Устройство для измерения перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для ультразвукового измерения линейных перемещений объекта. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости преобразования путем увеличения амплитуды зондирующей ультразвуковой волны в среде магнитострикционного звукопроводэ. Это достигается за счет возбуждения в среде звуковода первичного преобразователя перемещений пачки из М волн, амплитуда каждой из которых является суммой предыдущих волн, которые одновременно считываются в М-точках считывания и суммируются. При этом зависимость Ux ) в зависимости от способа возбуждения и считывания является либо монотонно возрастающей , либо экспоненциально возрастающей . Устройство для измерения перемещений содержит прямолинейный магиитострикционный звукопровод 1 с акустическими демпферами 2, блок 3 считывания , формирователь 4 возбуждения колебаний, усилитель 6 записи, формирователь 7 импульсов считывания, генератор 8 сдвоенных импульсов, счетчик 9 опроса, анализатор 10 кода, D-триггер 11. измерительный генератор 12, счетчик 13 результата , входные и выходные шины 14, 15 и 16, 17. Устройство предназначено для использования в робототехнических системах и комплексах. 4 з.п. ф-лы, 8 ил. ё

COIO3 CQBETCKMX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s>>s 6 01 В 17/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР иьйй: (@N ТЫН" Ч<

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Х) 4) .— — Г

Ql .

ОО фь

Ы 0

Q

Я. >

Ä3a

„ОСш

1Ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4827098/28 (22) 18.05.90 (46) 30.08.92,.Бюл, N 32 (71) Пензенский политехнический институт (72) С.Б,Демин (56) Авторское свидетельство СССР

N 1504507, кл. G 01 В 17/00, 1989, Авторское свидетельство СССР

М 1471809, кл. G 01 В 17/00, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для ультразвукового измерения линейных перемещений объекта. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости преобразования путем увеличения амплитуды зондирующей ультразвуковой волны в среде магнитострикционного звукопровода, Это достигается за счет возбуждения в среде звуковода первичного преобразователя перемещений пачки из M волн, амплитуда

SU 1758429 А1 каждой из которых является суммой предыдущих волн, которые одновременно считываются e M-точках считывания и суммируются. При этом зависимость Ux = р(М) в зависимости от способа возбуждения и считывания является либо монотонно возрастающей, либо экспоненциально возрастающей, Устройство для измерения перемещений содержит прямолинейный магнитострикционный звукопровод 1 с акустическими демпферами 2, блок 3 считывания, формирователь 4 возбуждения колебаний, усилитель 6 записи, формирова тель 7 импульсов считывания, генератор 8 сдвоенных импульсов, счетчик 9 опроса, анализатор 10 кода, D-триггер 11, измерительный генератор 12, счетчик 13 результата, входные и выходные шины 14, 15 и 16, 17. Устройство предназначено для использования в робототехнических системах и комплексах. 4 з,п. ф-лы, 8 ил, 1758429

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к ультразвуковым преобразователям перемещений, и может найти применение в робототехнических системах и комплексах для измерения и контроля параметров кинематического движения объекта.

Известно устройство для измерения перемещений, содер>кащее магнитострикционный звукопровод, акустический демпфер, стабилизатор растягивающих усилий, weменты записи и считывания с магнитами смещения, предусилитель считывания, одновибратор, измерительный генератор, триггер, блок АРУ, усилитель-формирователь считывания, коммутатор, четыре буферных регистра, вычислитель и компаратор.

Известно другое устройство для измерения перемещений, выбранное в качестве прототипа, которое содержит магнитастрикционный звукапровод, установленный в акустические демпферы, схемы запуска, элемент ИЛИ ждущий генератор импульсов, формирователь импульсов записи, подвижную катушку записи, неподвк>хную катушку считывания, усилитель считывания, формирователь импульсов. счетчик, преобразователь временного. интервала в код, блок управления масштабам преобразования, нормализатор, генератор образцовой частоты, элемент И, счетчик кол ыества перезапусков, дешифратор, Общим недостаткам известных устройств является недостаточная помехоустойчивость вследствие азбуждения в магнитострикционнам эвукаправоде упругих волн одинарной амплитуды.

Цель изобретения — повышение помехоус1ойч вости путем увеличения амплитуды колебаний звукаправада, На фиг, 1 приведена блок-схема устройства для измерения перемещений„на фиг.

2-4 — блок-схемы устройства для измерения перемещений с различным выполнением кинематическай схемы его первичного преобразователя перемещений; на фиг. 5, б— выполнение основных блоков 7, 8 устройства; на фиг. 7 - форма сигналов записи и считывания первичного преобразователя перемещений при разных способах возбуждения ультразвукавых волн; на фиг. 8 — график функции Ох = p(M).

Устройство для измерения перемещений (фиг. 1) содержит прямолинейный магнитострикцианный эвукаправод 1, закрепленный в акустических демпферах 2, блок 3 считывания из М непадви>кных сосредоточенных элементов считывания с магнитом смещения, закрепленные на звукопроваде вблизи одного акустического демпфера, формирователь 4 возбуждения колебаний с магнитом смещения, закрепленный на звукоправоде с возможно5 стью перемещения ме>кду ограничителями

5 перемещений и кинематически подключенный к объекту перемещения, подсоединенный к выходу усилителя 6 записи, формирователь 7 импульсов считывания, ге10 нератор 8 сдвоенных импульсов, К-разрядный счетчик 9 опроса, логический анализатор 10 кода, D-триггер 11, измерительный генератор 12, счетчик 13 результата, шину 14 управления, шину 15 запуска, 15 шину 16 запроса, и-шин 17 результата. Выходы счетчика 13 результата подключены к шинам 17 результата, а счетный вход через измерительный генератор 12 подключен к прямому выходу D-триггера 11, Его инверс20 ный выход подключен к шине 16 запроса, синхравхад падкл очен к выводам блока 3 считывания через формирователь 7 импульсов считывания, единичный вход соединен с нулевыми входами счетчиков 9, 13 и под25 ключен к шине 15 запуска, а нулевой вход подключен к шине 14 управления и соединен с одним входом анализатора 10 кода. его другие К-входы соединены с выходами счетчика 9 опроса; а выход соединен с вха30 дом генератора 8 сдвоенных импульсов.

Один его выход соединен со счетным входом счетчика 9 опроса, другой подсоединен к входу усилителя 6 записи.

Кроме того, в устройство для измерения

35 перемещений (фиг. 2) введен генератор 18 импульсов, подключенный к счетному входу счетчика 9 опроса и входу усилителя 6 записи. Причем блок 3 считывания выполнен подви>кным с воэма>кностью перемещения

40 вдоль звукаправада 1 между ограничителями 5 перемещений и подключен к абьекту перемещения, а формирователь 4 вазбу>кдения колебаний выполнен неподвижным и закреплен на эвукапроводе 1 на опорном

45 расстоянии 1а ат ега свобаднага конца, Кроме того, в устройство для измерения перемещений Я>иг, 3) введен дополнительный формирователь 19 возбуждения колебаний иэ (М -1) сосредоточенных элементов

50 записи с магнитом смещения, закрепленный на звукаправаде 1 на опорном расстоянии от аснавнага формирователя. 4 возбуждения колебаний с вазможностью перемещения между ограничителями 5 пе55 ремещений. Их выводы подсоединены к выходам усилителя 6 записи.

Крометого, вустройстводля измерения перемещений(фиг, 4) введены распределенная обмотка 20 возбуждения, неподви>кно закрепленная на рабочем участке эвукапра1758429 вода 1 между ограничи1 елями 5 перемещений, и блок 21 из М магнитов смещения, закрепленные на звукопроводе с возможностью перемещения вдоль обмотки 20 возбуждения и кинематически подключенные к объекту перемещений. Выводы обмотки 20 возбуждения подсоединены к выходам усилителя 6 записи, Устройство работает следующим образом.

Первоначально устройство(фиг. 1) находится в заблокированном состоянии. По его шине 14 управления выставлен цифровой сигнал "Останов", блокирующий входы анализатора 10 кода и удерживающий D-триггер 11 в нулевом состоянии, формируя по шине 16 запроса цифровой сигнал "Запрос". При снятии сигнала "Останов" устройство переводится в режим ожидания начала цикла преобразования.

B ответ на сигнал "Запрбс" пользователь подает по шине 15 запуска цифровой сигнал "Запуск", по которому устанавливаются в нулевое состояние счетчики 9, 13 опроса и результата и в единичное состояние — 0-триггер 11. Переключение D-триггера 11 обозначает начало цикла преобразования искомого линейного перемещения 4 объекта в цифровой код Nx По его сигналу запускается цифровой измерительный генератор 12, вырабатывающий серию импульсов частоты fo, подсчитыааемых счетчиком 13 результата.

Установка в нулевое состояние счетчика

9 опроса вызывает формирование на выходе анализатора 10 кода статического сигнала, разрешающего запуск генератора 8 сдвоенных импульсов. Генератор 8 производит генерацию прямоугольных видеоимпульсов с частотой fop = Unp/I>, где Unp— фазовая скорость ультразвуковой (УЗ} волны в звукопроводе;1 — расстояние между М элементами считывания блока 3 считывания, которые поступают на счетный вход счетчика 9 опроса и подсчитываются. Количество импульсов не должно превысить числа M используемых элементов считывания блока 3 считывания. По достижении этой величины М = 2» = М на выходе логического анализатора 10 кода формируется сигнал, производящий блокирование работы генератора 8 сдвоенных импульсов до очередного цикла преобразования.

По другому выходу генератора 8 в каждом из М тактов генерируются сдвоенные прямоугольные видеоимпульсы длительности г и со скважностью 0 == 2 (фиг. 7б). Они проходят на сигнальный вход усилителя 6 записи и преобразуются в токовые посылки, возбуждающие формирователь 4 аозбуждения колебаний, находящийся в момент onроса на искомом расстоянии 4 от блоха 3 считывания. В результате магнитомеханического преобразования под формировате5 лем 4 а звукопроводе 1 возбуждается серия из M ультразвуковых волн удвоенной амплитуды (фиг, 7б) вследствие суперпоэиционного сложения смежных одинарных полуволн (фиг. 7а). Они проходят по звукопроводу 1 к

10 блоку 3 считывания эа искомое время перемещения Т» - 4/U<> и наводят на выводах

M сосредоточенных элементов считывания аналоговые сигналы считывания удвоенной амплитуды

15 +P x

U<.i = k>.2Uo.е (1) где k - 0,8 — 0,9 — коэффициент пропорциональности;

U0 — единичная амплитуда сигнала считывания;

P — коэффициент затухания УЗ волны в среде эвукопровода. . Поступая на входы формирователя 7 импульсов считывания, наведенные сигналы

25 (1) суммируются и формируют моноимпульсный сигнал считывания повышенной амплитуды м

Ux =, i. U 1.,. {2)

11 который преобразуется в прямоугольный видеоимпульс считывания и переключает Отриггер 11 в исходное состояние. Работа измерительного генератора 12 завершается, а на и выходах счетчика 13 результата выстсаляется код искомого перемещения 1х=Tx fo= то х

; (3)

Vnp поступающий на шины 17 результата, формируя сигнал "Код перемещения". По шине

16 запроса выставляется сигнал "Запрос" и устройство переводится в режим ожидания, Далее весь процесс преобразования осуществляется без изменения.

Используемый в устройстве формирователь 7 импульсов считывания выполнен (фиг. 5} на диодных вентилях 22 и 24 отрицательной и положительной полуволн. диодных ограничителях 23 и 25, резисторе 26, формирующем элементе 27 (триггер Шмитта}. Диоды 22 шунтируют отрицательные полуволны сигналов считывания на общую шину, которые запирают диоды 23, что приводит к формированию в цепи элементов 25, 26 суммарного сигнала считывания (2) для

55 запуска формирую;цего злелгента 27.

Генератор 8 сдвоенных импульсов Bblполнен по схеме каскадного саед нения двух управляемых генераторов (фиг. 6). Первый цифровой ниэкочастотнь.й генератор

1758429

30 зультирующий сигнал

55 выполнен на логическом элементе И-НЕ 28, транзистор 32 NPN-проводимости, резисторах 33-35 и конденсаторе 37, генерирует сигналы с частотой fog - /Топ - Unp/!1. По

его сигналам запускается второй цифровой

"высокочастотный" генератор на логических элементах И-НЕ 29-31, резисторе 36 и конденсаторе 38. Он генерирует сигналы более высокой частоты, равной f1 - 1/2 t>.

Причем длительность импульса сигнала первого генератора равна Т1 "(3...4)тп., что позволяет формировать по второму выходу генератора 8 сдвоенные импульсы согласно фиг, 7б.

Следовательно, применение метода сдвоенных импульсов с использованием блока 3 считывания из М элементов считывания позволяет формировать аналоговый сигнал считывания (2), описываемый линейной зависимостью вида 0» = p(M) (прямая 1 на фиг. 8), и повысить в U»/Up раз отношение сигнал/помеха по сравнению с прототипом.

Кинематическую схему первичного преобразователя перемещений устройства по фиг. 1 можно несколько упростить, если его звукопровод 1 включить по псевдозамкнутой схеме, формирователь 4 возбуждения колебаний закрепить на опорном расстоянии lp от свободного конца звукопровода, а блок 3 считывания с М сосредоточенными элементами считывания, наоборот, выполнить подвижным и подсоединить к объекту перемещения (фиг. 2). Такое выполнение кинематической схемы первичного преобразователя перемещений йозволяет использовать во вторичном преобразователе цифровой генератор 18 импульсов более простой структуры. например, по схеме цифровогр генератора 8 сдвоенных импульсов.

Генератор 18 им пульсов вы рабаты в ает серию из (М + 1) прямоугольных видеоимпульсов частоты f<>, которые подсчитываются счетчиком 9 опроса. Установка формирователя 4 на расстоянии!о = 11/2 от свободного конца звукопровода 1 позволяет формировать в его среде зондирующие

УЗ волны удвоенной амплитуды (,) аналогично фиг. 7б за счет суперпозиционного сложения прямой и отраженной полуволн.

Одинарную амплитуду имеет только самый первый в пачке из (M + 1) импульсов.

Возбужденный в звукопроводе 1 пакет из (M + 1) УЗ волн проходит в зону магнитоупругого преобразования через искомое время Т, и считывается блоком 3 считывания, формируя аналоговый сигнал считывания увеличенной амплитуды (2). Далее весь процесс преобразования сигналов в устройстве по фиг. 1 не отличается от рассмотренного. В результате достигается увеличение в 2М раз отношения сигнал/помеха устройства относительно прототипа (прямая 1 фиг. 8).

Эффективность устройства на фиг. 1, 2 может быть повышена, если в кинематическую схему первичного преобразователя перемещений включить дополнительный формирователь 19 возбуждения колебаний, который совместно с основным формирователем 4 содержит M сосредоточенных элементов записи с магнитом смещения, установленных на звукопроводе 1 на опорном расстоянии I1 один относительно другого и включенных параллельных параллельно с учетом полярности выводов (на фиг. 3 не показано).

В этом случае генератор 18 импульсов генерирует серию из М прямоугольных видеоимпульсов записи длительности т, которые, преобразуясь в токовые посылки усилителем 6 записи, возбуждают в среде звукопровода 1 зондирующие УЗ волны, Их амплитуда с каждым очередным тактом повышается на величину одинарной волны (фиг. 7а) за счет суперпозиционного сложения полуволн B зонах магнитомеханического преобразования, как показано на фиг, 7в

Возбужденный пакет УЗ волн {фиг. 7в) повышенной амплитуды распространяется в сторону блока 3 считывания и через время

Т» достигает его, считывается, формируя реM — 1

U».=--ui+ g 0ь1 (4)

l =1

Далее весь процесс преобразования сигналов выполняется без изменения согласно рассмотренному. При данном способе возбуждения зондирующих УЗ волн величина выходно о напряжения (4) может достигать значительных величин при соответствующем выборе числа M элементов записи и считывания в блоках 4, 19 и 3. 3а счет этого существенно повышается помехоустойчивость устройства относительно прототипа (кривая 2 фиг. 8).

Кроме того, кинематическую схему первичного преобразователя перемещений по фиг. 3 можно выполнить по неконтактной схеме, как показано на фиг. 4. В этом случае по всей длине рабочей части звукопровода

1 закрепляют неподвижную распределенную обмотку 20 возбуждения, подсоед1ияя ее к выводам усилителя б записи. Вдоль обмотки 20 перемещается блок 21 из М однотипных магнитов смещения, установленных на опорном расстоянии 11 один

1758429 относительно другого и перемещающихся между ограничителями 5 перемещений.

При подача в обмотку 30 возбуждения

M токовых импульсных посылок от усилителя 6 записи в подмагниченных магнитами участках звукопровода 1 возбуждаются зондирующие УЗ волны с трансформированной амплитудой (фиг. 7в). Через искомое время перемещения Тх пакет УЗ волн считывается блоком 3 считывания с формированием результирующего сигнала считывания (4). Далее весь процесс преобразования сигналов выполняется согласно рассмотренному. В результате достигается значительное повышение помехоустойчивости устройства относительно прототипа, что подтверждает кривая 2 функциональной зависимости Ux =

=фМ) по фиг. 8.

Применение акустических демпферов 2 в кинематической схеме первичного преобразователя перемещений устройства устраняет образование переотражений УЗ волн в среде магнитострикционного звукопровода и их накопление, чем обеспечивается выполнение описанного алгоритма работы устройства.

Таким образом, предложенные подходы возбуждения и считывания ультразвуковых волн распространяются на все типы нормальных упругих волн (продольные, крутильные), возбуждаемые в магнитострикционной среде волноведущего тракта преобразователя, и позволяют существенно повысить помехоустойчивость преобразования отíосительно прототипа без значительного усложнения структуры.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения перемещений, содержащее магнитострикционный звукопровод, концы которого демпфированы, формирователь возбуждения колебаний в звукопроводе с магнитом смещения и блок считывания, содержащий один элемент считывания, установленные на эвукопроводе с возможностью их взаимного перемещения, усилитель записи, выход которого соединен

25

30 с я тем, что оно дополнительно снабжено не

45

20 с входом формирователя возбуждения, последовательно соединенные счетчик опроса и измерительный генератор, выход которого подсоединен к входу счетчика результата, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повышения помехоустойчивости путем увеличения амплитуды колебаний в звукопроводе, оно снабжено установленным в блоке считывания, на заданном расстоянии друг от друга, не менее чем одним дополнительным элементом считывания, формирователем импульсов считывания, вход которого соединен с блоком считывания, а выход последовательно соединен с О-триггером, измерительным генератором и счетчиком результата, генератором сдвоенных импульсов, один выход которого соединен с входом формирователя возбуждения колебаний. другой выход соединен со счетчиком опроса, соединенным с логическим анализатором хода, выход которого соединен с входом генератора сдвоенных импульсов, 2. Устройство по и. 1, отл и ч а ю ще ес я тем, что в качестве генератора импульсов используется генератор сдвоенных импульсов. а формирователь возбуждения колебаний установлен неподвижно на звукопроводе.

3. Устройство поп. 1, отл ич а ю щееменее чем одним однотипным элементом возбуждения колебаний, установленным в формирователе возбуждения на звукопроводе на заданном расстоянии друг от друга, в качестве генератора импульсов используется генератор сдвоенных импульсов, а блоксчитывания установлен неподвижно на эвукопроводе.

4, Устройство по и. 1. о т л и ч а ю щ е ес я тем, что формирователь возбуждения вь,полнен в виде распределенной обмотки, неподвижно закрепленной на звукопроводе, и нескольких однотипных магнитов смеи„-ения, установленных на заданных р-::стояниях друг от друга с воэможностью перемещения вдоль звукопровода.

1758429

1758429

1758429

Р 1Я Риг. 8.

Составитель В, 10ровский

Редактор А.Маковская Техред М.Моргентал Корректор А.Ворович

Заказ 2990 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