一种基于互感的非接触式测距与定位仪器及其使用方法与流程

本发明涉及测距与定位技术领域，尤其涉及一种基于互感的非接触式测距与定位仪器及其使用方法。

背景技术：

物体间距离的测量和物体所在空间位置的确定是工业生产和日常生活中非常常见的工作，可以说大到宇宙天体，小到分子原子，所有尺度的世界均会涉及到该方面的问题，人类对该方面问题的研究从未停止过。发展到今天，测距和定位方法主要有四种，分别是超声波方法、激光方法、红外线方法和gps方法。

超声波法测距的原理是：超声波传感器发射信号，当信号遇到目标后便会发生反射，此时，计算出超声波传感器与目标之间的传输时间，根据测距公式由控制器计算出所要测量的距离，这是静态目标定位时主要使用的方法。当目标进行移动时，为了更准确的得到测量距离，可以在移动端设置超声波接收器，减少了信号反射后再进行计算的时间，从而提高了测距的实时性。超声波信号传输的优势在于传播速度快且探测误差小，不需要和待测目标有任何接触，直接根据超声波在空气介质中传播的性质便可对被测目标的距离进行判断，因此，作为一种非接触式距离测量的物理手段，在目标定位领域中得到了广泛的应用，且实际定位效果良好。但超声波测距受环境影响较明显，因为空气中的声速与温度、湿度等因素均有较大关系，如果测量环境中这些因素发生变化，则会严重影响测量结果的准确性。另外，若空间中存在障碍物，也会影响超声法测距和定位结果。最后，超声波的传播需要媒质，因此超声法无法在真空环境下使用。

激光测距是利用激光束对被测目标与激光测距仪本身的距离进行精确测量的技术，一般有脉冲测距法和相位测距法两种方式。激光测距是一种单一的点对点的测量方式，该方法的工作核心是激光雷达，其工作原理是内部的激光发射模块连续不停地发射激光脉冲，由旋转的光学机构将激光脉冲按一定角度间隔发射至扫描角度的各个方向，再经过物体表面反射到接收模块，完成一次数据测量。激光雷达能够连续完成对多点数据的采集，同时实现对三维空间信息的获取，是一种新型的快速测量手段。多年的应用说明，激光测距具有精度高、速度快等优点，目前在隧道测量、地形测量、数字城市测量、滑坡检测等领域中都有深刻的应用，但因激光不能穿过不透明的障碍物，因此激光测距与定位需要周围环境中不能有不透明的障碍物出现，这一点限制了激光测距与定位的应用范围。

距离的测量与定位还可使用以红外线为基础的方法，这类方法中，目前应用较为广泛的是多波长干涉测距法和相位测距法。多波长干涉测距法是基于小数重合法，通过分析合成波长的干涉小数部分来计算待测距离；相位测距法是利用调制信号加载到光源中，然后通过检测调制波信号往返相位的变化来推算待测距离。虽然多波长干涉测距法和相位测距法使红外线测距与定位水平达到了一个新高度，但与激光测距定位方法一样，红外线方法要求测距与定位过程中，不能有影响红外线传播的障碍物存在，这一点同样也限制了该方法的使用。

除了前述的三种方法，现在还可使用gps系统进行测距与定位。gps系统主要由空间部分、用户接收部分以及地面监控部分组成。在gps系统的运行过程中，由卫星向接收机发射测距码信号，此信号的传播时间可以作为测量卫星与接收机之间距离的依据，利用传播时间乘以光速等于距离的公式，可以计算出卫星与接收机之间的距离，进而在此基础上计算出给定坐标系中接收机的坐标。由此测量的距离与坐标存在误差，需要通过实时差分定位进行修正，实时差分定位是指在经过精确测量的基准站上安装接收机，利用三维坐标值与卫星发送来的测距信号来计算信号的修正值，同时通过无线电通信设备将修正值传输给实时运动中的接收机，而接收机根据其所接收到的修正值对自身观测值进行修正，来减少实时的误差，以此来保证实时定位的精度。gps法在对较大距离的测量方面具有不可替代的作用，但目前该方法的精度相对不高，在小距离测量问题中无法发挥作用。

随着科技的发展，人们对距离的测量与定位工作要求越来越高，现阶段的测距、定位工作中，有些地方要求除了可以测距定位之外，还可以描述对象的相对姿态，比如深水泥浆内管路对接问题，有时会要求对接的两段管路管口有相互吻合的凸凹装置，此时要求控制对接的传感器既能在存在障碍物、不透明的环境内探测出两段管路管口之间的距离和相对关系，又能测量出两个管口之间的相对姿态，进而判断出凸凹装置是否能完全吻合。在这样的测量要求下，红外线、激光测量法由于不透明障碍物的存在而无法工作，gps方法目前的精度难以满足要求，超声方法由于受环境波动影响较大，若泥浆密度或温度在空间中不是均匀分布，则超声方法也会无法使用，同时即使超声法能使用，针对相对姿态探测问题，解决起来也很复杂，肯定需要使用传感器阵列，成本相对较高。还有在使用立方体试件的岩石三轴试验中，若想增加剪应变方面的测量结果，则需测出立方体三组相对面中，每一组相对面之间所成夹角在试验中的变化，这样的测量要求同样是以往测距和定位方法无法实现的。在现今大力推行人工智能和机器人技术的大背景下，会出现更多已有测距和定位方法无法解决的问题，因此有必要研究与开发新型测距和定位仪器，针对前面列举的两种测量需求，新的仪器需在不透明环境下，既能保证传统的测距与定位功能，还要能探测出两个对象之间的相对姿态。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于互感的非接触式测距与定位仪器及其使用方法，实现目标测距与定位功能，并探测出两个目标对象之间的相对姿态。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一方面，本发明提供一种基于互感的非接触式测距与定位仪器，包括信号产生与控制模块、主动线圈组、被动线圈组、信号采集与处理模块、信号调制与发射模块以及信号接收与显示模块；

所述信号产生与控制模块与主动线圈组连接，并根据设定的输入信号的频比以及主周期，按先后顺序为主动线圈组中各线圈提供输入信号；

所述被动线圈组与信号采集与处理模块连接，将由于主动线圈组内各线圈输入电压信号后在被动线圈组各线圈内激发的感应电动势信号传入信号采集与处理模块；

所述信号采集与处理模块接收被动线圈组各线圈内激发的感应电动势信号，并利用整流滤波电路先将交流电变为直流电，并将电压变换到可输入单片机的0-5v范围内，输入单片机后计算得到所有待测参量取值；并将计算结果传递给信号调制与发射模块；

所述信号调制与发射模块将信号采集与处理模块处理后得到的所有待测参量取值结果以电磁波的形式向空间中发射；

所述信号接收与显示模块放置在主动线圈组一侧，接收信号调制与发射模块向空间发射的电磁波，进而显示主动线圈组中心位置及所有待测参量的取值，实现被测目标的测距与定位。

优选地，所述信号产生与控制模块为主动线圈组提供的输入信号为电压信号，电压信号波形种类包括正弦波，方波，锯齿波，脉冲波和噪声波共计五种，所有电压信号频率均为0-30mhz可调，电压幅值均为0-100v可调；所述输入信号的频比为输入主动线圈组中每一个线圈的信号频率与主频率的比值；所述主频率为单位时间内输入信号能够完成先后输入主动线圈组内所有线圈这样完整过程的次数；所述输入信号的主周期为主频率的倒数，即输入信号依次输入主动线圈组内所有线圈所需要的总时间。

优选地，所述信号接收与显示模块接收信号调制与发射模块发射的电磁波信号，并通过坐标系oxy显示接收的主动线圈组中心位置及所有待测参量的取值；所述坐标系oxy是整体坐标系oxyz的一部分，整体坐标系oxyz以被动线圈组中心为坐标原点，oxy位于经过被动线圈组中心且与被动线圈组平行的平面内；坐标系oxy中的显示点表示主动线圈组中心的坐标，显示点的z值代表了主动线圈组和被动线圈组中心所在平面间的距离；所述坐标系oxy中同时显示两线圈组中心间的距离，显示点与原点间的距离；两线圈组所在平面间的夹角，两线圈组之间的扭转角，显示点与坐标原点o的连线与x轴正方向所成夹角。

优选地，所述主动线圈组和被动线圈组均包括五个线圈；所述五个线圈为一个中间大线圈和四个排列在中间大线圈周围的小线圈，所有线圈均由细铜丝缠绕在坡莫合金铁芯上形成；所有的线圈均固定在一个十字支架上。

优选地，所述主动线圈组和被动线圈组均包括五个线圈；所述五个线圈为一个大线圈和四个小线圈，且五个线圈均在一个圆环形截面内；大线圈的中心与其他四个小线圈组成的整体的中心重合，且所有线圈平面平行。

另一方面，本发明还提供一种基于互感的非接触式测距与定位仪器的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、组装所述基于互感的非接触式测距与定位仪器；

根据实际测量情况，选择合适的主动线圈组和被动线圈组类型，并将各线圈组组装好，保证线圈组内各线圈平面平行，且四个小线圈必须在一个平面内，四个小线圈形成的整体的中心与大线圈的中心重合；组装后各线圈均要固定好，线圈之间的相对位置保持不变；

步骤2、使用校准装置校准组装好的所述基于互感的非接触式测距与定位仪器，并根据校准结果调整仪器中各线圈的接线与安装以及整个仪器的线路连接；

所述校准装置包括主动线圈组支架、被动线圈组支架、连杆、连杆固定器、测微鼓轮、移动距离控制与测量器、底盘以及设置在底盘上的仪器轨道；所述仪器轨道包括z方向双轨道和x方向单轨道；校准过程中，主动线圈组和被动线圈组分别被安装在相应的支架内，被动线圈组支架保持固定，主动线圈组支架可以运动；

所述主动线圈组支架包括支架外壳和支架底座；其中，支架外壳是由两个扣合在一起的圆形壳体组成的，使用时先将主动线圈组放置在壳体的一瓣内，固定好，然后将壳体的另一瓣扣合好；支架外壳内表面设置了各个线圈中心的标记，支架外壳上还设置了角度测量刻度，用于测量线圈组转过的角度，同时还设置了线圈组旋转旋钮，通过旋转该旋钮，控制线圈组绕中心轴旋转的角度；所述支架外壳采用透明材料制作；支架外壳在内部装入主动线圈组并扣合完毕后，整体放置在支架底座上并固定好；主动线圈组在校准过程中需要自由沿z方向双轨道移动，因此在支架底座上还设计了与z方向双轨道吻合的转动轮；被动线圈支架的总体结构与主动线圈支架相同，但由于校准中不需要被动线圈组支架运动，所以没有转动轮，同时被动线圈组支架也没有角度刻度和线圈组旋转旋钮；

所述主动线圈组支架与连杆的一端固定在一起，连杆穿过一个圆环后另一端固定在连杆固定器上，连杆固定器还通过内螺纹同移动距离控制和测量器内的主体螺杆结合在一起，移动距离控制和测量器的作用在于控制和测量主动线圈组支架在z方向移动的距离；移动距离控制和测量器设置有主尺和测微鼓轮用于读取距离改变量；通过旋转测微鼓轮可带动移动距离控制和测量器内部主体螺杆转动，进而通过连杆控制主动线圈组支架在z方向的移动距离；

校准装置除了提供了z方向双轨道外，还提供了x方向单轨道，当主动线圈组支架移动到z方向双轨道尽头时就直接进入x方向单轨道中用于装载支架的装载盘内，支架与装载盘之间保持相对静止，装载盘可沿x方向单轨道滑动，在x方向单轨道两端分别设置两个千分尺，当支架向某一个方向移动时分别用相应的千分尺测量移动距离；

为了对两个线圈组平面间的夹角进行校准，x方向单轨道以轨道中心为轴做逆时针方向转动，当主动线圈组支架位于x方向单轨道上时，通过转动整个x方向单轨道即可改变两个线圈组平面之间的夹角，而且底盘上还设置了角度刻度用于测量x方向单轨道转过的角度，来实现线圈组平面之间夹角的测量与校准；为保证x方向单轨道在线圈组平面间夹角校准过程中的顺利转动，z方向双轨道中的一侧轨道为可拆卸的轨道；在旋转x方向单轨道之前，需将z方向双轨道中的可拆卸轨道拆除，以此为x方向单轨道的转动去除障碍；

步骤3、在被测目标上安装所述基于互感的非接触式测距与定位仪器实现被测目标的测距与定位；

将主动线圈组和被动线圈组分别安装在计划放置的各个平面上，然后将各部分连线接好，各参量均调整为校准阶段得到的最佳值；信号产生与控制模块为主动线圈组提供输入信号；主动线圈组在被动线圈组各线圈内激发出感应电动势信号并传入信号采集与处理模块；

步骤4、信号采集与处理模块接收被动线圈组各线圈内激发的感应电动势信号，并利用整流滤波电路先将交流电变为直流电，并将电压变换到可输入单片机的0-5v范围内，输入单片机，进而计算出主动与被动线圈组中心间相对方位与距离，两个线圈组所在平面之间的夹角以及两个线圈组的扭转角；

(1)计算主动线圈组与被动线圈组中心间相对方位与距离；

以被动线圈组中心为坐标原点，垂直于被动线圈组平面为z轴正方向建立坐标系，则主动线圈组中心坐标为

其中，x,y,z为主动线圈组的中心坐标，u00为主动线圈组中大线圈通电后，在被动线圈组中的大线圈中激发的感应电动势，u10、u20、u30和u40分别为主动线圈组中大线圈通电后，在被动线圈组中四个小线圈中激发的感应电动势；u01、u02、u03、u04分别为主动线圈组中各小线圈通电后，在被动线圈组中的大线圈中激发的感应电动势，u11、u21、u31和u41，u12、u22、u32和u42，u13、u23、u33和u43，u14、u24、u34和u44分别为主动线圈组中各小线圈通电后，在被动线圈组中的四个小线圈中激发的感应电动势，n为无穷级数内公式项的序数；

由此得两线圈组平面间的距离h为：

h＝z

主动线圈组与被动线圈组中心之间的距离r为：

主动线圈组偏离z轴的距离r为：

r即为r在oxy平面内的投影，进一步计算出r与x轴正方向间的夹角β为：

(2)计算两个线圈组所在平面之间的夹角；

通过前面测量得到的所有互感电动势，得两个线圈组所在平面之间的夹角θ为：

(3)计算两线圈组的扭转角；

两线圈组的扭转角是指主动线圈组和被动线圈组相对转过的角度，设定被动线圈组静止，该角度为主动线圈组以中心轴线为轴相对于被动线圈组转过的角度，逆时针转角取为负值，顺时针转角取为正值，当主动线圈组中的大线圈与被动线圈组中的大线圈同轴且主动线圈组中的各小线圈与被动线圈组中对应的小线圈同轴时两线圈组的扭转角为0；通过前面测量得到的所有互感电动势，得到两个线圈组之间的扭转角α为：

步骤5、信号调制与发射模块将信号采集与处理模块处理后得到的所有待测参量取值结果以电磁波的形式向空间中发射；放置在主动线圈组一侧的信号接收与显示模块通过坐标系oxy显示主动线圈组中心位置，同时显示所有待测参量的取值，实现被测目标的测距与定位。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于互感的非接触式测距与定位仪器及其使用方法，利用线圈组互感实现所有测量，由于线圈组结构简单，所以实际应用中可轻松构造所需线圈组，然后安装到各种测量对象内进行相应的测量。仅仅通过一对线圈组即可完成物体间距离、相对方位和相对姿态的测量，这样的测量内容若用现有的其他传感器，则需要构建传感器阵列才能完成，因此本装置实现了用最简单设备完成复杂测量工作的测量过程。互感现象的产生与周围是否存在障碍物无关，所以本发明给出的测量装置与方法可应用到诸如泥浆内部、岩石内部或土壤内部等各种复杂环境中，可穿越任何障碍物完成测量任务。互感现象的产生也不像超声波的传播那样需要媒质的存在，则本装置的仪器与方法还可随意应用到各种真空环境中。本装置的量程与测量精度均随主动线圈组输入信号幅值的增大而增大，只要能不断增加幅值，理论上讲仪器与方法可完成任何情况下的测量要求，因此仪器的发展潜力是巨大的，发展空间是无限的。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于互感的非接触式测距与定位仪器的结构框图；

图2为本发明实施例提供的显示屏显示的内容示意图；

图3为本发明实施例提供的主动线圈组结构示意图；

图4为本发明实施例提供的被动线圈组结构示意图；

图5为本发明实施例提供的hca试验中被动线圈组结构示意图；

图6为本发明实施例提供的hca试验中被动线圈组截面示意图；

图7为本发明实施例提供的校准装置结构示意图；

图8为本发明实施例提供的校准装置的轨道结构示意图；

图9为本发明实施例提供的主动线圈组支架结构示意图；

图10为本发明实施例提供的hca和本发明的测距与定位仪器测得的轴向位移对比图；

图11为本发明实施例提供的hca和本发明的测距与定位仪器测得扭转角和试件上下底面间夹角对比图；

图12为本发明实施例提供的三轴仪和本发明的测距与定位仪器上读出的试件三个方向的正应变对比图；

图13为本发明实施例提供的试件的三个方向的剪应变变化图。

图中：1-0、z0线圈；1-1、z1线圈；1-2、z2线圈；1-3、z3线圈；1-4、z4线圈；2-0、b0线圈；2-1、b1线圈；2-2、b2线圈；2-3、b3线圈；2-4、b4线圈；3-1、主动线圈组支架；3-2、被动线圈组支架；3-3、连杆；3-4、连杆固定器；3-5、测微鼓轮；3-6、移动距离控制与测量器；3-7、圆环；3-8、底盘；3-9、x方向单轨道；3-10、z方向双轨道；3-10-1、可拆卸轨道；3-11、千分尺；3-12、角度刻度；3-1-1、支架外壳；3-1-2、支架底座；3-1-3、角度测量刻度；3-1-4、线圈组旋转旋钮；3-1-5、转动轮；4、坡莫合金铁芯；5、中间线圈的中心和四个较小线圈组成的整体的中心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种基于互感的非接触式测距与定位仪器，如图1所示，包括信号产生与控制模块、主动线圈组、被动线圈组、信号采集与处理模块、信号调制与发射模块以及信号接收与显示模块；

所述信号产生与控制模块与主动线圈组连接，根据设定的输入信号的频比以及主周期，按先后顺序为主动线圈组中各线圈提供输入信号；所述信号产生与控制模块为主动线圈组提供的输入信号为电压信号，电压信号波形种类包括正弦波(sine)，方波(square)，锯齿波(ramp)，脉冲波(pulse)和噪声波(noise)共计五种，所有电压信号频率均为0-30mhz可调，电压幅值均为0-100v可调；使用者可自由选择效果最好的信号种类、频率和电压幅值；所述输入信号的频比为输入主动线圈组中每一个线圈的信号频率与主频率的比值；所述主频率为单位时间内输入信号能够完成先后输入主动线圈组内所有线圈这样完整过程的次数；所述输入信号的主周期为主频率的倒数，即输入信号依次输入主动线圈组内所有线圈所需要的总时间。

所述被动线圈组与信号采集与处理模块连接，将由于主动线圈组内各线圈输入电压信号后在被动线圈组各线圈内激发的感应电动势信号传入信号采集与处理模块；

所述信号采集与处理模块接收被动线圈组各线圈内激发的感应电动势信号，并利用整流滤波电路先将交流电变为直流电，并将电压变换到可输入单片机的0-5v范围内，输入单片机后计算得到所有待测参量取值；并将计算结果传递给信号调制与发射模块；所述信号调制与发射模块将信号采集与处理模块处理后得到的所有待测参量取值结果以电磁波的形式向空间中发射；

所述信号接收与显示模块放置在被主动线圈组一侧，接收信号调制与发射模块向空间发射的电磁波，进而显示主动线圈组中心位置及所有待测参量的取值，实现被测目标的测距与定位。

所述信号接收与显示模块接收信号调制与发射模块发射的电磁波信号，并通过坐标系oxy显示主动线圈组中心位置及所有待测参量的取值，如图2所示；所述坐标系oxy是整体坐标系oxyz的一部分，整体坐标系oxyz以被动线圈组中心为坐标原点，oxy位于经过被动线圈组中心且与被动线圈组平行的平面内，如图4所示；坐标系oxy中的显示点表示主动线圈组中心的坐标，显示点的z值代表了主动线圈组和被动线圈组中心所在平面间的距离；所述坐标系oxy中同时显示两线圈组中心间的距离，显示点与原点间的距离；两线圈组所在平面间的夹角，两线圈组之间的扭转角，显示点与坐标原点o的连线与x轴正方向所成夹角。图2中的黑色圆点为显示点，代表主动线圈组中心在坐标系oxy中所处的位置，x、y和z表示主动线圈组中心的坐标，z同时也代表了主动和被动线圈组中心所在平面间的距离，r表示两线圈组中心间的距离，r表示oxy平面内显示点与原点间的距离。θ表示两线圈组所在平面间的夹角，α表示两线圈组之间的扭转角，β表示显示点与坐标原点o的连线与x轴正方向所成夹角。

作为以互感作用为基本工作原理的设备，线圈组是整个系统的核心部件。主动线圈组和被动线圈组均是由大小共计五个线圈组成，各线圈组的结构分别如图3和图4所示。各线圈组的五个线圈均包括一个中间大线圈和四个排列在中间大线圈周围的小线圈，所有线圈均由细铜丝缠绕在坡莫合金铁芯上形成。所有的线圈均固定在一个十字支架上。为说明方便，主动线圈组和被动线圈组内部各个线圈分别进行了编号，主动线圈组中间的大线圈称为z0线圈1-0，四个小线圈分别称为z1线圈1-1、z2线圈1-2、z3线圈1-3和z4线圈线圈1-4。被动线圈组的中间大线圈标记为b0线圈2-0，四个小线圈分别称为b1线圈2-1、b2线圈2-2、b3线圈2-3和b4线圈2-4。各个线圈的位置分别在图3和图4中标出。整个仪器通过互感作用完成所有测量，因此互感电动势是其工作中最重要的参量，为说明方便，主动线圈组内各线圈在被动线圈组各线圈内激发的感应电动势也分别进行了标记。仪器工作中，每个主周期内，主动线圈组各线圈通电顺序为z0、z1、z2、z3、z4。z0线圈1-0通电后，在b0线圈2-0中激发的感应电动势标记为u00，在b1、b2、b3和b4线圈中激发的感应电动势分别标记为u10、u20、u30和u40。z1线圈1-1通电后，在b0线圈2-0中激发的感应电动势标记为u01，在b1、b2、b3和b4线圈中激发的感应电动势分别标记为u11、u21、u31和u41。z2线圈1-2通电后，在b0中激发的感应电动势标记为u02，在b1、b2、b3和b4线圈中激发的感应电动势分别标记为u12、u22、u32和u42。z3线圈1-3通电后，在b0线圈2-0中激发的感应电动势标记为u03，在b1、b2、b3和b4线圈中激发的感应电动势分别标记为u13、u23、u33和u43。z4线圈1-4通电后，在b0线圈2-0中激发的感应电动势标记为u04，在b1、b2、b3和b4线圈中激发的感应电动势分别标记为u14、u24、u34和u44。最后说明一下，这里所有感应电动势均指经过整流滤波作用后形成的稳定电动势值。

图3和图4并不是线圈组的唯一形式，使用中可以根据实际情况改变线圈组的形式。比如在hca(hollowcylinderapparatus，即空心圆柱扭剪仪)试验中，如果想使用本发明的仪器与方法就需要对线圈组的形式进行修改。hca试验中可使用本发明的仪器与方法测量试件的轴向位移和扭转角、上下底面间夹角等参量，但hca使用的是空心圆柱试样，测量中要求线圈要适应空心圆柱试样的截面特点，为此可设计出图5所示的线圈组形式。图5中仅给出了被动线圈组，主动线圈组与被动线圈组形式完全相同，只是去掉了其中的坐标系。从图5中可看出，此时线圈组的所有组件全部集中在一个圆环形截面内，这样线圈就可以安装到空心圆柱试件的上、下底面上完成相应的测量内容。线圈组的形式虽然可以改变，但并不是随意改变，是要受到约束条件的限制的，该条件就是中间线圈的中心与其他四个较小线圈组成的整体的中心必须重合，且所有线圈平面必须是平行的。图5所示线圈组的截面如图6所示，从图6中可看出，此时中间大线圈是被分成两部分的，但使用时两部分线圈是串联的，因此依然可看做是一个整体。中间线圈将剩余四个较小线圈夹紧，此时中间线圈的中心和四个较小线圈组成的整体的中心5是重合在一起的，该中心也是坐标系的原点，同时所有线圈平面都是平行的。

一种基于互感的非接触式测距与定位仪器的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、组装所述基于互感的非接触式测距与定位仪器；

根据实际测量情况，选择合适的主动线圈组和被动线圈组类型，并将各线圈组组装好，保证线圈组内各线圈平面平行，且四个小线圈必须在一个平面内，四个小线圈形成的整体的中心与大线圈的中心重合；组装后各线圈均要固定好，线圈之间的相对位置保持不变；

步骤2、使用校准装置校准组装好的所述基于互感的非接触式测距与定位仪器，并根据校准结果调整仪器中各线圈的接线与安装以及整个仪器的线路连接；

所述校准装置如图7和8所示，包括主动线圈组支架3-1、被动线圈组支架3-2、连杆3-3、连杆固定器3-4、测微鼓轮3-5、移动距离控制与测量器3-6、底盘3-8以及设置在底盘3-1上的仪器轨道；所述仪器轨道包括z方向双轨道3-10和x方向单轨道3-9；校准过程中，主动线圈组和被动线圈组分别被安装在相应的支架内，被动线圈组支架3-2保持固定，主动线圈组支架3-1可以运动；

所述主动线圈组支架3-1如图9所示，包括支架外壳3-1-1和支架底座3-1-2；其中，支架外壳3-1-1是由两个扣合在一起的圆形壳体组成的，使用时先将主动线圈组放置在壳体的一瓣内，固定好，然后将壳体的另一瓣扣合好；为保证主动线圈组在壳体内被端正放置，在支架外壳3-1-1内表面设置了各个线圈中心的标记，安装主动线圈组时，只需将各个线圈中心与相应标记对准，即可保证线圈组被端正放置；为了实现扭转角测量的校准，在支架外壳3-1-1上还设置了角度测量刻度3-1-3，用于测量线圈组转过的角度，为了方便线圈组扭转角度的控制，同时还设置了线圈组旋转旋钮3-1-4，通过旋转该旋钮，控制线圈组绕中心轴旋转的角度；为方便对主动线圈组的观察，支架外壳3-1-1采用透明材料制作；支架外壳3-1-1在内部装入主动线圈组并扣合完毕后，整体放置在支架底座3-1-2上并固定好；主动线圈组在校准过程中需要自由沿z方向双轨道3-10移动，因此在支架底座3-1-2上还设计了与z方向双轨道3-10吻合的转动轮3-1-5；被动线圈组支架3-2的总体结构与主动线圈组支架3-1相同，但由于校准中不需要被动线圈组支3-2架运动，所以没有转动轮3-1-5，同时被动线圈组支架3-2也没有角度测量刻度3-1-3和线圈组旋转旋钮3-1-4；

所述主动线圈组支架3-2与连杆3-3的一端固定在一起，连杆3-3穿过一个圆环3-7后另一端固定在连杆固定器3-4上，连杆固定器3-4还通过内螺纹同移动距离控制和测量器3-6内的主体螺杆结合在一起，移动距离控制和测量器3-6的作用在于控制和测量主动线圈组支架3-1在z方向移动的距离；移动距离控制和测量器3-6设置有主尺和测微鼓轮3-5用于读取距离改变量，该装置读数时可读到0.001mm，其中最后一位是估读的，由此可看出该装置在距离方面的测量精度与千分尺相同；通过旋转测微鼓轮3-5可带动移动距离控制和测量器3-6内部主体螺杆转动，进而通过连杆3-3控制主动线圈组支架3-1在z方向的移动距离；

校准装置除了提供了z方向双轨道3-10外，还提供了x方向单轨道3-9，当主动线圈组支架3-1移动到z方向双轨道3-10尽头时就直接进入x方向单轨道3-9中用于装载支架的装载盘内，支架与装载盘之间保持相对静止，装载盘可沿x方向单轨道3-9滑动，这就意味着此时支架还可沿x方向移动，在x方向单轨道3-9两端分别设置两个千分尺3-11，当支架向某一个方向移动时分别用相应的千分尺3-11测量移动距离；

为了对两个线圈组平面间的夹角进行校准，x方向单轨道3-9以轨道中心为轴做逆时针方向转动，当主动线圈组支架3-1位于x方向单轨道3-9上时，通过转动整个x方向单轨道3-9即可改变两个线圈组平面之间的夹角，而且底盘3-8上还设置了角度刻度3-12用于测量x方向单轨道3-9转过的角度，来实现线圈组平面之间夹角的测量与校准；为保证x方向单轨道3-9在线圈组平面间夹角校准过程中的顺利转动，z方向双轨道3-10中的一侧轨道为可拆卸的轨道3-10-1，如图8所示；在旋转x方向单轨道3-9之前，需将z方向双轨道3-10中的可拆卸轨道3-10-1拆除，以此为x方向单轨道3-9的转动去除障碍；

本发明的校准装置分别可以实现主动线圈组的x、z方向坐标、扭转角度、线圈组平面夹角的测量，线圈通电后可分别得到这些参量显示值，通过将显示值与测量值进行对比即可完成仪器系统的校准。校准的目的是为了观察仪器系统线圈组装配、连线等方面是否存在问题，如果以上各量在校准中均未出现问题，则说明线圈组装配和线路连接没有问题，其他参量，比如y方向坐标也就不需要测量与校准了。另外，通过校准还要确定与调试信号产生与控制模块各参量的取值，通过确定最佳的取值组合达到最佳的测量效果。

本实施例中，使用上述校准装置对本发明的基于互感的非接触式测距与定位仪器的校准过程为：

(1)将主动线圈组和被动线圈组分别放入相应的支架外壳内，将各线圈组在支架外壳中固定好，然后将两瓣外壳扣合好，并使其固定在支架上。在放置线圈组中需注意，主动线圈组和被动线圈组中的四个较小线圈要对应放置，比如b1与z1相对应放置。

(2)将主动线圈组内各线圈与信号产生与控制模块连接好，将被动线圈组内各线圈与信号采集与处理模块连接好，将信号采集与处理模块和信号调制与发射模块之间的连线连接好，旋转测微鼓轮调整两线圈组支架间的距离，距离初值设定为50.000mm。

(3)先读取并记录各参量初始值，然后旋转测微鼓轮逐渐增加两线圈组z方向距离，在距离增加过程中，选取五个点，分别记录由校准仪器上测得的z方向距离和由仪器屏幕上读取的测量值，同时在每一个z方向距离点调整一个主动线圈扭转角度，记录下校准装置上显示的角度值和仪器上显示的角度值。

(4)z方向距离和扭转角校准完毕后，继续旋转测微鼓轮将主动线圈组支架调整至z方向最大距离处，并直接进入x方向轨道的装载盘，撤掉z方向轨道中会妨碍x方向轨道旋转的可拆卸轨道，使主动线圈组支架与连杆分离。旋转x方向轨道，转动中选取五个位置停下，并分别读取各位置处由校准装置和专利仪器上显示的线圈组平面间夹角。

(5)面间角测量完毕后，先旋转x方向轨道使面间角归零，然后通过调整装载盘使主动线圈组沿x轴方向移动，移动中选取五个不同的位置，分别读取各位置处由校准装置和专利仪器上显示的线圈组x坐标。

(6)所有参量校准完毕后，将仪器拆卸完毕并收好。以测量次序为横坐标，以测量值为纵坐标，针对各参量分别作出校准曲线，若由校准装置和专利仪器测得的曲线能够很好的重合在一起，则说明仪器的设计与组装是没有问题的，如果校准曲线偏离的较为严重，则需要仔细检查仪器各线圈的接线与安装和整个系统线路的连接，找出问题并解决问题，然后重新校准，直到校准结果满足要求才可以使用仪器进行下一步测量。

在校准过程中，除了要测量各参量的数值，还需不断调整主动线圈组输入信号的电压幅值、频率、信号种类和频比，通过调整观察测量结果的精度。一般来说，输入电压幅值越大，测量结果的精度越高，但测量中能源消耗也越大，因此使用者需要在结果与消耗之间找到一个平衡点。在输入信号的频率方面，不是频率越高越好，会有一个最佳频率值，根据前期研究，仪器的最佳工作频率为78hz。前期研究还表明信号种类为square或pulse时测量效果较好。在一般的测量条件下，测量对象空间位置变化不是很快，频比取5即可。对于前述各参量取值，仅仅是前期研究提供的参考，使用者可以自行调整输入信号重新搜寻各参数的最佳值。

步骤3、在被测目标上安装所述基于互感的非接触式测距与定位仪器实现被测目标的测距与定位；

将主动线圈组和被动线圈组分别安装在计划放置的各个平面上，然后将各部分连线接好，各参量均调整为校准阶段得到的最佳值；信号产生与控制模块为主动线圈组提供输入信号；主动线圈组在被动线圈组各线圈内激发出感应电动势信号并传入信号采集与处理模块；

对于岩石等较为坚硬的测量对象，线圈组不能和试件一起承受外界作用力，需要在安装平面上刻好能够放置线圈组的槽位，将线圈组放置在相应槽位中并固定好。对于砂、土等强度较小的试验对象，则可直接将线圈组放置在试件相应面上，在外力作用下线圈组可自己嵌入所在面中，与所在面一起运动。

若是应用在管路对接问题中，则需在对接操作之前，先将线圈组分别安装在两个管口处，保证线圈组平面与管口平面平行，且满足线圈组间扭转角为零时管口的凸凹装置恰好吻合。线圈组安装完毕即可开始对接，对接中要先调整两管口状态使两线圈组面间角为零，然后使扭转角为零。在此基础上不断缩小两管口间距，直至对接完成。在两管口不断接近中，注意随时观察线圈组面间角和扭转角，若其中任意一个不为零了，则应该马上调整管口状态，使其马上恢复为零，然后再继续缩小管口距离。对接完毕后将线圈组分别取出。

步骤4、信号采集与处理模块接收被动线圈组各线圈内激发的感应电动势信号，并利用整流滤波电路先将交流电变为直流电，并将电压变换到可输入单片机的0-5v范围内，输入单片机，进而计算出主动与被动线圈组中心间相对方位与距离，两个线圈组所在平面之间的夹角以及两个线圈组的扭转角；

(1)计算主动线圈组与被动线圈组中心间相对方位与距离；

以被动线圈组中心为坐标原点，垂直于被动线圈组平面为z轴正方向建立坐标系，则主动线圈组中心坐标为

其中，x,y,z为主动线圈组的中心坐标，u00为主动线圈组中大线圈通电后，在被动线圈组中的大线圈中激发的感应电动势，u10、u20、u30和u40分别为主动线圈组中大线圈通电后，在被动线圈组中四个小线圈中激发的感应电动势；u01、u02、u03、u04分别为主动线圈组中各小线圈通电后，在被动线圈组中的大线圈中激发的感应电动势，u11、u21、u31和u41，u12、u22、u32和u42，u13、u23、u33和u43，u14、u24、u34和u44分别为主动线圈组中各小线圈通电后，在被动线圈组中的四个小线圈中激发的感应电动势，n为无穷级数内公式项的序数；

由此得两线圈组平面间的距离h为：

h＝z

主动线圈组与被动线圈组中心之间的距离r为：

主动线圈组偏离z轴的距离r为：

r即为r在oxy平面内的投影，进一步计算出r与x轴正方向间的夹角β为：

(2)计算两个线圈组所在平面之间的夹角；

通过前面测量得到的所有互感电动势，得两个线圈组所在平面之间的夹角θ为：

(3)计算两线圈组的扭转角；

两线圈组的扭转角是指主动线圈组和被动线圈组相对转过的角度，设定被动线圈组静止，该角度为主动线圈组以中心轴线为轴相对于被动线圈组转过的角度，逆时针转角取为负值，顺时针转角取为正值，当主动线圈组中的大线圈与被动线圈组中的大线圈同轴且主动线圈组中的各小线圈与被动线圈组中对应的小线圈同轴时两线圈组的扭转角为0；通过前面测量得到的所有互感电动势，得到两个线圈组之间的扭转角α为：

以上各参量均给出了无穷级数形式的计算公式，但实际使用中仅使用级数前几项就够了，通过前期计算可发现，使用各级数的前20项之后，误差均可降到10^-7以下。

步骤5、信号调制与发射模块将信号采集与处理模块处理后得到的所有待测参量取值结果以电磁波的形式向空间中发射；放置在主动线圈组一侧的信号接收与显示模块通过坐标系oxy显示主动线圈组中心位置，同时显示所有待测参量的取值，实现被测目标的测距与定位。

本实施例首先在hca上以细尾矿砂为试验对象，进行轴向位移和扭转角测量试验。试验中在由细尾矿砂制成的空心圆柱试件内，装入本发明的测距与定位仪器，主动线圈组和被动线圈组分别装在试件的上、下底面上，使用hca分别对试件施加轴向位移和扭转角，可分别得到hca和本发明的测距与定位仪器测得的轴向位移，如图10所示，hca和本发明的测距与定位仪器测得的扭转角如图11所示。同时，在图11中还给出了本发明的测距与定位仪器测得的试件上下底面间夹角在试验过程中的变化。由图10和图11可明显看出，hca与本发明的测距与定位仪器在轴向位移和扭转角方面的测量结果基本完全相同，因为两种测量方式得到的曲线基本是重合在一起的，同时本发明的测距与定位仪器的测量结果还表明，在对试件施加扭转角的过程中，试件的上下底面间会出现夹角，这应该是是试件内部不均匀引起的，而hca设备本身不具备该参量的测试功能，检测不到这种变化，说明本发明的测距与定位仪器可以为hca设备提供重要的补充。

本实施例还利用从某尾矿坝勘察现场中获取的砂岩作为试验对象，在自制的岩石三轴试验仪上进行施加应力的试验。试件为100mm×100mm×100mm的正立方体，分析问题时以立方体中心为原点建立坐标系，使立方体三对(共六个)面分别与三个坐标轴垂直。试验中将立方体的六个面中分别嵌入线圈组，形成三对线圈组，分别测量垂直于三个坐标轴的三对平面相对位置与角度的变化。试验中在与x轴垂直的平面上，施加一个与x轴成3°左右夹角的恒定应力20mp，使试件在恒定应力下完成蠕变过程，分别测量试件的各个应变。自制的岩石三轴试验仪本身具备测量x、y、z三个方向正应变的能力，分别从三轴仪和本仪器上读出三个方向的正应变，然后进行比较，根据比较结果判断本发明的测距与定位仪器的技术效果。三个方向正应变的测量结果如图12所示。在图12中，εx、εy和εz分别表示x、y、z三个方向正应变。从图12中可看出，各个方向的正应变随时间的发展都具有稳定蠕变的特点，这一点和试验结果是符合的，最后试件并没有破坏。同时从图12中还可看出，用两种仪器得到的三个方向正应变结果基本一致，无论是那个方向的应变，用三轴仪得到的曲线和用本发明的测距与定位仪器得到的曲线基本是重合在一起的，差别非常小。

除了三个方向的正应变，通过本发明的测距与定位仪器测到的各个面夹角的变化还计算得到了试件不同方向的剪应变γxy、γyz、γzx，剪应变测量结果如图13所示，从图13中可看出，各个剪应变的变化趋势均为稳定蠕变曲线，这与试件最终没有破坏的结果是一致的。另外，剪应变的特点是，γxy和γzx数值相对较大，γyz的数值相对小一些，这是因为施加的应力主要沿着x方向。

总体看来，利用本发明的测距与定位仪器测量得到的剪应变与试验结果是一致的，因此本发明的测距与定位仪器可以作为三轴仪的有力补充，可增加三轴仪的测量内容。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。