Ультразвуковой преобразователь перемещений

 

Изобретение относится к контролю размеров и может быть использовано для измерения перемещения объекта. Цель изобретения - повышение быстродействия за счет использования магнитострикционного звукопровода, возбужденного ультразвуком. Этот звукопровод связан с контролируемым объектом и перемещается вместе с ним относительно узлов записи и считывания, связанных с блоком обработки информации. 5 ил.

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

Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий О-образный магнитострикционный звукопровод, сосредоточенные элемент записи и элемент считывания, два ограничителя перемещений, усилитель записи, сигнальный усилитель-формирователь, формирователь импульсов записи, D-триггер, измерительный генератор, два элемента И, Т-триггер, две схемы последовательного счета, счетчик циклов рециркуляции, цифровой компаратор, элемент задержки, два буферных регистра [1] Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, выбранный в качестве прототипа, который содержит У-образный магнитострикционный звукопровод, акустический демпфер, два ограничителя перемещений, входной и выходной сосредоточенные магнитострикционные преобразователи, усилитель записи, усилитель-формирователь считывания, опорный генератор, делитель частоты, три счетчика последовательного счета, четыре буферных регистра, три логических элемента И, сумматор, элемент задержки, блок вычисления результата, триггер управления [2] Основным недостатком известных устройств является недостаточное быстродействие преобразования перемещений, что ограничивает динамический диапазон. Это объясняется тем, что в преобразователе [1] из-за увеличения базы акустического тракта увеличивается время вычисления результирующего кода перемещения. В другом преобразователе [2] время цикла существенно уменьшено вследствие использования метода частотно-временного кодирования перемещения на основе ВИМ, формируемой по закону однотактного интегрирования, требующего устранения двузначия кодирования. За счет этого снижается быстродействия преобразования, ведущее к сужению динамического диапазона преобразования перемещений.

Целью изобретения является повышение быстродействия преобразования и расширение диапазона перемещений объекта.

Это достигается тем, что в ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод с замкнутыми прямой и обратной ветвью, оппозитно установленные на них элементы записи и считывания и связанный с ним блок кодирования и вычислений, снабжен формирователь сигналов опроса, выполненным из последовательно связанных генератора, двух инверторов и элемента И-НЕ, звукопровод выполнен О-образным с возможностью кинематической связи с перемещающимся объектом, элементы записи и считывания установлены неподвижно относительно звукопровода, а блок кодирования и вычислений выполнен в виде последовательно-параллельно связанных двух реверсивных счетчиков, двух D-триггеров, двух буферных регистров, связанного с выходами последних компаратора с коммутатором и соединенных с ними каскадов суммирования и вычитания сигналов.

На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового преобразователя перемещений; на фиг. 2 и 3 варианты выполнения его основных блоков; на фиг. 4 и 5 основные временные диаграммы, поясняющие работу ультразвукового преобразователя перемещений.

Ультразвуковой преобразователь перемещений (фиг. 1) содержит О-образный звукопровод 1 из магнитострикционного материала, установленный на подвижном основании 2 и заключенный в акустический поглотитель 3, ограничители 4 перемещений, сосредоточенные элементы 5, 6 записи и считывания, усилитель 7 записи, избирательный усилитель-формирователь 8 считывания, формирователь 9 сигналов опроса, блок 10 кодирования и вычислений (БКВ), а также шину 11 управления, шину 12 запуска, первый и вторые n-шины 13 и m-шины 14 данных, П-шины 15 знака перемещения.

Ограничители 4 перемещений закреплены на концах подвижного основания 2, кинематически подключенного к объекту. Оппозитно на параллельных ветвях О-образного звукопровода 1 установлены сосредоточенные элементы 5, 6 записи и считывания, выводы которых подсоединены соответственно к выходу усилителя 7 записи и входу избирательного усилителя-формирователя 8 считывания. Его выход соединен с одним сигнальным входом БКВ 10, а второй сигнальный вход соединен с одним выходом формирователя 9 сигналов опроса. Другой его выход соединен с входом усилителя 7 записи, а вход управления подключен к шине 11 управления. Управляющий вход БКВ 10 подключен к шине 12 запуска, а его первый, вторые и третьи выходы соответственно к первым и вторым шинам 13, 14 данных и шинам 15 знака перемещения.

Ультразвуковой преобразователь перемещений работает следующим образом. Первоначально преобразователь (фиг. 1) устанавливается в исходное состояние. По сигналу формирователя начального сброса на инверторах 54,38, 39, 40 RC-элементах 55, 56 и диоде 57 производится установка в нулевое состояние D-триггеров 25, 29, 44 и запись нулевой информации (N_Н=00 0) по информационным входам в реверсивные счетчики 24, 28 (фиг. 3).

Перевод преобразователя в режим работы осуществляется по сигналу "Разрешение" (фиг. 4 а) выставляемому по шине 11 управления. Запускается формирователь 9 импульсов опроса, выполненный на опорном генераторе 16, формирователе укороченных импульсов на инверторе 17, элементе И-НЕ 18 с времязадающей RC-цепью на элементах 20, 21 и инверторе 19 (фиг. 2). На его выходах формируются паритетные цифровые мерные шкалы грубого отсчета с шагом дискретизации Т_оп=1/f_оп, поступающие на вход усилителя 7 записи и один сигнальный вход БКВ 10 преобразователя (фиг. 5 б).

Поступая на сигнальный вход БКВ 10, импульсные сигналы формирователя 9 подсчитываются первой схемой реверсивного счета (фиг. 3), выполненной на логических элементах И-НЕ 22, 23, реверсивном счетчике 24 и D-триггере 25. На выходах реверсивного счетчика 24 формируется n разрядный код N₁= ·f_оп текущего значения (фиг. 3 б), подаваемый на информационные входы буферного регистра 30 БКВ 10, где - верхний диапазон преобразования перемещений.

Одновременно импульсные сигналы формирователя 9 укороченной длительности τ_и поступая на вход усилителя 7 записи, вырабатывают на его выходе токовые посылки, которыми возбуждается сосредоточенный элемент 5 записи. В результате магнитомеханического преобразования в среде О-образного звукопровода 1 под элементом 5 возбуждаются продольные упругие волны, которые распространяются в обе стороны с фазовой скоростью V_пр и следуют с опорной частотой = 1/Т_оп, устанавливая шаг дискретизации магнитострикционной мерной шкалы преобразователя (фиг. 5 б). Распространяясь в сторону акустического поглотителя 3 по звукопроводу 1, упругие волны в следующий момент времени достигают его и рассеивают свою энергию. Распространяясь в другую сторону, упругие волны через временной интервал искомого линейного перемещения l_x объекта T_x= (1) где R радиус закругления звукопровода 1, достигают сосредоточенного элемента 6 считывания и им считываются вследствии магнитоупругого преобразования. Достигая акустического поглотителя 3, упругие волны в следующий момент демпфируются. В среде магнитострикционного звукопровода формируется магнитострикционная мерная шкала грубого отсчета.

Наведенные импульсные аналоговые сигналы считывания, следующие с частотой f_x=1/T_o, поступают на вход избирательного усилителя-формирователя 8 считывания, где преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы длительности τ (фиг. 5 в). Эта наведенная и задержанная на время Т_х (1) импульсная последовательность поступает на второй сигнальный вход БКВ 10 и подсчитывается второй схемой реверсивного счета, выполненной на логических элементах И-НЕ 26, 27, реверсивном счетчике 28 и D-триггере 29 (фиг. 3). На выходах реверсивного счетчика 28 формируется n разрядный код N₂= текущего значения (фиг. 4 в), отличающийся от опорного значения кода N₁ на величину перемещения объекта l_x, считанного по грубой мерной шкале преобразователя. Код N₂выставляется по информационным входам буферного регистра 31 БКВ 10.

По сигналу "Запуск" (фиг. 4 г, 5 а), выставляемому по шине 12 запуска, производится запуск БКВ 10 преобразователя по захвату фазы цифровой и магнитострикционной мерных шкал грубого отсчета (фиг. 4 б, в), ее измерения (фиг. 5 е) и вычислению цифрового эквивалента N_xперемещения l_x объекта. Так, по сигналу "Запуск" в буферные регистры 30, 31 БКВ 10 заносятся коды N₁, N₂ текущего значения, выставленные в этот момент времени на выходах реверсивных счетчиков 24, 28.

Далее коды подаются на входы цифровых компаратора 32 и коммутатора 34. Компаратор 32, поразрядно сравнивая между собой значения указанных кодов, определяет наибольшее значение одного из них и через логический элемент ИЛИ 33 управляет работой выходов коммутатора 34. В результате на входы цифрового вычитателя 35 будут поданы коды N₁ и N₂ в однозначной последовательности для выполнения операции логического вычитания ΔN= N₁-N₂ (2) Вычисленный код (2) перемещения, считанный по грубой шкале преобразователя, выставляется по одной группе информационных входов комбинационного сумматора 37 (фиг. 3).

Одновременно по сигналу "Запуск" устанавливается в единичное состояние D-триггер 44 БКВ 10 (фиг. 5 г), что приводит к разблокированию логического элемента И-НЕ 42, выполняющего роль логического ключа, а также подтверждается нулевое состояние Т-триггера 43 (фиг. 5 д). При поступлении сигналов цифровой и магнитострикционой мерных шкал (фиг. 5 б, в) на вход Т-триггера 43 через цепочку логических элементов ИЛИ и И-НЕ 41, 42 произойдет его переключение по полной фазе (фиг. 5 д), на время которой запустится измерительный генератор 45 (фиг. 5 е), формирующий цифровую мерную шкалу точного отсчета. Его счетные импульсы с частотой следования f=1/T пройдут на прямой счетный вход счетчика 36 и запомнятся. На К-разрядном выходе счетчика 36 будет сформирован код фазы механотронной шкалы преобразователя, считанный относительно цифровой мерной шкалы точного отсчета N_ф=Т_ф ˙f (3) где Т_ф длительность фазы механотронной шкалы преобразователя, который поступает на другую группу информационных входов комбинационного сумматора 37 БКВ 10.

По срезу сигнала Т-триггера 43 срабатывает одновибратор БКВ 10 на инверторе 46, элементе И-НЕ 47 с RC-элементами 48, 49, который переключает D-триггер 44 в исходное состояние (фиг. 5 г, ж). Логический элемент И-НЕ 42 блокируется и на счетный вход Т-триггера 43 прекратится прохождение импульсных сигналов механотронной мерной шкалы преобразователя до следующего цикла преобразования.

В следующий момент на выходах сумматора 37 будет сформирован n-разрядный код искомого перемещения объекта N_x= ΔN+N_ф (4) который проходит на первые шины 13 данных, формируя сигнал "Положение".

Одновременно код (4) поступает на одни группы входов буферного регистра 50 и цифрового компаратора 51. При подаче очередного сигнала "Запуск" через время Т_опр ≥Т_к= τ₃₂ + τ₃₃ + τ_34,36,37, где τ время задержки сигналов по цепям элементов 32-37 БКВ 10, производится занесение кода (4) перемещения текущего значения в буферный регистр 50, а через время кодирования перемещения Т_к на выводах сумматора 37 будет сформировано очередное значение кода перемещения объекта N_x1, который поразрядно сравнивается с кодом N_x перемещения смежного цикла преобразования компаратором 51. На его П-разрядном выходе формируется код знака перемещения N_3н=N_x-N_x˙1, (5) поступающий далее на шины 15 знака перемещения с формированием сигнала "Знак перемещения".

По сигналам компаратора 51 через логический элемент ИЛИ 40 переключается цифровой коммутатор 52 и коды перемещения смежных циклов преобразования проходят однозначно на группы информационных входов вычитателя 53. В результате на его m-разрядном выходе формируется код скорости перемещения объекта V_x= Δl_x/Т_опр, где Δ l_x=l_x-l_{x˙ 1} приращение перемещений объекта за время Т_опр, равный
N_y= T_опр· ·f,
(6) который проходит на вторые шины 14 данных с формированием сигнала "Скорость".

Таким образом, использование метода паритетных шкал с времяимпульсным кодированием перемещений по закону двухтактного интегрирования позволяет уменьшить время кодирования Т_к по сравнению с прототипом на время коррекции двузначия механотронной мерной шкалы преобразователя, позволяя расширить динамический диапазон преобразования перемещений. Выполнение звукопровода преобразователя подвижным улучшает динамические характеристики первичного преобразователя, повышает его технологичность.

Формула изобретения

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий магнитострикционный звукопровод с замкнутыми прямой и обратной ветвями, оппозитно установленные на них элементы записи и считывания и связанный с ними блок кодирования и вычислений, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и расширения диапазона перемещений, он снабжен формирователем сигналов опроса, выполненным из последовательно связанных генератора, двух инверторов и элемента И НЕ, звукопровод выполнен О-образным с возможностью кинематической связи с перемещающимся объектом, элементы записи и считывания установлены неподвижно относительно звукопровода, а блок кодирования и вычислений выполнен в виде последовательно параллельно связанных двух реверсивных счетчиков, двух D-триггеров, двух буферных регистров, связанного с выходами последних компаратора с коммутатором и соединенных с ними каскадов суммирования и вычитания сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5