Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений Советский патент 1989 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании средств измерений и контроля различных объектов и параметров технологического оборудования, например в гибких производственных системах.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности скорости распространения ультраэнукс иых иолн в материале полноводя и частоты генератора счетных и Ilyльcoв„

На фиГо 1 изображена структурная схема ультразвукового самокалибрующегося измерителя линейных размеров и перемещений; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Измеритель содержит синхрогене- ратор 1, последовательно соединенные генератор 2 зондирующих импульсов и подвижный электроакустический преобразователь 3, акустически связанный с ним ультразвуковой В 1.пновод 4, последовательно сое; |1нениыр усилитель 5, первый элемент 6 И п )ный

ел

сл

о со

3150

триггер 7, nepBbrii счетчик 8, селектор 9, вход которого подключен к подвижному электрическому преобразователю 3, последовательно соединенные второй элемент 10 И, первый вход которого подключен к выходу синхроге нератора 1, второй триггер 11, второй счетчик 12, дешифратор 13 и первый одновибратор 14, последовательно соединенные регистр 15, информационный вход которого подключен к выходу первого счетчика 8, и цифровое отсчетное устройство 16, последовательно соединенные второй одновиб- ратор 17 и третий элемент 18 И, выход которого подключен к К-входу второго триггера 11, и генератор 19 счетных импульсов, выход которого подключен к счет1шм входам первого и второго счетчиков 8 и 12, выход первого одновибратора 14 подключен к R-входам первого и второго счетчиков 8 и 12 и второму входу второго элемента 10, выход дешифратора 13 подключен к второму входу регистра 15, выход первого триггера 7 подключен к управляющему входу первого счетчика 8, выход второго элемента 10 И подключен к входу генератора 2 зондирующих импульсов, входу второго одновибратора 17 и R-входу первого триггера 7, выход усилителя 5 подключен к второму входу третьего элемента 18 И, а вход - к выходу селектора 9.

Позип.иями 20-22 обозначены выхода сигналов с блоков измерителя, позициями a-f обозначены импульсы на временной оси (фиг. 2-22).

Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений работает следующем образомо

Измерение линейного размера или перемещения объекта начинается с приведения преобразователя 3 путем перемещения к началу отсчета. При этом в измерителе периодически производится определение положения преобразователя Зо Э момент формирования на выходе одновибратора 14 прямоугольного положительного импульса, т.е. начала нового измерения, от воздействия переднего фронта этого импульса происходит сброс содержимого счетчиков 8 и 12, при этом на время его действия закрывается второй элемент 10 И. Длительность выходного импульса одновибратора 14

,-

оддге- ро д неб- 5 920 го 25 30

о

., , 50

55

определяет время между двумя измерениями.

После окончания импульса одно- вибратора 14 открывается элемент 10 И и начинается прохождение периодических импульсов синхронизатора 1 на выход элемента 10 И. Передний фронт каждого импульса синхро- генератора 1 (фиг. 2-29) устанавливает на выходе триггера 11 состояние 1, на выходе триггера 7 состояние о и запускает генератор 2 зондирующих импульсов (фиг. 2-22), а задний его фронт запускает одно- вибратор 17 (фиг. 2-21).

Выходной импульс генератора 2 через электроакустический преобразователь 3 возбуждает в волноводе 4 короткий ультразвуковой импульс продольных волн. Причем для правильной работы измерителя длительность импульса синхрогенератора 1 устанавливается большей, чем время, необходимое для полного успокоения возбуждающего импульса генератора 2. Это требование необходимо для защиты триггеров 8 и 11 от ложного их срабатывания на время возбуждения ультразвукового импульса в волноводе 4,,

Ультразвуковой импульс, распрост- . раляясь в обе стороны от места возбуждения, совершает многократное отражение от торцовых поверхностей волновода 4, вызывая на выходе преобразователя 3 последовательность импульсов счить1вания (фиг. 2-22). Импульс А соответствует импульсу возбуждения преобразователя 3 генератором 2. Следующие за ним импульсы В и С о.бразованы ультразвуковыми импульсами, отраженными соответственно от ближней относительно преобразователя 3 и дальней торцовых поверхностей волновода 4 Временное положение этих импульсов зависит от положения преобразователя 3 относи-- тельно волновода 4 и определяется формулами

Т - Ic- - У аЬм с4 H-

2(L acH С 2

Т- г;(.у Х|) ,

(О

(2)

где С - скорость распространения

продольных волн в материале волновода 4;

515

L - длина волновода 4: X - координата начального положения преобразователя 3 относительно середины волновода А, индексы при Т определяют номера импульсов, с помощью которых формируются интервалы времени и положение преобразователя 3 во время измерения (индекс Н определяет начальное, индекс К - конечное положение преобразователя 3).

Импульс d принятой последовательности вызван суммой двух импульсов, каждый из которых дважды отразился от торцовых поверхностей волновода 4 о Временное положение этого импульса не зависит от относительного размещения преобразователя 3 и волновода 4, а определяется только длиной L последнего и скоростью С в используемом материале

6

ВИЯ импульса синхрогенератора I по приоритетному S-входу, Триггер II возвращается в исходное состояние О при поступлении на его К-вход импульса do Таким образом, от каждого импульса синхрогенератора 1, прошедшего через элемент 10 И, п выходе триггера 11 формируется прямоугольный импульс с длительностью

В то же время триггер 7 от воздействия импульса b переключается в состояние 1, а от воздействия

импульса С возвращается в состояние О. Поэтому при каждом формировании прямоугольного импульса с длитс льно- стью на выходе триггера 7 также формируется прямоугольный импульс С

длительностью

ясн

- т

аЬм

АХн

(4)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в создании средств измерений и контроля различных объектов и параметров технологического оборудования, например в гибких производственных системах. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности скорости распространения ультразвуковых волн в материале волновода и частоты генератора счетных импульсов. В измеритель введен канал автоматического масштабирования результата, который позволяет фиксировать статический результат измерений объемом из М выборок в регистре по импульсу, формируемому на выходе дешифратора и соответствующему постоянному числу счетных импульсов (L^.10^R)/2= M^.T_AD^.F₀, где L - длина волновода

F₀ - частота следования счетных импульсов

T_AD=2L/C

C - скорость распространения ультразвука в волноводе

R - целое число, определяющее цену деления младшего разряда результата измерения. Полученный таким образом результат не зависит от нестабильности скорости распространения ультразвука в волноводе и частоты следования счетных импульсов, что повышает точность измерения. 2 ил.

, 2L ad С

(3)

Импульсы ef и т.д. появляются на выходе преобразователя 3 в результате многократных отражений ультразвуковых импульсов от торцовых поверхностей волновода 4. Эти импульсы в измерении не используются„

Импульсы с выхода преобразователя 3 ограничиваются по уровню в селекторе 9, усиливаются усилителем 5 до стандартного для цифровой логики уровня и поступают на входы элементов 6 и 18 И. Селектор 9 в измерителе предназначен для защиты входных цепей усилителя 5 от перегрузки при воздействии мощного зондирующего импульса генератора 2,

Выходной импульс одновибратора 17 организует временные ворота для работы элементов 6 и 18 И. На время действия импульса одновибратора 17 элемент 6 И открывается, а элемент И закрывается. При этом длительность импульса одновибратора 17 устанавливается такой, что его задний фронт должен находиться впереди импульса d из последовательности, принимаемой преобразователем 3, Поэтому на выходе элемента 6 И формируются только импульсы b и с, а на выходе элемента 18 И - импульсы а, d и т.д.

Во время действия импульса о на К-вход триггер 11 находится в устойчивом состоянии 1 от воздейст

Длительности Т |,сч измеряются квантованием импульсов генератора 19, и результаты записываются в счетчики 8 и 12. В результате каждого измерения в счетчик 12 в режиме сложения записывается число

35

Вышеописанный процесс с периодическим формированием импульсов синхрогенератора 1 и прямоугольных импульсов с длительностями и Tj измерением этих длительностей с последующим суммированием в счетчиках В и 12. результатов продолжается до записи в счетчик 12 числа L«lo /2,

где R - целце число, определяющее цену деления младшего разряда результата измерения.

Запись в счетчик 12 числа L 10/2 фиксируется дешифратором формированием импульса, который запускает одновибратор 14 и переписывает содержимое счетчика 8 в регистр 15. Одновибратор 14 вырабатывает прямо- угольный импульс, который закрывает элемент 10 И и своим задним фронтом обнуляет счетчики 8 и 12. Процесс определения положения преобразователя 3 в измерителе завершается. Новый цикл в измерителе начинается после окончания Р1мпульса одновибрато- ра 14.

В результате одного измерения по- ложе111гя преобразователя 3 (в данном случае начального) в измерителе решается система уравнений

L-fO 2

.ал ,d

WT«jFo

(7)

и Ь1ьсн .

где М - объем выборки статистического измерения интервалов времени, т.е. целое число, автоматически устанавливаемое в измерителе в зависимости от скорости С распространения продольных воли в материале волновода 4 в момент измерения положения преобразователя 3, N.(,,д - число импульсов, записанных в счетчик 12 за одно измерение положения преобразователя 3, NH - результат измерения начального положения преобразователя 3.

Совместное решение уравнений (7) с учетом уравнений (1) - (6) дает выражение

.R

и

Х,,10

R

.N . L-lQl-T F Ьсн Ьсн о

(8)

показываюп;ее, что измерение производится с самокалиброокор, результат- измерения не зависит от акустических свойств волновода 4 и автоматически масштабирует в узаконенных единицах.

Результат измерения N,, переписанный в регистр 15, выводится на циф- ровое отсчетное устройство 16. При этом для представления результата в eтpax запятая в устройстве 16 переключается на R-разрядов со стороны шaдшиx, что является аналогом деле- ния на 10, в этом случае после запятой будут присутствовать R значащи цифровых разрядов о Например, если нужно фиксировать результат с ценой деления 1 мкм, то необходимо выб- рать R-6, при R-3 цена деления будет 1 м и т. д.

На втором этапе измерения преобразователь 3 переводится на вторую точку измеряемого объекта или орга- 1П1зуется необходимое линейное перемещение, т.е. преобразователь 3 устанавливается и конечное положение. В этом случае измерения положение

преобразователя 3 осуществляется так же, как при начальном его положении, но с тем отличием, что на выходе триггера 7 формируется прямоугольный импульс с длительностью

10

Ьск .L

Таек- Т„ьк А V

- ft - X

k-

4Хк

с

(9)

где X - координата конечного положения преобразователя 3. В результате измерения конечного положения преобразователя 3 в регистр 18 хранения от счетчика 13 записывается число

20

N,

Х 10 .

(10)

Результат измерения размера контролируемого объекта или линейного перемещения определяется с помощью формул (8) и (10)

0

5

0 5 0

5

ОБ

N - N (Х - XJ 10 .

(П)

Таким образом, использование в данном измерителе канала автоматического масштабирования результата, состоящего из второго триггера, второго счетчика, дешифратора и одно- зибратора, позволяет получать результаты измерений, не зависящие от значения скорости ультразвука в материале волновода и ее дрейфового |изменения при климатическом воздействии или старении материала, от значения частоты следования счетных импульсов, кроме того, результаты измерений автоматически масштабируются в заданных единицах, что обеспечивает единство измерения.

Формула изобретения

Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений, содержащий синхрогенера- тор, последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов и подвижный электроакустический преобразователь, акустически связанный с ним ультразвуковой волновод, последовательно соединенные усилитель, первый элемент И и первый триггер и первый счетчик, отличающий- с я тем, что, с целью повышения