Устройство для измерения перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B17/00 

15 ОСП

Н

Фиг.1

15

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к ультразвуковым преобразователям перемещений, и может найти применение в робототехнических системах и комплексах для измерения и контроля параметров кинематического движения объекта.

Известно устройство для измерения перемещений, содержащее магнитострикци- онный звукопровод, акустический демпфер, стабилизатор растягивающих усилий, элементы записи и считывания с магнитами смещения, предусилитель считывания, од- новибратор, измерительный генератор, триггер, блок АРУ, усилитель-формирователь считывания, коммутатор, четыре буферных регистра, вычислитель и компаратор.

Известно другое устройство для измерения перемещений, выбранное в качестве прототипа, которое содержит магиито- стрикционный звукопровод, установленный в акустические демпферы, схемы запуска, элемент ИЛ И ждущий генератор импульсов, формирователь импульсов записи, подвижную катушку записи, неподвижную катушку считывания, усилитель считывания, формирователь импульсов, счетчик, преобразователь временного, интервала в код, блок управления масштабом преобразования, нормализатор, генератор образцовой частоты, элемент И, счетчич количества перезапусков, дешифратор.

Общим недостатком известных устройств является недостаточная помехоустойчивость вследствие возбуждения в магнитострикционном звукопроводе упругих волн одинарной амплитуды.

Цель изобретения - повышение поме- хоустойчи,вости путем увеличения амплитуды колебаний звукопровода.

На фиг, 1 приведена блик-схема устройства для измерения перемещений; на фиг. 2-4 - блок-схемы устройстпа для измерения перемещений с различным выполнением кинематической схемы его первичного преобразователя перемещений; на фиг. 5, б - выполнение основных блоков 7, 8 устройства; на фиг. 7- форма сигналов записи и считывания первичного преобразователя перемещений при разных способах возбуждения ультразвуковых волн; на фиг, 8 - график функции Ux р (М).

Устройство для измерения перемеа;е- ний (фиг. 1) содержит прямолинейный маг- нитострикционный звукопровод 1, закрепленный в акустических демпферах 2, блок 3 считывания из М неподвижных сосредоточенных элементов считывания с магнитом смещения, закрепленные на звукопроводе вблизи одного акустического демпфера, формирователь 4 возбуждения колебаний с магнитом смещения, закрепленный на звукопроводе с возможностью перемещения между ограничителями 5 перемещений и кинематически подключенный к объекту перемещения, подсоединенный к выходу усилителя 6 записи, формирователь 7 импульсов считывания, генератор 8 сдвоенных импульсов, К-разряд- пый счетчик 9 опроса, логический анализатор 10 кода, D-триггер 11, измерительный генератор 12, счетчик 13 результата, шипу 14 управления, шину 15 запуска,

шину 16 запроса, п-шин 17 результата. Выходы счетчика 13 результата подключены к шинам 17 результата, а счетный вход через измерительный генератор 12 подключен к прямому выходу D-триггера 11. Его инверсный выход подключен к шине 16 запроса, синхровход подключен к выводам блока 3 считывания через формирователь 7 импульсов считывания, единичный вход соединен с нулевыми входами счетчиков 9, 13 и подключей к шине 15 запуска, а нулевой вход подключен к шине 14 управления и соединен с одним входом анализатора 10 кода, его другие К-входы соединены с выходами счетчика 9 опроса, а выход соединен с входом генератора 8 сдвоенных импульсов. Один его выход соединен со счетным входом счетчика 9 опроса, другой подсоединен к входу усилителя 6 записи.

Кроме того, в устройство для измерения

перемещений (фиг. 2) введен генератор 18 импульсов, подключенный к счетному входу счетчика 9 опроса и входу усилителя 6 записи. Причем блок 3 считывания выполнен подвижным с возможностью перемещения

вдоль звукопровода 1 между ограничителями 5 перемещений и подключен к объекту перемещения, а формирователь 4 возбуждения колебаний выполнен неподвижным и закреплен на звукопроводе 1 на опорном

расстоянии (о от его свободного конца.

Кроме того, в устройство для измерения перемещений (фиг. 3) введен дополнительный формирователь 19 возбуждения колебаний из (М -1) сосредоточенных элементов

записи с магнитом смещения, закрепленный на звукопроводе 1 на опорном расстоянии от основного формирователя 4 возбуждения колебаний с возможностью перемещения между ограничителями 5 перемещений. Их выводы подсоединены к выходам усилителя 6 записи.

Кроме того, в устройство для измерения перемещений (фиг. 4) введены распределенная обмотка 20 возбуждения, неподвижно

закрепленная на рабочем участке звукопровода 1 между ограничителями 5 перемещений, и блок 21 из М магнитов смещения, закрепленные на звукопроводе с возможностью перемещения вдоль обмотки 20 возбуждения и кинематически подключенные к объекту перемещений. Выводы обмотки 20 возбуждения подсоединены к выходам усилителя б записи.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально устройство (фиг. находится в заблокированном состоянии. По его шине 14 управления выставлен цифровой сигнал Останов, блокирующий входы анализатора 10 кода и удерживающий D-триг- гер 11 в нулевом состоянии, формируя по шине 16 запроса цифровой сигнал Запрос. При снятии сигнала Останов устройство переводится в режим ожидания начала цикла преобразования.

В ответ на сигнал Запрбс пользователь подает по шине 15 запуска цифровой сигнал Запуск, по которому устанавливаются в нулевое состояние счетчики 9, 13 опроса и результата и в единичное состояние - 0-триггер 11. Переключение D-тригге- ра 11 обозначает начало цикла преобразования искомого линейного перемещения 1Х объекта в цифровой код Nx. По его сигналу запускается цифровой измерительный генератор 12, вырабатывающий серию импульсов частоты fo, подсчитываемых счетчиком 13 результата.

Установка в нулевое состояние счетчика 9 опроса вызывает формирование на выходе анализатора 10 кода статического сигнала, разрешающего запуск генератора 8 сдвоенных импульсов. Генератор 8 производит генерацию прямоугольных видеоимпульсов с частотой ton Unp/li, где Unp - фазовая скорость ультразвуковой (УЗ) волны в звукопроводе; И - расстояние между М элементами считывания блока 3 считывания, которые поступают на счетный вход счетчика 9 опроса и подсчитываются. Количество импульсов не должно превысить числа М используемых элементов считывания блока 3 считывания. По достижении этой величины NI 2ц М на выходе логического анализатора 10 кода формируется сигнал, производящий блокирование работы генератора 8 сдвоенных импульсов до очередного цикла преобразования.

По другому выходу генератора 8 в каждом из М тактоз генерируются сдвоенные прямоугольные видеоимпульсы длительности г и со скважностью 0 - 2 (фиг. 76). Они проходят на сигнальный вход усилителя 6 записи и преобразуются в токовые посылки, возбуждающие формирователь А аозбуждзния колебаний, находящийся в момент опроса на искомом расстоянии 1Х от блока 3 считывания. В результате магнитомехани- ческого преобразования под формировзте5 лем 4 в звукопроводе 1 возбуждается серия из М ультразвуковых волн удвоенной амплитуды (фиг, 76) вследствие суперпозиционного сложения смежных одинарных полуволн (фиг. 7а). Они проходят по звукопроводу 1 к

0 блоку 3 считывания за искомое время перемещения Тх Ix/Unp и наводят на выводах М сосредоточенных элементов считывания аналоговые сигналы считывания удвоенной амплитуды

5+Ј х

Ui.i ki.2Uo.e r ,(1)

где k 0,8-0.9 - коэффициент пропорциональности;

Uo - единичная амплитуда сигнала счи- 0 тывания;

ft- коэффициент затухания УЗ волны в среде звукопровода.

Поступая на входы формирователя 7 импульсов считывания, наведенные сигналы 5 (1) суммируются и формируют моноимпульсный сигнал считывания повышенной амплитуды

Ux 2 Ui.r;(2)

0 который преобразуется в прямоугольный видеоимпульс считывания и переключает D- триггер 11 в исходное состояние. Работа измерительного генератора 12 завершается, а на п выходах счетчика 13 результата

5 выстсзляется код искомого перемещения 1х

NX Tx.fo

V

np

fo

)

поступающий на шины 17 результата, формируя сигнал Код перемещения. По шине

16 запроса выставляется сигнал Запрос и устройство переводится в режим ожидания, Далее весь процесс преобразования осуществляется без изменения.

Используемый в устройстве формирователь 7 импульсов считывания выполнен (фиг. 6) на диодных вентилях 22 и 24 отрицательной и положительной полуволн, диодных ограничителях 23 и 25, резисторе 26, формирующем элементе 27 (триггер Шмитта). Диоды 22 шунтируют отрицательные полуволны сигналов считывания на общую шину, которые запирают диоды 23. что приводит к формированию в цепи элементов 25. 26 суммарного сигнала считывания (2) для

запуска формирующего элемента 27.

Генератор 8 сдвоенных имлутьсов выполнен по схеме каскадного соединения двух управляемых генераторов (фиг. 6). Первый цифровой низкочастотный генератор

выполнен на логическом элементе И-НЕ 28, транзистор32 NPN-проводимости, резисторах 33-35 и конденсаторе 37, генерирует сигналы с частотой f0n - /Топ Unp/h. По его сигналам запускается второй цифровой высокочастотный генератор на логических элементах И-НЕ 29-31, резисторе 36 и конденсаторе 38. Он генерирует сигналы более высокой частоты, равной fi 1/2 гп. Причем длительность импульса сигнала первого генератора равна Ti (3...4)Гп.. что позволяет формировать по второму выходу генератора 8 сдвоенные импульсы согласно фиг. 76.

Следовательно, применение метода сдвоенных импульсов с использованием блока 3 считываний из М элементов считывания позволяет формировать аналоговый сигнал считывания (2), описываемый линейной зависимостью вида Ux / (М) (прямая 1 на фиг. 8), и повысить в Ux/Uo раз отношение сигнал/помеха по сравнению с прототипом.

Кинематическую схему первичного преобразователя «перемещений устройства по фиг. 1 можно несколько упростить, если его звукопровод 1 включить по псевдозамкнутой схеме, формирователь 4 возбуждения колебаний закрепить на опорном расстоянии 1о от свободного конца звукопровода, а блок 3 считывания с М сосредоточенными элементами считывания, наоборот, выполнить подвижным и подсоединить к объекту перемещения (фиг. 2). Такое выполнение кинематической схемы первичного преобразователя перемещений позволяет использовать во вторичном преобразователе цифровой генератор 18 импульсов более простой структуры, например, по схеме цифрЪвога генератора 8 сдвоенных импульсов.

Генератор 18 импульсов вырабатывает серию из (М + 1) прямоугольных видеоимпульсов частоты fon, которые подсчитываются счетчиком 9 опроса. Установка формирователя 4 на расстоянии lo Н/2 от свободного конца звукопровода 1 позволяет формировать в его среде зондирующие УЗ волны удвоенной амплитуды (1) аналогично фиг. 76 за счет суперпозиционного сложения прямой и отраженной полуволн. Одинарную амплитуду имеет только самый первый в пачке из {М + 1) импульсов.

Возбужденный в звукопроводе 1 пакет из (М + 1) УЗ волн проходит в зону магнито- упругого преобразования через искомое время Тх и считывается блоком 3 считывания, формируя аналоговый сигнал считывания увеличенной амплитуды (2). Далее весь

процесс преобразования сигналов в устройстве по фиг. 1 не отличается от рассмот- ренного. В результате достигается увеличение в 2М раз отношения сигнал/помеха устройства относительно прототипа (прямая 1 фиг. 8).

Эффективность устройства на фиг. 1, 2 может быть повышена, если в кинематическую схему первичного преобразователя пе0 ремещений включить дополнительный формирователь 19 возбуждения колебаний, который совместно с основным формирователем 4 содержит М сосредоточенных элементов записи с магнитом смещения,

5 установленных на звукопроводе 1 на опорном расстоянии h один относительно другого и включенных параллельных параллельно с учетом полярности выводов (на фиг. 3 не показано).

0 В этом случае генератор 18 импульсов генерирует серию из М прямоугольных видеоимпульсов записи длительности гп. , которые, преобразуясь в токовые посылки усилителем 6 записи, возбуждают в среде

5 звукопровода 1 зондирующие УЗ волны. Их амплитуда с каждым очередным тактом повышается на величину одинарной волны (фиг. 7а) за счет суперпозиционного сложения полуволн в зонах магнитомеханинеско0 го преобразования, как показано на фиг. 7в.

Возбужденный пакет УЗ волн (фиг. 7в)

повышенной амплитуды распространяется

в сторону блока 3 считывания и через время

Тх достигает его, считывается, формируя ре5 зультирующий сигнал м - 1

+ X UM(4)

i 1

Далее весь процесс преобразования сигнад лов выполняется без изменения согласно рассмотренному. При данном способе возбуждения зондирующих УЗ волн величина выходного напряжения (4) может достигать значительных величин при соотеетствуга5 щем выборе числа М элементов записи и считывания в блоках 4, 19 и 3. За счет этого существенно повышается помехоустойчивость устройства относительно прототипа (кривая 2 фиг. 8).

0 Кроме того, кинематическую схему первичного преобразователя перемещений по фиг. 3 можно выполнить по неконтактной схеме, как показано на фиг, 4. В этом случае по всей длине рабочей части звукопровода

5 1 закрепляют неподвижную распределенную обмотку 20 возбуждения, подсоединяя ее к выводам усилителя б записи. Вдоль обмотки 20 перемещается блок 21 из М однотипных магнитов смещения, установленных на опорном расстоянии Н один

относительно другого и перемещающихся между ограничителями 5 перемещений.

При подаче в обмотку 30 возбуждения М токовых импульсных посылок от усилителя 6 записи D подмагниченных магнитами участках звукопровода 1 возбуждаются зондирующие УЗ волны с трансформированной амплитудой (фиг. 7в). Через искомое время перемещения Тх пакет УЗ волн считывается блоком 3 считывания с формированием ре- зультирующего сигнала считывания (4). Далее весь процесс преобразования сигналов выполняется согласно рассмотренному, В результате достигается значительное повышение помехоустойчивости устройства от- носительно прототипа, что подтверждает кривая 2 функциональной зависимости Ux -уХМ) по фиг. 8.

Применение акустических демпферов 2 в кинематической схеме первичного преоб- разователя перемещений устройства устраняет образование переотражений УЗ волн о среде магнитострикционного ззукопровода и их накопление, чем обеспечивается выполнение описанного алгоритма работы ус- тройства.

Таким образом, предложенные подходы возбуждения и считывания ультразвуковых волн распространяются на все типы нормальных упругих волн (продольные, кру- тильные), возбуждаемые в магнитострикци- онной среде волноведущего тракта преобразователя, и позволяют существенно повысить помехоустойчивость преобразования относительно прототипа без значительного усложнения структуры.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения перемещений, содержащее магнитострикционный звукопровод, концы которого демпфирова- ны, формирователь возбуждения колебаний в звуколроводе с магнитом смещения и блок считывания, содержащий один элемент считывания, установленные на звукопроводе с возможностью их взаимного перемещения, усилитель записи, выход которого соединен

с входом формирователя возбуждения, последовательно соединенные счетчик опроса и измерительный генератор, выход которого подсоединен к входу счетчика результата, отличающееся тем. что. с целью повышения помехоустойчивости путем увеличения амплитуды колебаний в звукопроводе, оно снабжено установленным в блоке считывания, на заданном расстоянии друг от друга, не менее чем одним дополнительным элементом считывания, формирователем импульсов считывания, вход которого соединен с блоком считывания, а выход последовательно соединен с D-триггером. измерительным генератором и счетчиком результата, генератором сдвоенных импульсов, один выход которого соединен с входом формирователя возбуждения колебаний, другой выход соединен со счетчиком опроса, соединенным с логическим анализатором хода, выход которого соединен с входом генератора сдвоенных импульсов.

2.Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что в качестве генератора импульсов используется генератор сдвоенных импульсов, а формирователь возбуждения колебаний установлен неподвижно на звукопроводе,

3.Устройство поп. Ч.отличающее- с я тем, что оно дополнительно снабжено не

менее чем одним однотипным элементом возбуждения колебаний, установленным в формирователе возбуждения на звукопроводе на заданном расстоянии друг от друга, D качестве генератора импульсов используется генератор сдвоенных импульсов, а блоксчитывания установлен неподвижно на звукопроводе.

4.Устройство поп. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что формирователь возбуждения выполнен а виде распределенной обмотки, неподвижно закрепленной на звукопроводе, и нескольких однотипных магнитов смещения, установленных на заданных расстояниях друг от друга с возможностью перемещения вдоль звукопровода.

%

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для ультразвукового измерения линейных перемещений объекта. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости преобразования путем увеличения амплитуды зондирующей ультразвуковой волны в среде магнитострикционного звукопроводэ. Это достигается за счет возбуждения в среде звуковода первичного преобразователя перемещений пачки из М волн, амплитуда каждой из которых является суммой предыдущих волн, которые одновременно считываются в М-точках считывания и суммируются. При этом зависимость Ux ) в зависимости от способа возбуждения и считывания является либо монотонно возрастающей, либо экспоненциально возрастающей. Устройство для измерения перемещений содержит прямолинейный магиитострикционный звукопровод 1 с акустическими демпферами 2, блок 3 считывания, формирователь 4 возбуждения колебаний, усилитель 6 записи, формирова- тель 7 импульсов считывания, генератор 8 сдвоенных импульсов, счетчик 9 опроса, анализатор 10 кода, D-триггер 11. измерительный генератор 12, счетчик 13 результата, входные и выходные шины 14, 15 и 16, 17. Устройство предназначено для использования в робототехнических системах и комплексах. 4 з.п. ф-лы, 8 ил. ё

6Zfr89a

ИМ

тг

91

з -i

ы

епф

ezwsii

ФИГ..

Ъ/и0

GO 501 Ъ 30

гон

ю-10 И