Ультразвуковой измерительный преобразователь скорости линейного перемещения

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК > 753 2 (s1)s G 01 В 17/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

Г1РИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

,) ф

0 ЬЭ

1 (21) 4756656/28 (22) 09.11.89 (46) 15,07.92. Бюл, ¹ 26 (71) Пензенский политехнический институт (72) С.Б.Демин (53) 620.179.16 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 956964, кл. G 01 В 7/00, 1982, Авторское свидетельство СССР

¹ 956965, кл, G 01 В 7/00, 1982.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1109778, кл, G 01 В 7/00, 1984. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СКОРОСТИ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в робототехнических системах и .комплексах для измерения и контроля парэИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для использо вания в робототехнических системах и комплексах для измерения и контроля параметров кинематического движения объекта, Известен ультразвуковой измерительный преобразователь линейных перемещений. состоящий из мэгнитострикционного звукопровода, заключенного в акустические демпферы, неподвижной катушки возбуждения, подвижной приемной и неподвижной опорной катушек считывания. тактового генератора, формирователя импульсов записи, двух усилителей-формирователей импульсов считывания, генератора образцовой частоты, трех триггеров, трех логических элементов И, двух счетчиков и измерителя отношений... 5Ы«, 1747892 Al метров /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, установлвнными 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.

Известен ультразвуковой измерительный преобразователь линейных перемещений, состоящий из прямолинейного магнитострикционногб звукопровода, заключенного в акустические демпферы, со-. средоточенных элемента записи и элемента считывания. формирователя импульсов записи. усилителя считывания, блока формирования стартовых импульсов, многофэзного генератора, блока элементов совпадения и счетчиков, элемента ИЛИ и триггера /2/.

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

1747892 записи и элементов считывания. формирователя импульсов записи, двух усилителейформирователей импульсов считывания, расширителя импульсов и схемы совпадения.

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

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

Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковой измерительный преобразователь линейного перемещения, содержащий прямолинейный звуKOflðîâîä из магнитострикционного материала, расположенные на его концах акустические демпферы, подвижную каретку. которая предназначена для кинематической связи с обьектом перемещения, установленный на каретке соосно с основным звукопроводом 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, снабжен дополнительным r>ðÿìîëèíåéным звукопроводом из однотипного магнитострикционного 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 парэ. включающая третий и четвертый элементы считывания, соединены между собой выходами разноименной полярности и подключены к входам усилителя считывания.

55 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, данных и контроля резуль10

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

Ультразвуковой измерительный преобразователь скорости линейного перемещения (фиг.1) содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений (МПП), состоящий из основного и дополнительного прямолинейных звукопроводов 1, 2 из однотипных магнитострикционных материалов, двух акустических демпферов 3 и ограничителей 4 перемещений, подвижной каретки 5 с сосредоточенными элементом 6 записи и элементами 7—

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 синхронизации, шины 19 данных и шину 20 контроля результата.

Основной и дополнительный звукопроводы 1, 2 расположены между собой равнопараллельно и установлены в акустические демпферы 3, рядом с которыми установлены ограничители 4 перемещений, задающие физический диапазон каретки 5. подключенной к объекту. На каретке 5 закреплены сосредоточенные элементы 6 и 7 — 10 записи и считывания. При этом, первые и вторые основные и дополнительные элементы 7, 8 и 9, 10 считывания установлены оппозитно на основном и дополнительном звукопроводах 1.. 2. Их разнополярные выводы обьединены, соответственно, с первым и вторым входами усилителя 12 считывания. Сосредоточенный элемент 6 записи установлен на основном звукопроводе посередине между основными элементами 7, 9 считывания., 1747892 тата соответственно. Управляющий вход

ЦИВ И 14 подключен к шине 15 разрешения, а вход запуска подключен к шине 17 запуска и соединен с входом одновибратора 13.

ЦИВИ 14 (фиг,3) выполнен из последа- 5 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 10 компаратора 26, выход которого является четвертым входом ЦИВИ 14, последовательно соединенных триггера 27 управления и генератора 28 кодов, второй вход которого является управляющим входом 15

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 -20 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- 25 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 30 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 обьединен с еди- 35 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- 40 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 45

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. 50

Ультразвуковой измерительный преобразователь скорости линейного перемещения работает следующим образом, Первоначально преобразователь (фиг.1) находится в заблокированном состоянии и 55 не реагирует на сигналы "Запуск" по шине

17 запуска. При подаче по шине 15 разрешения сигнала 33 "Разрешение" преобразователь 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 t > 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 эвукопроводе 1 на опорном расстоянии 1 от первого и второго сосредоточенных элементов 7, 9 считывания, Сосредоточенные элементы 6, 7, 9 установлены на каретке 5 и перемещаются с искомой скоростью v, вдоль звукопровода 1 между ограничителями 4 перемещений.

В результате магнитомеханического преобразования под сосредоточенным элементом 6 записи в среде магнитострикционного звукопровода 1 МПП возбуждается продольная нормальная упругая волна, распространяющаяся в обе стороны с фазовой скоростью чпр. Через искомое время, соответственно, Т1 И Т2 =, (1) 1 1

vnp + vx, пр — vx 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

Т„= IT)-Tzl =21 f, — — f (2) чйр Vx несущий информацию о скорости перемещения обьекта, над которым выполняется операция дискретизации для получения цифрового эквивалента скорости перемещения обьекта. Данная операция выполняется ЦИ.ВИ 14, работающим следующим образом (фиг.3).

1747892

Так, по сигналу 35 "Запуск" производится переключение триггера 27 управления е 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 Мь сменяемая с частотой fo. Одновременно по сигналу 35

"Запуск" производится запись .кода I4r, -1 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 = Т 4ои N2=. Т о в первый и второй регистры 22, 23 с выхода генератора 28 кодов, так, что в первом регистре 22 будет размещен код Ж а во втором регистре 23 — код Ю, Здесь же код Й1 преобразуется в обратный код (инвертируется) N1. Далее коды N1, М2поступают на входы комбинационного сумматора 24 где выполняется операция суммирования Nx = М + Й2.

В. результате этой операции на и-разрядном выходе ЦИВИ 14 формируется код

N, 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 й,+i - Их=0 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 сигналое. ЦИВИ 14 переходит в режим ожидания следующего цикла преобразования, Распространяясь далее по основному звукопроводу 1 упругие волны s 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 взаимокомпенсация помех достигается при идентичности

10 грешности дополнительного канала измере- . ния, Л„1 4 — статическая погрешность ЦИВИ

14. (t )-действительное значениескорости перемещения объекта, Из выражения (3) видно, что при равен35

30 параметров магнитострикционных трактов

1, 2 и сигнальных цепей считывания

ilj = осн — ардон = Q (t() + Aс Щсн,(3) где $ — ура вн ение изме рите л ьн ой и роцедуР ы, А1осн = Ag (t1 ) + (h„g + Лст Aj )— уравнение погрешности основного канала измерения,Я дог = Л„ jpоn — уравнение постве статических погрешностей основного и дополнительного акустических трактов

МПП: Ат @сн = Ат одоп. точность измерения скорости v> перемещения обьекта оценивается величиной погрешности, вносимой ЦИВИ 14, Это обеспечивает повышение помехоустойчивости и точности измерения параметров кинематического движения обьекта. 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, t

Формула изобретения

Ультразвуковой измерительный преобразователь скорости 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 на одинаковом расстоянии первый и второй элементы считывания, усилитель записи, выход которого подключен к элементу записи, усилитель считывания и цифровой измеритель временных интервалов, о тл и ч а ю щи и с я тем. что, с цель повышения помехоустойчивости преобразователя. он снабжен дополнительным прямолинейным звукопроводом иэ магнитострикционного материала, установленным между акустическими демпферами параллельно основному звукопроводу, ограничителями перемещений, третьим и четвертым элементами считывания, установленными на подвижной каретке соосно дополнительному эвукопроводу и оппозитно первому и второму элементами считывания

1747892

36 Й 20 19 соответственно 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 llo

5 лярности и подключены к входам усилителя считывания, измерительный вход цифрового измерителя временных интервалов подключен к выходу усилителя считывания, управляющий вход- к шине "Разрешение", а первый, 10 второй. третий и четвертый выходы подключены к шинам "Запрос", "Синхронизация".

"Данные" и "Контроль результата .

1747892

1747892

Составитель С.Демин

Редактор H.Kàìåíñêàÿ Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Э,Лончакова

Заказ 2493 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101