本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于電磁感應(yīng)的速度測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

對運(yùn)動或者變形物體的速度測量廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科研等領(lǐng)域。隨著對測量對象、環(huán)境要求的不斷提高，高速測量成為重要的研究課題。目前在高速測量方面，主要采用的方法有光學(xué)方法、基于高速攝像機(jī)的測量方法、基于多普勒效應(yīng)聲學(xué)方法等。

上述測量方法均存在設(shè)備成本高、測量方案復(fù)雜，對測量環(huán)境要求高的問題，直接制約了其應(yīng)用以及相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種基于電磁感應(yīng)原理的速度測量裝置及方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)有速度測量裝置存在設(shè)備成本高、測量方案復(fù)雜以及對環(huán)境要求高的技術(shù)問題。

作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種基于電磁感應(yīng)的速度測量裝置，包括：

磁場單元，安裝于被測對象上，用于產(chǎn)生第一磁場和第二磁場。

感應(yīng)單元，包括橫向感應(yīng)導(dǎo)體陣列和縱向感應(yīng)導(dǎo)體陣列，橫向感應(yīng)導(dǎo)體陣列為在同一平面平行排列的多個橫向矩形導(dǎo)體，縱向感應(yīng)陣列為在同一平面平行排列的多個縱向矩形導(dǎo)體，橫向感應(yīng)導(dǎo)體陣列中橫向矩形導(dǎo)體排列方向與縱向感應(yīng)導(dǎo)體陣列中縱向矩形導(dǎo)體排列方向垂直，在由磁場單元產(chǎn)生第一磁場和第二磁場的共同作用下，每個橫向矩形導(dǎo)體輸出第一交變電壓信號，每個縱向矩形導(dǎo)體輸出第二交變電壓信號；

信號處理單元，與感應(yīng)單元連接，用于接收多個第一交變電壓信號和多個第二交變電壓信號，并根據(jù)多個第一交變電壓信號、多個第二交變電壓信號、各兩相鄰橫向矩形導(dǎo)體之間的間距和各兩相鄰縱向?qū)w之間的間距確定被測對象的速度；

第一磁場為橫向矩形導(dǎo)體排列方向的磁場，第二磁場為縱向矩形導(dǎo)體排列方向的磁場。

將感應(yīng)單元置于被測對象行程上，由于被測對象上安裝有磁場單元，當(dāng)被測對象在平行于感應(yīng)單元所在平面運(yùn)動時，會在橫向感應(yīng)導(dǎo)體陣列中的每個橫向矩形導(dǎo)體和縱向感應(yīng)導(dǎo)體陣列中的每個縱向矩形導(dǎo)體產(chǎn)生交變電壓信號，當(dāng)被測對象經(jīng)過橫向感應(yīng)導(dǎo)體陣列中的某個橫向矩形導(dǎo)體的中心時，該橫向矩形導(dǎo)體的磁通量為零，信號處理單元獲取每個橫向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號，并對每個橫向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號進(jìn)行積分，獲得每個橫向矩形導(dǎo)體的磁通量變化曲線，每個橫向矩形導(dǎo)體的磁通量變化曲線為零的時刻為被測對象經(jīng)過橫向矩形導(dǎo)體中心的時刻，根據(jù)經(jīng)過橫向矩形導(dǎo)體中心的時刻和每個橫向矩形導(dǎo)體的距離獲得被測對象在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的速度，同理，可以獲得被測對象在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的速度，通過合成被測對象在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的速度和縱向矩形導(dǎo)體排列方向的速度獲得被測對象的速度，實(shí)現(xiàn)對被測對象在二維平面內(nèi)做任何形式運(yùn)動的速度測量。

進(jìn)一步地，兩個相鄰橫向矩形導(dǎo)體之間的間距和兩個相鄰縱向矩形導(dǎo)體之間的間距根據(jù)速度測量裝置的測量精度確定。

進(jìn)一步地，橫向矩形導(dǎo)體在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的尺寸遠(yuǎn)大于磁場單元在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的尺寸，使得縱向矩形導(dǎo)體排列方向的磁場在橫向矩形導(dǎo)體中穿過的磁通量為零。

進(jìn)一步地，縱向矩形導(dǎo)體在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的尺寸遠(yuǎn)大于磁場單元在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的尺寸，使得橫向矩形導(dǎo)體排列方向的磁場在縱向矩形導(dǎo)體中穿過的磁通量為零。

作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種基于電磁感應(yīng)的速度測量方法，包括如下步驟：

(1)當(dāng)感應(yīng)單元布置于處于運(yùn)動狀態(tài)且設(shè)有磁場單元的被測對象的行程上時，由磁場單元產(chǎn)生第一磁場和第二磁場共同作用，在感應(yīng)單元中的每個橫向矩形導(dǎo)體上產(chǎn)生第一交變電壓信號,在感應(yīng)單元中每個縱向矩形導(dǎo)體上產(chǎn)生第二交變電壓信號；

(2)并將每個第一交變電壓信號進(jìn)行積分處理獲得每個橫向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線，將每個橫向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線為零的時刻作為被測對象經(jīng)過該橫向矩形導(dǎo)體中心的時刻，根據(jù)每個橫向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線為零的時刻和各橫向矩形導(dǎo)體間距確定被測對象在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的速度；

并將每個第二交變電壓信號進(jìn)行積分處理獲得每個縱向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線，將每個縱向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線為零的時刻作為被測對象經(jīng)過該縱向矩形導(dǎo)體中心的時刻，根據(jù)每個縱向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線為零的時刻和各縱向矩形導(dǎo)體的間距確定被測對象在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的速度；

(3)根據(jù)被測對象在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的速度和在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的速度獲得被測對象的速度。

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：

1、本發(fā)明提供的速度測量裝置，將磁場單元固定在被測對象上，被測對象在感應(yīng)單元附近運(yùn)動，帶動磁場單元運(yùn)動，由運(yùn)動的磁場單元在感應(yīng)單元中產(chǎn)生交變電壓信號，對于磁場單元和被測對象要求不高，使得該速度測量裝置容易實(shí)現(xiàn)，通過交變電壓信號、橫向矩形導(dǎo)體的間距以及縱向矩形導(dǎo)體的間距獲得被測對象在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的速度和縱向矩形導(dǎo)體排列方向，從而獲得被測對象在運(yùn)動平面的速度，可以實(shí)現(xiàn)被測對象在運(yùn)動平面上做任何運(yùn)動的速度測量，例如直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動。

2、本發(fā)明提供的速度測量裝置，通過在高速運(yùn)動物體的運(yùn)動行程上布置橫向矩形導(dǎo)體和縱向矩形導(dǎo)體，且增大信號處理單元采集交變電壓信號的速率，可以滿足微秒級內(nèi)的速度測量。沒有復(fù)雜的測量過程和高精度的部件使本發(fā)明提供的方案成本低。

3、本發(fā)明提供的速度測量裝置基于電磁感應(yīng)原理，不需要從外界引入光、聲等其他物理量進(jìn)行測量，降低了速度測量裝置的精度和測量環(huán)境的要求；且本發(fā)明提供的技術(shù)方案簡單易行、低造價、不受空間大小的限制，適用于低溫、液體、黑暗、狹小環(huán)境等惡劣的測量環(huán)境，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，有廣泛的應(yīng)用前景?？蓱?yīng)用于不同尺寸和運(yùn)動范圍的對象，即可以用于微觀測速，也可以用與宏觀測速，例如汽車測速，并且可以拓展為三維運(yùn)動的速度測量。

4、本發(fā)明提供的基于電磁感應(yīng)的速度測量方法，安裝有磁場單元的被測對象在感應(yīng)單元附近運(yùn)動，由磁場單元產(chǎn)生磁場在感應(yīng)單元中產(chǎn)生交變電壓信號，將被測對象的運(yùn)動信息轉(zhuǎn)化為交變電壓信號，通過對交變電壓信號進(jìn)行處理獲得被測對象的速度，通過在被測對象行程上布置感應(yīng)單元，同時增加信號處理單元的采集速率，可以實(shí)現(xiàn)高速測量，該方法采用電磁感應(yīng)原理，使得該方法簡單且容易實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的速度測量裝置的示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的橫向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號的波形示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的橫向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號積分后波形示意圖。

具體實(shí)施方式

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。

如圖1所示，本發(fā)明提供的基于電磁感應(yīng)的速度測量裝置包括感應(yīng)單元1，感應(yīng)單元1包括橫向感應(yīng)導(dǎo)體陣列11和縱向感應(yīng)導(dǎo)體陣列12，橫向感應(yīng)導(dǎo)體陣列11為在同一平面平行排列的多個橫向矩形導(dǎo)體，縱向感應(yīng)導(dǎo)體陣列12為在同一平面平行排列的多個縱向矩形導(dǎo)體，橫向矩形導(dǎo)體和縱向矩形導(dǎo)體均為繞制呈矩形的導(dǎo)體，感應(yīng)單元1與信號處理單元2連接，信號處理單元2采集并處理感應(yīng)單元1輸出的電交變壓信號，被測對象3上安裝有磁場單元4，磁場單元4包括橫向磁場單元41和縱向磁場單元42，橫向磁場單元41產(chǎn)生的磁場軸線方向與橫向矩形導(dǎo)體排列方向相同，縱向磁場單元42產(chǎn)生的磁場軸線方向與縱向矩形導(dǎo)體排列方向相同。

感應(yīng)單元1位于被測對象3的行程上，當(dāng)被測對象3運(yùn)動時，帶動磁場單元4運(yùn)動，磁場單元4產(chǎn)生橫向矩形導(dǎo)體排列方向的磁場和縱向矩形導(dǎo)體排列方向的磁場作用于感應(yīng)單元1，使感應(yīng)單元1中穿過的磁通量為變化的，感應(yīng)單元1中橫向矩形導(dǎo)體和縱向矩形導(dǎo)體中產(chǎn)生交變電壓信號。對于磁場單元和被測對象要求不高，使得該速度測量裝置容易實(shí)現(xiàn)。磁場單元4在感應(yīng)單元1中的磁通量為交變的,當(dāng)被測對象位于一個橫向矩形導(dǎo)體在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的中心時，橫向磁場單元41產(chǎn)生的磁場穿過橫向矩形導(dǎo)體中磁通量為零，又由于橫向矩形導(dǎo)體在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的長度遠(yuǎn)大于縱向磁場單元42在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的長度，縱向磁場單元42產(chǎn)生的磁場穿過橫向矩形導(dǎo)體也為零，故橫向矩形導(dǎo)體中的磁通量為零。

磁場產(chǎn)生裝置4產(chǎn)生的磁場在第i個橫向矩形導(dǎo)體中穿過的磁通量為φi，在被測對象運(yùn)動過程中，橫向矩形導(dǎo)體中穿過的磁通量φi是一個隨時間變化的量，而在第i個橫向矩形導(dǎo)體中感應(yīng)出交變電壓信號由信號處理單元采集并處理，第i個橫向矩形導(dǎo)體中感應(yīng)出交變電壓信號為:

對信號處理單元采集到的第i個橫向矩形導(dǎo)體的交變電壓信號ui行積分處理，得到第i個橫向矩形導(dǎo)體的磁通量φi：

當(dāng)被測對象的中心運(yùn)動到第i個橫向矩形導(dǎo)體的中心時，第i個橫向矩形導(dǎo)體中穿過的磁通量φi為零，獲取第i個橫向矩形導(dǎo)體中穿過的磁通量φi的過零點(diǎn)時間ti和第i個橫向矩形導(dǎo)體的中心位置di。根據(jù)每個橫向矩形導(dǎo)體中穿過磁通量為零的時間點(diǎn)ti和第i個橫向矩形導(dǎo)體的中心位置di得到被測對象在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的時間位移曲線。通過對被測對象在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的時間位移曲線進(jìn)行求導(dǎo)處理，即可獲得被測對象的在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的速度。

同理，當(dāng)被測對象位于一個縱向矩形導(dǎo)體在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的中心時，縱向磁場單元42產(chǎn)生的磁場穿過縱向矩形導(dǎo)體中磁通量為零，又由于縱向矩形導(dǎo)體在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的長度遠(yuǎn)大于橫向磁場單元41在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的長度，橫向磁場單元41產(chǎn)生的磁場穿過縱向矩形導(dǎo)體也為零，故縱向矩形導(dǎo)體中的磁通量為零。通過對每個縱向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號進(jìn)行積分，獲得每個縱向矩形導(dǎo)體中穿過的磁通量曲線，根據(jù)每個縱向矩形導(dǎo)體中穿過磁通量為零的時間點(diǎn)和橫向矩形導(dǎo)體的中心位置獲得被測對象在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的時間位移曲線。通過對被測對象在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的時間位移權(quán)進(jìn)行求導(dǎo)處理，即可獲得被測對象在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的速度曲線。通過對上述兩個方向的速度進(jìn)行合成即可獲得被測對象的速度。通過獲得被測對象在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的位移時間曲線和在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的位移時間曲線獲得被測對象的速度，被測對象的運(yùn)動不限于直線運(yùn)動，可以是在二維平面的任意形式的運(yùn)動。通過在高速運(yùn)動物體的運(yùn)動行程上布置橫向矩形導(dǎo)體和縱向矩形導(dǎo)體，且增大信號處理單元采集交變電壓信號的速率，可以實(shí)現(xiàn)高速測量。

本發(fā)明提供的基于電磁感應(yīng)的速度測量裝置的實(shí)施例中，感應(yīng)單元的橫向矩形導(dǎo)體和縱向矩形導(dǎo)體布置在被測對象的運(yùn)動行程內(nèi)，且橫向矩形導(dǎo)線的排列平面以及縱向矩形導(dǎo)線排列的平面均與被測對象的運(yùn)動平面平行，感應(yīng)單元中橫向矩形導(dǎo)體和縱向矩形導(dǎo)體采用印刷電路板制作，磁場單元安裝與被測對象上，信號處理單元采集并處理各橫向矩形導(dǎo)體和縱向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號。通過控制印刷電路板制作工藝，可以實(shí)現(xiàn)控制橫向矩形導(dǎo)體的間距和縱向矩形導(dǎo)體的間距，通過減少橫向矩形導(dǎo)體的間距或縱向矩形導(dǎo)體的間距，同時增加橫向矩形導(dǎo)體的數(shù)量或縱向矩形導(dǎo)體的數(shù)量，使信號處理單元在被測對象運(yùn)動行程中能夠采集到交變電壓信號更多，能夠收集到更多的被測對象運(yùn)動位置數(shù)據(jù)和運(yùn)動時間數(shù)據(jù)，提高速度測量裝置的測量精度。通過在被測對象的運(yùn)動行程上布置橫向矩形導(dǎo)體和縱向矩形導(dǎo)體，且增大信號處理單元采集交變電壓信號的速率，可以實(shí)現(xiàn)高速測量。

本發(fā)明提供的基于電磁感應(yīng)的速度測量方法，包括如下步驟：

(1)磁場單元安裝于被測對象上，磁場單元安裝位置不影響被測對象運(yùn)動，且磁場單元能夠產(chǎn)生橫向矩形導(dǎo)體排列方向的磁場和縱向矩形導(dǎo)體排列方向的磁場。安裝有磁場單元的被測對象在感應(yīng)單元附近運(yùn)動，且保證橫向矩形導(dǎo)體和縱向矩形導(dǎo)體在被測對象運(yùn)動時被磁場覆蓋，被測對象的運(yùn)動平面與感應(yīng)單元中橫向矩形導(dǎo)線排列平面和縱向矩形導(dǎo)線排列平面均平行，由磁場單元產(chǎn)生的橫向矩形導(dǎo)體排列方向的磁場和縱向矩形導(dǎo)體排列方向的磁場在感應(yīng)單元中的每個橫向矩形導(dǎo)體和每個縱向矩形導(dǎo)體上產(chǎn)生交變電壓信號。

(2)由信號處理單元收集每個橫向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號，并將由每個橫向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號進(jìn)行積分處理獲得每個橫向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線，將每個橫向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線為零的時刻作為被測對象經(jīng)過該橫向矩形導(dǎo)體中心的時刻，根據(jù)每個橫向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線為零的時刻和各橫向矩形導(dǎo)體間距獲得被測對象的運(yùn)動時間數(shù)據(jù)和運(yùn)動位移數(shù)據(jù)，通過運(yùn)動時間數(shù)據(jù)和運(yùn)動位移數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理獲得被測對象的運(yùn)動位移曲線，將被測對象的運(yùn)動位移曲線求導(dǎo)確定被測對象在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的速度；

由信號處理單元收集每個縱向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號，并將由每個縱向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號進(jìn)行積分處理獲得每個縱向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線，將每個縱向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線為零的時刻作為被測對象經(jīng)過該縱向矩形導(dǎo)體中心的時刻，根據(jù)每個縱向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線為零的時刻和各縱向矩形導(dǎo)體的間距獲得被測對象的運(yùn)動時間數(shù)據(jù)和運(yùn)動位移數(shù)據(jù)，通過運(yùn)動時間數(shù)據(jù)和運(yùn)動位移數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理獲得被測對象的運(yùn)動位移曲線，將被測對象的運(yùn)動位移曲線求導(dǎo)確定被測對象在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的速度；

(3)根據(jù)被測對象在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的速度和在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的速度獲得被測對象的速度。

本發(fā)明提供的基于電磁感應(yīng)的速度測量方法將被測對象的運(yùn)動信息轉(zhuǎn)化為交變電壓信號，通過對交變電壓信號進(jìn)行處理獲得被測對象的在橫向矩形導(dǎo)體排列方向的速度和在縱向矩形導(dǎo)體排列方向的速度，進(jìn)一步得到被測對象的速度，可以實(shí)現(xiàn)被測對象在二維平面內(nèi)做任何形式運(yùn)動的速度測量，通過在被測對象行程上布置感應(yīng)單元，同時增加信號處理單元的采集速率，可以實(shí)現(xiàn)高速測量，該方法采用電磁感應(yīng)原理，使得該方法簡單且容易實(shí)現(xiàn)。

圖2為由信號處理單元采集的3個橫向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號，通過對3個橫向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號進(jìn)行積分，獲得3個橫向矩形導(dǎo)體穿過的磁通量曲線，圖3為將3個橫向矩形導(dǎo)體輸出的交變電壓信號進(jìn)行積分處理后的波形圖，即為各橫向矩形導(dǎo)體的磁通量曲線圖，磁通量曲線為零點(diǎn)即為被測對象進(jìn)過該橫向矩形導(dǎo)體中心位置的時間，根據(jù)3個橫向矩形導(dǎo)體的間距確定被測對象的位移，從而確定被測對象的位移時間曲線。

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)。