Ультразвуковой измеритель перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в робототехнических системах и комплексах для автоматизированного нзмерения перемещения, скорости и ускорения . Целью изобретения является расширение области применения за счет измерения скорости и ускорения контролируемого объекта. В измерителе с помощью магнитострикционного преобразователя линейных перемещений и схемы обработки данных осуществляется последовательное измерение перемещения, скорости и ускорения подвижного элемента записи, кинематически связанного с контролируемым объектом перемещения. Искомые параметры формируются с помощью двух схем реверсирования и трех блоков накопления, связанных с соответствующими буферными регистрами для вывода результатов измерения. 1 з.п« ф-лы, 6 ил. SS

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (рц С 01 В 17/00

Н А BTGPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ вариант выполнения формирователя им,пульсов. b3

Ультразвуковой измеритель перемеще-, ний содержит магнитострикционный преобразователь 1 линейных перемещений, состоящий из проволочного (ленточного) эвукопровода 2, акустических демпферов

3 и 4, установленных соответственно на первом и втором концах звукопровода 2, стабилизатора 5 растягивающих усилий, подвижного элемента 6 записи с магни-, том 7 смещения, предназначенного для связи с объектом перемещения, неподвижного элемента 8 считывания с магнитом 9 смещения, усилителя 10 записи и усилителя-формирователя 11 считывания, подключенных соответственно к

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4654193/28 (22) 22.02.89 (46) 15.01.91. Вюл. ¹ 2 (71) Пензенский политехнический институт (72) С. Б. Демин (53) 531.781(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 956965, кл. G 01 В 7/00, 1982.

Авторское свидетельство СССР

Ф 747812, кл. G 01 В 7/00, 1980. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано в робототехнических системах и комплексах для автоматизированного иэИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в робототехнических системах и комплексах для автоматизированного измерения перемещения, скорости и ускорения.

Целью изобретения является расширение области применения за счет измерения скорости и ускорения контролируемого объекта.

На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового измерителя перемещений; на фиг. 2 — вариант выполнения магнитострикционного преобразователя линейных перемещений; на фиг. 3 и 4— примеры выполнения первой и второй схем управления, -на фиг. 5 - выполнение схемы реверсирования; на фиг. 6—

„.Я0„„162О834 мерения перемещения, скорости и ускорения. Целью изобретения является расширение области применения за счет измерения скорости и ускорения контролируемого объекта. В измерителе с помощью магнитострикционного преобразователя линейных перемещений и схемы обработки данных осуществляется последовательное измерение перемещения, скорости и ускорения подвижного элемента записи, кинематически связанного с контролируемым объектом перемещения.

Искомые параметры формируются с помощью двух схем реверсирования и трех блоков накопления, связанных .с соответствующими буферными регистрами для вывода результатов измерения. 1 э.п. ® ф-лы, 6 ил.

1620834 выводам элементов записи и считывания

6 и 8, первую схему 12 управления, измерительный генератор 13, генератор

14 опроса, первый формирователь 15 импульсов, первый блок 16 накопления и схему 17 реверсирования, вторые блок 18 накопления и схему 19 ревер-. сирования, третий блок 20 накопления, четвертый блок 21 накопления, вторую схему 2? управления, вспомогательный генератор 23, второй формирователь

24 импульсов, первый, второй и третий буАерные регистры 25 — 27, элемент

28 задержки, шину 29 управления, шину 30 запуска, шину 31 запроса, п шин

32 результата по перемещению, m шин

33 результата по скорости, m шин 34 результата по ускорению и шину 35 синхронизации. Кроме того, измеритель 20 перемещений содержит ограничители 36 и 37 перемещений.

Первый выход 38 первой схемы 12 управления через измерительный генератор 13 подключен к синхровходу 39 25 первой схемы 17 реверсирования и прямому счетному входу первого блока 16 накопления, а второй выход 40 через генератор 14 опроса подключен к входу

41 первого формирователя 15 импульсов 30 и входу 42 первой схемы 12 управления.

Выход 43 Аормирователя 15 соединен с нулевыми входами 44 и 45 первой и " второй схем 17 и 19 реверсирования, второй выход 46 соединен с синхровхо35 дами первого, второго и третьего блоков 16, 18 и 20 накопления, а третий выход 47 через усилитель 10 записи подсоединен к выводу элемента 6 запи- си. Элемент 6 записи закреплен на прямолинейном звукопроводе 2 с возможностью перемещения между ограничителя-, ми 36 и 37 перемещений, установленными по его концам и задающими кинематический диапазон перемещения. На од- 45 ном конце звукопровода 2 закреплен неподвижный элемент 8 считывания, подключенный через усилитель-формирователь 11 к первому входу 46 первой схемы 12 управления. Второй и третий ее входы подключены соответственно к шине 29 управления и шине 30 запуска.

Третий выход 47 первой схемы 12 упра» вления соединен с синхровходом четвертого блока 21 накопления и единичным входом 48 второй схемы 22 управ-

55 ления, а четвертый выход 49 подключен к шине 31 запроса ° Выходы первого блока 16 накопления соединены с информационными входами второго блока

18 накопления и первого буАерного регистра 25, выходы второго блока 18 накопления соединены с инАормационными входами третьего и четвертого блоков 20, 2! накопления и второго буфер ного регистра 26, а выходы третьего блока 20 накопления соединены с информационными входами третьего буферного регистра 27, Выходы регистров

25 — 27 подключены соответственно к шинам 32 — 34 результата по положению (перемещению) скорости и ускорению.

Выход переноса второго блока 18 накопления соединен с управляющим входом

50 первой схемы 17 реверсирования, выходы 51 и 52 последней соединены с прямым и обратным счетными входами блока 18 накопления. Выход переноса третьего блока 20 накопления соединен с управляющим входом 53 второй схемы

19 реверсирования, выходы 54 и 55 последней соединены с прямым.и обратным счетным входами блока 20 накопления.

Выход переноса четвертого блока 21 накопления соединен с синхровходом 56 второй схемы 22 управления. Ее выход

57 через вспомогательный генератор 23 подключен к синхровходу 58 второй схемы 19 реверсирования и инверсному счетному входу блока 21 накопления, а другой выход 59 через второй форми" рователь 24 импульсов соединен с синхровходами буАерных регистров 25—

27 и входом элемента 28 задержки, выход которого подключен к шине 35 синхронизации.

Кроме того, первичный магнитострикционный преобразователь 1 линейных перемещений измерителя может быть выполнен по неконтактной кинематической схеме (Аиг, 2) на основе стержневого (трубчатого) прямолинейного звукопровода 2 из магнитострикционного материала с монолитным акустическим демпфером 60, сигнального ньезоэлектричес кого преобразователя 61 и распределенного элемента 62 считывания с подвижHEIM элементом 63 подмагничивания. По концам звукапровода установлены ограничители перемещений 36 и 37, между

)которыми перемещается элемент 63 подР магничивания, кинематически связанный с объектом перемещения. На противоположной стороне звукопровода 2 от акустического демпфера 60 на торцовой ча—

Ъ сти закреплен пьезоэлектрический пре-. образователь 61, выводы которого сое5 162 динены с выходом усилителя 10 записи.

По всей длине звукопровода размещен распределенный элемент 62 считывания, выводы которого соединены с входом усилителя-формирователя 11 считывания.

Схема 12 управления (фиг. 3) может быть выполнена из логических элементов 64 — 66 и триггеров 67-71.

Вторая схема 22 управления может быть выполнена в виде триггера 72 (фиг. 4) °

Схемы 17 и 19 реверсирования могут быть выполнены из триггера 73 и двух логических элементов 74 и 75 (фиг. 5).

Формирователь 15 импульсов может быть выполнен из триггера 76 и двух логических элементов 77 и 78 (фиг. 6) °

Устройство работает следующим образом.

Первоначально устройство устанавливается в исходное состояние. На шине 31 запроса выставляется цифровой сигнал "Запрос, в ответ на который через время реакции t пользователь выставляет по шине 30 запуска цифровой импульсный сигнал "Запуск" ° Устройство переводится в режим измерения параметров движения контролируемого объекта в случае присутствия на шине

29 управления цифрового сигнала "Разрешение". В противном случае запуск устройства не производится (фиг. 1, фиг. 3).

Производится запуск генератора 14 опроса и возбуждение первого формирователя 15 импульсов, по сигналам которого (фиг. 6) происходит обнуление первой и второй схем 17 и 19 реверсирования (фиг. 5), запись нулевой (исходной) информации в последовательно соединенные первый, второй и третий блоки 16, 18, 20 накопления и возбуждение сигнального усилителя

10 записи первичного магнитострикционного преобразователя 1. Одновременно осуществляется запуск измерительного генератора 13, вырабатывающего последовательность счетных импульсов с частотой следования Я о

1/Т, которые с этого момента проходят на прямой счетный вход первого блока 16 накопления.

На выходе усилителя 10 записи в следующий момент формируется токовый сигнал записи, который проходит на вход подвижного элемента 6 записи и возбуждает под ним в звукопроводе 2

0834 б магнитоупругую волну вследствие магнитомеханического преобразования.

Возбужденная волна распространяется влево и вправо по звукопроводу с фа5 зовой скоростью Ч и в некоторыи момент достигает акустический демпфер

4 и рассеивается °

Волна, распространяющаяся влево, через искомое время перемещения объекта

1х, Х,1

15 достигает неподвижный элемент 8 считывания и наводит на его выводах импульс напряжения считывания, который, поступая в усилитель-формирователь 11 считывания, усиливается и преобразует ся в прямоугольный видеоимпульс. Этот импульс считывания проходит на вход

46 первой схемы 12 управления, что приводит к выключению (останову) измерительного генератора 13. В результате на выходах первого блока 16 накопления формируется п-разрядный код текущего положения объекта, равный х,пол, <

I-õ, м

V. (2) 35

Затем магнитоупругая волна достигает левый акустический демпфер 3 и рассейвается. Тем самым образование в звукопроводе 2 вторичных волн, которые

4р образуют в данном случае акустическую помеху, снижающую полезный уровень сигнала в акустическом тракте первичного преобразователя l устраняется.

На этом заканчивается первый такт

45 Работы устройства.

Второй такт начинается по сигналу генератора 14 опроса, который вырабатывает последовательность импульсов с периодом следования Т, определяющий диапазон измерения параметров движения объекта. IIo его сигналу производится возбуждение первого формирователя 15 импульсов, что приводит к установке первой схемы 17 реверсирования в режим перезаписи сформированной ин» формации (2) с первого блока 16 во второй блок 18 накопления и к запуску усилителя 10 записи. Одновременно осуществляется запуск измерительного re1620834

1к,1

Тхл- V (7) 1x.z.

Х,2 7 (3) 10

1 к э г)( о (8) = — ° /(1 хв2 о (4) 25 (9) нератора 13 по сигналу схемы 12 управления (фиг. 3).

Генератор 13 запускается на время прохождения магнитоупругой волной аку5 стического тракта искомой длины 1х

За это время на выходах первого блока 16 накопления формируется код текущего значения, равный

X,áÎn 2 1 х 2 )(0

Одновременно счетные импульсы измерительного генератора 13 проходят че- 20 рез схему 17 реверсирования на инверсный счетный вход второго блока 18 накопления и формируют на его выходах

m-разрядный код Х,ск,< N Х,поЛ. 2 N х,non.1 который несет информацию о текущем значении скорости перемещения объекта, 30

his l1x.2 — 1>,1l ()

Т1 Т1

Вычисление выражения (5) осуществляется схемой 17 реверсирования, которая управляет направлением счета по сигналу переноса блока 18 накопления. На этом завершается второй такт работы устройства. В блоках t6 и 18 нако- „0 пления зафиксирована информация "о текущем положении (4) и скорости (5) перемещения объекта.

Третий такт .работы начинается по сигналу генератора 14 опроса. Здесь 45 по сигналам формирователя 15 производится перевод второй и первой .схем 19 и 17 реверсирования в режим реверсированного счета, осуществляется последовательно-параллельная запись кода скорости (5) в третий блок 20 накопления, перезапись кода положения (4) во второй блок 18 накопления, запись нулевой информации (N = 0...00) в первый блок 16 накопления, возбуждение усилителя 10 записи и запуск йзмерительного генератора 13.

Измерительный генератор 13 запускается на время прохождения магнитоупругой волной акустического тракта искОмОЙ Длины lх за которое на выходах первого блока

16 накопления формируется код текущего положения, равный

Ny.non.9 л Tx,3 (о

3а время Т „ на выходах второго, блока 18 накопления формируется текущий код скорости

llx 3 1-х.г. /

Хск2 2 Т1 о! который соответствует скорости перемещения объекта

Вычисление выражения (9) осуществляет ся схемой 19 реверсирования, работающей аналогично схеме 17.

В конце третьего такта работы устройства текущее значение кода скорости (9) по сигналу первой схемы 12 управления (фиг. 3) заносится в четвертый блок 21 накопления. По этому же сигналу схемы 12 управления осущестбвляется переключение в единичное состояние второй схемы 22 управления (фиг. 4), по сигналу которой запускается генератор 23, формирующий на своем выходе счетные импульсы с частотой следования не более

Счетные импульсы генератора 23проходят на инверсный счетный вход четвертого блока 21 накопления, произ.водя вычисление нулевого значения сиг нала (N = 0...00), при котором на его выходе переноса формируется сигнал, переключающий в исходное состояние схему 22 управления. Эти же сигналы генератора 23 проходят на один из счетных входов третьего блока 20 на1620834

in копления, формируя в конце третьего такта работы m-ðàçðÿäíûé код ускорения

Nк ск N = /м ск т мк.с, / (11)

5 что соответствует ускорению объекта хglк = / к ск 1 х.ck,f /

/а1 — л1 /

71 (12) Градиент ускорения объекта формируется на выходах второй схемы 19 реверсирования в виде импульсных или потенциальных сигналов (фиг. 5).

В результате на информационных входах выходных буферных регистров

25 — 27 в конце цикла преобразования получают коды положения (8), скорости (9) и ускорения (11) объекта. Запись

N<. = N, N =. М -, N = N6 в регистры производится по сигналу второй схемы 25

22 управления. С выходов регистров

25, 26 и 27 цифровые сигналы, соответственно, "Код положения", "Код скорости" и "Код ускорения" проходят в выходные шины 32 — 34 результата по 30 положению, скорости и ускорению. В следующий момент сигнал формирователя 24 импульсов, задержанный на время ñ, элементом 28 задержки, проходит в шину 35 синхронизации, формируя цифровой импульсный сигнал "Синхронизация". По шине 31 запроса схема

12 управления выставляет сигнал "Запрос", означающий конец цикла преобразования и готовность устройства к очередному преобразованию.

Стабилизация волнового сопротивления звукопровода 2 и повышение его жесткости достигается за счет использования стабилизатора 5 растягивающих 4 усилий. Это способствует повьппению точности и стабильности работы устройства. Его разрешающая способность определяется частотой /(дискретизации интервала ТХ перемещения, выра- батываемая генератором 13, которая может быть увеличена при использовании многофазного генератора.

Для повышения помехоустойчивости устройства магнитоупругий сигнал акустического тракта может быть промо дулирован высокой частотой. Ограничители перемещений 36 и 37 задают.кинематический диапазон перемещения элемента 6 записи и предохраняют элементы преобразователя 1 от механнчес— ких повреждений в процессе работы устройства.

Кроме того, ультразвуковой измеритель перемещений может быть выполнен по неконтактной кинематической схеме с использованием стержневого (трубочного) звукопровода с монолитным акустическим демпфером 60 (фиг. 2), с распределенным по всей его длине элементом 62 считывания и сосредоточенным подвижным элементом 63 подмагничивания. На торцовой стороне волновода от демпфера закреплен пьезоэлектрический преобразователь 61, с помощью которого производят возбуждение магнитоупругой волны в звукопроводе

2. Элемент 63 подмагничивания кинематически подключают к объекту контроля. Он перемещается вдоль звукопровода 2 в пределах распределенного элемента 62 считывания между ограничителями 36 и 37. Работа измерителя перемещений в этом случае не отличается от описанного.

Повышение информативности измерителя относительно прототипа достигается за счет автоматического вычисления параметров движения объекта при минимальном времени преобразования и возможности задавать диапазон измерения в широких пределах путем установки соответствующего значения параметра ), генератора 14. Развитый приборный интерфейс устройства позволяет использовать его в составе вычислительного комплекса работотехнической системы. Достоинство устройства заключается в простой схемотехнической организации первичного и встроенного каналов обработки информации, который может быть использован практически для любой кинематической схемы преобразователя линейных перемещений.

Формула изобретения

1. Ультразвукоьой измеритель перемещений, содержащий магнитострикционный преобразователь линейных перемещений, состоящий из прямолинейного эвукопровода с акустическими демпферами на концах, элемента считывания с магнитом смещения, установленного около одного из акустических демпферов, элемента записи, выполненного с возможностью перемещения вдоль звукопрово16208

11

I да и предназначенного для кинематического соединения с контролируемым объектом перемещения, усилителя записи и усилителя-формирователя считывания

5 подключенных к выводам соответственно лементов записи и считывания, измерит ьный генератор, подключенные к его

Ф выхо схему реверсирования и блок . накоплеЪц я, и последовательно соеди нбнныЫ4фнератор опроса и формирова.....

,. тЮрь з рульсов, два выхода которого Ь едиуе%ы соответственно с входами схеЬц феверсирования и блока накопления отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет измерения скорости и ускорения контролируемого объекта, магнитострикционный преобразователь перемещений снабжен стабилизатором растягивающих усилий, ограничителями перемещений, установленньии на концах звукопровода, первой и второй схемами управления, второй схемой реверсирования, вторым, третьим и четвертью бло- Z5 ками накопления, вспомогательным генератором, вторым формирователем импульсов, тремя буферными регистрами и элементом задержки, выход которого подключен к шине синхронизации, а вход р объединен с синхровходами первого, второго и третьего буферных регистров и подключен к выходу второго формирователя импульсов, вход последнего подключен к выходу второй схемы управ35 ления, второй выход которой подключен через вспомогательный генератор к инверсному счетному входу четвертого блока накопления и синхровходу второй схемы реверсирования, выходы послед- 4О ней соединены соответственно с прямым и инверсным счетными входами третьего блока накопления, выход переноса которого соединен с информационным входом второй схемы реверсирования, нулевой 45 вход последней объединен с нулевым входом первой схемы реверсирования, выходы последней соединены соответственно с прямым и инверсным счетными входами второго блока накопления, вы- 50 ход перeíañà которого соединен с информационным входом первой схемы реверсирования, синхровходы второго и третьего блоков накопления объединены и подключены к второму выходу первого

12 формирователя импульсов, первый, второй и третий блоки накопления включены последовательно, выходы первого блока накопления через первый буферный регистр подключены к шине результата по положению, выходы второго блока накопления соединены с информацион= ными входами четвертого блока накопления и через второй буферный регистр подключены к шине результата по ско.рости, выходы третьего блока накопления через третий буферный регистр подподключены к шине результата по ускорению, выход переноса четвертого блока накопления соединен с синхровходом второй схемы управления, единичный вход последней объединен с синхровходом четвертого блока накопления и подключен к третьему выходу первой схемы управления, ее первый и второй выходы соединены соответственно с входами измерительного генератора и генератора опроса, выход которого соединен. с первым входом первой схемы управления, четвертый выход последней подключен к шине запроса, первый и второй входы подключены соответственно к шинам управления и запуска, третий вход соединен с выходом усилителя-формирователя считывания, а третий выход первого формирователя импульсов соединен с входом усилителя записи.

2. Измеритель по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что первичный магнитострикционный преобразователь перемещений выполнен из стержневого прямолинейного звукопровода, акустического демпфера, закрепленного на конце звукопровода, сигнального пьезоэлектрического преобразователя, закрепленного на другом конце звукопровода и подключенного к выходу усилителя записи, распределенного элемента считывания, размещенного вдоль звукопровода, и элемента подмагничивания установленного с возможностью перемещения вдоль распределенного элемента считывания и предназначенного для кинематического соединения с контролируемым объектом перемещения, выводы элемента считывания соединены с входами усилителя-формирователя считывания.

1b20034

Л

tpuz. f

1620834 (РоИ (Ping. 6

Составитель Г. Иаксимочкин

Техред М.Дидык Корректор А. Осауленко

Редактор Н. Горват

Заказ 4238 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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