УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2007 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для высокоточных измерений угловых перемещений в автоматизированных технических системах различного назначения.

Известен ультразвуковой преобразователь угловых перемещений по Авторскому свидетельству SU №1557688, опубл. БИ №14, 1990, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из кольцевого магнитострикционного звукопровода, входного и выходного электроакустических преобразователей, акустического поглотителя, токосъемника, усилителя записи и усилителя считывания, формирователь и генератор импульсов, два логических элемента И, триггер, логический элемент ИЛИ, измерительный генератор, счетчик импульсов и запоминающее устройство.

Известен другой ультразвуковой преобразователь угловых перемещений, описанный в источнике: Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочное пособие / В.Г.Домрачеев, В.Р.Матвеевский, Ю.С.Смирнов. - М.: Энергоатомиздат, 1987 - С.71, рис.4.5. Устройство содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из кольцеобразного магнитострикционного звукопровода с акустическим поглотителем, входным неподвижным и выходным подвижным электроакустическими преобразователями в виде магнитных головок, усилителей считывания и записи, формирователь и генератор импульсов, триггер, измерительный генератор, логический элемент И и счетчик импульсов.

В качестве прототипа выбран ультразвуковой преобразователь угловых перемещений по Заявке на изобретение RU №94024864 А1. Опубл. 10.05.1996. Устройство состоит из двух соосно закрепленных кольцевых звукопроводов из однотипного магнитострикционного материала с разными радиусами закругления, заключенных в акустический поглотитель, сигнальных электроакустических преобразователей, поводкового элемента, ограничителей перемещений, установленных с обеих сторон акустического поглотителя, а также формирователь импульсов, соединенный с усилителем записи, блок кодирования и вычислений, подключенный через усилитель считывания к выводам сигнальных электроакустических преобразователей, выходы которого подключены к выходным шинам результата, знака перемещения, синхронизации и контроля, а управляющий вход соединен с другим выходом формирователя импульсов, его сигнальный вход подключен к шине управления.

Известные устройства [1-3] обладают недостаточными точностью и разрешающей способностью. В устройствах не использованы эффективные методы уменьшения температурной погрешности измерений, значения которой особенно велико на уровне первичного акустического преобразователя. Применение падающих продольных ультразвуковых волн-носителей ограничивает разрешающую способность данных устройств вследствие соизмеримости базы акустического тракта с геометрической длиной волновода. Одновременно снижается надежность измерительного преобразования, технологичность конструкции из-за использования подвижных сигнальных электроакустических преобразователей в виде магнитных головок с сигнальными линиями связи. В целом, это ведет к ограничению области применения устройств и увеличению их себестоимости.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности и разрешающей способности за счет уменьшения влияния тепловых полей и увеличения вдвое базы акустического тракта без изменения его физического размера и частоты дискретизации временного интервала перемещения.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом преобразователе угловых перемещений, содержащем первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из двух соосно закрепленных кольцевых звукопроводов из однотипного магнитострикционного материала с разными радиусами закругления, заключенных в акустический поглотитель, сигнальных электроакустических преобразователей, поводкового элемента, ограничителей перемещений, установленных с обеих сторон акустического поглотителя, а также формирователь импульсов, соединенный с усилителем записи, блок кодирования и вычислений, подключенный через усилитель считывания к выводам сигнальных электроакустических преобразователей, выходы которого подключены к выходным шинам результата, знака перемещения, синхронизации и контроля, а управляющий вход соединен с другим выходом формирователя импульсов, его сигнальный вход подключен к шине управления, на каждом звукопроводе между ограничителями перемещений установлен постоянный магнит, имеющий кинематическое соединение с контролируемым объектом через поводковый элемент, с одной стороны от поглотителя на звукопроводах жестко закреплены сигнальные электроакустические преобразователи, а с другой стороны - отражающая нагрузка, а выход усилителя записи подключен к кольцевым звукопроводам.

Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 и фиг.2 приведены блок-схема ультразвукового преобразователя угловых перемещений и основные временные диаграммы работы.

Ультразвуковой преобразователь угловых перемещений (фиг.1) содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений (МПП), содержащий кольцевые звукопроводы 1, 2 из однотипного магнитострикционного материала с разными радиусами R1>R2 закругления, акустический поглотитель 3, отражающую нагрузку 4, по два ограничителя 5 перемещений и постоянных магнита 6, 7 с поводковым элементом 8, два сигнальных электроакустических преобразователя (ЭАП) 9, 10, а также формирователь 11 импульсов, усилитель 12 записи, два усилителя 13, 14 считывания, блок 15 кодирования и вычислений (БКВ), входную шину 16 управления и выходные шины 17-20 результата, знака перемещения, синхронизации и контроля соответственно.

Кольцевые звукопроводы 1, 2 МПП закреплены параллельно друг относительно друга, заключены в акустический поглотитель 3 и гальванически подключены к усилителю 12 записи. С одной стороны от поглотителя 3 на звукопроводах 1, 2 жестко закреплены сигнальные ЭАП 9, 10, подключенные через одноименные усилители 13,14 считывания к сигнальным входам БКВ 15, и один из ограничителей 5 перемещений, а с другой стороны - отражающая нагрузка 4 и второй ограничитель 5 перемещений. Между ограничителями 5 перемещений на звукопроводах 1, 2 закреплены два постоянных магнита 6, 7, кинематически соединенных с общим поводковым элементом 8 и контролируемым объектом. Сигнальный вход формирователя 11 импульсов подключен к шине 16 управления. Один его выход соединен с усилителем 12 записи, а другой - с управляющим входом БКВ 15, подключенным к выходным шинам 17-20 результата, знака перемещения, синхронизации и контроля устройства соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально устройство (фиг.1) находится в исходном состоянии ожидания текущего цикла преобразования углового перемещения объекта в код, которое выполняется с приходом сигнала «Запуск» (фиг.2а) по шине 16 управления. По этому сигналу запускается формирователь 11 импульсов. На его выходах вырабатываются стробирующие сигналы для возбуждения усилителя 12 записи и подготовки БКВ 15 к измерительному преобразованию (фиг.2б).

По сигналам формирователя 11 импульсов усилитель 12 записи вырабатывает соответствующие токовые сигналы, которые проходят в среды кольцевых звукопроводов 1, 2 и возбуждают под постоянными магнитами 6, 7 ультразвуковые волны (эф. Видемана). Они распространяются вдоль акустического тракта МПП (по звукопроводам 1, 2) со скоростью V_кр нулевой волны кручения. Волны правого хода (падающие волны) достигают одноименные сигнальные ЭАП 9, 10 и ими считываются (эф. Виллари), а волны левого хода достигают отражающей нагрузки 4, отражаются и изменяют направление хода (отраженные волны) и также считываются сигнальными ЭАП 9, 10. С выводов сигнальных ЭАП 9, 10 сигналы считывания преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы усилителями 13, 14 считывания и поступают на сигнальные входы БКВ 15 (фиг2в-ж). Распространяясь далее по акустическому тракту ультразвуковые волны проходят в акустический поглотитель 3 и рассеивают энергию, обеспечивая необходимый уровень шума в измерительном тракте МПП устройства.

В БКВ 15 по сигналам усилителей 13, 14 считывания производится формирование временных интервалов T1 и Т2 искомого углового перемещения α объекта, равных соответственно

и вычисление результирующего временного интервала T_x вследствие разности радиусов закругления ΔR=R1-R2>0 звукопроводов 1, 2 (1):

с последующим его кодированием в двоичном формате N_x=T_x·f₀, здесь f₀ - частота дискретизации.

В момент считывания сигнальным ЭАП 9 отраженной ультразвуковой волны завершается текущий цикл преобразования «угол-код» устройства. На n-разрядных выходах БКВ 15 будет сформирован цифровой код N_x, несущий информацию о текущем угловом положении объекта и не содержащий температурную составляющую погрешности (2):

Результирующий код N_x проходит на выходные шины 17 результата, формируя сигнал «Угол». На другом выходе БКВ 15 вырабатывается сигнал «Запрос» (фиг.2и) и выставляется по шине 19 синхронизации, информируя пользователя о готовности устройства к очередному циклу преобразования, который выполняется согласно описанного через временной интервал T_опр≥Т_ц, где Т_ц - длительность цикла преобразования, с приходом очередного сигнала «Запуск».

При нарушениях процесса измерительного преобразования «угол-код», вызывающего переполнение разрядной сетки БКВ 15, на другом его выходе вырабатывается сигнал «Ошибка» (фиг.2ж, з), который выставляется по шине 20 контроля, предупреждая пользователя о недостоверной информации по шинам 17 и 18 в текущем цикле преобразования. В смежных циклах преобразования БКВ 15 производит вычисление сигнала в виде кода N_зн=sgn|N_x.i-N_x.i-1|, где N_x.i... - смежные значения кодов угловых перемещений объекта, который выставляется по m=3 - разрядным шинам 18 знака перемещения.

Таким образом, предлагаемое устройство (фиг.1) по сравнению с выбранным прототипом имеет более высокие точность и разрешающую способность. Это связано с тем, что выполнение акустического тракта МПП в виде параллельных кольцевых звукопроводов 1, 2 из однотипного магнитострикционного материала с разными радиусами ΔR закругления (2), позволяет проводить самокомпенсацию температурной погрешности измерительного преобразования в степени идентичности параметров последних. А применение здесь отражающей нагрузки 4 увеличивает в Б=2 раза базу акустического тракта МПП без изменения его физической длины и частоты f₀ дискретизации временных интервалов Т_x (2). Применение постоянных магнитов 6, 7 для возбуждение ультразвуковых волн кручения повышает динамические характеристики, надежность и технологичность конструкции МПП устройства, и в целом, расширяет область его технического использования.

Источники информации

1. А.с. SU №1557688. Опубл. БИ №14, 1990.

2. Домрачеев В.Г. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочное пособие / В.Г.Домрачеев, В.Р.Матвеевский, Ю.С.Смирнов. - М.: Энергоатомиздат, 1987 - С.71, рис.4.5.

3. Заявка RU №94024864 А1. Опубл. 10.05.1996. Прототип.

Использование: в автоматизированных технических системах в качестве элемента обратной связи по угловому положению объекта. Технический результат: повышение точности и разрешающей способности. Сущность: преобразователь содержит кольцевые звукопроводы с разными радиусами, акустический поглотитель, отражающую нагрузку, два ограничителя перемещений, два постоянных магнита с поводковым элементом, два сигнальных электроакустических преобразователя, формирователь импульсов, усилитель записи, два усилителя считывания, блок кодирования и вычислений. На каждом звукопроводе между ограничителями перемещений установлен постоянный магнит, имеющий кинематическое соединение с контролируемым объектом через поводковый элемент. С одной стороны от поглотителя на звукопроводах жестко закреплены сигнальные электроакустические преобразователи, с другой стороны - отражающая нагрузка. Выход усилителя записи подключен к кольцевым звукопроводам. 2 ил.

Ультразвуковой преобразователь угловых перемещений, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из двух соосно закрепленных кольцевых звукопроводов из однотипного магнитострикционного материала с разными радиусами закругления, заключенных в акустический поглотитель, сигнальных электроакустических преобразователей, поводкового элемента, ограничителей перемещений, установленных с обеих сторон акустического поглотителя, а также формирователь импульсов, соединенный с усилителем записи, блок кодирования и вычислений, подключенный через усилители считывания к выводам сигнальных электроакустических преобразователей, выходы которого подключены к выходным шинам результата, знака перемещения, синхронизации и контроля, а управляющий вход соединен с другим выходом формирователя импульсов, сигнальный вход которого подключен к шине управления, отличающийся тем, что на каждом звукопроводе между ограничителями перемещений установлен постоянный магнит, имеющий кинематическое соединение с контролируемым объектом через поводковый элемент, с одной стороны от поглотителя на звукопроводах жестко закреплены сигнальные электроакустические преобразователи, с другой стороны - отражающая нагрузка, а выход усилителя записи подключен к кольцевым звукопроводам.