Ультразвуковой измерительный преобразователь скорости линейного перемещения Советский патент 1992 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в робототехнических системах и комплексах для измерения и контроля параметров кинематического движения объекта

Известен ультразвуковой измерительный преобразователь линейных перемещений, состоящий из магнитострикционного звукопровода, заключенного в акустические демпферы, неподвижной катушки возбуждения, подвижной приемной и неподвижной опорной катушек считывания, тактового генератора, формирователя импульсов записи, двух усилителей-формирователей им- пульсов считывания, генератора образцовой частоты, трех триггеров, трех логических элементов И, двух счетчиков и измерителя отношений.

Известен ультразвуковой измерительный преобразователь линейных перемещений, состоящий из прямолинейного магнитострикционного звукопровода, заключенного в акустические демпферы, сосредоточенных элемент записи и элемента считывания, формирователя импульсов записи.усилителя считывания,блока формирования стартовых импульсов, многофазного генератора, блока элементов совпадения и счетчиков, элемента ИЛИ и триггера III.

Известен также ультразвуковой измерительный преобразователь линейных перемещений, состоящий из прямолинейного звукопровода из магнитострикционного материала, заключенного в акустический демпфер, магнитострикционных элемента

vj 4 00 О :ю

записи и элементов считывания, формирователя импульсов записи, двух усилителей- формирователей импульсов считывания, расширителя импульсов и схемы совпадения.

Общим недостатком известных устройств является невысокая помехоустойчивость вследствие влияния внешних электромагнитных и акустических помех, что ведет к снижению точности измерения перемещений, ограничивает область техн.и- ческого применения.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости преобразователя за счет взаимной компенсации сигналов, наводимых в элементах считывания от электромагнитных и акустических помех.

Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковой измерительный преобразователь линейного перемещения, содержащий прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала, расположенные на его концах акустические демпферы, подвижную каретку которая предназначена для кинематической связи с объектом перемещения, установленный на каретке соосно с основным звукопроводом элемент записи, установленные по обе стороны от него н.а одинаковом расстоянии первый и второй элементы считывания, усилитель записи, выход которого подключен к элементу записи, усилитель считывания и цифровой измеритель временных интервалов, снабжен дополнительным прямолиней- ным звукопроводом из однотипного мэгни-тострикционного материала, установленным между акустическими демпферами параллельно основному звукопроводу. ограничителями перемещений, третьим, и четвертым элементами считывания, установленными на подвижной каретке соосно дополнительному звукопроводу и оппозитно первому и второму элементами считывания, шинами Запуск, Разрешение. Запрос. Синхронизация. Данные и Контроль результата и одновибратором, вход которого подключен ко входу запуска цифрового измерителя интервалов времени и шине Запуск, а выход - к входу усилителя записи, выходы одноименной полярности первого и второго элементов считывания соединены между собой, выходы одноименной полярности третьего и четвертого элементов считывания также соединены между собой, а первая пара, включающая первый и второй элементы-считывания, и вторая пара, включающая третий и четвертый элементы считывания, соединены между собой выходами разноименной полярности и подключены к входам усилителя считывания.

измерительной вход цифрового измерителя временных интервалов подключен к выходу усилителя считывания, управляющий вход - к шине Разрешение, а первый, второй,

третьи и четвертые выводы подключены к шинам Запрос, Синхронизация. Данные и Контроль результата.

На фиг.1 приведена структурная схема ультразвукового измерительного преобра0 зователя скорости линейного перемещения; на фиг.2 - схема включения его элементов считывания; на фиг.3,4 - примеры выполнения цифрового измерителя временных интервалов и его одновибратора; на

5 фиг.5- временные диаграммы, поясняющие работу ультразвукового измерительного преобразователя скорости линейного перемещения.

Ультразвуковой измерительный преоб0 разователь скорости линейного перемещения (фиг.1) содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений (МПП), состоящий из основного и дополнительного прямолинейных звуко5 проводов 1, 2 из однотипных магнитострик- ционных материалов, двух акустических демпферов 3 и ограничителей 4 перемещений подвижной каретки 5 с сосредоточенными элементом 6 записи и элементами 7 0 10.считывания, усилителя 11 записи и усилителя 12 считывания, одновибратор 13. цифровой измеритель 14 временных интервалов (ЦИВИ), шину 15 разрешения, шину 16 запроса, шину 17 запуска, шину 18 синх5 ронизации. шины 19 данных и шину 20 контроля результата.

Основной и дополнительный звукопро- воды 1, 2 расположены между собой равно- параллельно и установлены в акустические

0 демпферы 3, рядом с которыми установлены ограничители 4 перемещений, задающие физический диапазон каретки 5. подключенной к объекту. На каретке 5 закреплены сосредоточенные элементы б и 7 - 10 записи

5 и считывания При этом, первые и вторые основные и дополнительные элементы 7, 8 и 9, 10 считывания установлены оппозитно на основном и дополнительном звукопрово- дах 1. 2. Их разнополярные выводы объеди0 нены, соответственно, с первым и вторым входами усилителя 12 считывания. Сосредоточенный элемент 6 записи установлен на основном звукопроводе посередине между основными элементами 7, 9 считывания t

5 Его выводы подключены к выходу одновибратора 13 через усилитель 11 записи. Выход усилителя 12 считывания подключен к измерительному входу ЦИВИ 14. Его выходы подключены к шинам 16, 18,19. 20 запроса, синхронизации, дачных и контроля результата соответственно. Управляющий вход ЦИ8И 14 подключен к шине 15 разрешения, а вход запуска подключен к шине 17 запуска и соединен с входом одновибратора 13.

ЦИВИ 14 (фиг.З) выполнен из последо- вательно соединенных формирователя 21 входных сигналов, вход которого является измерительным входом ЦИВИ 14, первого регистра 22, второго регистра 23, сумматора 24. третьего регистра 25 и цифрового компаратора 26, выход которого является четвертым входом ЦИВИ 14, последовательно соединенных триггера 27 управления и генератора 28 кодов, второй вход которого является управляющим входом ЦИВИ 14, и одновибратора 29, выход которого подключен к первому входу триггера 27 управления и является вторым выходом ЦИВИ 14. вход - к второму входу второго регистра 23 и выходу формирователя 21 входных сигналов, первый выход триггера 27 управления подключен к второму входу формирователя 21 входных сигналов, второй вход - к второму входу третьего регистра 25 и является входом запуска ЦИВИ 14, второй вы- ход триггера 27 управления является первым входом ЦИВИ 14, выход сумматора 24 подключен к второму входу цифрового компаратора 26 и является третьим выходом ЦИВИ 14, а выход первого регистра 22 подключен к второму входу сумматора 24.

Одновибратор 29 (фиг 4) выполнен из первого и второго D-триггеров 30 и 31 и элемента 32 задержки, информационный вход второго триггера 31 объединен с еди- ничным входом и подключен к единичнму входу первого триггера 30, на которые подается сигнал логическая единица, С-вход первого триггера 30 подключен к выходу формирователя 21 входных сигналов, ин- формационный вход - к С-входу второго триггера 31 и инверсному выходу третьего триггера 30, нулевой вход - к нулевому входу второго триггера 31 и выходу элемента 32 задержки, прямой выход второго триггера 31 подключен к первому входу триггера 27 управления, а инверсный выход - к входу элемента 32 задержки. Позициями 33 - 40 обозначены выходы сигналов с блоков измерительного преобразователя

Ультразвуковой измерительный преобразователь скорости линейного перемещения работает следующим образом.

Первоначально преобразователь (фиг. 1) находится в заблокированном состоянии и не реагирует на сигналы Запуск по шине 17 запуска. При подаче по шине 15 разрешения сигнала 33 Разрешение преобразо- ватель пеоеводится в режим работы. Производится подготовка к работе ЦИВИ

14. На его первом выходе формируется сигнал 34 Запрос, поступающий на шину 16 запроса. В ответ на этот сигнал пользователь через время реакции tf выставляет по шине 17 запуска сигнал 35 Запуск. Запускается одновибратор 13 и подготавливается ЦИВИ 14 к выполнению дискретизации временного интервала Тх скорости vx линейного перемещения обьекта.

На выходе одновибратора 13 вырабатывается прямоугольный видеоимпульс 36 калиброванный по длительности, которым возбуждается усилитель 11 записи МПП. На выходе усилителя 11 записи формируется токовый сигнал, возбуждающий сосредоточенный элемент 6 записи, закрепленный на основном звукопроводе 1 на опорном расстоянии I от первого и второго сосредото- ченных элементов 7, 9 считывания. Сосредоточенные элементы 6, 7, 9 установлены на каретке 5 и перемещаются с искомой скоростью Vx вдоль звукопровода 1 между ограничителями 4 перемещений.

В результате магнитомеханического преобразования под сосредоточенным элементом 6 записи в среде магнитострикцион- ного звукопровода 1 МПП возбуждается продольная нормальная упругая волна, распространяющаяся в обе стороны с фазовой скоростью vnp. Через искомое время, соответственно,

г

)|

Т, ± и Т2 , (1)

vnp + vxvnp ± Vxv

расщепленные упругие волны достигают сосредоточенных элементов 7, 9 считывания и наводят на их выводах аналоговые сигналы считывания вследствие магнитоупругого преобразования. Эти сигналы поступают на входы усилителя 12 считывания, усиливаются и преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы 37 считывания, которые проходят на измерительный вход ЦИВИ 14. В результате на выходе усилителя 12 считывания будет сформирован временной интервал 38

Тх ITi-T2l 2В

vx

Vnp - Vx

(2)

несущий информацию о скорости перемещения обьекта, над которым выполняется операция дискретизации для получения цифрового эквивалента скорости перемещения обьекта. Данная операция выполняется ЦИВИ 14, работающим следующим образом (фиг.З).

Так, по сигналу 35 Запуск производится переключение триггера 27 управления в единичное состояние, что приводит к снятию сигнала 34 Запрос по шине 16 запроса, запуску цифрового генератора 28 кодов и разблокированию входа формирователя 21 входных сигналов. На выходах генератора 28 кодов формируется m-разрядная кодовая последовательность NI, сменяемая с частотой f0. Одновременно по сигналу 35 Запуск производится запись кода М.и предыдущего смежного преобразования в третий буферный регистр 25.

При поступлении сигналов 37 считывания (1), (2) на измерительный вход ЦИВИ 14, на выходе его формирователя 21 входных сигналов формируются импульсные сигналы, по которым.производится занесение кодов N1 TI -ton N2 Т2 -to в первый и второй регистры 22, 23 с выхода генератора 28 кодов, так, что в первом регистре 22 будет размещен код N&, а во втором регистре 23 - код N1. Здесь же код N1 преобразуется в обратный код (инвертируется) N1. Далее коды N1. N2 поступают на входы комбинацион- ного сумматора 24 где выполняется операция суммирования NX М + N2.

В результате этой операции на п-раз- рядном выходе ЦИВИ 14 формируется код Nx текущей скорости линейного перемещения объекта выставляемый по шинам 19 данных с формированием сигнала .39 синхронизации. В следующий момент на выходе паритета цифрового компаратора 26 при условии Nx-i-1 - формируется сигнал 40 Дублирование, поступающий на шину 20 контроля результата. По сигналам формирователя 21 запускается одновибратор 29, который переключает триггер 27 в исходное состояние. Блокируется генератор 28 кодов и формирователь 21 входных сигналов. ЦИВИ 14 переходит в режим ожидания следующего цикла преобразования. Распространяясь далее по основному звукопроводу 1 упругие волны в следующий момент достигают акустических демпферов 3 и рассеивают энергию, устраняя образование и накопление отраженных волн в акустическом тракте МПП.

Расположение основных и вспомогательных сосредоточенных элементов 7, 9 и 8, 10 считывания на подвижной каретке 5 оппозитно и соосно со звукопроводами 1, 2 и включение их выводов встречно, как показано на фиг. 1, 2, позволяет повысить устойчивость к электромагнитным и акустическим помехам. Эффективная взаимокомпен- сэция помех достигается при идентичности

параметров магнитострикционных трактов 1. 2 и сигнальных цепей считывания

Я) AJOCH - Я)Доп Яд ( t) ) + Д ст AJicH, (3)

где Я - уравнение измерительной процедуры, (Г) + (ДстДГ+АстД{1)

уравнение погрешности основного канала

измерения, А)ДОп ACT А|д0п уравнение по- грешности дополнительного канала измерения,

Дет Я, - статическая погрешность ЦИВИ 14. Яд (tj)-действительное значение скорости перемещения объекта.

Из выражения (3) видно, что при равенстве статических погрешностей основного и дополнительного акустических трактов

МПП: АстЯ}доп. точность измере- ния скорости vx перемещения объекта оценивается величиной погрешности, вносимой ЦИВИ 14. Это обеспечивает повышение помехоустойчивости и точности измерения параметров кинематического движения объекта. Одновременно расширяется область технического использования преобразователя. Конструкция его МПП при этом позволяет выполнить акустические тракты 1, 2 подвижными и подключить их к объекту, а каретку 5 с сигнальным цепями записи/считывания - неподвижными.

i

Формула изобретения Ультразвуковой измерительный преобразователь скорости линейного перемещения, содержащий прямолинейный звуко- провод из магнитострикционного материала, расположенные на его концах акустические демпферы, подвижную каретку,

которая предназначена для кинематической связи с объектом перемещения, установленный на каретке соосно с основным звуко- проводом элемент записи, установленные по обе стороны от него на одинаковом расстоянии первый и второй элементы считывания, усилитель записи, выход которого подключен к элементу записи, усилитель считывания и цифровой измеритель временных интервалов, отличающийся тем,

что- с цель повышения помехоустойчивости преобразователя, он снабжен дополнительным прямолинейным звукопроводом из магнитострикционного материала, установленным между акустическими демпферами

5 параллельно основному звукопроводу, ограничителями перемещений, третьим и четвертым элементами считывания, установленными на подвижной каретке соосно до- полнительному звукопроводу и оппозитно первому и второму элементами считывания

соответственно шинами Запуск, Разрешение, Запрос, Синхронизация, Данные и Контроль результата и одно- вибратором, вход которого подключен ко входу запуска цифрового измерителя интервалов времени и шине Запуск, а выход - к входу усилителя записи, выходы одноименной полярности первого и второго элементов считывания соединены между собой, выходы одноименной полярности третьего и четвертого элементов считывания также соединены между собой, а первая пара.

включающая первый и второй элементы считывания, и вторая пара, включающая третий и четвертый элементы считывания, соединены между собой выходами разноименной полярности и подключены к входам усилителя считывания, измерительный вход цифрового измерителя временных интервалов подключен к выходу усилителя считывания, управляющий вход- к шине Разрешение, а первый, второй, третий и четвертый выходы подключены к шинам Запрос, Синхронизация. Данные и Контроль результата.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в робототехнических системах и комплексах для измерения и контроля параметров /скорость ускорение/ кинематического движения объекта. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости преобразователя за счет взаимной компенсации сигналов, наводимых в элементах считывания от электромагнитных и акустических помех. Использование дополнительного звукопровода с двумя элементами считывания, установленными на подвижной каретке соосно эвукопроводу и оппозитно двум основным элементам считывания и подключенными с последующими попарно разнополярными выводами к входам усилителя считывания, позволяет компенсировать противофазные сигналы, наводимые в основном и дополнительном элементах считывания под воздействием электромагнитных и акустических помех 5 ил сл с

16 IS 2o 19

8

ю

Я

/п

i

Ml

077/7

-t-

27

М6

0/7721

От 12 Тх

21

29

22

/77 fy

23

М .

/Я

&

/f/ff

26

Л

Nx.i+t

25

укго Фиг.3

Xf8,Z7

Фиг4

„ Разрешение

«Залум

МЦ„Запрос

j

гт

и

н,

I Г

I

1ЛК

Симромжция

,Mi/fowp0fa#t/e

Фиг. 5