МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения и контроля перемещения, применяемых в системах автоматического управления и регулирования.

Известен преобразователь линейных перемещений в код, содержащий последовательно соединенные одновибратор, усилитель записи, элемент записи с подмагничиванием, магнитострикционный звукопровод, элемент считывания с подмагничиванием, предусилитель и усилитель-формирователь, последовательно соединенные триггер и генератор, выход триггера соединен с одновибратором, входную и выходную шины, стабилизатором напряжения, соединенным с звукопроводом, последовательно соединенными коммутатором, первым регистром, делителем, вторым регистром, третьим регистром и компаратором, четвертым регистром, включенным между выходом коммутатора и входом делителя, линией задержки, включенной между выходом коммутатора и входами второго и третьего регистров, и блоком автоматической регулировки усиления (АРУ), входы которого соединены с выходами одновибратора и усилителя-формирователя, а выход с усилителем записи, выход коммутатора соединен с входами генератора и триггера, выход генератора соединен с входами первого и четвертого регистров, выход второго регистра соединен с входом компаратора, вход триггера и соединенные входы одновибратора, генератора и блока АРУ соединены с входной шиной, выходы триггера, одновибратора, второго регистра, компаратора и блока АРУ соединены с выходной шиной [1]
Недостатком преобразователя является низкая помехоустойчивость вследствие отсутствия проверки сигнала на наличие помехи.

Известен преобразователь линейных перемещений, содержащий звукопровод со свободным концом из магнитострикционного материала, акустический демпфер, элемент подмагничивания и элемент записи-считывания, элемент подмагничивания выполнен с возможностью перемещения вдоль звукопровода и предназначен для кинематической связи с объектом контроля, звукопровод выполнен U-образным, элемент записи-считывания выполнен длиной, равной длине ветви звукопровода, и размещен на одной ветви звукопровода с акустическим демпфером [2]
Недостатком преобразователя является низкая помехоустойчивость вследствие отсутствия проверки сигнала на наличие помехи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является магнитострикционный преобразователь линейных скоростей в код, содержащий звукопровод, выполненный из магнитострикционного материала, на концах которого расположены демпферы, постоянные магниты, расположенные над катушкой записи, первой и второй катушками считывания, первая катушка считывания расположена на контролируемом объекте и соединена через первый усилитель-формирователь с S-входом первого RS-триггера и первым входом второго RS-триггера, вторая катушка соединена через второй усилитель-формирователь с S-входом третьего RS-триггера, тактовый генератор, выход которого соединен с R-входом первого и второго RS-триггеров и через формирователь импульсов записи с катушкой записи, генератор образцовой частоты, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с первым входом счетчика, катушка записи и вторая катушка считывания расположены на контролируемом объекте вдоль звукопровода, причем первая и вторая катушки считывания расположены симметрично относительно катушки записи, выход тактового генератора соединен со вторым входом счетчика, выходы первого и второго RS-триггеров соединены со входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом элемента И.

Недостатком преобразователя является его низкая помехоустойчивость вследствие отсутствия проверки сигнала на наличие помехи.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехоустойчивости за счет введения новых элементов в схему.

Задача решается тем, что в магнитострикционный преобразователь перемещений, содержащий звукопровод, выполненный из магнитострикционного материала, на концах которого расположены демпферы, постоянные магниты, расположенные над катушкой записи и катушкой считывания, катушка считывания соединена через второй усилитель-формирователь с S-входом первого RS-триггера, второй и третий RS-триггеры, тактовый генератор, первый усилитель-формирователь, выход которого соединен с катушкой записи, элемент И, выход которого соединен со входом первого счетчика, в отличие от ближайшего аналога введены делитель частоты, два счетчика, два дешифратора, датчик случайных чисел, мультиплексор, формирователь импульсов, два регистра, две цепи задержки, компаратор, измеритель длительности импульсов, выход тактового генератора подключен ко входу делителя частоты, выход которого подключен к первому входу элемента И, также выход тактового генератора присоединен ко входу дешифратора, выход которого, в свою очередь, соединен с S-входом первого RS-триггера, к R-входу которого подключен выход переполнения первого счетчика, выход первого RS-триггера присоединен ко второму входу элемента И, выход которого присоединен к первому информационному входу мультиплексора, также выход первого RS-триггера подключен ко входу датчика случайных чисел, выход которого соединен со вторым информационным входом мультиплексора, адресный вход которого подключен к информационному выходу первого счетчика, также информационный выход первого счетчика соединен со входом второго дешифратора, выход которого присоединен к S-входу третьего RS-триггера, выход мультиплексора присоединен ко входу первого усилителя-формирователя, выход второго усилителя-формирователя присоединен к информационному входу первого регистра, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом второго RS-триггера, также выход формирователя импульсов соединен со входом третьего счетчика, выход переполнения которого подключен к R-входу второго RS-триггера и ко входу первой цепи задержки, выход которой соединен с первым входом измерителя длительности импульсов и входом "сброс" первого регистра, выход первого регистра подключен ко входу А компаратора, ко входу В которого подключен выход датчика случайных чисел, выход компаратора подключен к R-входу третьего RS-триггера и, через вторую цель задержки, ко входу разрешения второго регистра, S-вход третьего RS-триггера соединен со входом переполнения первого счетчика, а выход третьего RS-триггера присоединен ко второму входу измерителя длительности импульсов, выход которого соединен с информационным входом второго регистра.

На фиг. 1 изображена схема преобразователя, на фиг. 2 и 3 временные диаграммы его работы.

Магнитострикционный преобразователь перемещения содержит звукопровод 1, выполненный из магнитострикционного материала, на концах которого расположены демпферы, постоянные магниты 2 и 3, расположенные над катушкой 4 записи и катушкой 5 считывания, катушка считывания соединена через усилитель-формирователь 6 с S-входом RS-триггера 7, RS-триггер 8 и 9, тактовый генератор 10, усилитель-формирователь 11, выход которого соединен с катушкой 4 записи, элемент 12 И, выход которого соединен со входом счетчика 13, делитель 14 частоты, счетчики 15, дешифратор 16, датчик 17 случайных чисел, мультиплексор 18, счетчик 19, формирователь импульсов 20, регистр 21, компаратор 22, измеритель 23 длительности импульса, цепи задержки 24 и 25, регистр 26, дешифратор 27. Выход тактового генератора 10 подключен ко входу делителя 14 частоты, выход которого подключен к первому входу элемента 12 И, также выход тактового генератора 10 присоединен ко входу счетчика 15, выход которого присоединен ко входу дешифратора 16, выход которого, в свою очередь, соединен с S-входом RS-триггера 9, к R-входу которого подключен выход переполнения счетчика 13, выход RS-триггера 9 присоединен ко второму входу элемента 12 И, выход которого присоединен к первому информационному входу мультиплексора 18, также выход RS-триггера 9 подключен ко входу датчика 17 случайных чисел, выход которого соединен со вторым информационным входом мультиплексора 18, адресный вход которого подключен информационному выходу счетчика 13, также информационный выход счетчика 13 соединен со входом дешифратора 27, выход которого присоединен к S-входу RS-триггера 8, выход мультиплексора 18 присоединен ко входу усилителя-формирователя 11, выход усилителя-формирователя 6 присоединен к информационному входу регистра 21, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя 20 импульсов, вход которого соединен с выходом RS-триггера 7, также выход формирователя 20 импульсов соединен со входом счетчика 19, выход переполнения которого подключен к R-входу RS-триггера 7 и ко входу цепи 24 задержки, выход которой соединен с первым входом измерителя 23 длительности импульсов и входом "сброс" регистра 21, выход регистра 21 подключен ко входу А компаратора 22, ко входу В которого подключен выход датчика 17 случайных чисел, выход компаратора 22 подключен к R-входу RS-триггера 8 и, через цепь 25 задержки, ко входу разрешения регистра 26, а выход RS-триггера 8 присоединен ко второму входу измерителя 23 длительности импульсов, выход которого соединен с информационным входом регистра 26.

Принцип работы преобразователя основан на следующем. Посылка в канал передачи (звукопровод 1 из магнитострикционного материала) состоит из старт-импульса, информационного сигнала и кода. Старт-импульс служит сигналом для начала обработки принятой информации на приемной стороне. Код принятой посылки сравнивается с контрольным кодом и в случае их совпадения происходит обработка информационного сигнала (его запись в выходной регистр 26).

Тактовый генератор 10 выдает сигнал с частотой f₁, которая уменьшается делителем 14 частоты до величины f₂. Код на выходе счетчика 15 функционально связан с количеством импульсов, направленных на вход счетчика 15 с выхода тактового генератора 10. Дешифратор 16 настроен так, чтобы сигнал на его выходе появлялся только при определенном коде на выходе счетчика 15, который соответствует началу периода измерения. Таким образом, длительность периода измерения определяется количеством импульсов с выхода тактового генератора 10. Счетчик 15 настроен так, чтобы максимальное количество импульсов, которое он может сосчитать, соответствовало длительности периода измерения. Итак, в начале цикла измерения на S-вход RS-триггера 10 с выхода дешифратора 16 поступает импульс, который устанавливает RS-триггер в единичное состояние. При этом открывается ключ, выполненный на элементе 12 И и на вход счетчика 13 и первый информационный вход мультиплексора 18 начинают поступать импульсы с входа делителя 14 частоты. Счетчик настроен так, чтобы максимальное количество импульсов, которое он может сосчитать, равнялось количеству тактовых импульсов с выхода делителя 14 частоты, необходимых в одном цикле измерения (оно равно количеству разрядов кода с выхода датчика 17 случайных чисел плюс один для старт-импульса). После прихода последнего в цикле измерения импульса на вход счетчика 13 появляется сигнал на его выходе переполнения, который поступает на R-вход RS-триггера 9 и устанавливает его в нулевое состояние. При этом ключ на элементе 12 И закрывается и прекращается поступление импульсов на его выход. Дешифратор 27 настроен так, чтобы сигнал на его выходе появлялся при таком коде на информационном выходе счетчика 13, которая соответствует последнему импульсу в цикле измерения преобразователя. Сигнал с дешифратора 27 поступает на S-вход RS-триггера 8 и устанавливает его в единичное состояние. Это момент времени t₁. Таким образом, счетчик 15 и дешифратор 16 определяют длительность периода измерения, а счетчик 13 количество импульсов с выхода делителя 14 частоты, необходимых в одном периоде измерения.

В начале цикла измерения сигнал с выхода RS-триггера 9 также поступает на управляющий вход датчика случайных чисел 17 и устанавливает на его выходе случайный код (это контрольный код, т. к. обработка сигнала на приемной стороне преобразователя происходит при условии равенства принятого и контрольного кода). Этот код поступает на второй информационный вход мультиплексора 18. Сигнал с выхода счетчика 13 подается на адресный вход мультиплексора 18. Таким образом, первый тактовый импульс в цикле измерения с выхода делителя 14 частоты с помощью счетчика 13 устанавливает мультиплексор в такое состояние, что сигнал на его выходе повторяет сигнал на его первом входе, т.е. сигнал с выхода элемента 12 И (это старт-импульс). Затем с приходом следующего импульса на вход счетчика 13 мультиплексор 18 переключается на второй вход и на его выходе появляется первый разряд параллельного кода с выхода датчика 17 случайных чисел. Затем таким же образом сигналы с остальных входов мультиплексора 18 появляются на его выходе. Сигнал с выхода мультиплексора 18 через усилитель-формирователь 11 попадает на вход катушки 4 записи. Это момент времени В результате прямого магнитострикционного эффекта на участке звукопровода 1, находящимся под катушкой 4 эаписи, возникает ультразвуковая волна, распространяющаяся по звукопроводу 1 из магнитостоикционного материала. При взаимодействии с магнитным полем постоянного магнита 2, укрепленного на подвижном объекте, изменяется намагниченность магнитострикционного материала, что вызывает появление ЭДС в катушке 5 в момент времени Таким образом, время задержки пропорционально перемещению подвижного объекта.

В заявленном изобретении сначала в канал передачи, состоящего из звукопровода 1, передается старт-импульс (с выхода элемента 12 И). Это является сигналом для приемной стороны о начале цикла измерения. Затем в канал передачи передается контрольный код с выхода датчика 17 случайных чисел (этот код подается на второй информационный вход мультиплексора 18 в параллельном виде и снимается с его выхода в последовательном вид).

Принятый катушкой 5 считывания старт-импульс через усилитель-формирователь 6 попадает на S-вход RS-триггера 7 и устанавливает его единичное состояние. При этом запускается формирователь импульсов 20, импульсы с выхода которого поступают на тактовый вход регистра 21. При этом частота этих импульсов должна быть равна f₂, т.е. частота с выхода делителя 14 частоты, равной частоте передачи контрольного кода в канале передачи. Принятый сигнал с выхода катушки 5 также поступает на информационный вход регистра 21. Если частота сигнала с выхода формирователя импульсов 20 равна f₂, то приход каждого разряда кода на информационный вход регистра 21 совпадает по времени с приходом тактового импульса на его тактовый вход. Тогда сигнал с информационного входа регистра 21 переписывается на соответствующий выход. Таким образом, регистр 21 преобразует последовательный код в параллельный. Импульсы с выхода формирователя 20 импульсов поступают на входе кольцевого счетчика 19, который настроен на количество импульсов, равное количеству разрядов в посылке в канале передачи (количество разрядов контрольного хода плюс один разряд для старт-импульса). После принятия последнего разряда из канала передачи на выходе счетчика 19 появляется сигнал переполнения, который поступает на R-вход RS-триггера 7 и устанавливает его в нулевое состояние. Формирователь 20 импульсов прекращает формирование импульсов. Код с выхода регистра 21 поступает на вход А компаратора 22, на вход В которого подается сигнал с выхода датчика 17 случайных чисел. Если эти коды равны, то на выходе компаратора 22 появляется сигнал, который поступает на R-вход RS-триггера 8 и устанавливает его в нулевое состояние. Это момент времени t₂. Т.к. для последнего импульса в посылке канала передачи, (см. временные диаграммы), то Δt = t₁-t₂= Δt′ В данном преобразователе информационный сигнал заменяется на последний разряд кода в посылке канала передачи. Таким образом, на второй вход измерителя 23 длительности импульса поступает импульс, длительность которого равна Δt = t₂-t₁ и прямо пропорциональна перемещению подвижного объекта, связанного с постоянным магнитом 2. На его выходе появляется код, пропорциональный перемещению подвижного объекта.

Сигнал с выхода переполнения счетчика 19 через цепь 24 задержки подается на первый вход измерителя 23 длительности импульса (вход сброса) и вход сброса регистра 21 и устанавливает их в нулевое состояние. Цепь 24 задержки нужна для того, чтобы измеритель 23 длительности импульса успел произвести измерения. Затем код с его выхода переписывается в регистр 26 по сигналу с компаратора 22, поступившего через цепь 25 задержки.

Сигнал на выходе преобразователя (регистра 26) появляется только в том случае, если контрольный код с выхода датчика 17 случайных чисел совпадает с кодом, принятым катушкой 5 считывания. Если в канале передачи действует помеха, которая была принята на приемной стороне, то код на входе А компаратора 22 не совпадает с контрольным кодом на его входе В. Поэтому на выходе компаратора 22 сигнала не будет и число с выхода измерителя 26 временных интервалов не будет переписано в регистр 26 и не появится на выходе преобразователя.

Использование: в измерительной технике, в частности, в устройствах для измерения и контроля перемещения, скорости, ускорения, применяемых в системах автоматического управления и регулирования. Сущность изобретения: устройство содержит делитель 14 частоты, счетчик 15, дешифратор 16, датчик 17 случайных чисел, мультиплексор 18, счетчик 19, формирователь 20 импульсов, регистр 21, компаратор 22, измеритель 23 длительности импульса, цепи 24 и 25 задержки, регистр 26, дешифратор 27. 3 ил.

Магнитострикционный преобразователь перемещений, содержащий звукопровод, выполненный из магнитострикционного материала, на концах которого расположены демпферы, постоянные магниты, расположенные соответственно в зоне действия катушки записи и катушки считывания, катушку считывания, соединенную через второй усилитель-формирователь с S-входом первого RS-триггера, второй и третий RS-триггеры, тактовый генератор, первый усилитель-формирователь, выход которого соединен с катушкой записи, элемент И, выход которого соединен с входом первого счетчика, отличающийся тем, что в него введены делитель частоты, два счетчика, два дешифратора, датчик случайных чисел, мультиплексор, формирователь импульсов, два регистра, две цепи задержки, компаратор, измеритель длительности импульса, выход тактового генератора подключен к входу делителя частоты, выход которого подключен к первому входу элемента И, выход тактового генератора присоединен к входу второго счетчика, выход которого присоединен к входу первого дешифратора, выход которого соединен с S-входом первого RS-триггера, к R-входу которого подключен выход переполнения первого счетчика, выход первого RS-триггера присоединен к второму входу элемента И, выход которого присоединен к первому информационному входу мультиплексора, выход первого RS-триггера подключен к входу датчика случайных чисел, выход которого соединен с вторым информационным входом мультиплексора, адресный вход которого подключен к информационному выходу первого счетчика, информационный выход первого счетчика соединен с входом второго дешифратора, выход которого присоединен к S-входу третьего RS-триггера, выход мультиплексора присоединен к входу первого усилителя-формирователя, выход второго усилителя-формирователя присоединен к информационному входу первого регистра, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом второго RS- триггера, выход формирователя импульсов соединен с входом третьего счетчика, выход переполнения которого подключен к R-входу второго RS- триггера и входу первой цепи задержки, выход которой соединен с первым входом измерителя длительности импульсов и входом "Сброс" первого регистра, выход первого регистра подключен к A-входу компаратора, к B-входу которого подключен выход датчика случайных чисел, выход компаратора подключен к R-входу третьего RS-триггера и через вторую цепь задержки к входу разрешения второго регистра, выход третьего RS-триггера присоединен к второму входу измерителя длительности импульсов, выход которого соединен с информационным входом второго регистра.