СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ Российский патент 2004 года по МПК G01B7/14 G01B17/00 

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано в машиностроении и приборостроении при преобразовании перемещений во временной интервал на основе волноводных преобразователей.

Известно, что воздействие собственных помех является одним из важнейших факторов, ограничивающих минимальное измеряемое перемещение акустическими и волноводными устройствами, вследствие ближнего расположения их источников к приемным элементам, [Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. Акустические методы измерения расстояний и управления. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981 - 208с.].

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ преобразования перемещений во временной интервал, когда в волноводе возбуждают упругую волну, принимают отраженную волну и измеряют интервал времени от момента возбуждения до приема. [Домрачев В.Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений./ Домрачев В.Г., Матвиевский В.Р., Смирнов Ю.С. - М.: Энергоэтомиздат, 1987, с.67-72].

Недостатком метода является ограниченный диапазон преобразования малых перемещений из-за "мертвой зоны", образующейся вследствие возникновения в цепи элемента возбуждения переходного колебательного процесса после окончания импульса возбуждения, конечной длительности импульса возбуждения и времени восстановления из состояния насыщения усилителя приемника в исходный активный режим работы.

Для достижения технического результата - расширения диапазона преобразования за счет уменьшения минимального преобразуемого перемещения - возбуждают на расстоянии, равном измеряемому от места приема, упругую волну в волноводе, принимают отраженную от конца волновода упругую волну, измеряют время распространения упругой волны, причем измерение осуществляют через промежуток времени, равный времени прохождения упругой волной расстояния от одного конца волновода до другого с момента возбуждения.

Независимо от расстояния между элементами возбуждения и приема в волноводе при возбуждении возникает упругая волна, которая распространяется по нему в обе стороны от места возбуждения со скоростью С.

Одновременно с этим, по окончании действия импульса возбуждения, в цепи элемента возбуждения возникает переходной колебательный процесс, который в виде электромагнитной помехи проникает во входную цепь усилителя приемника и переводит входной, наиболее чувствительный каскад его, в состояние насыщения. Длительность τ_П этого переходного процесса определяется параметрами цепи элемента возбуждения и усилителя приемника.

После окончания переходного процесса необходимо еще некоторое время τ_у, чтобы усилитель приемника возвратился в исходный активный режим работы.

За время, равное:

от момента возбуждения, упругая волна пройдет по волноводу расстояние, равное:

которое определяет минимально возможное преобразуемое перемещение Х_min - "мертвую зону", ибо измерение времени распространения волны от момента возбуждения в течение промежутка времени t_В невозможно.

В формуле (2) τ - длительность импульса возбуждения.

В реальных преобразователях перемещений при длительности импульса возбуждения порядка 1 мкс "мертвая зона" составляет несколько десятков мм.

Измерение времени прохождения упругой волны от момента возбуждения до приема отраженной волны через промежуток времени

равный времени распространения упругой волны от одного конца волновода до другого, позволяет преобразовывать малые перемещения, в том числе находящиеся внутри "мертвой зоны".

Здесь Х_m - максимальное преобразуемое перемещение.

Так, если элемент возбуждения находится внутри "мертвой зоны" на расстоянии Х от элемента приема, то на вход усилителя приемника поступит через промежуток времени

от момента возбуждения, импульс э.д.с., соответствующий моменту прихода к элементу приема отраженной от конца волновода упругой волны.

Согласно способу промежуток времени

будет однозначно определять измеряемое перемещение X.

Во всех других случаях, когда Х>Х_min, на вход усилителя приемника поступят от момента возбуждения последовательно два импульса э.д.с.: первый - через время t_x и второй - через время t₀, соответствующие моментам прихода на вход элемента приема прямой и отраженной упругих волн.

Так как первый импульс э.д.с. поступит на вход преобразователя временного интервала измерителя промежутка времени Δt раньше, чем последний начнет функционировать (t_Х<t_m), то результат измерения и в этих случаях будет определяться также выражением (5).

В предлагаемом методе преобразования перемещений во временной интервал минимальное перемещение ограничивается только размерами элементов возбуждения и приема и составляет величину порядка 2-5 мм, что на порядок меньше, чем при известном методе.

На фиг.1 приведен вариант структурной схемы преобразователя перемещений на крутильных волнах при формировании временного интервала методом однократного отражения, реализующего способ, а на фиг.2 приведены временные диаграммы:

a) импульсов тока возбуждения I₆;

b) процессы возбуждения упругой волны в волноводе в моменты времени t₁ и t_i и формирования временных интервалов t_x1, t_m, t₀ и t_xi;

c) и d) напряжений, действующих соответственно на входе и выходе усилителя-формирователя 7;

е) и f) напряжений на выходах элемента задержки 8 и формирователя временного интервала 9.

Преобразователь перемещении во временной интервал содержит ферромагнитный волновод 1, один конец которого помещен в демпфер 5, а другой 3 жестко защемлен, элемент возбуждения 2, соединенный с объектом, перемещение Х которого относительно неподвижного элемента приема 4 измеряется, генератор 6 импульсов тока возбуждения, с периодом повторения Т≥2Х_m/С, усилитель-формирователь 7 импульсов считывания, элемент задержки 8, время задержки которого t₃=X_m/C=t_m, и формирователь 9 интервала Δt, причем выход усилителя-формирователя 7 подсоединен к входу R установки формирователя 9 в состояние "0", а выход элемента задержки 8 подключен ко входу S установки формирователя 9 в состояние ″1″.

Волновод 1 выполнен из материала с высокой магнитострикцией насыщения.

Элементом возбуждения 2 является постоянный магнит, намагниченный вдоль оси волновода, а в качестве элемента приема 4 используется преобразователь крутильных упругих волн в э.д.с.

Элемент приема 4 и усилитель-формирователь 7 импульсов считывания образуют приемник преобразователя.

Перед началом работы формирователь 9 устанавливается в состояние "0" (на схеме цепь установки не показана).

Преобразователь перемещений во временной интервал работает следующим образом. Импульс тока возбуждения I₆ с выхода генератора 6 (фиг.2), вследствие прямого эффекта Видемана, возбуждает в волноводе 1 под элементом возбуждения 2 упругую волну, которая распространяется в обе стороны от места возникновения со скоростью С.

На выходе элемента приема 4 от переходного колебательного процесса возникает э.д.с. помехи, время действия которой t_B.

Через промежуток временя t_x=Х/С от момента возбуждения упругая волна, которая распространяется влево, проходит под элементом приема 4 и на его выходе возникает э.д.с. считывания. Эта э.д.с. вместе с э.д.с. помехи усиливается усилителем-формирователем 7 и на выходе последнего формируются импульсы от э.д.с. считывания и э.д.с. помехи (U₇), которые поступают на R-вход формирователя 9, который уже находится в состоянии "0". На фиг.2. для момента времени возбуждения t₁ этот импульс э.д.с. считывания не показан, так как он расположен внутри интервала действия э.д.с. помехи. Распространяясь далее, упругая волна поглатится демпфером 5.

Через время t₃ на выходе элемента задержки 8 возникнет импульс напряжения (U₈), который переведет формирователь 9 в состояние "1".

Упругая волна, которая распространяется от места возбуждения вправо, через промежуток времени достигнет жестко защемленного конца 3 волновода, отразится от него и через время t₀=t₂+t_m=2t_m - t_X дойдет до элемента приема 4, наведет в последнем э.д.с. считывания и затем, достигнув демпфера 5, поглатится им.

Эта э.д.с. считывания в виде импульса с выхода усилителя-формирователя 7 (U₇) поступает на вход R формирователя 9 и переводит его в состояние "0". При этом на выходе формирователя 9 будет сформирован импульс (U₉) длительностью

пропорциональный преобразуемому перемещению X.

На фиг.2 для момента времени t_i на входе элемента приема 4 наводятся два импульса э.д.с. считывания, сдвинутые относительно момента возбуждения упругой волны на время t_Xi и t_0i соответственно (U₄), следовательно, на это же время будут сдвинуты импульсы напряжения (U₇) на выходе усилителя-формирователя 7.

Первый импульс этого напряжения поступает на вход R формирователя 9, который уже находится в состоянии "0".

К моменту прихода второго импульса этого напряжения t₀ на вход формирователя 9 последний импульсом напряжения с выхода элемента задержки 8 (U₈) был переведен в состояние "1". Поэтому второй импульс напряжения с выхода усилителя-формирователя 7, через время Δt_i=t_0i-t₃ с момента возбуждения упругой волны в волноводе возвратит формирователь 9 в исходное состояние "0", а на его выходе будет сформирован интервал времени длительностью Δt, пропорциональный преобразуемому перемещению X.

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано при преобразовании перемещений во временной интервал на основе волноводных преобразователей. Сущность изобретения: в преобразователе перемещений во временной интервал возбуждают упруго волны в волноводе на расстоянии, равном измеряемому от места приема. Принимают отраженную от конца волновода упругую волну. Измеряют через промежуток времени, равный времени прохождения упругой волной расстояния от одного конца волновода до другого, время распространения упругой волны по волноводу с момента возбуждения. Технический результат: расширение диапазона преобразования за счет уменьшения минимального преобразуемого перемещения. 2 ил.

Способ преобразования перемещений во временной интервал, включающий возбуждение на расстоянии, равном преобразуемому от одного конца волновода, упругой волны в волноводе, прием отраженной упругой волны от конца волновода, измерение времени распространения упругой волны, отличающийся тем, что измерение осуществляют через промежуток времени, равный времени прохождения упругой волной расстояния от одного конца волновода до другого с момента возбуждения.