Устройство для бесконтактного измерения линейных перемещений Советский патент 1990 года по МПК G01B13/00 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для бесконтактных измерений линейных перемещений.

Цель изобретения - повьш1ение точности измерений за счет исключения погрешностей, связанных с неточностью выполнения и установки элементов устройства.

На фиг. 1 представлена схема устройства для бесконтактного измерения линейных перемещений; на фиг. 2 - схема блока обработки данных, пример исполнения.

Устройство содержит два пневмо- акустических двухмикрофонных элемента 1 и 2 типа сопло - заслонка, которые состоят соответственно из мембранных акустических излучателей 3 и 4, коммуникационных каналов 5

и 6, заканчивающихся соплами 7 и 8, и , мембранных акустических приемников 9 и 10, датчики 11 и 12 тока, усилители 13 и 14 напряжения, усилитель 15 синфазного сигнала, генератор 16 электрических сигналов, преобразователи 17 и 18 выходного сигнала и блок 19 обработки данных, состоящий из последовательно соединенных блока 20 вычитаний и регистратора 21. Между соплами 7 и 8 коммуникационных каналов 5 и 6 установлено тело 22, перемеще05

о

00

со

ние или изменение толщины которого требуется измерить.

В пневмоакустических двухмикро- фонных элементах 1 и 2 мембранные акустические излучатели 3 и 4 соеди- i нены с коммуникационными каналами 5 и 6 так, чтобы плоскости мембран акустических излучателей 3 и 4 были перпендикулярны осям коммуникационны каналов 5 и 6. Мембранные акустические приемники 9 и 10 установлены в ответвлении коммуникацинных каналов 5 и 6 так, чтобы мембраны акустических приемников 9 и 10 были параллель ны осям коммуникационных каналов 5 и 6 соответствующих пневмоакустических двухмикрофонных элементов 1 и 2. Одни из выходов датчиков 11 и 12 токов подключены к входам мембранных акустических излучателей 3 и 4 соответственно, другие их выходы соединены с первыми входами усилителей 13 ;И 14 напряжения и с входами усилите- ;ля 15 синфазного сигнала. Вькод усилителя 15 синфазного сигнала соедине с вторыми входами усилителей 13 и 14 напряжения. Генератор 16 электричес- ких сигналов подключен к третьему входу усилителя 14 напряжения. Выходы мембранных акустических приемников 9 и 10 .соединены с входами преобразователей 17 и 18 выходных сиг- налов, выходы которьк подключены к входам блока 20 вычитания. Выход блока 20 вычитания соединен с входом регистратора 21 .

Блок 19 обработки данных может дополнительно содержать (фиг. 2) сумматор 23 и источник 24 эталонного сигнала , выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока 20 сравнения, а выход последнего - к входу регистратора 21, входы сумматора 23 предназначены для подключения к выходам детекторов 17 и 18 (фиг. 1).

Устройство для бесконтактного из-, мерения малых линейных перемещений (фиг. 1) работает следующим образом.

Сигнал с выхода генератора 16 электрических сигналов поступает на вход усилителя 14 напряжения, в котором сигнал генератора 16 суммируется с вьпсодным сигналом датчика 12 тока и с выходным сигналом усилителя 15 синфазного сигнала. Одновременно выходные сигналы датчика 11 тока и усилителя 13 синфазного сигнала сум

20

25

о 15

30

35

40

45

50

5

мируются в усилителе 13 напряжения. На входе усилителя 15 синфазного сигнала суммируются выходные сигналы датчиков 11 и 12 тока. При этом обратная связь по току в цепях питания мембранных акустических излучателей 3 и 4 осуществляется подключением выходов датчиков 11 и 12 тока к входам соответствующих усилителей 13 и 14 напряжения. Эти обратные связи обеспечивают работу цепей питания мембранных акустических излучателей 3 и 4 в режиме источников тока. Усилитель 15 синфазного сигнала реализует обратную связь по сумме токов возбуждения мембранных акустических излучателей 3 и 4. Введение этой обратной связи позволяет получить на выходах усилителей 13 и 14 напряжения равные токи возбуждения, поступающие на катушки возбуждения мембранных акустических излучателей 3 и 4. Под воздействием переменного магнитного поля, создаваемого током катушки возбуждения, возникают колебания мембраны, вызьшающие акустические волны в коммуникационных каналах 5 и 6. Волны давления создают на выходах мембранных акустических приемников 9 и 10 переменные модулированные напряжения Ug,,, ,(t), Ug,,,j:t) соответственно, амплитуда которых зависит от положе1шя контролируемого тела 22 относительно сопл 7 и 8. Напряжения с выходов мембранных акустических приемников 9 и 10 поступают на входы детекторов 17 и 18, С выходов детекторов 17 и 18 вьтрямпенные напряжения подаются на входы блока 20 вычитания. При симметричном относительно сопл 7 и 8 положении контролируемого тела 22 сигналы н а выходах детекторов 17 и 18 равны. При этом сигнал на выходе блока 20 вычитания равен нулю. При смещении контролируемого тела 22 в направлении, совпадающем с направлением осей коммзтшка- ционных каналов 5 и 6, напряжение на выходе одного из мембранных акустических приемников 9 и 10 сигналов увеличивается на Ди, а на выходе другого уменьшается на Ли. В результате на выходе блока 20 вычитания выраба- тьшается сигнал, пропорциональный удвоенному значению приращения напря жения 2Ди.

г

Если обозначить передаточные функ-i ции усилителей мощности W(p) К,,

16

кМб,(р); W,,(p) ), где К,, Kuj - коэффициенты усиления усилителей 13 и 14 напряжений; ), Wg-Cp) - передаточные функции катушек возбуждения мембранных акустических iизлучателей 3 и 4, тогда токи возбуждения мембранных акустических излучателей 3 и 4 1,(р), I2(p) определяются выражениями:

1((р) W, (р) и,(р) - U2(p)j(1) I2(P) WgCp) UjCp) - U,(p);(2)

где U,(p), U2(p) - напряжения на входах усилителей 13 и 14 напряжения, подаваемые с выхода генератора 16 электрических сигналов;

Uj,(p) - Синфазное напряжение на выходе усилителя 15.

Синфазное напряжение определяется следующим выражением:

) ,(р) + (p) ,(3)

где К(. - коэффи1даент усиления усилителя 15 синфазного сигнала; К л Ка - коэффициенты передачи дат-

чиков 11 и 12 тока. При выполнении условий К Ка, « .) 1, ) 5 1, Kg- Kg-, и , О ИЗ выражений (1) - (3) получают следующие выражения для

токов возбуждения мембранных акустических излучателей 3 и 4:

1,{р).-и,(р)н,(р)йН|М..-.. „, )

Анализ выражений (4) и (5) показывает, что передаточные функции каналов передачи по токам I, и I пнев- моакустических излучателей идентичны и отличаются только знаком. Следовательно, введение в устройство датчиков 11 и 12 тока, усилителя 15 синфазного сигнала и усилителей 13 и 14 напряжения с их взаимосвязями симметрирует каналы регулирования, / как в статике (при СО 0) , так и в динамике. Это означает, что, несмотря на возможные отличия, как в ста- тических, так и в динамических свойствах мембранных акустических излучателей 3 и 4, амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики кана-

«

5

5

0

0

5

0 5

91

лов одинаковые, В статике (при аЗ 0) , одинаковыми становятся их коэффищ1ен- ты передачи, что обеспечивает пропорциональность токов возбуждения мембранных акустических излучателей 3 и 4 выходному напряжению генератора 16 электрических сигналов, а также токи по величине, но с противоположными знаками. При этом входное напряжение генератора 16 электрических сигналов достаточно подавать на вход только одного из усилителей напряжения.

Устройство для бесконтактного измерения линейных перемеп;ений с блоком 19 обработки данных, выполненным по фиг, 2, работает следуюп5им образом,

Пневмоакустические двухмикрофонные элементы 1 и 2 устанавливаются так, чтобы обеспечить заданный размер контролируемого тела 22, При этом- источник 24 эталонного сигнала вырабатывает эталонньп сигнал U, соответствующий заданному размеру. Возникновение волн давлений в коммуникационных каналах 5 и 6 и формирование выходных сигналов U 0Ь|)(,, и Ugw. на выходах детекторов 17 и 18 (фиг,1) происходит аналогично рассмотренному. При соответствии линейного размера контролируемого тела 22 заданному на выходах детекторов 17 и 18 возникают напряжения, сумма которых постоянна: Ue(,ix.,+ Ugj, const. Эта постоянная величина напряжения инвариантна к положению контролируемого тела относительно сопл 7 и 8; необходимо, чтобы контролируемый линейный размер располагался в плоскости осей коммуникационных каналов 5 и 6, Сигналы Ugjjiy, UBUIV. 2 поступают на входы сумматора 23 и суммируются. Сигнал с выхода сумматора 23 (фиг, 2) поступает на первый вход блока 20 сравнения, в котором он сравнивается с эталонным сигналом Uj, В данном случае равенство сравниваемых сигналов определяет отсутствие выходного сигнала на выходе блока 20 сравнения, что регистрируется с помощью регистратора 21, При отклонении контролируемого размера от заданного либо в сторону увеличения, либо в сторону уменьшения приводит либо к увеличению, либо к уменьшению суммы напряжений с выходов детекторов 15 и 16, что вызывает изменение выходного сигнала сумматора 23 и появление выходного сигнала, отличного от нуля, на выходе блока 20 сравнения, который ре

гистрируется.регистратором 21. CLne- довательно, последний показывает ве личину, пропорциональную отклонению линейного размера контролируемого тела от 1 аданного, что позволяет осуществить отбр аковку, например, каких-либо серийно выпускаемых изде ЛИЙ по заданному линейному размеру или контролировать линейный размер процессе изготовления изделия.

Изобретение позволяет повысить точность измерений за счет уменьшения погрешностей, вызываемых возможным нарушением точности установки о коммуникационных каналов перпендикулярно поверхности контролируемого тела, и уменьшения влияния изменения параметров окружающей среды. Введени обратной связи по току в цепях питания мембранных акустических излучателей 3 и 4, реализуемой с помощью датчиков 11 и 12 тока, позволяет повысить точность измерений за счет исключения погрешности измерений, обусловленной нелинейной зависимостью тока возбуждения мембранного акустического излучателя от положения контролируемого тела.

Введение обратной связи по сумме токов возбуждения мембранных акустических излучателей 3 и А, реализуемой с помощью усилителя 15 синфазного сигнала, обеспечивает автоматическое поддержание равенства токов возбуждения обоих мембранных акусти- ческих излучателей независимо от положения контролируемого тела, что симметрирует каналы питания мембранных акустических излзд1ателей и приводит к повьшению точности измерений малых линейных перемещений за счет исключения влияния разброса и дрейфа параметров катушек возбуждения мембранных акустических излуча- тел ей.

Кроме того, симметрирование стати и .динамических характерис и - каналов формирования токов возбужде ния мембранных; акустических излучателей и 4 позволяет искп ю- чить трудоемкую операцию подбора их по одинаковым характеристикам, которые могут существенно отличаться даже в пределах одной пapтшi.

Введение в блок 19 обработки дан- ных сумматора 23 и источника 24 эталонного сигнала позволяет исполь- зовать предлагаемое устройство в ка

5

0

5

5 5

0

честве калибра внешнего линейного размера в направлении осей коммуникационных каналов 5 и 6 двух пневмо- акустических двухмикрофонных элементов 1 и 2, установленных соосно, что расишряет функциональные возможности устройства. Формула изобретения

1. Устройство для бесконтактного измерения линейных перемещений, со- держащее генератор электрических сиг-| налов и двухмикрофонный пневмоакусти- ческий элемент, выполненный из мемб- ранного акустического излучателя и коммуникационного канала, заканчи- вающегося соплом, мембранный акусти- .ческий излучатель соединен с коммуникационным каналом так, чтобы его ось бьта перпендикулярна плоскости мембраны акустического излучател :,, мембранный акустический приемник установлен в ответвлении коммуникационного канала так, чтобы мембрана акустического приемника бьта параллельна оси коммуникационного канала, о т л и- чающееся тем, что, с целью повьш1ения точности измерений, оно снабжено вторым пневмоакустическим .двухмикрофонным элементом, коммуника-. ционный канал которого расположен соосно и встречно с коммуникационным каналом первого с зазором между соплами, предназначенным для размещения в нем контролируемого тела, для каждого из двух пневмоакустических двухмикрофонных элементов устройство снабжено усилителем напряжения, датчиком тока, вход которого соединен с выходом соответствующего усилителя напряжения, один выход датчика тока подключен к входу мембранного акустического излучателя, а другой выход датчика тока соединен с первым входом соответствующего усилителя напряжения, усилителем синфазного сигнала, входы которого подключены к другим выходам первого и второго датчиков тока, а выход усилителя синфазного сигнала соединен с вторыми входами первого и второго усилителей напряжения, двумя детекторами, входы каяадого из которых подключены к выходам мембранных акустических приемников первого и второго пневмоакустических двухмикрофонных элементов, блоком обработки данных, первый и второй входы которого соединены с выходами соответствующих детекторов, а генератор электрических сигналов подключен к третьему входу одного из двух усилителей напряжения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок обработки данных выполнен из последовательно соединенных блока вычитания и регистратора, входы блока вычитания служат первым и вторым входами блока обработки данных.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, блок обработки данных выполнен из последовательно соединенных сумматора, блока сравнения и регистратора и источника эталонного сигнала, выход которого подключен к второму входу блока сравнения, входы сумматора служат первым и вторым входами блока обработки данных.

Изобретение относится к приборостроению и может использоваться для бесконтактных измерений линейных перемещений тел. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет исключения погрешностей, связанных с неточностью выполнения и установки элементов устройства. Устройство формирует разностный сигнал, пропорциональный перемещению контролируемого тела или отклонению его линейного размера от номинального значения, с помощью двух пневмоакустических двухмикрофонных элементов, устанавливаемых по разные стороны от контролируемого тела. В цепях питания мембранных акустических излучателей реализованы обратные связи по токам возбуждения и сумме токов возбуждения, что компенсирует нелинейную зависимость тока возбуждения от положения контролируемого тела и уменьшает влияние дрейфа параметров акустических излучателей на результаты измерения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Фиг. 1

гн

п

2J

20

Фиг.2