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

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике, а именно к цифровым ультразвуковым преобразователям перемещений с нониусным преобразованием, и предназначено для использования в робототехнике и других областях техники для прецизионного измерения и контроля линейных перемещений объекта.

Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод, два демпфера, схему запуска, два элемента ИЛИ, ждущий генератор импульсов, формирователь импульсов записи, подвижную катушку записи, неподвижную катушку считывания, усилитель считывания, формирователь импульсов, счетчик, преобразователь временных интервалов в код, блок управления масштабом преобразования, нормализатор, счетный триггер, генератор образцовой частоты, одновибратор, элемент И, второй счетчик, счетчик количества перезапусков, дешифратор, два регистра, приоритетный шифратор, регистр сдвига, задатчик кода ошибки, устройство вычитания [1]
Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, выбранный в качестве прототипа, который содержит основной и дополнительный магнитострикционные звукопроводы, два акустических поглотителя, стабилизатор растягивающих усилий, два ограничителя перемещений, элемент записи, два элемента считывания, усилитель записи, два усилителя считывания, блок вычитания, формирователь импульсов, блок вычисления результата, входные и выходные шины [2]
Известные устройства имеют общие недостатки, которые заключаются в недостаточной устойчивости к влиянию дестабилизирующих факторов среды, снижающие их точность и чувствительность по перемещению. К таким факторам относятся дисперсия скорости упругой волны в звукопроводе, изменение температуры окружающей среды, влияние акустических помех.

Целью изобретения является повышение точности контроля перемещений объекта путем использования структурных методов, уменьшающих чувствительность преобразователя к дестабилизирующим факторам среды.

Это достигается тем, что в ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий два параллельно установленных звукопровода, основной и дополнительный, расположенные на их концах демпферы, закреплены вблизи от одного из них на звукопроводах элементы считывания, закрепленный на основном звукопроводе элемент записи и связанный с указанными элементами блок формирования обработки и индикации сигналов, введены поляризатор, установленный на основном звукопроводе с возможностью перемещения вдоль него и предназначенный для связи с перемещающимся объектом, два дополнительных элемента записи и один элемент считывания, установленных на дополнительном звукопроводе, блок формирования, обработки и индикации сигналов, выполненные в виде одновибратора, связанных с его выходами D-триггера, Т-триггера, RS-триггера и счетчика, и нескольких усилителей, через которые все элементы записи и считывания связаны с соответствующими входами и выходами указанных триггеров и счетчика.

Кроме того, ультразвуковой преобразователь перемещений снабжен двумя отражающими нагрузками, закрепленными на концах звукопроводов, и вторым и третьим поляризаторами, закрепленными на концах дополнительного звукопровода.

На фиг. 1, 2 приведены блок-схемы ультразвукового преобразователя перемещений с разными способами возбуждения упругих волн в магнитострикционных волноводах; на фиг. 3-5 варианты выполнения избирательных усилителей-формирователей считывания, схем записи, одновибратора; на фиг. 6 временные диаграммы, поясняющие работу ультразвукового преобразователя перемещений.

Ультразвуковой преобразователь перемещений (фиг. 1) содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений (МПП), состоящий из основного и дополнительного прямолинейных магнитострикционных звукопроводов 1, 2, первого, второго и третьего акустических поглотителей 3, 4, 5, двух ограничителей 6 перемещений, первого элемента 7 считывания, поляризатора 8, первого и второго элементов 9, 10 записи, второго и третьего элементов 11, 12 считывания, усилителя 13 записи, первого избирательного усилителя-формирователя 14 считывания, первой и второй схем 15, 16 записи и второго и третьего избирательных усилителей-формирователей 17, 18 считывания, одновибратор 19, Т-триггер 20, D-триггер 21, RS-триггер 22, первый и второй логические элементы И-НЕ 23, 24, элемент 25 равнозначности, счетчик 26 результата, а также шину 27 управления, шину 28 запроса, шину 29 запуска, n-шины 30 результата и шину 31 контроля результата.

Основной и дополнительный звукопроводы 1, 2 закреплены параллельно друг другу в первом и втором акустических поглотителях 3, 4. Третий акустический поглотитель 5 закреплен на средней части дополнительного звукопровода 2 и разделяет его на два независимых акустических тракта опорный и нониусный.

На опорном участке дополнительного звукопровода 2 закреплены первый сосредоточенный элемент 9 записи и второй сосредоточенный элемент 11 считывания, а на нониусном участке второй сосредоточенный элемент 10 записи и третий сосредоточенный элемент 12 считывания. Выводы первого и второго элементов 9, 10 записи подсоединены к выходам первой и второй схем 15 и 16 записи соответственно, а выводы второго и третьего элементов 11 и 12 считывания к входам и третьего избирательных усилителей-формирователей 17 и 18 считывания.

Выход второго избирательного усилителя-формирователя 17 считывания соединен с сигнальным входом первой схемы 15 записи, счетным входом счетчика 26 результата и одним входом элемента 25 равнозначности. Выход третьего избирательного усилителя-формирователя 18 считывания соединен с сигнальным входом второй схемы 16 записи и другим входом элемента 25 равнозначности. Его выход соединен с синхровходом D-триггера 21, инверсный выход которого подключен к шине 28 запроса, а прямой выход соединен с одними входами управления первой и второй схем 15 и 16 записи. Их другие входы управления соединены соответственно с выходами первого и второго элементов 23, 24 И-НЕ.

Одни входы элементов И-НЕ 23, 24 объединены и соединены с синхровходом Т-триггера 20 и выходом первого избирательного усилителя-формирователя 14 считывания, его вход подключен к выводам первого сосредоточенного элемента 7 считывания, закрепленного на основном звукопроводе 1 вблизи первого акустического поглотителя 3.

На рабочей части основного звукопровода 1 закреплен поляризатор 8, выполненный с возможностью перемещения между ограничителями 6 перемещений и имеющий кинематическое соединение с объектом. Другие входы первого и второго элементов И-НЕ 23, 24 соединены соответственно с прямым и инверсным выходами Т-триггера 20. Его нулевой вход объединен с единичным входом D-триггера 21 и соединен с инверсным выходом одновибратора 19. Прямой выход одновибратора 19 через усилитель 13 записи подключен к основному звукопроводу 1 и соединен с нулевыми входами счетчика 26 результата и RS-триггера 22. Разрядные выходы счетчика 26 результата подключены к шинам 30 результата, а выход переноса соединен с единичным входом RS-триггера 22, его выход подключен к шине 31 контроля результата. Вход управления одновибратора 19 подключен к шине 27 управления, а его сигнальный вход к шине 29 запуска.

Кроме того, в ультразвуковой преобразователь перемещений дополнительно введены первая и вторая отражающие нагрузки 32, 33, второй и третий поляризаторы 34, 35 и логический элемент И 36 (фиг. 2). Первая отражающая нагрузка 32 закреплена на основном звукопроводе 1 со стороны его поляризатора 8, а также на одном конце дополнительного звукопровода 2. На другом его конце закреплена вторая отражающая нагрузка 33. На концах дополнительного звукопровода 2 установлены второй и третий поляризаторы 34 и 35, которые подсоединены к выходам первой и второй схемам 15 и 16 записи соответственно. Выход первого избирательного усилителя-формирователя 14 считывания соединен с одним входом элемента 36 И и единичным входом D-триггера 21. Другой вход элемента И 36 соединен с прямым выходом D-триггера 21, а его выход с синхровходом Т-триггера 20.

Ультразвуковой преобразователь перемещений работает следующим образом. При подаче сигнала "Разрешение" (фиг. 6 а) по шине 27 управления преобразователь (фиг. 1) переводится в режим работы. По его шине 28 запроса формируется сигнал "Запрос" (фиг. 6 м), в ответ на который через время t_р пользователь подает по шине 29 запуска сигнал "Запуск" (фиг. 6 б). Производится запуск одновибратора 19, вырабатывающий противофазные импульсные сигналы, которыми устанавливаются в нулевое состояние Т-триггер 20, RS-триггер 22, счетчик 26 результата и в единичное состояние D-триггер 21 (фиг. 6 е).

Одновременно возбуждается усилитель 13 записи. На его выходе формируется токовый импульс записи (фиг. 6 в), который проходит в среду основного магнитострикционного звукопровода 1 МПП и возбуждает под поляризатором 8, выполненным в виде кольцевого магнита, упругую крутильную волну (фиг. 6 д) вследствие магнитомеханического преобразования, распространяющуюся по звукопроводу в обе стороны со скоростью V_кр.

На выходах первого сосредоточенного элемента 7 считывания наводится импульс считывания (фиг. 6 г) из-за влияния индуктивного эффекта, который преобразуется в прямоугольный видеоимпульс считывания первым избирательным усилителем-формирователем 14 считывания. Далее он проходит через открытый второй логический элемент И-НЕ 24, запускает (пуск 1) первую схему 15 записи и переключает в единичное состояние Т-триггер 20 (фиг. 6 ж). Переключение Т-триггера 20 вызывает блокирование второго логического элемента И-НЕ 24 и разблокирование первого логического элемента И-НЕ 23.

Первая схема 15 записи формирует токовый сигнал записи, который через первый сосредоточенный элемент 9 записи в опорной ветви дополнительного звукопровода 2 МПП возбуждается продольная упругая волна, распространяющаяся с фазовой скоростью V_пр. Через время T₀=l₀/V_пр она достигает второй сосредоточенный элемент 11 считывания, установленный на опорном расстоянии l₀ от первого элемента 9 записи, и наводит на его выводах сигнал считывания, преобразующий в прямоугольный видеоимпульс вторым избирательным усилителем-формирователем 17 считывания, по которому производится перезапуск первой схемы 15 записи.

В опорном канале МПП преобразователя, образованного элементами 15, 9, 2, 11, 17, устанавливается устойчивая генерация импульсов опорной частоты (фиг. 6 з):
f_o
(1) на время действия разрешающего сигнала по выходу D-триггера 21 (фиг. 6 е). Эти счетные импульсы подсчитываются счетчиком 26 результата (фиг. 6 к) и анализируются элементом 25 равнозначности.

Упругая волна, возбужденная в основном звукопроводе 1, распространяясь в сторону первого элемента 7 считывания, достигает его через искомое время перемещения l_x объекта (фиг. 6 г).

T_x
(2) и им считывается, преобразуясь в прямоугольный видеоимпульс, которым осуществляется запуск (пуск 2) второй схемы 16 записи через открытый первый логический элемент 23 И-НЕ и переключение в исходное состояние Т-триггера 20 (фиг. 6 ж).

Нониусный канал МПП преобразователя, организованный второй схемой 16, записи, вторым сосредоточенным элементом 10 записи, нониусной ветвью дополнительного звукопровода 2, третьим сосредоточенным элементом 12 считывания и третьим избирательным усилителем-формирователем 18 считывания и работающий аналогично опорному каналу МПП, с этого момента переводится в режим генерации импульсов нониусной частоты (фиг. 6 и)
f_н
(3) где l_н опорное расстояние между элементами 10 и 12 нониусного канала, которые анализируются элементом 25 равнозначности.

При совпадении фазы опорной (1) и нониусной (3) цифровых шкал (фиг. 6 з, и) на выходе элемента 25 равнозначности вырабатывается импульсный сигнал, который переключает D-триггер 21 в нулевое состояние (фиг. 6 е). Это приведет к блокированию работы опорного и нониусного каналов МПП преобразователя и на вход счетчика 26 результата прекратится подача счетных импульсов искомого перемещения объекта.

На разрядном выходе счетчика 26 результата будет сформирован код искомого перемещения (фиг. 6 к), полученный в результате нониусного преобразования
N_x=2
(4) где v_пр=1,6 v_кр, Δt=T₀-T_н интервал дискретизации.

Код перемещения объекта (4) выставляется по шинам 30 результата, формируя сигнал "Перемещение". По шине 28 запроса выставляется сигнал "Запрос" (фиг. 6 м), информирующий пользователя о завершении цикла преобразованиея перемещения. Если имеет место переполнение разрядной сетки 2ⁿ, где n разрядность счетчика 26 результата (фиг. 6 к), на его выходе переноса формируется сигнал, переключающий RS-триггер 22 в единичное состояние (фиг. 6 л). В результате по шине 31 контроля результата выставляется сигнал "Ошибка", указывающий на недостоверность полученной информации по шинам 30 преобразователя.

На этом цикл преобразования перемещения завершается и преобразователь подготовлен к очередному циклу преобразования, который выполняется согласно рассмотренного. Падающие упругие волны в основном и дополнительном звукопроводах 1, 2 МПП поглощаются первым, вторым и третьим акустическими поглотителями 3, 4, 5, чем поддерживается заданное отношение сигнал/помеха акустических трактов. Ограничители 6 перемещений задают диапазон перемещения l_x поляризатора 8 МПП преобразователя.

Избирательные усилители-формирователи 14, 17, 18 считывания (фиг. 3) выполнены на основе последовательно соединенных избирательного RC-усилителя 41, амплитудного ограничителя 42 и порогового элемента 43, что позволяет избирательно усиливать по напряжению наведенные аналоговые сигналы считывания на выводах элементов 7, 11, 12 считывания и преобразовывать их в прямоугольные видеоимпульсы требуемой амплитуды и длительности, обеспечивая при этом устойчивую работу цифрового канала преобразователя в жестких условиях внешней среды.

Первая и вторая схема 15, 16 записи (фиг. 4) выполнены на двух диодных вентилях 37, 38, логическом элементе И-НЕ 39 и преобразователе "Напряжение-ток" 40. Логический элемент И-НЕ 39 служит логическим ключом для сигналов диодных вентилей 37, 38, по которым запускается сигнальный преобразователь 40.

Одновибратор 19 (фиг. 5) содержит два логических элемента 44, 45 И-НЕ с времязадающей RC-цепью на элементах 47, 48 для задания длительности сигналов записи и инвертор 46.

Следовательно, использование упругих волн кручения нулевого порядка и опорный и нониусный каналы рециркуляции продольных упругих волн, повышение избирательности сигнальных цепей считывания преобразователя позволяет повысить его устойчивость к влиянию указанных дестабилизирующих факторов среды. Однако чувствительность по перемещению и устойчивость к влиянию акустических помех преобразователя по фиг. 1 можно повысить, если выполнить его МПП по схеме, приведенной на фиг. 2, где основной акустический тракт увеличен в 2 раза за счет введения отражающей нагрузки, а в дополнительном акустическом тракте возбуждают упругие волны кручения.

Отличительные особенности работы преобразователя по фиг. 2 заключаются в следующем. При возбуждении упругой волны в среде основного звукопровода 1 МПП под поляризатором 8 наведенный на выводах первого элемента 7 считывания сигнал, преобразованный в прямоугольный видеоимпульс не проходит через закрытый логический элемент 36 И на синхровход Т-триггера 20, а переключает в единичное состояние D-триггер 21. Это приводит к разблокированию элемента 36 И и схем 15, 16 записи, снятию сигнала "Запрос" по шине 28 запроса. Распространяясь по звукопроводу 1 в сторону первого элемента 7 считывания, упругая волна достигает через время
T₁
(5) где l₁ расстояние между элементами 7 и 8 МПП, и считывается с последующим преобразованием в прямоугольный видеоимпульс, который проходит через открытый логический элемент И 36 на счетный вход Т-триггера 20 и переключает его в единичное состояние, а также запускает (пуск 1) первую схему 15 записи, подключенную к одному концу дополнительного звукопровода 2 МПП. Его демпфированная часть подключена к общей шине преобразователя, что позволяет гальванически разделить опорный и нониусный его участки.

При подаче токового импульса в среду опорного участка дополнительного звукопровода 2 МПП, под поляризатором 34, установленным на его конце с второй отражающей нагрузкой 33, в среде звукопровода 2 возбуждается крутильная упругая волна. В следующий момент упругая волна достигает второй сосредоточенный элемент 11 считывания и наводит на его выводах импульс считывания, который преобразуется в прямоугольный видеоимпульс вторым избирательным усилителем-формирователем 17 считывания. По этому сигналу осуществляется перезапуск первой схемы 15 записи и переключение счетчика 26 результата. Устанавливается устойчивая генерация импульсов в опорном канале МПП преобразователя с частотой следования
f_o
(6)
Другая волна, распространяясь в среде основного звукопровода 1 МПП в сторону первой отражающей нагрузки 32, достигает ее, изменяет направление своего движения без смены фазы и формы волны и считывается первым элементом 7 считывания через суммарное время
T₂
(7)
По этому преобразованному сигналу считывания через открытый элемент И 36 переключается Т-триггер 20 в исходное состояние, формируя на своем выходе временной интервал, пропорциональный искомому перемещению l_x объекта
T_x=T₂-T₁=2
(8)
В этот момент запускается (пуск 2) нониусный канал МПП преобразователя, состоящий из второй схемы 16 записи, третьего поляризатора 35, установленный на конце дополнительного звукопровода 2 с первой отражающей нагрузкой 32, третьего элемента 12 считывания и третьего избирательного усилителя-формирователя 18 считывания, формируя импульсы с частотой следования
f_н
(9)
При совпадении фаз опорной и нониусной цифровых шкал преобразователя срабатывает элемент 25 равнозначности и переключает D-триггер 21. Работа опорного и нониусного каналов блокируется. На выходах счетчика 26 результата формируется код искомого перемещения повышенной разрешающей способности
N_x
(10)
Далее процесс преобразования перемещений не отличается от рассмотренного ранее.

Таким образом, использование в ультразвуковом преобразователе перемещений крутильных упругих волн, метода нониусного преобразования и увеличение в 2 раза базы прохождения упругой волны по акустическому тракту МПП позволяет повысить точность контроля перемещений объекта и чувствительность по перемещению.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля перемещений. Цель изобретения повышение точности за счет использования ультразвуковых сигналов. Последние возбуждаются в двух параллельно установленных звукопроводах. Один из них используется в качестве конусного узла. С этими звукопроводами взаимодействуют элементы записи и считывания колебаний, а также поляризаторы, которые трансформируют продольные колебания в крутильные. Один из поляризаторов связан с контролируемым объектом. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий два параллельно установленных звукопровода, основной и дополнительный, установленные на их концах демпферы, закрепленные вблизи от одного из них на звукопроводах элементы считывания закрепленный на основном звукопроводе элемент записи и связанный с указанными элементами блок формирования обработки и индикации сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля перемещений, он снабжен установленным на основном звукопроводе с возможностью перемещения вдоль него и предназначенным для связи с перемещающимся объектом поляризатором, установленными на дополнительном звукопроводе двумя дополнительными элементами записи и одним элементом считывания, расположенным между дополнительными элементами записи демпфером, а блок формирования, обработки и индикации сигналов выполнен в виде одновибратора, связанных с его выходами D-триггера, T-триггера, RS-триггера и счетчика, и нескольких усилителей, через которые все элементы записи и считывания связаны с соответствующими входами и выходами указанных триггеров и счетчика. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона контролируемых перемещений, он снабжен двумя отражающими нагрузками, закрепленными на концах основных звукопроводов, и вторым и третьим поляризаторами, закрепленными на концах дополнительного звукопровода.