Ультразвуковой преобразователь перемещений

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s G 01 В 17/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

-4

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4839314/28 (22) 14.06,89 (46) 30.09.92. Бюл, № 36 (71) Пензенский политехнический институт (72) С,Б,Демин (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1024692, кл. G 01 В 7/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР

¹1368628,,кл. G 01 В 17/00, 1988. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к магнитоакустическим преобразователям перемещений, и может найти применение в робототехнических системах и комплексах для двухкоординатного измерения параметров линейного перемещения объекта. Цель изоИзобретение относится к измерительной технике, а именно к магнитоакустическим преобразователям перемещений, и может найти применение в системах двухкоординатного измерения параметров кинематического движения объекта, Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащии два реохорда, источник напряжения постоянного тока, источник напряжения пульсирующего тока и регис-ратор.

Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, выбранный в качестве прототипа, который содержит основание, звукопровод, закрепленный на основании, первый и второй акустические поглотители, установленные на концах звукопровода, первый и второй сосредоточенные элеменбретения — повышение точности и надежности измерения перемещений. Ультразвуковой преобразователь перемещения содержит Г-образный магнитострикционный звукопровод с установленными на нем неподвижными сосредоточенными элементами считывания и подвижными поляризующими магнитами, которые механически связаны с перемещающимся объектом. В ветвях магнитострикционного звукопровода импульсами тока возбуждаются акустические волны, которые -расйространяются от точек расположения поляризующих магнитов к концам звукопроводов, По времени распространения указанных волн в ортогонально расположенных ветвях звукопровода судят о координатах перемещающегося объекта, 2 ил, ° Ъ ты считывания, установленные на звукопро- 4 воде рядом с акустйческими пбглотйтелями,;Ch подключенные к выходам последних пер- (JI вый и второй избирательные усилители- 10 формирователи считывания и последова- 0 тельно соединенные формирователь импульсов и усилитель записи, Основными недостатками известного устройства являются невысокая точность и надежность измерения двухкоординатного перемещения объекта, Целью изобретения является повышение точности и надежности измерения перемещений.

Это достигается тем, что в ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий основание, звукопровод, закрепленный на основании, первый и второй акусти1765690 ческие поглотители, установленные на концах звукопровода, первый и второй сосредоточенные элементы считывания, установленные на звукопроводе рядом с акустическими поглотителями, подключен- 5 ные к выходам последних, первый и второй избирательные усилители-формирователи считывания и последовательно соединенные формирователь импульсов и усилитель

" записи, дополнительно введены первый и 10 второй поляризующие магниты, установленные на расположенных ортогонально ветвях звукопровода с возможностью продольного перемещения, первый и второй триггеры управления, триггер контроля 15 ошибки, первый и второй измерительные генераторы, первый и второй счетчики результата, первый и второй инверторы, первый и второй элементы ИЛИ, звукопровод выполнен из магнитострикционного мате- 20 риала и гальванически связан с выходом усилителя записи, выходы первого и второго избирательных усилителей-формирователей считывания подключены соответственно к синхровходам первого и второго 25 триггеров управления, их выходы соединены со входами первого и второго измерительных генераторов и входами первого элемента ИЛИ. Выход последнего служит шиной запроса, выходы измерительных ге- 30 нераторов подключены соответственно к счетным входам первого и второго счетчиков результата, их разрядные выходы служат первой и второй шинами результата, Выходы переноса первого и второго счетчи- 35 ков через второй элемент ИЛИ подключены к синхровходу триггера контроля ошибки, нулевые входы объединены с входами первого и второго инверторов и подключены к выходу формирователя импульсов, сигналь- 40 ный вход последнего служит шиной запу.ска, а управляющий вход служит шиной управления и соединен с нулевыми входами первого и второго триггеров управления и триггера контроля ошибки, единичные вхо- 45 ды всех триггеров объединены и соединены с выходом первого инвертора, выход триггера контроля ошибки служит шиной контроля ошибки, выход второго инвертора-шиной синхронизации, а поляризующие 50 магниты предназначены .для кинематического соединения с перемещающимся объектом.

На фиг,1 приведена блок-схема ультразвукового преобразователя перемещений; 55 на фиг.2 — основные временные диаграммы, поясняющие его работу.

Ультразвуковой преобразователь перемещений (фиг.1), содержит двухкоординатный первичный магнитострикционный преобразователь перемещений (ДМПП), состоящий из основания 1, Г-образного звукопровода 2 из магнитострикционного материала, двух акустических поглотителей

3,4, подвижных поляризующих магнитов

5,6, неподвижных сосредоточенных элементов 7,8, считывания и координатных паводковых элементов 9,10 с визирным элементом 11, усилителя 12 записи и двух избирательных усилителей-формирователей 13,14 считывания и вторичный преобразователь, состоящий из формирователя 15 импульсов, двух триггеров 16,17 управления и триггера 18 контроля ошибки, двух измерительных генераторов 19,20 и счетчиков

21,22 результата, первого инвертора 23, двух элементов ИЛИ 24,25, второго инвертора 26, а также шину 27 управления, шину

28 запроса, шину 29 запуска, шину 30 синхронизации, первые и вторые шины 31,32 результата и шину 33 контроля ошибки.

На основании ДМПП закреплен Г-образный магнитострикционный звукопровод

2 с углом изгиба 90, заключенный в акустические поглотители 3,4 и включенный гальванически в электрическую цепь записи усилителя 12 записи. На его ортогональных ветвях закреплены поляризующие магниты

5,6, выполненные с возможностью перемещения, которые через координатные поводковые элементы 9,10 и визирный элемент 11 кинематически подключены к объекту.

Вблизи акустических поглотителей 3,4 на ветвях звукопровода 2 неподвижно закреплены сосредоточенные элементы 7,8 считывания, подключенные к входам первого и второго избирательных усилителейформирователей 13,14 считывания. Их выходы подсоединены к синхровходам первого и второго триггеров 16,17 управления вторичного преобразователя, которые в свою очередь подключены к входам первого и второго измерительных генераторов 19,20 первого элемента 24 ИЛИ соответственно.

Выходы генераторов 19,20 соединены со счетными входами первого и второго счетчиков 21,22 результата. Их разрядные выходы подключены соответственно к первым и вторым шинам 31,32 результата, а выходы переноса через второй элемент 25

ИЛИ подсоединен к синхровходу триггера

18 контроля ошибки, его выход подключен к шине 33 контроля ошибки, а выход первого элемента 24 ИЛИ подключен к шине 28 запроса. Нулевые входы триггеров 16,17,18 объединены, соединены с одним входом формирователя 15 импульсов и подключены к шине 27 управления. Сигнальный вход формирователя 15 импульсов подключен к шине 29 запуска, а выход соединен с входа1765690

15 (2) 20

30

55 ми усилителя 12 записи, первого и второго инверторов 23,26 и нулевыми входами счетчиков 21,22 результата. Выход второго инвертора 26 подключен к шине 30 синхронизации, а выход первого инвертора

23 соединен с единичными входами триггеров 16,17,18.

Ультразвуковой преобразователь перемещений работает следующим образом.

В исходном состоянии по шине 27 управления выставлен запрещающий работу преобразователя сигнал (фиг.1). В этом режиме его запуск невозможен. Перевод преобразователя в режим работы производится при подаче сигнала. "Разрешение" (фиг,2а) по шине 27 управления. Разблокируются формирователь 1? импульсов и триггеры 16,17,18, установленные первоначально в нулевое состояние (фиг.2и,к).

По шине 28 запроса выставляется сигнал "Запрос" (фиг.2м), в ответ на который через время реакции t> по шине 29 запуска выставляется сигнал "Запуск" (фиг.2б).

Формирователь 15 импульсов вырабатывает сдвоенный прямоугольный видеоимпульс записи со скважностью равной 2 (фиг.2в), которым возбуждается усилитель

12 записи, обнуляются счетчики 21,22 результата и через инвертор 23 устанавливаются в единичное состояние триггеры

16,17,18, Это приводит к синхронному запуску измерительных генераторов 19,20, вырабатывающих счетные импульсы частоты

fo, которые проходят на счетные входы riepвого и второго счетчиков 21,22 результата, где и накапливаются (фиг.2и,к). По шине 28 запроса снимается сигнал "Запрос" (фиг.2м), а по шине 30 синхронизации выставляется сигнал "Синхронизация" (фиг.2н).

На выходе усилителя 12 записи формируются токовые посылки, которые проходят через среду магнитострикционного звукопровода 2 и возбуждают в его среде под поляризованными магнитами 5,6 упругие волны удвоенной амплитуды (фиг.2г) вследствии магнитомеханического преобразования. Упругие волны распространяются в обе стороны по ортогональным ветвям звукопровода 2 со скоростью волны кручения V<> и достигают первый и второй сосредоточенные элементы 7,8 считывания через искомые временные интервалы перемещения:

lõ !у

Т=,Т„= (1)

VK где lx,ly — расстояние между поляризующими магнитами 5,6 и элементами 7,8 считывания по координатным осям Х и У, Проходя по ветвям звукопровода 2 под элементами 7,8 считывания упругие волны (фиг.2,д,е) наводят на их выводах импульсы напряжения считывания вследствии магнитоупругого преобразования, которые усиливаются и преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы считывания избирательными усилителями-формирователями 13,14 считывания (фиг.2ж,з). Сигналы считывания проходят на синхровходы первого и второго триггеров 16,17 управления и переводят их в исходное состояние. Измерительные генераторы 19,20 останавливаются, и в следующий момент на выходах первого и второго счетчиков 21,22 результата выставляются m и и — разрядные коды искомого двухкоординатного перемещения объекта

Nx=Тх fo Ny=Òó fo, формируя по шинам 31,32 результата сигналы "Перемещение Х" и "Перемещение Y" (фиг.2и,к). По шине 28 запроса выставляется сигнал "Запрос" (фиг.2м).

Другие упругие волны, распространяясь далее по ветвям звукопровода 2, проходят в его смежные ветви и через время:

I1 + 12 + 1х Т- )1 + 2 + ly 3)

Т вЂ” Тг—

1/кр Чкр где (Ii+Iz) — расстояние между поля ризующими магнитами 5,6 по образующей звукопровода 2, считываются элементами 7,8 считывания.

На выходах избирательных усилителей-формирователей 13,14 считывания формируются сигналы считывания, которые подтверждают состояние триггеров 16,17 управления, Достигая акустические поглотители 3,4 упругие волны испытывают поглощение и образование, накоп ение в среде магнитострикционного звукопровода 2 акустической энергии отраженных волн не и роисходит, поддерживается задан ное отношение сигнал/помеха. На этом цикл преобразования завершается и он переходит в режим ожидания очередного цикла преобразования, который начинается по инициативе пользователя и выполняется согласно рассмотренного, В случае нарушения режима работы преобразователя в виде переполнения разрядных сеток счетчиков 21,22 производится переключение триггера 18 контроля ошибки и по шине 33 контроля ошибки будет выставлен сигнал "Ошибка" (фиг.2л), информируя пользователя о недостоверности

1765690 информации в текущем цикле преобразователя, Точность измерения перемещения объекта по сравнению с прототипом повышена за счет уменьшения составляющей погрев- 5 ности из-за дисперсии скорости упругой волны в звукопроводе. Применение поляризующих магнитов в качестве координатных задатчиков положения объекта повышает динамические характеристики ДМПП и срок 10 эксплуатации, упрощает его кинематическую схему, что ведет к расширению области применения, Возбуждение в среде магнитострикционного звукопровода

ДМПП упругих волн удвоенной амплитуды и 15 повышение избирательности цепей считывания повышает помехоустойчивость преобразования, а использование самоконтроля — повышает надежность и реобразователя. 20

Формула изобретения

Ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий основание, звукопровод, закрепленный на основании, первый и второй акустические поглотители, 25 установленные на концах звукопровода, первый и второй сосредоточенные элементы считывания, установленные на звукопроводе рядом с акустическими поглотителями, подключенные к выходам последних, пер- 30 вый и второй избирательные усилителиформирователи считывания и последовательно соединенные формирователь импульсов и усилитель записи, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения 35 точности и надежности измерения перемещений, он снабжен первым и вторым поляризующими магнитами, установленными на расположенных ортогонально ветвях звукопровода с возможностью продольного пе- 40 ремещения, первым и вторым триггерами управления, триггером контроля ошибки, первым и вторым измерительными генераторами, первым и вторым счетчиками результата, первым и вторым инверторами, первым и вторым элементами ИЛИ, звукопровод выполнен из магнитострикционного материала и гальванически связан с выходом усилителя записи, выходы первого и второго избирательных усилителей-формирователей считывания подключены соответственно к синхровходам первого и второго триггеров управления, их выходы соединены с входами первого и второго измерительных генераторов и входами первого элемента ИЛИ, выход последнего служит шиной запроса, выходы измерительных генераторов подключены соответственно к счетным входам первого и второго счетчиков результата, их разрядные выходы служат первой и второй шинами результата, выходы переноса первого и второго счетчиков через второй элемент ИЛИ подключены к синхровходу триггера контроля ошибки,и нулевые входы объединены с входами первого и второго инверторов и подключены к выходу формирователя импульсов, сигнальный вход последнего служит шиной запуска, а управляющий вход служит шиной управления и соединен с нулевыми входами первого и второго триггеров управления и триггера контроля ошибки, единичные входы всех триггеров объединены и соединены с выходом первого инвертора, выход триггера контроля ошибки служит шиной контроля ошибки, выход второго инвертора — шиной синхронизации, а кольцевые поляризующие магниты предназначены для кинематического соединения с перемещающимся контролируемым объектом.

1765690

1765690 ц РО®ЕШИНУ

Юу

Составитель С.Демин

Техред М.Моргентал

Редактор Т.орловская

Корректор О,Кравцова

Заказ 3379 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Лроизеодстеенно-издательский комбинат "ЛЛааттеенннт", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101