Магнитострикционный преобразователь линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике. Преобразователь имеет магнитострикционный звукопровод с акустическими демпферами на концах, неподвижную катушку возбуждения и подвижную приемную катушку. Для определения момента прихода УЗ волны схема преобразователя содержит детектор амплитудного значения с резистивным делителем на выходе, источник постоянного напряжения, два компаратора напряжения и элемент И-НЕ, подключенный к выходам компараторов. Амплитудное значение принятого сигнала уменьшается в К раз резистивным делителем и используется в первом компараторе в качестве опорного сигнала. Сигнал источника постоянного напряжения используется во втором компараторе в качестве опорного при устранении прохождения сигналов ложных срабатываний первого компаратора, вызванных помехами. Благодаря установке опорного уровня пропорциональным амплитуде сигнала в приемной катушке, уменьшается погрешность при определении момента прихода УЗ волны и повышается точность преобразования. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах измерения линейного перемещения контролируемого объекта.

Известен ультразвуковой измерительный преобразователь параметров движения (А. С. СССР N 1613855, МКИ⁵ G 01 B 17/00, 1990 г.), содержащий магнитострикционный звукопровод, стабилизатор растягивающих усилий, акустический демпфер, преобразователь колебаний, приемную катушку, преобразователь напряжения в ток, первый и второй усилитель-формирователь считывания, одновибратор, триггер управления и блок вычисления результата.

Известен ультразвуковой измеритель перемещений (А.С. СССР N 1679187, МКИ⁵ G 01 B 17/00, 1991 г.), содержащий магнитострикционный звукопровод, первый и второй акустические демпферы, механизм натяжения звукопровода, первую и вторую неподвижные приемные катушки с постоянными магнитами, подвижную катушку возбуждения с постоянным магнитом, одновибратор и блок измерения интервалов времени.

Недостатком приведенных аналогов является наличие в результате преобразования погрешности от затухания ультразвуковой (УЗ) волны в магнитострикционном звукопроводе, сущность которой заключается в следующем. Измерение перемещения контролируемого объекта с помощью магнитострикционных преобразователей линейных перемещений сводятся к измерению времени T_x распространения УЗ волны по магнитострикционному звукопроводу от подмагничиваемой катушки возбуждения (элемента записи) до подмагничиваемой приемной катушки (элемента считывания), охватывающих звукопровод, причем одна из катушек связана с контролируемым объектом и свободно перемещается вдоль магнитострикционного звукопровода, а другая катушка неподвижно закреплена относительно него.

Начало измеряемого интервала времени T_x определяется моментом t₀ начала импульса тока возбужденна, подаваемого в катушку возбуждения (фиг. 1, а), а его окончание определяется моментом t₁ начала импульса ЭДС в приемной катушке (фиг. 1, б). Однако реально окончание измеряемого интервала времени определяется в момент времени t₂ по фронту прямоугольного импульса напряжения (фиг. 1, в), который формируется из усиленного импульса ЭДС в приемной катушке путем сравнения мгновенного значения ЭДС с опорным уровнем напряжения U_оп таким образом, что фронт импульса напряжения совпадает по времени с моментом t₂ равенства мгновенного значения ЭДС уровню U_оп (фиг. 1, в) на фронте импульса ЭДС.

Вследствие недостаточно большой крутизны фронта импульса ЭДС между моментами времени t₁ и t₂ существует некоторый промежуток времени t = t₂ - t₁.

Таким образом реально производится измерение интервала времени не T_x, а T'_x = T_x + t.

При распространении вдоль магнитострикционного звукопровода УЗ волна претерпевает затухание по экспоненциальному закону где I - интенсивность УЗ волны в точке магнитострикционного звукопровода, лежащей на расстоянии x от точки возбуждения УЗ волны; I₀ - интенсивность УЗ волны в точке ее возбуждения; - коэффициент затухания магнитострикционного материала звукопровода. Таким образом, с увеличением расстояния x между катушкой возбуждения и приемной катушкой интенсивность УЗ волны уменьшается, что вызывает уменьшение амплитуды, а следовательно, и крутизны фронта импульса ЭДС в приемной катушке. Это является причиной возрастания интервала времени t (фиг. 1, г).

Следовательно, в результате измерения времени T'_x присутствует систематическая погрешность t = T'_x-T_x от затухания УЗ волны в магнитострикционном звукопроводе. Она имеет разное значение при различном расстоянии x между катушкой возбуждения и приемной катушкой, что затрудняет ее компенсацию.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является преобразователь линейных перемещений (А. С. СССР N 1394033, МКИ⁴ G 01 В 17/00, 1988 г.), содержащий одновибратор, преобразователь напряжения в ток, катушку возбуждения с постоянным магнитом, магнитострикционный звукопровод, приемную катушку с постоянным магнитом, предусилитель, усилитель-формирователь, триггер, генератор, стабилизатор напряжения, коммутатор, первый, второй, третий и четвертый регистры, делитель, компаратор, линию задержки, блок автоматической регулировки усиления (АРУ).

Недостатком прототипа является наличие динамической погрешности в результате преобразования: за время распространения УЗ волны от катушки возбуждения до приемной катушки контролируемый объект может изменить свое положение, в то время как сигнал с блока АРУ, задающий амплитуду текущего импульса тока возбуждения, соответствует положению контролируемого объекта в момент подачи предыдущего, а не текущего импульса тока возбуждения. Поэтому амплитуда следующего импульса ЭДС в приемной катушке будет отличаться от нормированного значения на некоторую величину. Следовательно, из-за перемещения контролируемого объекта величина погрешности t также будет отличаться от нормированного значения, что влияет на точность преобразования.

Задачей изобретения является повышение точности преобразования.

Поставленная задача решается тем, что в магнитострикционный преобразователь линейных перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод, первый и второй акустические демпферы, неподвижную катушку возбуждения, подвижную приемную катушку, первый и второй постоянные магниты, последовательно соединенные одновибратор и преобразователь напряжения в ток, выход которого соединен с неподвижной катушкой возбуждения, избирательный усилитель, вход которого соединен с подвижной приемной катушкой, RS триггер, вход установки которого соединен с выходом одновибратора, генератор квантующих импульсов, логический элемент И, первый вход которого соединен с выходом RS триггера, а второй вход соединен с выходом генератора квантующих импульсов, двоичный счетчик, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента И, регистр, информационные входы которого соединены с выходами двоичного счетчика, линию "запуск", соединенную со входом одновибратора, линию "сброс", соединенную со входом предустановки двоичного счетчика, и n-разрядную шину, соединенную с выходами регистра, в отличие от прототипа введены последовательно соединенные детектор амплитудного значения, буферный усилитель и резистивный делитель напряжения, вход детектора амплитудного значения соединен с выходом избирательного усилителя, а вход сброса соединен с линией "сброс", источник постоянного напряжения, первый и второй компараторы напряжения и логический элемент И-НЕ, инвертирующий вход первого компаратора напряжения соединен с выходом резистивного делителя напряжения, неинвертирующие входы первого и второго компараторов напряжения соединены с выходом избирательного усилителя, инвертирующий вход второго компаратора напряжения соединен с выходом источника постоянного напряжения, первый и второй входы логического элемента И-НЕ соединены с выходами первого и второго компараторов напряжения соответственно, а его выход соединен со входом сброса RS триггера и входом разрешения записи регистра.

При затухании УЗ волны в магнитострикционном звукопроводе импульс ЭДС претерпевает пропорциональное сжатие по оси E (фиг. 2), а его длительность T_прм остается неизменной. Если опорный уровень напряжения U_оп принимать равным величине амплитудного значения импульса ЭДС, поделенной на постоянный коэффициент К, а измерение длительности времени T'_x заканчивать в момент равенства мгновенного значения ЭДС опорному уровню напряжения U_оп на спаде импульса ЭДС, то величина t погрешности от затухания УЗ волны, равная в данном случае длительности интервала времени между моментом t₁ начала импульса ЭДС и моментом t₃, когда мгновенное значение ЭДС на спаде импульса равняется опорному уровню напряжения U_оп, остается постоянной и не зависящей от амплитуды E_m импульса ЭДС величиной. Это поясняется фиг. 2, на которой изображены два импульса ЭДС с различными амплитудами E_m1 и E_m2.

Таким образом, истинное время Т_x распространения УЗ волны, определяемое выражением T_x = T'_x - t, содержит систематическую аддитивную погрешность t, которая легко исключается из результата преобразования путем предварительной записи в двоичный счетчик кода N₀.

Сущность погрешности от затухания УЗ волны в магнитострикционном звукопроводе пояснена на фиг. 1. Метод приведения величины погрешности от затухания УЗ волны в магнитострикционном звукопроводе к постоянному значению пояснен на фиг. 2.

Устройство поясняется чертежами. На фиг. 3 изображена функциональная схема устройства, а на фиг. 4 - временные диаграммы его работы.

Магнитострикционный преобразователь линейных перемещений содержит магнитострикционный звукопровод 1, первый и второй акустические демпферы 2 и 3, неподвижную катушку возбуждения 4, подвижную приемную катушку 5, первый и второй постоянные магниты 6 и 7, последовательно соединенные одновибратор 8 и преобразователь 9 напряжения в ток (ПНТ), выход которого соединен с неподвижной катушкой возбуждения 4, избирательный усилитель 10, вход которого соединен с подвижной приемной катушкой 5, RS триггер 11, вход установки которого соединен с выходом одновибратора 8, генератор 12 квантующих импульсов (ГКИ), логический элемент 13 И, первый вход которого соединен с выходом RS триггера 11, а второй вход соединен с выходом ГКИ 12, двоичный счетчик 14, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента 13 И, регистр 15, информационные входы которого соединены с выходами двоичного счетчика 14, линию 16 "запуск", соединенную со входом одновибратора 8, линию 17 "сброс", соединенную со входом предустановки двоичного счетчика 14, n-разрядную шину 18, соединенную с выходами регистра 15, последовательно соединенные детектор 19 амплитудного значения, буферный усилитель 20 и резистивный делитель 21 напряжения, вход детектора 19 амплитудного значения соединен с выходом избирательного усилителя 10, а вход сброса соединен с линией 17 "сброс", источник 22 постоянного напряжения, первый и второй компараторы напряжения 23 и 24 и логический элемент 25 И-НЕ, инвертирующий вход первого компаратора 23 напряжения соединен с выходом резистивного делителя 21 напряжения, неинвертирующие входы первого и второго компараторов напряжения 23 и 24 соединены с выходом избирательного усилителя 10, инвертирующий вход второго компаратора напряжения 24 соединен с выходом источника постоянного напряжения 22, первый и второй входы логического элемента 25 И-НЕ соединены с выходами первого и второго компараторов напряжения 23 и 24 соответственно, а его выход соединен со входом сброса RS триггера 11 и входом разрешения записи регистра 15.

Устройство работает следующим образом.

По сигналу высокого уровня, поступающему по линии 17 "сброс" (фиг. 4, а), устройство приводится в начальное состояние: сбрасывается в ноль напряжение на выходе детектора 19 амплитудного значения (фиг. 4, д), а на выходе двоичного счетчика 14 появляется двоичный n-разрядный код N₀.

Цикл преобразования начинается с подачи импульса высокого уровня по линии 16 "запуск" (фиг. 4, б). По этому импульсу одновибратор 8 генерирует прямоугольный импульс напряжения (фиг. 4, в) калиброванной длительности. Этот импульс в ПНТ 9 преобразуется в импульс тока той же длительности, который, поступая в неподвижную катушку 4 возбуждения, возбуждает в магнитострикционном звукопроводе 1 две УЗ волны, распространяющиеся по нему влево и вправо.

Одновременно по фронту импульса с выхода одновибратора 8 устанавливается в единичное состояние RS триггер 11 (фиг. 4, л). Логический элемент 13 И открывается и на счетный вход двоичного счетчика 14 начинают поступать квантующие импульсы (фиг. 4, м) с выхода ГКИ 12, имеющие период следования (фиг. 4, к).

УЗ волна, распространяющаяся вдоль магнитострикционного звукопровода 1 влево, рассеивается на акустическом демпфере 2.

УЗ волна, распространяющаяся вдоль магнитострикционного звукопровода 1 вправо, через время
где X - расстояние между неподвижной катушкой 4 возбуждения и подвижной приемной катушкой 5, V - скорость распространения УЗ волны вдоль магнитострикционного звукопровода 1, после возбуждения достигает места расположения подвижной приемной катушки 5 и наводит в ней импульс ЭДС колоколообразной формы. Далее УЗ волна рассеивается на акустическом демпфере 3.

Импульс ЭДС в подвижной приемной катушке 5 усиливается избирательным усилителем 10 (фиг. 4, г), напряжение с которого, представляющее усиленный импульс ЭДС, поступает на вход детектора 19 амплитудного значения. Напряжение на выходе последнего повторяет мгновенное значение усиленного импульса ЭДС с выхода избирательного усилителя 10 до тех пор, пока не достигнет амплитудного значения E_m усиленного импульса ЭДС. После начала спада мгновенного значения усиленного импульса ЭДС на выходе детектора 19 амплитудного значения присутствует напряжение, равное E_m (фиг. 4, д). Это напряжение поступает на буферный усилитель 20, который имеет единичный коэффициент усиления и большое значение входного сопротивления и введен для исключения влияния входного сопротивления резистивного делителя 21 напряжения на работу детектора 19 амплитудного значения. Напряжение с выхода буферного усилителя 20 делится в резистивном делителе 21 напряжения на постоянный коэффициент деления К (фиг. 4, е) и поступает на инвертирующий вход первого компаратора 23 напряжения, задавая таким образом опорный уровень напряжения

с которым будет производится сравнение мгновенного значения усиленного импульса ЭДС.

Одновременно усиленный импульс ЭДС с выхода избирательного усилителя 10 поступает на неинвертирующий вход второго компаратора 24 напряжения. До момента времени, когда мгновенное значение усиленного импульса ЭДС становится больше некоторого максимального уровня напряжения шумов U_ш, который задается источником 22 постоянного напряжения, напряжение на выходе второго компаратора 24 напряжения имеет низкий уровень (фиг. 4, ж) и логический элемент 25 И-НЕ находится в закрытом состоянии: напряжение на его выходе имеет высокий уровень (фиг. 4, и). Таким образом исключается прохождение ложных срабатываний первого компаратора 23 напряжения на RS триггер 11 через логический элемент 25 И-НЕ. Ложные срабатывания первого компаратора 23 напряжения могут быть вызваны помехами в подвижной приемной катушке 5, избирательном усилителе 10, детекторе 19 амплитудного значения, буферном усилителе 20 и резистивном делителе 21 напряжения.

С момента времени, когда мгновенное значение усиленного импульса ЭДС превышает уровень U_ш, напряжение на выходе второго компаратора 24 напряжения принимает высокий уровень (фиг. 4, ж), по которому открывается логический элемент 25 И-НЕ. С этого момента времени информация с выхода первого компаратора 23 напряжения является достоверной, а напряжение на его выходе имеет высокий уровень, потому что напряжение на его инвертирующем входе, поступающее с выхода резистивного делителя 21 напряжения, меньше напряжения на его неинвертирующем входе, поступающего с выхода избирательного усилителя 10. По высокому уровню напряжения с выхода первого компаратора 23 напряжения напряжение на выходе логического элемента 25 И-НЕ переходит в низкий уровень (фиг. 4, и).

Через время
T'_x = T_x + t,
где величина погрешности t от затухания УЗ волны в магнитострикционном звукопроводе имеет постоянное значение, которое не зависит от текущего положения контролируемого объекта и его скорости перемещения, после возбуждения УЗ волны мгновенное значение усиленного импульса ЭДС становится меньше опорного уровня напряжения U_оп и напряжение на выходе первого компаратора 23 напряжения принимает низкий уровень (фиг. 4, з), что вызывает переход напряжения на выходе логического элемента 25 И-НЕ из низкого в высокий уровень (фиг. 4, и).

По переходу напряжения на выходе логического элемента И-НЕ из низкого в высокий уровень RS триггер 11 переходит в нулевое состояние (фиг. 4, л), логический элемент 13 И закрывается и на счетный вход двоичного счетчика 14 перестают поступать квантующие импульсы с выхода ГКИ 12 (фиг. 4, м). На выходе двоичного счетчика 14 в этот момент присутствует двоичный n-разрядный код
N = N₁ - (N_max-N₀+1), (1)
где N₁ = E((T'_x + f_кв) - количество квантующих импульсов, уложившихся в интервал времени T'_x, N_max = 11...1₂ - максимально возможный двоичный код на выходе счетчика 14, N₀ = N_max- E = ((t+)f_кв)+1 - код, который появляется на выходах двоичного счетчика 14 после подачи сигнала "Сброс", где E () - целая часть выражения, - суммарное время задержки сигнала, создаваемое ПНТ 9, избирательным усилителем 10, первым компаратором 23 напряжения и логическим элементом 25 И-НЕ.

Одновременно по переходу напряжения на выходе логического элемента 25 И-НЕ из низкого уровня в высокий в регистр 15 записывается код N (фиг. 4, н). Далее этот код присутствует на n-разрядной шине 18.

С момента времени, когда мгновенное значение усиленного импульса ЭДС становится меньше уровня U_ш, напряжение на выходе второго компаратора 24 напряжения принимает низкий уровень (фиг. 4, ж) и логический элемент 25 И-НЕ закрывается. С этого момента времени информация с выхода первого компаратора 23 напряжения не является достоверной.

На этом цикл преобразования заканчивается.

Подставляя в (1) выражения для N₁ и N₀, получаем:

Таким образом, благодаря тому, что опорный уровень напряжения U_оп, с которым сравнивается мгновенное значение ЭДС в приемной катушке, устанавливается пропорциональным амплитуде E_m, а двоичный счетчик 14 подсчитывает квантующие импульсы с выхода ГКИ 19, начиная со значения N₀, код N несет информацию об истинном времени T_x распространения УЗ волны от неподвижной катушки возбуждения 4 до подвижной приемной катушки 5.

Итак, заявленное изобретение позволяет повысить точность преобразования линейного перемещения.

Формула изобретения

Магнитострикционный преобразователь линейных перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод, первый и второй акустические демпферы, неподвижную катушку возбуждения, подвижную приемную катушку, первый и второй постоянные магниты, последовательно соединенные одновибратор и преобразователь напряжения в ток, выход которого соединен с неподвижной катушкой возбуждения, избирательный усилитель, вход которого соединен с подвижной приемной катушкой, RS триггер, вход установки которого соединен с выходом одновибратора, генератор квантующих импульсов, логический элемент И, первый вход которого соединен с выходом RS триггера, а второй вход соединен с выходом генератора квантующих импульсов, двоичный счетчик, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента И, регистр, информационные входы которого соединены с выходами двоичного счетчика, линию "запуск", соединенную со входом одновибратора, линию "сброс", соединенную со входом предустановки двоичного счетчика и n-разрядную шину, соединенную с выходами регистра, отличающийся тем, что в него также введены последовательно соединенные детектор амплитудного значения, буферный усилитель и резистивный делитель напряжения, вход детектора амплитудного значения соединен с выходом избирательного усилителя, а вход сброса соединен с линией "сброс", источник постоянного напряжения, первый и второй компараторы напряжения и логический элемент И - НЕ, инвертирующий вход первого компаратора напряжения соединен с выходом резистивного делителя напряжения, неинвертирующие входы первого и второго компараторов напряжения соединены с выходом избирательного усилителя, инвертирующий вход второго компаратора напряжения соединен с выходом источника постоянного напряжения, первый и второй входы логического элемента И - НЕ соединены с выходами первого и второго компараторов напряжения соответственно, а его выход соединен со входом сброса RS триггера и входом разрешения записи регистра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4