Ультразвуковой преобразователь линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность и чувствительность преобразования скорости линейного перемещения объекта в число-импульсный код. Ультразвуковой преобразователь скорости линейного перемещения содержит V-образный магнитострикционный звукопровод 1 со свободными концами, закрепленный на подвижном основании 2 сосредоточенные элементы 3, 4 записи и считывания, магнитострикционную линию 5 задержки, формирователь 10 импульсов записи, избирательный усилитель 11 считывания, избирательный усилитель-формирователь 12 считывания, модулятор 13, а также входные и выходную шину 14, 15, 16. Повышение точности и чувствительности преобразования достигается за счет уменьшения влияния дестабилизирующих факторов среды и выполнение звукопровода V-образной формы, на ветвях которого установлены сосредоточенные элементы записи и считывания. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

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

Известен ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий синхрогенератор, генератор зондирующих импульсов, подвижный электроакустический преобразователь, ультразвуковой звуковод, усилитель, элемент И, два триггера, счетчик, селектор, счетчик результата, дешифратор, второй элемент И, одновибратор, регистр, цифровое отсчетное устройство, второй одновибратор и генератор счетных импульсов [1] .

Известный ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод, закрепленный на нем сосредоточенный элемент считывания, соединенный с ним избирательный усилитель-формирователь считывания, линию задержки и формирователь импульсов записи, соединенный с входом линии задержки [2] .

Основными недостатками известных устройств является недостаточная точность и чувствительность по перемещению из-за влияния дестабилизирующих факторов среды и использования прямолинейного волноведущего тракта.

Целью изобретения является повышение точности преобразования скорости линейного перемещения объекта в число-импульсный код.

Это достигается тем, что ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод, закрепленный на нем сосредоточенный элемент считывания, соединенный с ним избирательный усилитель-формирователь считывания, линию задержки и формирователь импульсов записи, соединенный с входом линии задержки, снабжен сосредоточенным элементом записи, подключенным к формирователю импульсов записи, модулятором, подключенным к выходу избирательного усилителя-формирователя считывания, и избирательным усилителем считывания, включенным между выходом линии задержки и формирователем импульсов записи, магнитострикционный звукопровод выполнен U-образным и кинематически соединен с подвижным относительно него основанием, предназначенным для связи с объектом, сосредоточенные элементы записи и считывания размещены на параллельных ветвях звукопровода, второй вход формирователя импульсов записи предназначен для подключения к шине запуска, третий его вход и второй вход модулятора - к шине управления, а выход модулятора - к шине результата.

Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковой преобразователь снабжен вторым состедоточенным элементом считывания, размещенным на расстоянии, равном или кратном полупериоду зондирующей упругой волны от первого, подключенными к его выходу последовательно соединенными вторым избирательным усилителем-формирователем считывания и схемой определения знака перемещения, вторым входом подключенной к выходу первого избирательного усилителя-формирователя считывания, а также тем, что линия задержки выполнена в виде радиального звукопровода с монолитным акустическим поглотителем, размещенного на торцовой части радиального звукопровода пьезоэлектрического элемента записи и третьего сосредоточенного элемента считывания, закрепленного на радиальном звукопроводе, электроды пьезоэлектрического элемента являются входом линии задержки, а выход третьего элемента считывания - ее выходом.

На фиг. 1, 2 приведены блок-схемы ультразвукового преобразователя линейных перемещений с разным выполнением сигнальной цепи считывания; на фиг. 3-5 - варианты выполнения его формирователя импульсов записи, избирательного усилителя-формирователя, считывания и схемы определения знака перемещения; на фиг. 6, 7 - основные временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя.

Ультразвуковой преобразователь скорости линейного перемещения (фиг. 1) содержит U-образный магнитострикционный звукопровод 1 со свободными концами, закрепленный на подвижном основании 2, кинематически соединенным с объектом, сосредоточенные элемент 3 записи и элемент 4 считывания, магнитострикционную линию 5 задержки (МЛЗ), выполненную на основе радиального звукопровода 6 из однотипного с U-образным звукопроводом материала с монолитным акустическим поглотителем 7, пьезоэлектрического элемента 8 записи и сосредоточенного элемента 9 считывания, формирователь 10 импульсов записи, избирательный усилитель 11 считывания, избирательный усилитель-формирователь 12 считывания, модулятор 13, а также шину 14 управления, шину 15 запуска и шину 16 результата.

Сосредоточенные элементы 3, 4 записи и считывания закреплены на разных равнопараллельных ветвях U-образного звукопровода 1. Выводы сосредоточенного элемента 4 считывания через избирательный усилитель-формирователь 12 считывания подключены к сигнальному входу модулятора 13. Его вход управления объединен с входом управления формирователя 10 импульсов записи и подключен к шине 14 управления. Один сигнальный вход формирователя 10 импульсов записи подключен к шине 15 запуска, другой его вход соединен с выходом избирательного усилителя 11 считывания, а выход подсоединен к выводам сосредоточенного элемента 3 записи и пьезоэлектрического элемента 8 записи, закрепленного на торцовой части радиального звукопровода 6 МЛЗ 5. На другой части звукопровода 6 закреплен второй сосредоточенный элемент 9 считывания, подключенный к входу избирательного усилителя 11 считывания.

Кроме того, в ультразвуковой преобразователь линейных перемещений (фиг. 2) введены второй сосредоточенный элемент 17 считывания и второй избирательный усилитель-формирователь 18 считывания и схема 19 определения знака перемещения. Сосредоточенный элемент 17 считывания закреплен на второй ветви U-образного звукопровода 1 на расстоянии от первого сосредоточенного элемента 4 считывания, равном или кратном полупериоду стоячей волны, возбуждаемой в среде звукопровода. Его выводы через второй избирательный усилитель-формирователь 18 считывания подсоединены одному входу схемы 19 определения знака перемещения. Его другой вход соединен с выходом первого избирательного усилителя-формирователя 12 считывания, а парафазные выходы подключены к шинам 20 знака перемещения.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально устройство (фиг. 1) находится в заблокированном состоянии и не реагирует на сигналы "Запуск" по шине 15 запуска. Перевод устройства в режим работы производиться по цифровому сигналу "Разрешение", выставляемого пользователем по шине 14 управления. Разблокируются формирователь 10 импульсов записи (фиг. 3) и модулятор 13.

В следующий момент по шине 15 запуска подается цифровой импульсный сигнал "Запуск", возбуждающий формирователь 10 импульсов записи. На его выходе формируется токовый импульс записи соответствующей длительности, который проходит на сосредоточенные элемент 3 записи и пьезоэлектрический элемент 8 записи МЛЗ 5. В результате магнитомеханического преобразования (эффект Джоуля) в средах магнитострикционных звукопроводов 1 и 6 возбуждаются упругие нормальные волны, распространяющиеся с продольной фазовой скоростью V_пр .

Так, упругая волна, распространяясь по радиальному звукопроводу 6 МЛЗ 5, достигает второй сосредоточенный элемент 9 считывания и им считывается вследствие магнитоупругого преобразования (эффект Виллари) через время: T_оп= Π (1) где R₁ - радиус дополнительного звукопровода 6 МЛЗ 5.

С выводов элемента 9 считывания наведенный аналоговый импульс считывания усиливается избирательным усилителем 11 считывания и подается на второй сигнальный вход формирователя 10 импульсов записи (фиг. 3). Осуществляется его повторный запуск, и весь процесс преобразования сигналов в контуре 10, 5, 11 повторяется.

На выходе формирователя 10 считывания устанавливается устойчивая генерация импульсов с некоторой частотой следования, выбираемая из условия формирования стоячей упругой волны в среде магнитострикционного U-образного звукопровода 1 f_оп= = , (2) где K = 2˙L/πR, - число полупериодов стоячей волны; L = 2l_x + π R - общая длина U-образного звукопровода 1; l_x - длина его прямолинейных ветвей, задающих диапазон перемещения подвижного основания 2; R - радиус закругления U-образного звукопровода 1.

Таким образом, в следующий момент времени в среде U-образного звукопровода 1 установится стоячая ультразвуковая волна, обозначающая магнитострикционную измерительную шкалу, период которой автоматически поддерживается в широком температурном диапазоне магнитострикционным генератором на элементах 5, 10, 11.

Магнитострикционная измерительная шкала перемещается относительно сосредоточенного элемента 4 считывания с искомой скоростью v_х перемещения объекта и наводит на его выводах аналоговые сигналы считывания, следующие с временным интервалом, пропорциональным мгновенной скорости движения объекта: T_x= T= (3) Аналоговые сигналы считывания поступают на вход избирательного усилителя-формирователя 12 считывания, усиливаются и преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы, которые запускают модулятор 13, вырабатывающий пачки импульсов стабильной частоты f_о.

N_x= T_xf₀= f₀ (4) которые далее проходят на шину 16 результата и формируют сигнал "Скорость".

Функциональные возможности устройства (фиг. 1) можно расширить за счет определения направления перемещения магнитострикционной измерительной шкалы. Для этого в него введена дополнительная цепь считывания на элементах 17, 18 и схема 19 определения знака перемещения (фиг. 2, 5). При этом дополнительный сосредоточенный элемент 17 считывания закреплен на второй ветви U-образного звукопровода 1 от первого сосредоточенного элемента 4 считывания на расстоянии, равном или кратном полупериоду магнитострикционной измерительной шкалы (стоячей волны). Это позволяет считывать упругие импульсы в заданной последовательности, определяемой направлением перемещения шкалы, и сдвинутых друг относительно друга на величину ϕ= π/2 (фиг, 6, 7).

Так, считанные импульсы основным и дополнительным сосредоточенными элементами 4, 17 считывания и преобразованные в прямоугольные видеоимпульсы избирательными усилителями-формирователями 12, 18 считывания в заданной последовательности (фиг. 6, а, б, 7 а, б) поступают на входы схемы 19 определения знака перемещения (фиг. 5). На выходах схемы 19 в следующий момент времени формируются импульсные сигналы "Знак", поступающие на шины 20 знака перемещения, которые указывают направление кинематического движения объекта. Их подсчет, например, реверсивным счетчиком позволяет одновременно судить о величине положения объекта относительно магнитострикционной измерительной шкалы, предварительно зарегистрировав начало диапазона преобразования. Это дополнительные возможности ультразвукового преобразователя скорости линейного перемещения по фиг. 2.

Останов устройства (фиг. 1, 2) производится переводом его в режим блокирования при снятии сигнала "Разрешение" по шине 14 управления. Блокируются формирователь 10 импульсов записи и модулятор 13, что ведет к срыву генерации магнитострикционной измерительной шкалы в среде U-образного звукопровода 1 и поглощению упругих волн его средой до полного рассеяния их энергии в течение времени успокоения t_усп. после чего возможен перезапуск устройства.

Схемотехника устройства следующая. Формирователь 10 импульсов записи (фиг. 3) выполнен на логических элементах 21, И-НЕ 22, диодных 23, 24, RC-цепи задержки на элементах 25, 26, задающей длительность импульса записи, и токовом усилителе 27 записи. Временную задержку по его цепи вносят цифровой элемент И-НЕ 22 и аналоговый элемент 27, которая не превосходит величины 3-20 нс, что позволяет ее не учитывать в выражении (1), так как она не вносит заметных искажений формы магнитострикционной измерительной шкалы в широком температурном диапазоне (-20^о-80^оС).

Избирательные усилители-формирователи 12, 18 считывания (фиг. 4) выполнены на основе избирательного RC-усилителя 28, амплитудного ограничителя 29 и порогового элемента 30.

Схема 19 определения знака перемещения (фиг. 5) выполнена на логических элементах И-НЕ 31-34, ускоряющих емкостях 35, 36 и резисторных делителях 37-40 напряжения.

Автостабилизация магнитострикционной измерительной шкалы в широком температурном диапазоне позволяет повысить точность и помехоустойчивость преобразования скорости линейного перемещения. Применение звукопровода U-образной формы позволяет в 2 раза увеличить чувствительность по измеряемому параметру. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1504509, кл. G 01 B 17/00, 1987.

2. Авторское свидетельство СССР N 1552002, кл. G 01 B 17/00, 1988.

Формула изобретения

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий магнитострикционный звукопровод, закрепленный на нем сосредоточенный элемент считывания, соединенный с ним избирательный усилитель-формирователь считывания, линию задержки и формирователь импульсов записи, соединенный с входом линии задержки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования скорости линейного перемещения объекта в число-импульсный код, он снабжен сосредоточенным элементом записи, подключенным к формирователю импульсов записи, модулятором, подключенным к выходу избирательного усилителя-формирователя считывания, и избирательным усилителем считывания, включенным между выходом линий задержки и формирователем импульсов записи, магнитострикционный звукопровод выполнен U-образным и кинематически соединен с подвижным относительно него основанием, предназначенным для связи с объектом, сосредоточенные элементы записи и считывания размещены на параллельных ветвях звукопровода, второй вход формирователя импульсов записи предназначен для подключения к шине запуска, третий его вход и второй вход модулятора - к шине управления, а выход модулятора - к шине результата.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен вторым сосредоточенным элементом считывания, размещенным на расстоянии, равном или кратном полупериоду зондирующей упругой волны, от первого, и подключенными к его выходу последовательно соединенными вторым избирательным усилителем-формирователем считывания и схемой определения знака перемещения, вторым входом подключенной к выходу первого избирательного усилителя-формирователя считывания.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что линия задержки выполнена в виде радиального звукопровода из материала U-образного звукопровода с монолитным акустическим поглотителем, размещенного на торцевой части радиального звукопровода пьезоэлектрического элемента записи и третьего сосредоточенного элемента считывания, закрепленного на радиальном звукопроводе, электроды пьезоэлектрического элемента являются входом линии задержки, а выход третьего сосредоточенного элемента считывания - ее выходом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8