявляється (прототипом), є пристрій для вимірювання малих переміщень, що містить двовходовий НВЧ генератор з включеним в ньому напівпровідниковим генераторним діодом, підключеним до джерела живлення, направлений випромінювач, індикатор, високовольтний НВЧ генератор, вентиль, фазообертач і контур низької частоти, причому фазообертач включений між першим входом двовходового НВЧ генератора і направленим випромінювачем, зверненим до контрольованого об'єкту, другий вхід двовходового НВЧ генератора через атенюатор і вентиль, включений в запірному напрямі, підключений до високостабільного НВЧ генератора, а контур низької частоти включений між джерелом живлення і індикатором [Патент України № 34292 А, опубл. 2001 p.]. Пристрій-прототип, цілеспрямовано розроблений для вимірювання девіацій відстаней між рухомим магнітолевітуючим транспортним засобом, на якому в нижній його частині (днище) даний пристрій встановлюється, і шляховою структурою або бічними направляючими, успішно вирішує поставлені задачі на стадії проектування і випробування модельних зразків відповідних транспортних засобів, зокрема завдяки тому, що оперативна інформація про варіації положення транспортного засобу щодо полотна активної шляхової структури може бути передана по радіоканалу. Проте функціональна складність пристрою, необхідність вживання в пристрої феритових хвилевідних елементів (вентилів), чутливих до температури навколишнього середовища, знижує експлуатаційну надійність. Надійність функціонування залежить в значній мірі також від нестабільності джерела живлення генераторних діодів, встановлених в двох незалежних автогенераторах. 1 UA 105282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача удосконалення пристрою для вимірювання малих переміщень, в якому за рахунок введення нових елементів і організації нових зв'язків між елементами забезпечується конструктивне спрощення і підвищення експлуатаційної надійності. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для вимірювання малих переміщень, який містить двовходовий НВЧ генератор з включеним в ньому напівпровідниковим діодом Ганна, підключеним до джерела живлення, направлений випромінювач і індикатор, відповідно до винаходу додатково введені регулятор, диференціальний і підсумувальний підсилювачі, перший і другий лінійні підсилювачі, хвилевідні вигини, детекторні діоди, перша і друга хвилевідні секції рівної довжини з подовжньою щілиною в широкій стінці хвилеводу і з ємнісним зондом в кожній з секцій, підключеним послідовно з детекторним діодом і лінійним підсилювачем, причому перший і другий лінійні підсилювачі підключені одночасно до диференціального і підсумувального підсилювачів, підсумувальний підключений до індикатора, а диференціальний - до регулятора, при цьому двовходовий хвилевідний генератор виконаний дводіодним і містить високодобротний перестроюваний циліндричний резонатор, підключений до однієї з широких стінок відрізка прямокутного хвилеводу через отвори зв'язку, які забезпечують синфазність вихідних сигналів, до вузьких стінок хвилеводу підключені перестроюванні коаксіальні резонатори, які містять діоди Ганна з різними пролітними частотами f1 = (0,7-0,9)fс і f2 = (1,15-1,3)fс, де fс - частота настройки циліндричного резонатора, підключені до одного джерела живлення, при цьому входи хвилевідних секцій з подовжньою щілиною підключені до входів генератора, виходи хвилевідних секцій через хвилевідні вигини в Еплощині сполучені з направленими випромінювачами, апертури яких лежать в одній площині, а зонди в хвилевідних секціях з подовжніми щілинами розміщені з можливістю їх переміщення уздовж щілин при юстируванні з подальшою їх жорсткою фіксацією при експлуатації транспортного засобу. Використання двовходового хвилевідного НВЧ генератора з двома > синфазними виходами, навантаженими на ідентичні хвилевідні секції з подовжніми щілинами і зондами, хвилевідних вигинів в Е-площині і направлених випромінювачів (переважно рупорних антен) дозволяє при опромінюванні опорної площини - полотна активної шляхової структури з магнітопрозорого металу - одержати режим стоячої хвилі електромагнітного випромінювання в просторі: вихід генератора - відбиваюча площина. Пересуванням ємнісних зондів уздовж щілин вдається розмістити зонди в пучностях стоячої хвилі при незмінній відстані між кожним з випромінювачів і площиною шляхової структури при юстируванні: в початковому стані і при розгоні магнітолевітуючий транспортний засіб спирається на колеса. В режимі левітації при русі уздовж полотна транспортний засіб може випробовувати гойдання уподовж як подовжньою, так і поперечною осей. В такій ситуації місцеположення екстремальних значень поля уздовж хвилевідної структури, у тому числі пучностей електромагнітної хвилі, зміщуватиметься щодо зондів і, відповідно, буде змінюватися напруженість поля на зондах, і, як наслідок, змінюватиметься величина випрямлюваної напруги на детекторних діодах. Введення до складу пристрою лінійних підсилювачів, а також диференціального і підсумувального підсилювачів, навантажених відповідно на регулятор і індикатор, дозволяє надійно реєструвати характер руху транспортного засобу: реєстратор визначає і при необхідності - з включенням зворотних зв'язків з левітаційною системою транспортного засобу коректує, стабілізує рух, а індикатор при відповідному калібруванні указує на величину середньої відстані між транспортним засобом і шляховою структурою. Вказане функціонування пристрою реалізується при строгій незмінності частоти і амплітуди електромагнітного надвисокочастотного випромінювання. Виконання двовходового хвилевідного генератора на основі відрізка прямокутного хвилеводу, з однією з широких стінок якого через отвори зв'язку, розташовані в центральній його частині, зв'язаний високодобротний циліндричний резонатор, а з вузькими стінками пов'язані перестроюванні коаксіальні резонатори зі встановленими в них діодами Ганна з різними значеннями пролітної частоти, одержаними в результаті теоретичних розрахунків, підтверджених експериментально, так що при вказаному співвідношенні частот при паразитних змінах напруги живлення (тобто відходах від номінального значення) діодів Ганна відходи частоти генерації діодів рівні по величині і протилежні по знаку, дозволяє забезпечити взаємну компенсацію відходів частоти. Вісь циліндричного стабілізуючого резонатора рівновіддалена від виходів прямокутного хвилеводу генератора, отвори зв'язку 28, 29 виконані симетрично щодо осі резонатора, тому при рівних подовжніх розмірах хвилевідних секцій з подовжніми щілинами, при ідентичних 2 UA 105282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 хвилевідних вигинах і ідентичних випромінювачах в початковому (стаціонарному) стані транспортного засобу напруга електромагнітного поля в перетині розташування ємнісних зондів в обох плечах однакова. На фіг. 1 приведена структурна схема пристрою, який заявляється, на фіг. 2 і 3 - конструкція (ескіз) двовходового НВЧ генератора, на фіг. 4 - загальний вид генератора. Пристрій містить НВЧ генератор 1, хвилевідні секції 2, 3 із ємнісними зондами 4, 5, хвилевідні вигини 6, 7, направлені випромінювачі 8, 9, амплітудні детектори 10, 11, лінійні підсилювачі 12, 13, підсумувальний підсилювач 14, індикатор 15, диференціальний підсилювач 16, регулятор 17, діоди Ганна 18, 19, включені в коаксіальні резонатори 20, 21 відповідно, перестроюванні короткозамикальні поршні 22, 23, які переміщуються механізмом перестройки 24. Напруга живлення діодів Ганна здійснюється через роз'єми 25, 26. З відрізком прямокутного хвилеводу 27 електромагнітно через отвори зв'язку 28, 29 зв'язані коаксіальні резонатори 20, 21, підключені до вузьких стінок відрізка хвилеводу, і циліндричний резонатор 30, підключений до однієї з широких стінок відрізка хвилеводу і перестроюваний по частоті за допомогою поршня 31 і механізму переміщення 32. Геометричні розміри циліндричного резонатора і розміри отворів зв'язку (типу "серпик") вибрані з умови отримання високої навантаженої добротності резонатора збуджуваного на хвилі Е 011. Висока стабільність частоти НВЧ генератора в інтервалі температур навколишнього середовища досягається виконанням циліндричного резонатора з інвару - сплаву з особливо низьким коефіцієнтом 6 теплового розширення (менше 110- 1/°С). Коаксіальні резонатори 20, 21 утворені відповідно центральними провідниками 33, 34, зовнішніми стінками 35, 36 і рухомими короткозамикальними поршнями 22, 23. При цьому діоди Ганна в конструкції змонтовані таким чином, що їх анодні ("гарячі") виводи звернені до масиву циліндричного резонатора. В хвилевідних секціях 2, 3 із ємнісним зондом гальванічний зв'язок з детекторними діодами забезпечувався з використанням шайбових резисторів (аналогічно Стариков В.Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий. - М.: Сов. радио, 1972, с. 34-35), а екранування зондів від зовнішніх полів - з використанням втулок з пресованого порошкового заліза (на фіг. 1 обведено кружком). Невідповідність електричної нерівномірності зв'язку зонда і механічної нерівномірності глибини його навантаження, а також неоднорідності, обумовлені змінами геометричних розмірів відрізка хвилеводу і хвильового опору на ділянці щілини долалися з використанням лінійних підсилювачів 12, 13 з функцією нормування. Кожний із зондів забезпечений механізмом його переміщення (каретка з механізмом стопоріння, на фіг. не показано), що забезпечує плавне ковзання уздовж хвилеводу на брусках спеціальної форми за допомогою фрикційного механізму. Оскільки частота вимірювального НВЧ сигналу і поперечний перетин хвилеводу 27 і, відповідно, хвилевідних секцій 2, 3 вибрані з можливістю розповсюдження тільки електромагнітної хвилі основного типа Н 10, то подовжні щілини виконуються строго посередині широкої стінки хвилеводу. Сучасна технологічна база наукового приладобудування дозволяє реалізувати вказані вимоги, тому розроблений пристрій в безконтактних вимірюваннях малих переміщень може вважатися прецизійним. Пристрій функціонує таким чином. При подачі напруги на діоди Ганна 18, 19, живлені від загального джерела живлення, одна з складових спектру НВЧ випромінювання, що утворюється під час перехідного процесу, захоплюється циліндричним резонатором 30, при цьому частота генерації НВЧ генератора і її стабільність в сталому режимі визначається резонансною частотою і добротністю циліндричного резонатора. Оскільки кожний з коаксіальних резонаторів 20, 21 налаштований на пролітну частоту встановленого в ньому діода Ганна f1 і f2, то по відношенню до сталої частоти генерації fс діод із співвідношенням частот f1 fс - в режимі пригашування доменів, і можна підрахувати середнє за період значення динамічної ємності діода для вказаних режимів (Полупроводники с объемной отрицательной проводимостью в СВЧ полях. - К.: Наукова думка, 1987, авт. Соколовский И.И. и др.). Згідно розрахункам, підтвердженим експериментально, при f1 = (0,7-0,9)fс і f2 = (1,15-1,3)fс зміни ємностей діодів при змінах напруги живлення і, відповідно, відходи частоти генерації діодів протилежні по знаку і практично рівні, тобто забезпечується ефект компенсації відходів частоти НВЧ генератора в цілому і стабільність частоти при непланових відходах напруги живлення від номінальних значень. В практичних реалізаціях для частоти генерації 8,2 ГГц (поперечний 2 перетин хвилеводу 28,5 × 12,6 мм - на даній частоті в прямокутному хвилеводі з вказаним поперечним перетином стійким є основний вид хвилі Н10) 40-50 % діодів Ганна з партій 100 шт. діодів 3А722Б і 3А723Б, що серійно випускаються, можуть задовольняти раніше приведеній умові співвідношення частот електромагнітного випромінювання. Відповідний відбір 3 UA 105282 C2 5 10 15 20 25 здійснюється на спеціальній установці із використанням низькодобротного резонатора, коли вплив електромагнітного поля на динаміку доменів є мінімальним. Одна збірка, представлена на фіг. 1, встановлюється в передній частині транспортного засобу, інша - в задній його частині з тим, щоб відстежити міру відхилення від ідеального горизонтального розташування в площині, співпадаючій з площиною полотна 37 при юстируванні (на відстанях 10-30 мм залежно від типу транспортного засобу), відносно подовжньої осі і відхилення передньої і задньої частин і при необхідності з використанням регулятора 17 здійснити відповідну корекцію левітуючої системи. При цьому, оскільки електродинамічний підвіс в правильно спроектованому транспортному засобі має властивість самостабілізації (Дзензерский В.А. и др. Высокоскоростной магнитный транспорт с электродинамической левитацией. - К.: Наукова думка, 2001. - 479 с), то індикаторний пристрій 15 видає інформацію про міру постійності вибраної (встановленої первинно, на стадії юстирування) усередненої відстані між транспортним засобом і полотном активної шляхової структури. Конструктивно обидві збірки встановлюються на транспортному засобі так, щоб площини розкриття направлених випромінювачів 8 і 9 співпадали з площиною днища транспортного засобу. Хвилевідні вигини 6 і 7 як хвилевідні переходи з зміною напряму осей хвилеводів в 90° і хорошим внутрішнім узгодженням проектуються по відомих методиках (наприклад, Будурис Ж., Шеневье П. Цепи сверхвысоких частот. - М.: Сов. радио, 1979, - С. 122-130). Заявлений пристрій має значний потенціал розвитку: в Україні розроблені повномасштабні зразки транспортних засобів з електродинамічною левітацією, розвинена база створення надпровідних магнітів, розроблена система живлення контурів активної шляхової структури на основі фотоелектричних перетворювачів, розроблена перспективна радіохвильова інформаційно-управляюча система, яку доповнює заявлений пристрій. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 Пристрій для вимірювання малих переміщень, що містить двовходовий НВЧ генератор з включеним в ньому напівпровідниковим діодом Ганна, підключеним до джерела живлення, направлений випромінювач і індикатор, який відрізняється тим, що додатково введені регулятор, диференціальний і підсумувальний підсилювачі, перший і другий лінійні підсилювачі, хвилевідні вигини, детекторні діоди, перша і друга хвилевідні секції рівної довжини з подовжньою щілиною в широкій стінці хвилеводу і з ємнісним зондом в кожній з секцій, підключеним послідовно з детекторним діодом і лінійним підсилювачем, причому перший і другий лінійні підсилювачі підключені одночасно до диференціального і підсумувального підсилювачів, підсумувальний - підключений до індикатора, а диференціальний - до регулятора, при цьому двовходовий хвилевідний генератор виконаний дводіодним і містить високодобротний перестроюваний циліндричний резонатор, підключений до однієї з широких стінок відрізка прямокутного хвилеводу через отвори зв'язку, які забезпечують синфазність вихідних сигналів, до вузьких стінок хвилеводу підключені перестроювані коаксіальні резонатори, які містять діоди Ганна з різними пролітними частотами f1=(0,7-0,9)fс і f2=(1,15-1,3)fс, де fс - частота настройки циліндричного резонатора, підключені до одного джерела живлення, при цьому входи хвилевідних секцій з подовжньою щілиною підключені до входів генератора, виходи хвилевідних секцій через хвилевідні вигини в Е-площині сполучені з направленими випромінювачами, апертури яких лежать в одній площині, а зонди в хвилевідних секціях з подовжніми щілинами розміщені з можливістю їх переміщення уздовж щілин при юстируванні з подальшою їх жорсткою фіксацією при експлуатації транспортного засобу. 4 UA 105282 C2 5 UA 105282 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6

Дивитися

Додаткова інформація

Автори англійською

Dzendzerskyi Viktor Oleksandrovych, Sokolovskyi Ivan Ivanovych, Kaminskyi Volodymyr Romanovych, Plaksin Serhii Viktorovych, Pohorila Liubov Mykhailivna

Автори російською

Дзензерский Виктор Александрович, Соколовский Иван Иванович, Каминский Владимир Романович, Плаксин Сергей Викторович, Погорила Любовь Михайловна

МПК / Мітки

МПК: G01S 13/00, G01P 3/00, H03B 7/00, G01H 9/00

Мітки: вимірювання, пристрій, малих, переміщень

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/8-105282-pristrijj-dlya-vimiryuvannya-malikh-peremishhen.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Пристрій для вимірювання малих переміщень</a>

Подібні патенти