Ультразвуковой измеритель для определения скорости воздушных и наземных объектов относительно воздуха Советский патент 1993 года по МПК G01S17/00 

Изобретение относится к навигации, а именно к области измерения параметров движения объектов типа вертолета, самолета, автомобиля, именно таких, скорость которых меньше скорости звука в воздушной среде.

Целью предлагаемого устройства является повышение точности ультразвукового измерителя воздушной скорости путем определения не только воздушной скорости объекта, но и скорости звука и учета ее в алгоритме вычислителя.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства ультразвукового измерителя воздушной скорости.

На фиг.2 изображена примерная конструкция цилиндрического корпуса.

На фиг.З изображена функциональная схема вычислительного устройства.

На фиг,4 представлены эпюры напряжений на блоках устройства.

На фиг,1 представлена функциональная схема устройства, в его состав входят датчики 1 и 2 ультразвуковых колебаний, два ключа 3 и 4, связанных с датчиками 1 и 2, а также с блоком 5 управления ключами, генератор 6 прерываний, один выход которого соединен с входом генератора 7 ультразвуковых колебаний, а второй выход соединен с входом мультивибратора-расширителя 8. В свою очередь выход генератора 7ультразвуковых колебаний соединен с датчиками 1, либо с датчиками 2 через электронные ключи 3 и 4 и блок 5 управления ключами. В качестве блока управления ключами может выступать, также реле, роль ключей 3 и 4 могут выполнять контакты этого реле. Выход датчика 1 или 2 через ключи 3 и 4 и блок 5 управления ключами электрически соединен с входом усилителя радиоимпульсов 9,

На фиг. 1 пунктиром показано второе соединение датчиков 1 и 2. Электронные ключи управляются импульсами блока 5 управления ключами. Выход усилителя радиоимпульсов связан с входом детектора 10, а выход детектора 10 электрически соединен с нулевым входом отсчетного мультивибратора 11. С первым (единичным) входом отсчетного мультивибратора 11 соединен выход мультивибратора-расширителя 8. Выход отсчетного мультивибратора 11 соединен с первым выходом вычислительного устройства 12, С вторым входом вычислительного устройства 12 соединен также выход блока 5 управления ключами.

На фиг.2 изображена конструкция цилиндрического корпуса. Датчики 1 и 2 ульт- развуковых колебаний укреплены в торцовых частях корпуса. Их рабочие (излучающие и принимающие) поверхности обращены друг к другу и параллельны между собой. Расстояние между ними составляет 10...20 диаметров диска пьезоэлемента, Корпус представляет собой конструкцию, внутри которой имеется продольная сквозная полость, корпус имеет основание для крепления к объекту, расстояние от оси полости до посадочной поверхности составляет 4-9 диаметров диска датчика.

0 Вычислительное устройство (фиг.1) представляет собой однокристалльную микро- ЭВМ типа КМ1813 или КМ1816.

Функциональная схема вычислительного устройства 12, реализуемого с помощью

5 микро-ЭВМ КМ1813, представлена на фиг.З. Она включает в себя селектор 13 сигналов, один вход которого соединен с блоком 5 управления ключами, второй с датчиками 1 или 2 в зависимости от того, какой из них в

0 данный момент соединен с вычислительным устройством. Два выхода селектора сигналов соединены соответственно с сумматором 14 и сумматором 15. Выходы сумматоров 14 и 15 соединены с входом

5 блока 16 вычисления скорости звука, выход которого, а также второй выход сумматора 15 соединены с входами блока 17 вычисле- ния воздушной скорости, выходы которого, а также выход блока 16 соединены с портом

0 18 вывода информации, который в свою очередь соединен с индикатором 19.

Работа электронных блоков при отсутствии скорости движения протекает следующим образом.

5 Генератор 6 прерываний вырабатывает импульсы 20 (фиг.4), которые открывают генератор 7 ультразвуковых колебаний. На его выходе появляются пачки высокочастотных импульсов 21. Эти импульсы подаются

0 на ключи 3, 4, которые с помощью блока 5 управления ключами (фиг.1) меняют местами датчики 1 и 2 через каждые 10 пачек высокочастотных импульсов 21. К ключам 3, 4 также подключен усилитель 9 радиоим5 пульсов, который усиливает слабый акустический отраженный импульс 22. Таким образом блок 5 управления ключами с ключами 3 и 4 позволяют изменить направление излучения и приема, что в свою очередь дает

0 возможность измерять скорость звука и скорость объекта относительно воздуха. Мультивибратор-расширитель вырабатывает импульсы 23. Усиленный акустический импульс 24 поступает на детектор 10, где вы5 деляется огибающая ВЧ-импульсов 24 и ограничивается уровень сигнала. Далее сигнал поступает на отсчетный мультивибратор 11, где формируется импульс 25, передний фронт которого строго привязан к акустическому импульсу 24. С отсчетного

мультивибратора информация поступает на вычислительное устройство 12, туда же приходит информация с блока 5 управления ключами для обеспечения синхронной работы. Входная часть вычислительного устройства 12 представляет собой схему сравнения, где импульс 25 сравнивается с расширенным импульсом 23 для того, чтобы убрать постоянную составляющую импульса 24, что позволяет повысить чувствительность устройства в целом и изменять диапазон измерения.

При отсутствии скорости объекта время прохождения пути от излучателя до приемника ультразвуковых колебаний (в данный момент времени) определяется расстоянием L между ними и равно

t L/C,

О)

где С - скорость звука.

При наличии скорости V объекта относительно воздуха в течение времени tn 1 /7,5 с, например, датчик 1 является излучателем ультразвуковых колебаний, а датчик 2 приемником ультразвуковых колебаний. За это время датчик 1 излучает 10 пачек последовательностей 58-килогерцовых импульсов, а датчик 2 их воспринимает. В этот промежуток времени tn имеет место время тп распространения ультразвука от излучателя 1 до приемника 2 в каждом импульсе (в данном интервале времени):

п (п 1-2--)В течение времени tn + 1 1/7,5 с уже датчик 2 является излучателем, а датчик 1 приемником ультразвуковых колебаний. За это время датчик 2 излучает, а датчик 1 принимает 10 пачек 58-килогерцовых импульсов.

В этот промежуток времени каждый ультразвуковой импульс преодолевает путь от излучателя 1 до приемника 2 за другое время Тп+г.

Тп+1

Ц/ (п 1-2,...).

С -V

При этом Гп и т п+1 определяются по формулам:

1 vm i r n - - 2/ T n ;

Гп+1

-iS (

Гп + 1

Здесь r n есть время прохождения i-ro импульса ультразвуковых колебаний от излучателя 1 до приемника 2 в n-й пачке импульсов; Гп+1 - тоже самое в. (п+1)-пачке импульсов.

Времена гп и г-п+1 измеряются, L известно, поэтому вычислительное устройство определяет оценки скоростей V и С по алгоритмам:

(гп +rn + /,)L 2гпГпЧ-

(6);

i л

V -F- -С.

n

(7)

При этом вычислительное устройство вначале по алгоритмам (4), (5) определяет гп и Гп+1. Использование того или другого алгоритма определяется знаком на выходе блока управления ключами.

Затем по алгоритмам (6) и (7) определяет оценки скоростей звука и воздушной скорости объекта.

Достоинством данного устройства по отношению к известным решениям является то, что в данном устройстве определяются и скорость звука, и воздушная скорость объекта. Поэтому точность данного устройства значительно превышает точность известного решения.

35

40

45

50

55

Формула изобретения Ультразвуковой измеритель для определения скорости воздушных и наземных объектов относительно воздуха, содержащий датчики ультразвуковых колебаний в виде излучателя и приемника, установленные внутри цилиндрического корпуса, закрепленного на объекте, генератор ультразвуковых колебаний, генератор прерываний, усилитель радиоимпульсов, детектор, мультивибратор-расширитель, отсчетный мультивибратор и вычислительное устройство, при этом вход генератора ультразвуковых колебаний соединен с выходом генератора прерываний, второй выход которого соединен с входом мультивибратора-расширителя, выход которого соединен с входом отсчетного мультивибратора, соединенного выходом с входом вычислительного устройства, второй вход отсчетного мультивибратора через детектор соединен с выходом усилителя радиоимпульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены блок управления ключами и соединенные с ним два ключа, причем один из датчиков ультразвуковых колебаний с помощью блока управления ключами и ключа соединен с выходом генератора ультразвуковых колебаний, а второй через блок управления ключами и второй ключ связан с входом усилителя радиоимпульсов, второй вход вычислительного устройства соединен с выходом блока управления ключами, при этом излучатель и приемник ультразвуковых колебаний расположены вдоль оси цилиндрического корпуса.

Изобретение относится к акустике, конкретно к средствам измерения скорости объектов относительно воздуха. Цель изобретения - повышение точности. Цель изобретения достигается схемой устройства, состоящей из двух датчиков 1, 2 ультразвукового излучения, двух ключей 3, 4, блока 5 управления ключами, генератора б прерываний, генератора 7 ультразвуковых колебаний, мультивибратора-расширителя 8, усилителя 9 радиоимпульсов, детектора 10, отсчетного мультивибратора 11, вычислительного устройства 12. Вновь введенными блоками являются ключи 3, 4, блок 5 управления ключами, а также усовершенствованный канал обработки, включающий вычислительное устройство 12. Блок 5 управления ключами и ключи 3 и 4 меняют местами датчики ультразвуковых колебаний, за счет чего через 1 /7,5 с один из дат- чиков является излучателем, другой приемником, а следующие 1/7,5 с датчики меняются местами. Информация о работе устройства переключения подается на вход вычислительного устройства, которое определяет скорость объекта относительно воздуха и скорость звука в воздухе. 4 ил. СО с