УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА НАКЛОНА Российский патент 1997 года по МПК G01C9/06 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения и контроля двухкоординатных угловых перемещений объекта.

Известен преобразователь угла наклона, выбранный в качестве прототипа, который содержит груз в виде пустотелого усеченного корпуса, нить подвеса, устройство перемещения, центрирующее отверстие, четыре неподвижных пластины-электроды, корпус, переключающее устройство, ВЧ-генератор, частотомер, блок управления, блок времени, транскриптор и записывающее устройство [1]
Основными недостатками известного устройства являются недостаточные точностные характеристики и функциональные возможности. Это объясняется тем, что влияние дестабилизирующих факторов среды, например акустических помех, вызывают увеличение погрешности измерения угловых перемещений объекта. В известном устройстве не предусмотрены технические средства для вычисления знака угловых перемещений объекта, что также ограничивает область использования устройства.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей за счет уменьшения влияния дестабилизирующих факторов среды и вычисления знака угловых перемещений.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом преобразователе угла наклона, содержащем цилиндрический корпус с закрепленным в верхней его части через сферический шарнир маятником, генератор опросных импульсов, триггер и блок индикации, маятник выполнен в виде прямолинейного звукопровода из магнитострикционного материала, а в устройство дополнительно введены установленные последовательно сверху вниз на звукопроводе акустический поглотитель, приемное звено с неподвижным постоянным магнитом, излучающее звено и кольцевой постоянный магнит, усилители записи и считывания, балансный и цифровой компараторы, аналого-цифровой преобразователь, регистр, блок памяти, шина управления, шина данных, шина синхронизации и шина знака перемещения, при этом приемное и излучающее звенья выполнены в виде соответственно первой и второй катушек индуктивности, а кольцевой постоянный магнит расположен внутри корпуса и выполнен с возможностью перемещения вдоль обмотки второй катушки индуктивности, выводы которой подключены к выходам усилителя записи, ко входу которого, единичному входу триггера, нулевому входу блока памяти, синхровходу регистра и шине синхронизации подключен выход генератора опросных импульсов, вход которого подключен к шине управления, выводы первой катушки индуктивности соединены со входами усилителя считывания, выход которого подключен к первым входам балансного компаратора и блока памяти, выход которого соединен со входом аналого-цифровой преобразователя, выходы которого подключены к шине данных, первым входам цифрового компаратора и информационным входам регистра, выходы которого подключены к шине знака перемещения, причем схема индикации соединена с выходом триггера, к синхровходу которого подключен выход балансного компаратора, второй вход которого подключен к шине порогового напряжения.

На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового преобразователя угла наклона; на фиг.2 основные временные диаграммы, поясняющие его работу.

Ультразвуковой преобразователь угла наклона (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1, в котором размещены прямолинейный магнитострикционный звукопровод 2, акустический поглотитель 3, сферический шарнир 4, сосредоточенный магнитострикционный преобразователь 5 (СМП) с магнитом 6 смещения, распределенный магнитострикционный преобразователь 7 (РМП), поляризатор 8, выполненный в виде кольцевого постоянного магнита, усилитель 9 записи, усилитель 10 считывания, генератор 11 опроса, триггер 12, балансный компаратор 13 с цифровым выходом, схему 14 индикации, блок 15 аналоговой памяти, аналого-цифровой преобразователь 16 (АЦП), буферный регистр 17, цифровой компаратор 18, а также шину 19 управления, n-шины 20 данных, m-шины 21 знака перемещения и шину 22 синхронизации.

Магнитрострикционный звукопровод 2 со свободным концом размещен в корпусе 1 первичного преобразователя параллельно вектору гравитации и кинематически соединен с ним в верхней части через сферический шарнир 4. На этом же конце звукопровода 2 закреплен акустический поглотитель 3. С другой стороны от него закреплен СМП 5 с магнитом 6 смещения, подключенный к входам усилителя 10 считывания. На свободном конце звукопровода 2 закреплен РМП 7, выводы которого подсоединены к выходам усилителя 9 записи. В нижней части корпуса 1 с внутренней поверхности установлен поляризатор 8, выполненный с возможностью перемещения вдоль обмотки РМП 7. Выход генератора 11 опроса соединен с входом усилителя 9 записи, единичным входом триггера 12 и нулевым входом блока 15 памяти. Его выход подключен через АЦП 16 к шинам 20 данных, информационным входам регистра 17 и одним входам цифрового компаратора 18, а вход соединен с входом усилителя 10 считывания и одним входом балансного компаратора 13. На другой его вход подается пороговое напряжение сравнения. Цифровой выход балансного компаратора 13 соединен с синхровходом триггера 12, подключенным к схеме 14 индикации. Вход генератора 11 опроса подключен к шине 19 управления. Выходы регистра 17 соединены с другими входами цифрового компаратора 18, подключенный к шинам 21 знака перемещения. Кроме того, вход генератора 11 опроса подключен к шине 22 синхронизации.

Ультразвуковой преобразователь угла наклона работает следующим образом. Первоначально преобразователь (фиг. 1) находится в исходном состоянии. По шине 19 управления выставляется напряжение управления U_упр, по которому осуществляется запуск генератора 11 опроса и задается частота f_оп=1/T_оп опроса первичного преобразователя (фиг.2,а). По сигналам генератора 11 опроса устанавливается в единичное состояние триггер 12 (фиг.2,д), обнуляется аналоговый блок 15 памяти (фиг.2,е) и возбуждается усилитель 9 записи. На его выходе формируется токовый сигнал записи, которым возбуждается РМП 7, и под поляризатором 8 в среде магнитострикционного звукопровода 2 возбуждается продольная упругая волна. Амплитуда зондирующей упругой волны (фиг.2,б) пропорциональна величине углового отклонения α звукопровода 2 от оси вектора гравитации

где K_ε коэффициент пропорциональности, E модуль Юнга, m - магнитная проницаемость материала звукопровода, H напряженность импульсного магнитного поля РМП 7, H_x=H₀•exp(-lx) напряженность постоянного магнитного поля поляризатора 8, H₀ его напряженность магнитного поля при a=tg(l_o/l_x)=0, l₀ расстояние от шарнира 4 до поляризатора 8.

Наведенная упругая волна σ_x распространяется в обе стороны по звукопроводу 2 с фазовой скоростью V_пр. Так, распространяясь в сторону СМП 5, падающая упругая волна σ₁=σ_x•exp(-β•l₁) достигает его через время T₁=l₁/V_пр и наводит на его выводах аналоговый сигнал считывания (фиг.2,в) равный
E_x= -W•Φ_об•U_пр;
где β декремент затухания упругой волны в среде звукопровода 2, l₁ расстояние между поляризатором 8 и СМП 5, W число витков СМП 5, F_об магнитный поток в зоне магнитоупругого преобразователя, создаваемый магнитом 6 смещения и упругой волной σ который проходит на усилитель 10 считывания и усиливается в K_y раз до величины U_x=K_y•E_x. Достигая акустический поглотитель 3, упругая волна в следующий момент времени испытывает полное поглощение. Другая упругая волна s₂=σ_x•exp[-β(l₁+2l₂)], распространяясь в сторону свободного конца звукопровода 2, через время T₂=l₂/V_пр достигает его, испытывает отражение без изменения и фазы, и распространяется в сторону СМП 5, который достигает через суммарное время T=(2l₂+l₁)/V_пр, где l₂ - расстояние от свободного конца звукопровода 2 до поляризатора 8. На выводах СМП 5 формируется аналоговый сигнал считывания E_x (фиг.2,в).

С выхода усилителя 10 считывания аналоговый сигнал считывания (2) проходит на входы аналогового блока 15 памяти и балансного компаратора 13, где запоминается U₁=U_x и сравнивается с опорным напряжением U_x-U_пор (фиг.2,в,е). Если U_x>U_пор, на выходе балансного компаратора 13 формируется импульсный сигнал, которым переключается триггер 12 и включает схему 14 индикации (фиг. 2,г,д). Схема 14 индикации вырабатывает световые и звуковые сигналы, информирующие об отклонении от вертикали корпуса 1 преобразователя. Угол наклона α кодируется АЦП 16, вырабатывающий n-разрядный код N_x текущего углового отклонения объекта, поступающий далее на информационные входы буферного регистра 17, цифрового компаратора 18 и шины 20 данных, формируя сигнал "Угол наклона".

По очередному сигналу генератора 11 опроса (фиг.2,а) производится запись в буферный регистр 17 кода N_x углового перемещения объекта предыдущего (смежного) цикла преобразования, выставляемый далее на другую группу входов цифрового компаратора 18. В конце очередного цикла преобразования, который выполняется согласно рассмотренного, на выходах АЦП 16 формируется код N_x.1 текущего углового перемещения объекта и сравнивается компаратором 18 для вычисления знака перемещения объекта, а именно

Вычисленный код N_зн в следующий момент подается на m-шины 21 знака перемещения, формируя сигнал "Знак перемещения". В начале каждого цикла преобразования по шине 22 синхронизации выставляется сигнал "Синхронизация" для организации синхронной работы с микропроцессорным пользователем.

Проходя далее по звукопроводу 2, отраженная упругая волна в следующий момент достигает акустический поглотитель 3 и полностью рассеивает на нем свою энергию. Таким образом в акустическом тракте первичного преобразователя устраняется образованием вторичных отраженных волн, накопление которых приводит к снижению помехоустойчивости. При снятии управляющего сигнала по шине 19 управления преобразователь переводится в режим блокирования работы.

Выполнение поляризатора 8 подвижным позволяет установить требуемую чувствительность первичного преобразователя и к угловым двухкоординатным перемещениям объекта. Размещение акустического тракта преобразователя и его вторичного преобразователя в металлическом корпусе 1, подключение звукопровода 2 к корпусу 1 через акустический поглотитель 3 позволяет уменьшить влияние электромагнитных и акустических полей на результирующий сигнал, а значит повысить точность измерения угловых перемещений объекта относительно выбранного прототипа. Вычисление знака угловых перемещений расширяет функциональные возможности преобразователя относительно прототипа, расширяет область использования. А примененный в качестве маятника демпфированный акустический волновод позволяет уменьшить его инерционность, сделать более чувствительным к угловым колебаниям по сравнению с прототипом.

Сущность изобретения: устройство содержит цилиндрический корпус (1), прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала (2), поглотитель (3) сферический шарнир (4), сосредоточенный магнитострикционный преобразователь (5), постоянный магнит (6) распределительный магнитострикционный преобразователь (7), кольцевой поляризатор (8), усилитель записи (9) усилитель считывания (10), генератор опроса (11), триггер (12), балансный компаратор (13), индикатор (14), блок памяти (15) аналого-цифровой преобразователь (16), регистр (17) цифровой компаратор (18), шину данных (20) шину управления (19), шину знака перемещения (21), шину синхронизации, 5 - 10-15-16-17-18-21, 10-13-12-14, 19-11-15, 11-9-7, 11-17, 11-22, 16-18, 16-20. Звукопровод закреплен в верхней части корпуса через сферический шарнир. Поглотитель, сосредоточенный магнитострикционный преобразователь с постоянным магнитом, распределенный магнитострикционный преобразователь и кольцевой поляризатор установлены последовательно сверху вниз на звукопроводе. 2 ил.

Ультразвуковой преобразователь угла наклона, содержащий цилиндрический корпус с закрепленным в верхней его части через сферический шарнир маятником, генератор опросных импульсов, триггер и блок индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей за счет одновременного вычисления знака угловых перемещений, маятник выполнен в виде прямолинейного звукопровода из магнитострикционного материала, а в устройство дополнительно введены установленные последовательно сверху вниз на звукопроводе акустический поглотитель, сосредоточенный магнитострикционный преобразователь с неподвижным постоянным магнитом, распределенный магнитострикционный преобразователь и кольцевой поляризатор, усилители записи и считывания, балансный и цифровой компараторы, аналого-цифровой преобразователь, регистр, блок памяти и шина управления, шина данных, шина синхронизации и шина знака перемещения, при этом кольцевой поляризатор расположен внутри корпуса и выполнен с возможностью перемещения вдоль обмотки распределенного магнитострикционного преобразователя, выводы которого подключены к выходам усилителя записи, к входу которого, единичному входу триггера, нулевому входу блока памяти, синхровходу регистра и шине синхронизации подключен выход генератора опросных импульсов, вход которого подключен к шине управления, выводы сосредоточенного магнитострикционного преобразователя соединены с входами усилителя считывания, выход которого подключен к первым входам балансного компаратора и блока памяти, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к шине данных, первым входам цифрового компаратора и информационным входам регистра, выходы которого соединены с вторыми входами цифрового компаратора, выходы которого подключены к шине знака перемещения, причем индикатор соединен с выходом триггера, к синхровходу которого подключен выход балансного компаратора, второй вход которого подключен к шине порогового напряжения.