УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для высокоточных измерений перемещений и линейных размеров объектов в автоматизированных технических системах, а также в качестве автономного измерительного средства.

Известен ультразвуковой преобразователь линейных перемещений [1], содержащий прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала со стабилизатором нагружения, акустическим поглотителем и ограничителями перемещений, волновой магнитострикционный генератор, подвижный элемент считывания, усилитель импульсов, триггер, логический элемент И, умножитель частоты, по два счетчика импульсов и регистра, формирователь импульсов и элемент задержки.

Известен другой ультразвуковой преобразователь линейных перемещений [2], выбранный в качестве прототипа. Устройство содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из прямолинейного звукопровода, катушки возбуждения, двух катушек считывания с магнитами, генератор электрических колебаний, опорный канал в виде последовательно соединенных фильтра и усилителя, блока вычитания и преобразователя "время-напряжение", и рабочий канал из последовательно соединенных управляемого фильтра и второго усилителя, измерителя временных интервалов.

Известные устройства обладают недостаточными точностью и надежностью вследствие применения относительно сложных электрических цепей, которые вносят дополнительные составляющие погрешности, снижают надежность и не обеспечивают требуемой разрешающей способности. Это ограничивает область применения данных устройств.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности и надежности измерительного преобразования перемещения в код.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из прямолинейного звукопровода одного диаметра с закрепленным на одном из его концов акустическим поглотителем и электроакустическим преобразователем, подсоединенный к усилителю считывания, другой усилитель считывания подключен к второму электроакустическому преобразователю, постоянного магнита, усилителя записи, формирователь импульсов, соединенный с входом усилителя записи и подключенный к шине запуска, и цифровой измеритель временных интервалов, соосно с первым звукопроводом установлен второй прямолинейный звукопровод отличного диаметра из однотипного магнитострикционного материала, гальванически соединенные между собой и подсоединенные к усилителю записи, на этой же стороне закреплены акустический поглотитель и второй электроакустический преобразователь, на противоположных концах звукопроводов закреплена отражающая нагрузка, между ними установлен кольцевой постоянный магнит с возможностью перемещаться между ограничителями перемещений и кинематически связанный с объектом, выходы усилителей считывания через одноименные логические элементы И подключены к входам синхронизации схемы выделения интервалов перемещений, один ее выход подсоединен с входом синхронизации цифрового измерителя линейных перемещений, другой со входами управления логических элементов И, а третий подключен к шине синхронизации, сигнальный вход формирователя импульсов подключен к шине запуска, управляющий вход соединен с нулевым входом схемы выделения интервалов перемещений и подключен к шине управления, один его выход подсоединен со входом усилителя записи, а другой соединен с единичным входом схемы выделения интервалов перемещений и соединен с нулевым входом цифрового измерителя временных интервалов, подключенный к выходным шинам результата.

Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показана блок-схема ультразвукового преобразователя линейных перемещений; на фиг.2 приведены основные временные диаграммы его работы.

Ультразвуковой преобразователь линейных перемещений (фиг.1) содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений (МПП), содержащий соосно закрепленные прямолинейные звукопроводы 1, 2 из однотипного магнитострикционного материала, акустический поглотитель 3, отражающую нагрузку 4, кольцевой постоянный магнит 5, по два ограничителя 6 перемещений и сигнальных электроакустических преобразователя (ЭАП) 7, 8, усилитель 9 записи, два усилителя 10, 11 считывания, а также формирователь 12 импульсов, два логических элемента И 13, 14, схему 15 выделения интервалов перемещений (СВИП), цифровой измеритель 16 временных интервалов (ЦИВИ), входные шины 17, 18 управления и запуска, и выходные шины 19, 20 результата и синхронизации.

Одни концы звукопроводов 1 и 2 заключены в акустический поглотитель 3 и подключены к выходу усилителя 9 записи. С этой же стороны, вблизи поглотителя 3, на звукопроводах 1 и 2 МПП жестко закреплены электроакустические преобразователи 7 и 8, которые через одноименные усилители 10, 11 считывания, логические элементы И 13, 14 подсоединены к входам синхронизации СВИП 15. Отражающая нагрузка 4 закреплена на других концах звукопроводов 1 и 2. Соосно с ними закреплен кольцевой постоянный магнит 5 с возможностью продольного перемещения между ограничителями 6 перемещений. Магнит 5 имеет кинематическое соединение с контролируемым объектом. Один выход формирователя 12 импульсов соединен с входом усилителя 9 записи, а другой - с единичными входам СВИП 15 и нулевым входом ЦИВИ 16. Его сигнальный вход подключен к шине 18 запуска, а управляющий соединен с нулевым входом СВИП 15 и подключен к шине 17 управления. Один выход СВИП 15 соединен с входом синхронизации ЦИВИ 16, разрядные выходы которого подключены к шинам 19 результата. Другой его выход соединен с управляющими входами логических элементов И 13 и 14, а третий выход подключен к шине 20 синхронизации.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально преобразователь (фиг.1) находится в заблокированном состоянии и по шине 20 выставлен сигнал "Запрос" и его перевод в режим ожидания осуществляется по сигналу "Управление", подаваемому по шине 17 управления (фиг.2а). Осуществляется разблокирование формирователя 12 импульсов и триггеров СВИП 15 (на фиг.1 не показано). С этого момента через шину 18 запуска на сигнальный вход формирователя 12 импульсов подаются импульсные сигналы "Запуск" (фиг.2б), следующие с периодом T_опр. По этим сигналам формирователь 12 импульсов вырабатывает импульсные сигналы для обнуления счетной схемы ЦИВИ 16 (на фиг.1 не показано), установки в единичное состояние СВИП 15 и возбуждения усилителя 9 записи. Установка СВИП 15 в единичное состояние сопровождается снятием сигнала "Запрос" по шине 20 синхронизации и разблокированием логических элементов И 13 и 14 (фиг.2б,д,е).

На выходе усилителя 9 записи вырабатываются токовые сигналы, проходят в среду смежных звукопроводов 1, 2 МПП и под магнитом 5, расположенным на искомом расстоянии L_х от отражающей нагрузки 4, возбуждают ультразвуковые импульсы (эф. Видемана). Распространяясь по звукопроводам 1, 2 со скоростью V_кр волны кручения, они испытывают переотражение, считываются сигнальными ЭАП 7, 8 (эф. Виллари), преобразуются усилителями 10, 11 считывания в прямоугольные видеоимпульсы, проходят через открытые логические элементы И 13, 14 и переключают триггеры СВИП 15 (фиг.2в-ж), формируя разностные временные интервалы Т1 и Т2 перемещения L_х объекта. Их размерность находится в прямой зависимости от геометрии продольных волноведущих трактов МПП:

где L_х.1=2·L_х - акустический путь волны через среду первого звукопровода 1; - спиралевидный акустический путь волны через среду второго звукопровода 2 с большим, чем у первого звукопровода 1, радиусом R витка l_в=2πR·ctgα с углом закручивания α.

В следующий момент на информационном выходе СВИП 15 по сигналам (1) производится формирование результирующего временного интервала Т_х искомого перемещения L_х объекта (фиг.2з):

который ЦИВИ 16 преобразуется в цифровой код N_x=Т_х·f_o, где f_o - частота дискретизации измерительного преобразования, требуемого двоичного формата (фиг.2ж), который в следующий момент времени выставляется по шинам 19 результата, формируя сигнал "Перемещение".

По фронту сигнала временного интервала Т2>Т1 (момент считывания отраженного импульса звукопровода 2 - фиг.2г,е), фиксирующего окончание текущего цикла преобразования, на одном из выходов СВИП 15 вырабатывается блокирующий работу логических элементов И 13, 14 сигнал (фиг.2.и), запрещая с этого момента доступ к измерительному каналу преобразователя. Одновременно по шине 20 синхронизации СВИП 15 выставляется сигнал "Запрос", информируя пользователя о готовности к очередному циклу преобразования (фиг.2.б,к).

В акустическом тракте МПП падающие и отраженные ультразвуковые импульсы в соответствующие моменты времени достигают акустический поглотитель 3 и рассеивают свою энергию, обеспечивая, тем самым, требуемый уровень акустических шумов в измерительном канале. Применение здесь отражающей нагрузки 4 позволяет без повышения частоты f_o дискретизации ЦИВИ 16 в 2 раза увеличить разрешающую способность (2) преобразователя.

Таким образом, применение метода параллельно-разностных структур позволяет исключить из результирующего преобразования (2) составляющую температурной погрешности измерения и существенно упростить структуру измерительного канала преобразователя. Это способствует повышению его точности и надежности, расширяет область технического использования, ведет к снижению себестоимости вследствие отказа от использования в акустическом тракте МПП дорогостоящих прецизионных магнитострикционных ферросплавов и, в целом, отличает от выбранного прототипа, обеспечивая достижение положительного эффекта.

Практическая реализация устройства: звукопроводы 1, 2 - проволочные из ферросплава 49КФ2, звукопровод 2 конструктивно выполнен в виде спирали с радиусом R=10 мм; магнит 5 - феррит ЮНДК25Б; ЭАП 7, 8 - пьезокерамические; усилитель записи 9 - КТ972, КД503, RC-элементы; усилители 10, 11 - К548УН1, КТ3102, КД503, RC-элементы; формирователь 12 - 555ЛАЗ, RC-элементы; элементы 13, 14 - 555ЛИ1; СВИП 15 выполнена на 4 триггерах 555ТМ2, три из которых включены по схеме счетного триггера, элементе неравнозначности 555ЛП5 и логическом элементе И 555ЛИ1; ЦИВИ 16 содержит измерительный генератор на 531ГГ1 с RC-элементами и двоичный счетчик 531ИЕ16.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки

1. А.с. №1552002 (СССР), G01B 17/00. БИ №11, 1990.

2. А.с. №1252667 (СССР), G01B 17/00. БИ №31, 1986, прототип.

Использование: в автоматизированных технических системах в качестве элемента обратной связи по положению и автономного измерительного прибора. Технический результат: повышение точности и надежности измерительного преобразования перемещения в код. Сущность: преобразователь содержит два прямолинейных соосно установленных звукопровода разного диаметра, акустический поглотитель, отражающую нагрузку, кольцевой постоянный магнит, ограничители перемещений, электроакустические преобразователи, усилитель записи, два усилителя считывания, формирователь импульсов, два логических элемента И, схему выделения интервалов перемещений, цифровой измеритель временных интервалов, входные шины управления и запуска и выходные шины результата и синхронизации. 2 ил.

Ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из прямолинейного звукопровода одного диаметра с закрепленным на одном из его концов акустическим поглотителем и электроакустическим преобразователем, подсоединенный к усилителю считывания, другой усилитель считывания подключен к второму электроакустическому преобразователю, постоянного магнита, усилителя записи, формирователь импульсов, соединенный с входом усилителя записи и подключенный к шине запуска, и цифровой измеритель временных интервалов, отличающийся тем, что соосно с первым звукопроводом установлен второй прямолинейный звукопровод отличного диаметра из однотипного магнитострикционного материала, гальванически соединенные между собой и подсоединенные к усилителю записи, на этой же стороне закреплены акустический поглотитель и второй электроакустический преобразователь, на противоположных концах звукопроводов закреплена отражающая нагрузка, между ними установлен кольцевой постоянный магнит с возможностью перемещаться между ограничителями перемещений и кинематически связанный с объектом, выходы усилителей считывания через одноименные логические элементы И подключены к входам синхронизации схемы выделения интервалов перемещений, один ее выход подсоединен с входом синхронизации цифрового измерителя линейных перемещений, другой со входами управления логических элементов И, а третий подключен к шине синхронизации, сигнальный вход формирователя импульсов подключен к шине запуска, управляющий вход соединен с нулевым входом схемы выделения интервалов перемещений и подключен к шине управления, один его выход подсоединен со входом усилителя записи, а другой соединен с единичным входом схемы выделения интервалов перемещений и соединен с нулевым входом цифрового измерителя временных интервалов, подключенным к выходным шинам результата.