УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в робототехнике для измерения и контроля параметров кинематического движения объекта.

Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий О-образный магнитострикционный звукопровод, сосредоточенные элемент записи и элемент считывания, два ограничителя перемещений, усилитель записи, сигнальный усилитель-формирователь, формирователь импульсов записи, D-триггер, измерительный генератор, два элемента И, Т-триггер, две схемы последовательного счета, счетчик циклов рециркуляции, цифровой компаратор, элемент задержки, два буферных регистра [1]
Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, выбранный в качестве прототипа, который содержит У-образный магнитострикционный звукопровод, акустический демпфер, два ограничителя перемещений, входной и выходной сосредоточенные магнитострикционные преобразователи, усилитель записи, усилитель-формирователь считывания, опорный генератор, делитель частоты, три счетчика последовательного счета, четыре буферных регистра, три логических элемента И, сумматор, элемент задержки, блок вычисления результата, триггер управления [2]
Основным недостатком известных устройств является недостаточное быстродействие преобразования перемещений, что ограничивает динамический диапазон. Это объясняется тем, что в преобразователе [1] из-за увеличения базы акустического тракта увеличивается время вычисления результирующего кода перемещения. В другом преобразователе [2] время цикла существенно уменьшено вследствие использования метода частотно-временного кодирования перемещения на основе ВИМ, формируемой по закону однотактного интегрирования, требующего устранения двузначия кодирования. За счет этого снижается быстродействия преобразования, ведущее к сужению динамического диапазона преобразования перемещений.

Целью изобретения является повышение быстродействия преобразования и расширение диапазона перемещений объекта.

Это достигается тем, что в ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод с замкнутыми прямой и обратной ветвью, оппозитно установленные на них элементы записи и считывания и связанный с ним блок кодирования и вычислений, снабжен формирователь сигналов опроса, выполненным из последовательно связанных генератора, двух инверторов и элемента И-НЕ, звукопровод выполнен О-образным с возможностью кинематической связи с перемещающимся объектом, элементы записи и считывания установлены неподвижно относительно звукопровода, а блок кодирования и вычислений выполнен в виде последовательно-параллельно связанных двух реверсивных счетчиков, двух D-триггеров, двух буферных регистров, связанного с выходами последних компаратора с коммутатором и соединенных с ними каскадов суммирования и вычитания сигналов.

На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового преобразователя перемещений; на фиг. 2 и 3 варианты выполнения его основных блоков; на фиг. 4 и 5 основные временные диаграммы, поясняющие работу ультразвукового преобразователя перемещений.

Ультразвуковой преобразователь перемещений (фиг. 1) содержит О-образный звукопровод 1 из магнитострикционного материала, установленный на подвижном основании 2 и заключенный в акустический поглотитель 3, ограничители 4 перемещений, сосредоточенные элементы 5, 6 записи и считывания, усилитель 7 записи, избирательный усилитель-формирователь 8 считывания, формирователь 9 сигналов опроса, блок 10 кодирования и вычислений (БКВ), а также шину 11 управления, шину 12 запуска, первый и вторые n-шины 13 и m-шины 14 данных, П-шины 15 знака перемещения.

Ограничители 4 перемещений закреплены на концах подвижного основания 2, кинематически подключенного к объекту. Оппозитно на параллельных ветвях О-образного звукопровода 1 установлены сосредоточенные элементы 5, 6 записи и считывания, выводы которых подсоединены соответственно к выходу усилителя 7 записи и входу избирательного усилителя-формирователя 8 считывания. Его выход соединен с одним сигнальным входом БКВ 10, а второй сигнальный вход соединен с одним выходом формирователя 9 сигналов опроса. Другой его выход соединен с входом усилителя 7 записи, а вход управления подключен к шине 11 управления. Управляющий вход БКВ 10 подключен к шине 12 запуска, а его первый, вторые и третьи выходы соответственно к первым и вторым шинам 13, 14 данных и шинам 15 знака перемещения.

Ультразвуковой преобразователь перемещений работает следующим образом. Первоначально преобразователь (фиг. 1) устанавливается в исходное состояние. По сигналу формирователя начального сброса на инверторах 54,38, 39, 40 RC-элементах 55, 56 и диоде 57 производится установка в нулевое состояние D-триггеров 25, 29, 44 и запись нулевой информации (N_Н=00 0) по информационным входам в реверсивные счетчики 24, 28 (фиг. 3).

Перевод преобразователя в режим работы осуществляется по сигналу "Разрешение" (фиг. 4 а) выставляемому по шине 11 управления. Запускается формирователь 9 импульсов опроса, выполненный на опорном генераторе 16, формирователе укороченных импульсов на инверторе 17, элементе И-НЕ 18 с времязадающей RC-цепью на элементах 20, 21 и инверторе 19 (фиг. 2). На его выходах формируются паритетные цифровые мерные шкалы грубого отсчета с шагом дискретизации Т_оп=1/f_оп, поступающие на вход усилителя 7 записи и один сигнальный вход БКВ 10 преобразователя (фиг. 5 б).

Поступая на сигнальный вход БКВ 10, импульсные сигналы формирователя 9 подсчитываются первой схемой реверсивного счета (фиг. 3), выполненной на логических элементах И-НЕ 22, 23, реверсивном счетчике 24 и D-триггере 25. На выходах реверсивного счетчика 24 формируется n разрядный код N₁= ·f_оп текущего значения (фиг. 3 б), подаваемый на информационные входы буферного регистра 30 БКВ 10, где - верхний диапазон преобразования перемещений.

Одновременно импульсные сигналы формирователя 9 укороченной длительности τ_и поступая на вход усилителя 7 записи, вырабатывают на его выходе токовые посылки, которыми возбуждается сосредоточенный элемент 5 записи. В результате магнитомеханического преобразования в среде О-образного звукопровода 1 под элементом 5 возбуждаются продольные упругие волны, которые распространяются в обе стороны с фазовой скоростью V_пр и следуют с опорной частотой = 1/Т_оп, устанавливая шаг дискретизации магнитострикционной мерной шкалы преобразователя (фиг. 5 б). Распространяясь в сторону акустического поглотителя 3 по звукопроводу 1, упругие волны в следующий момент времени достигают его и рассеивают свою энергию. Распространяясь в другую сторону, упругие волны через временной интервал искомого линейного перемещения l_x объекта
T_x=
(1) где R радиус закругления звукопровода 1, достигают сосредоточенного элемента 6 считывания и им считываются вследствии магнитоупругого преобразования. Достигая акустического поглотителя 3, упругие волны в следующий момент демпфируются. В среде магнитострикционного звукопровода формируется магнитострикционная мерная шкала грубого отсчета.

Наведенные импульсные аналоговые сигналы считывания, следующие с частотой f_x=1/T_o, поступают на вход избирательного усилителя-формирователя 8 считывания, где преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы длительности τ (фиг. 5 в). Эта наведенная и задержанная на время Т_х (1) импульсная последовательность поступает на второй сигнальный вход БКВ 10 и подсчитывается второй схемой реверсивного счета, выполненной на логических элементах И-НЕ 26, 27, реверсивном счетчике 28 и D-триггере 29 (фиг. 3). На выходах реверсивного счетчика 28 формируется n разрядный код N₂= текущего значения (фиг. 4 в), отличающийся от опорного значения кода N₁ на величину перемещения объекта l_x, считанного по грубой мерной шкале преобразователя. Код N₂выставляется по информационным входам буферного регистра 31 БКВ 10.

По сигналу "Запуск" (фиг. 4 г, 5 а), выставляемому по шине 12 запуска, производится запуск БКВ 10 преобразователя по захвату фазы цифровой и магнитострикционной мерных шкал грубого отсчета (фиг. 4 б, в), ее измерения (фиг. 5 е) и вычислению цифрового эквивалента N_xперемещения l_x объекта. Так, по сигналу "Запуск" в буферные регистры 30, 31 БКВ 10 заносятся коды N₁, N₂ текущего значения, выставленные в этот момент времени на выходах реверсивных счетчиков 24, 28.

Далее коды подаются на входы цифровых компаратора 32 и коммутатора 34. Компаратор 32, поразрядно сравнивая между собой значения указанных кодов, определяет наибольшее значение одного из них и через логический элемент ИЛИ 33 управляет работой выходов коммутатора 34. В результате на входы цифрового вычитателя 35 будут поданы коды N₁ и N₂ в однозначной последовательности для выполнения операции логического вычитания
ΔN= N₁-N₂ (2)
Вычисленный код (2) перемещения, считанный по грубой шкале преобразователя, выставляется по одной группе информационных входов комбинационного сумматора 37 (фиг. 3).

Одновременно по сигналу "Запуск" устанавливается в единичное состояние D-триггер 44 БКВ 10 (фиг. 5 г), что приводит к разблокированию логического элемента И-НЕ 42, выполняющего роль логического ключа, а также подтверждается нулевое состояние Т-триггера 43 (фиг. 5 д). При поступлении сигналов цифровой и магнитострикционой мерных шкал (фиг. 5 б, в) на вход Т-триггера 43 через цепочку логических элементов ИЛИ и И-НЕ 41, 42 произойдет его переключение по полной фазе (фиг. 5 д), на время которой запустится измерительный генератор 45 (фиг. 5 е), формирующий цифровую мерную шкалу точного отсчета. Его счетные импульсы с частотой следования f=1/T пройдут на прямой счетный вход счетчика 36 и запомнятся. На К-разрядном выходе счетчика 36 будет сформирован код фазы механотронной шкалы преобразователя, считанный относительно цифровой мерной шкалы точного отсчета
N_ф=Т_ф ˙f (3) где Т_ф длительность фазы механотронной шкалы преобразователя, который поступает на другую группу информационных входов комбинационного сумматора 37 БКВ 10.

По срезу сигнала Т-триггера 43 срабатывает одновибратор БКВ 10 на инверторе 46, элементе И-НЕ 47 с RC-элементами 48, 49, который переключает D-триггер 44 в исходное состояние (фиг. 5 г, ж). Логический элемент И-НЕ 42 блокируется и на счетный вход Т-триггера 43 прекратится прохождение импульсных сигналов механотронной мерной шкалы преобразователя до следующего цикла преобразования.

В следующий момент на выходах сумматора 37 будет сформирован n-разрядный код искомого перемещения объекта
N_x= ΔN+N_ф (4) который проходит на первые шины 13 данных, формируя сигнал "Положение".

Одновременно код (4) поступает на одни группы входов буферного регистра 50 и цифрового компаратора 51. При подаче очередного сигнала "Запуск" через время Т_опр ≥Т_к= τ₃₂ + τ₃₃ + τ_34,36,37, где τ время задержки сигналов по цепям элементов 32-37 БКВ 10, производится занесение кода (4) перемещения текущего значения в буферный регистр 50, а через время кодирования перемещения Т_к на выводах сумматора 37 будет сформировано очередное значение кода перемещения объекта N_x1, который поразрядно сравнивается с кодом N_x перемещения смежного цикла преобразования компаратором 51. На его П-разрядном выходе формируется код знака перемещения
N_3н=N_x-N_x˙1, (5) поступающий далее на шины 15 знака перемещения с формированием сигнала "Знак перемещения".

По сигналам компаратора 51 через логический элемент ИЛИ 40 переключается цифровой коммутатор 52 и коды перемещения смежных циклов преобразования проходят однозначно на группы информационных входов вычитателя 53. В результате на его m-разрядном выходе формируется код скорости перемещения объекта V_x= Δl_x/Т_опр, где Δ l_x=l_x-l_x˙1 приращение перемещений объекта за время Т_опр, равный
N_y= T_опр· ·f,
(6) который проходит на вторые шины 14 данных с формированием сигнала "Скорость".

Таким образом, использование метода паритетных шкал с времяимпульсным кодированием перемещений по закону двухтактного интегрирования позволяет уменьшить время кодирования Т_к по сравнению с прототипом на время коррекции двузначия механотронной мерной шкалы преобразователя, позволяя расширить динамический диапазон преобразования перемещений. Выполнение звукопровода преобразователя подвижным улучшает динамические характеристики первичного преобразователя, повышает его технологичность.

Изобретение относится к контролю размеров и может быть использовано для измерения перемещения объекта. Цель изобретения - повышение быстродействия за счет использования магнитострикционного звукопровода, возбужденного ультразвуком. Этот звукопровод связан с контролируемым объектом и перемещается вместе с ним относительно узлов записи и считывания, связанных с блоком обработки информации. 5 ил.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий магнитострикционный звукопровод с замкнутыми прямой и обратной ветвями, оппозитно установленные на них элементы записи и считывания и связанный с ними блок кодирования и вычислений, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и расширения диапазона перемещений, он снабжен формирователем сигналов опроса, выполненным из последовательно связанных генератора, двух инверторов и элемента И НЕ, звукопровод выполнен О-образным с возможностью кинематической связи с перемещающимся объектом, элементы записи и считывания установлены неподвижно относительно звукопровода, а блок кодирования и вычислений выполнен в виде последовательно параллельно связанных двух реверсивных счетчиков, двух D-триггеров, двух буферных регистров, связанного с выходами последних компаратора с коммутатором и соединенных с ними каскадов суммирования и вычитания сигналов.