АКУСТИЧЕСКИЙ 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 магнитострикционный преобразователь перемещения, содержащий магнитострикционный звукопровод с демпферами на концах, последовательно соединенные генератор импульсов, усилитель-формирователь импульсов записи и катушку записи с постоянным магнитом, установленную с возможностью перемещения вдоль звукопровода, соединенные с ней усилитель импульсов считывания, триггер, входы которого соединены с генератором импульсов и усилителем импульсов считывания, первую линию задержки, соединенную с усилителем импульсов считывания и регистр, который снабжен, по крайней мере, двумя блоками формирования сигналов, второй линией задержки, опорным генератором и счетчиком импульсов, каждый из блоков формирования сигналов включает последовательно соединенный первый коммутатор, третью линию задержки, вход которой соединен с генератором импульсов, а выход со вторым выходом первого коммутатора, второй выход второго коммутатора соединен с соответствующим входом усилителя-формирователя импульсов записи, а управляющие входы коммутаторов соединены между собой, входы счетчика импульсов соединены с генератором импульсов, второй линией задержки и опорным генератором, а вход с регистром, информационный вход первого коммутатора первого блока формирователя сигналов соединен с выходом первой линией задержки, управляющие входы коммутаторов соединены с выходом триггера, выход элемента И каждого блока формирования сигналов, кроме последнего, соединен с тремя входами первого коммутатора последующего блока формирования сигналов, выход элементов И последнего блока формирования сигналов соединен с входом первой линии задержки и вторым входом регистра, а вторые входы первых коммутаторов каждого блока формирования сигналов, кроме последнего, соединены с соответствующими входами элементов И своего и последнего блока формирования сигналов. [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 V-образным, элемент записи-считывания выполнен длиной, равной длине ветви звукопровода, и размещен на одной ветви звукопровода с акустическим демпфером. [2]
Недостатком преобразователя является низкая помехоустойчивасть 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 и вторым входом второго 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. [3]
Недостатком преобразователя является низкая помехоустойчивость вследствие отсутствия проверки сигнала на наличие помехи.

Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости.

Он достигается тем, что в акустический преобразователь перемещений, содержащий источник и приемник акустического сигнала, первый усилитель, выход которого соединен с источником акустического сигнала, второй усилитель, первый, второй и третий RS-триггеры, тактовый генератор, элемент И, выход которого соединен со входом первого счетчика, введены делитель частоты, два счетчика, два дешифратора, датчик случайных чисел, мультиплексор, три формирователя импульсов, два регистра, две цепи задержки, компаратор, измеритель длительности импульса, генератор синусоидальных колебаний, два фильтра, ключ, выход тактового генератора подключен ко входу делителя частоты, выход которого подключен к первому входу элемента И, также выход тактового генератора присоединен ко входу второго счетчика, выход которого 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 к управляющему входу генератора синусоидальных колебаний, выход которого подключен ко входу первого усилителя, выход которого, в свою очередь, подключен ко входу источника ультразвукового сигнала, выход приемника ультразвуковых импульсов соединен со входом второго усилителя, выход которого подключен ко входам первого и второго фильтров, выходы которых подключены ко входам второго и третьего формирователей импульсов соответственно, выход третьего формирователя импульсов соединен с информационным входом ключа, к управляющему входу которого подключен выход второго формирователя импульсов, выход ключа присоединен к информационному входу первого регистра и S-входу второго RS-триггера, тактовый вход первого регистра соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом второго RS-триггера, также выход первого 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, подключенного выходом ко входу A компаратора, ко входу В которого подключен выход датчика случайных чисел, выход компаратора подключен к R-входу третьего RS-триггера И через вторую цепь задержки ко входу разрешения второго регистра, выход третьего RS-триггера присоединен ко второму входу измерителя длительности импульсов, выход которого соединен с информационным входом второго регистра.

На чертеже изображена схема преобразователя.

Акустический преобразователь 1 перемещения содержит источник ультразвука, приемник 2 ультразвука, фильтры 3 и 4, генератор 5 синусоидальных колебаний, усилитель-формирователь 6, RS-триггеры 7,8,9, тактовый генератор 10, усилитель-формирователь 11, элемент 12 И, счетчик 13, делитель 14 частоты, счетчик 15, дешифратор 16, датчик 17 случайных чисел, мультиплексор 18, счетчик 19, формирователь 20 импульсов, регистры 21 компаратор 22, измеритель 23 длительности импульса, цепи 24 и 25 задержки, регистр 26, дешифратор 27, формирователи импульсов 28,29, ключ 30. Выход элемента 12 И соединен со входом счетчика 13, 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 выходу 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 к 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 к управляющему входу генератора 5 синусоидальных колебаний, выход которого подключен ко входу усилителя II, выход которого, в свою очередь, подключен ко входу источника I ультразвукового сигнала, выход приемника 2 ультразвуковых импульсов соединен со входом усилителя 6, выход которого подключен ко входам фильтров 3 и 4, выходы которых подключены ко входам формирователей 28 и 29 импульсов соответственно, выход формирователя 29 импульсов соединен с информационным входом ключа 30, к управляющему входу которого подключен выход формирователя 28 импульсов, выход ключа 30 присоединен к информационному входу регистра 21 и S-входу RS-триггера 7, тактовый вход регистра 21 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, выход RS-триггера 8 присоединен ко второму входу измерителя 23 длительности импульсов, выход которого соединен с информационным входом регистра 26.

Работа преобразователя основан на следующем принципе. Ультразвуковая посылка 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). Вся посылка модулируется по частоте для увеличения помехоустойчивости при передачи сигнала.

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-триггера в единичное состояние. При этом открывается ключ, выполненный на элементе 12 И и на вход счетчика IX и первый информационный вход мультиплексора 18 начинают поступать импульсы с выхода 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 S-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, который 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 подается на управляющий вход генератора 5 синусоидальных колебаний, где он модулируется по частоте. С выхода генератора 5 модулированный сигнал через усилитель-формирователь II попадает на вход источника I ультразвука. Это момент времени Посланный сигнал принимается приемником 2 ультразвука в момент времени Таким образом, время прохождения сигнала от источника к приемнику равно ; и пропорционально перемещению подвижного объекта. В заявленном изобретении сначала 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 виде).

При приеме преобразование сигнала происходит следующим образом. Т.к. при передаче модулируется импульсный сигнал, то в модулированной посылке присутствуют синусоиды 2-х частот: одна частота (f₃) соответствует "0", другая (f₃) "1". После того, как приемник 2 принял посылку, она подается на входы фильтров 3 и 4, настроенных на частоту f₃ и f₄ соответственно. Таким образом, когда придет сигнал с частотой f₃, то он пройдет только через фильтр 3 и через формирователь 28 импульсов попадает на информационный вход ключа 30. На выходе фильтра 4 в этот момент будет "0", который через формирователь 28 импульсов перейдет и на управляющий вход ключа 30. Ключ 30 настроен таким образом, что сигнал с информационного входа окажется на его выходе при условии, что на его управляющий вход подан "0". Итак, сигнал с выхода фильтра 3 через ключ II поступает S-вход RS-триггера 7 информационный вход регистра 21.

За счет введения в схему ключа 30 повышается помехоустойчивость системы. Счет введения в схему ключа 30. Если на управляющем входе ключа 30 присутствует "1" (с выхода фильтра 4 идет частота f₄), то какой бы ни был сигнал на его информационном входе, на его выходе будет "0". Т.е. в случае, если в канале передачи присутствует помеха с широкой полосой частот, включающей f₃ и f₄, то на информационном входе ключа 30 будет присутствовать сигнал, но он не пройдет на его выход, т.к. на управляющем входе ключа 30 тоже будет "1" и ключ будет закрыт.

Также помехоустойчивость увеличивается за счет использования узкополосных кварцевых фильтров 3 и 4. При этом уменьшается вероятность прохождения помехи через фильтр.

Принятый приемником 2 старт-импульс через усилитель-формирователь 6 попадает на S-вход RS-триггера 7 и устанавливает его в 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. частоте импульсов с выхода делителя частоты равной частоте передачи контрольного кода в канале передачи. Принятый сигнал 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 кода 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. ; а 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.

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 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.

Таким образом, повышение помехоустойчивости происходит за счет применения частотной модуляции, введения в схему ключа 30 и кварцевых фильтров 3 и 4, а также за счет кодирования посылаемого сигнала и проверки совпадения кода принятого сигнала и контрольного кода.

Использование: в измерительной технике, в частности в устройствах для измерения и контроля перемещений, применяемых в системах автоматического управления и регулирования. Задача: повышение помехоустойчивости. Сущность изобретения: устройство содержит два фильтра, генератор синусоидальных колебаний, делитель частоты, счетчик, дешифратор, датчик случайных чисел, мультиплексор, счетчик импульсов, формирователь импульсов, регистр, компаратор, измеритель длительности импульсов, две цепи задержки. 1 ил.

Акустический преобразователь перемещений, содержащий источник и приемник акустического сигнала, первый усилитель, выход которого соединен с источником акустического сигнала, второй усилитель, подключенный к выходу приемника акустического сигнала, первый, второй и третий RS-триггеры, тактовый генератор, 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, три формирователя импульсов, два регистра, две цепи задержки, компаратор, измеритель длительности импульса, генератор синусоидальных колебаний, два фильтра и ключ, 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 в свою очередь 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 управляющему входу генератора синусоидальных колебаний, выход которого подключен к входу первого усилителя, выход второго усилителя подключен к входам первого и второго фильтров, выходы которых подключены к входам второго и третьего формирователей импульсов соответственно, выход третьего формирователя импульсов соединен с информационным входом ключа, к управляющему входу которого подключен выход второго формирователя импульсов, выход ключа присоединен к информационному входу первого регистра и S-входу второго RS-триггера, тактовый вход первого регистра соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом второго RS-триггера, выход первого 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, подключенного выходом к А-входу компаратора, к В-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.