Ультразвуковой измерительный преобразователь параметров движения

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям информации, и может быть использовано в робототехнических системах и комплексах для измерения параметров движения объекта. Целью изобретения является расширение области использования за счет формирования более полной измерительной информации о параметрах движения контролируемого объекта. Элемент записи-считывания возбуждает волны, которые распространяются в обе стороны по звукопроводу, и принимает волну, отраженную от свободного конца звукопровода. Элемент считывания, кинематически соединенный с объектом контроля, принимает две волны - непосредственно от элемента записи-считывания и отраженную от свободного конца звукопровода. В преобразователе осуществляется измерение времен распространения волн и сравнение этих времен, в результате которого вырабатывается информация о величине, скорости и направлении перемещения объекта. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51).5 С 01 В 17/ОО

s-4:.О

j4,-111п1. 1

Б, 1БЙ1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM

ПРИ fWHT СССР

1 (21) 4484864/25-28 (22) 20.09.88 (46) 15. 12.90. Бюп. № 46 (71) Пензенский политехнический инстйтут (72) С.Б. Демин (53) 531. 14 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1394033, кл. G 01 В 17/00, 1985. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям информации, и может быть использовано в робототехнических системах и комплексах для измерения параметров движения объекта. Целью изобретения является расширение области использования за счет формиро Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям информации, и может быть использовано в робототехнических системах и комплексах для измерения и контроля параметров движения объекта.

Цель изобретения- расширение области использования путем формирования более полной измерительной информации о параметрах движения контролируемого объекта.

На фиг. 1 приведена структурная схема измерительного преобразователя; на фиг. 2 — схема блока вычисления результата, пример исполнения; на фиг. 3 — схема генератора кодов;

„„SU„„|6 3855 А1

2 вания более полной измерительной ин" формации о параметрах движения контролируемого объекта, Элемент эаписисчитывания возбуждает волны, которые распространяются в обе стороны по эвукопроводу, и принимает волну, отраженную от свободного конца звукопровода. Элемент считывания, кинематически соедипенный с объектом контроля, принимает две волны — непосредственно от элемента эаписисчитывания и отраженную от свободного конца эвукопровода. В преобразователе осуществляется измерение времен распространения волн и сравнение этих времен, в результате чего вырабатывается информация о величине, скорости и направлении перемещения объекта. 1 э,п. ф-лы, 4 ил.

М б на фиг..4 — основные временные диаг- ф,) раммы работы устройства. ьа

Преобразователь линейных переме- фф щений содержит магнитострикционный (ф преобразователь линейных перемещений (MIIII) состоящий из струнного (ленточного) прямолинейного звукопро- I вода 1 из магнитострикционного материала со свободным концом, акустического поглотителя 2 со стабилизатором 3 р натяжения, неподвижного. элемента 4 записи-считывания, подвижного элемента 5 считывания, двух ограничителей б перемещений, усилителя 7 записи и двух сигнальных усилителей-формирователей

8 и 9, триггер 10 управления, одновибратор 11, блок 12 вычисления ре1613855 зультата (БВР), шину 13 управления, шину 14 запроса, шину 15 запуска, первые и шин 16 результата, вторые и шин 17 результата, третьи и шин

18 результата, шины 19 знака скорости и шину 20 синхронизации.

На опорном расстоянии от свободного ,конца звукопровода 1 МПП неподвижно закреплен элемент 4 записи-считывания.10

Второй его конец заключен в акустический поглотитель 2 и кинематически подключен к стабилизатору 3 натяжения.

Элемент. 5 считывания закреплен на звукоправоде 1 с возможностью перемещения:между ограничителями 6 перемещений, установленными вблизи акустического поглотителя 2 и элемента 4 записи-считывания, и кинематически подключен к объекту контролируемого перемещения. Вывод элемента 4 записисчитывания подключен. через первый усилитель-формирователь 8 к одному сигнальному входу БВР 12, другой сигнальный вход которого подключен 25 через второй усилитепь-формирователь, 9 к выводу элемента 5 считывания, а входы блокирования соединены с одним выходом триггера 10 управления и входом одновибратора 11. Выход последнего через усилитель 7 записи подключен к входу элемента 4 записисчитывания. Другой выход триггера

10 управления подключен к шине 14 запроса, синхровход — к шине 15 за- .

35 пуска, а информационный вход подключен к шине 13 управления и соединен с управляющим входом БВР 12. Синхровход последнего соединен с нулевым входом триггера 10 управления. Первые,,вторые и третьи и шин 16-18 подключены к первым, вторым и третьим выходам БВР 12, его четвертые выходы подключены к шинам 19 знака скорости, а пятый выход подключен к шине 20

45 синхронизации.

Блок 12 вычисления результата выполнен на основе двух логических элементов И 21 и 22, цифровом генераторе 23 кодов семи регистров 24»

30. параллельного сдвига, вычитателя 31, делителя 32, компаратора 33 кодов и схемы 34 задержки.

Генератор 23 кодов вьптопнен в ви55 де первого D-триггера 35, опорного цифрового генератора 36, второго иразрядного D-триггера (регистра) 37 и и-разрядного сумматора 38.

Преобразователь работает следуюпщм образом, Первоначально устройство устанавливается в исходное состояние. При подаче по шине 13 управления цифрового сигнала "Разрешение" (фиг. 4а) устройство переводится в режим работы.

По шине 14 выставляется цифровой сигнал "Запрос" (фиг. 4к), в ответ на который через время tp реакции пользователь выставляет по шине 15 запуска цифровой импульсный сигнал "Запуск" (фиг. 4б).

По этому сигналу производится переключение триггера 10 управления в единичное состояние (фиг. 4к), что приводит к снятию сигнала "Запрос" по шине 14 запроса, запуску одновибратора 11 (фиг. 4в) и разблокирова иию сигнальных входов БВР 12.

Одновибратор 11 формирует калиброванный по длительности прямоуголь" ный видеоимпульс записи, промодулированный несущей частотой Е„ес » который возбуждает усилитель 7 записи

ИПП. Усилитель 7 записи вырабатывает модулированный токовый импульс записи, Kotорый проходит через сред » комбинированного элемента 4 записисчитывания и возбуждает в звукопроводе 1 продольную магннтоупругую волну Q распространяющуюся в обе стороны с фазовой скоростью V:

G„=G, (т + 1„) + (т, + 1,),(1) где Т„,т — время распространения соответственно первой и второй волн;

1 — расстояние от элемента 4

О записи-считывания до свободного конца звукопровода»

1 — расстояние от элемента 4

Х записи-считывания до подвижного элемента 5 считывания„

Одновременно возбуждается первый усилитель-формирователь 8. На, его выходе формируется прямоугольный видеоимпупьс считывания (фиг. 4в), который проходит на первый сигнальный вход БВР 12 и через его открытый логический элемент И 21 и запускает цифровой генератор 23 кодов (фиг. 2).

На и-разрядном выходе генератора

23 кодов с этого момента начинает формироваться текущий код N сменяемый с частотой йо» которая опре161385

1х

Т

«» ° и V+V„ (3) деляет интервал дискретизации временных интервалов перемещений.

Формируемый код М образует опорную цифровую кодовую шкалу и поступает на информационные входы регистров 24 и 25 параллельного сдвига.

Генератор 23 кодов может быть выполнен по схеме, показанной на фиг. 3.

D-триггер 35 по внешним сигналам управляет работой опорного генератора 36 образцовой частоты f = f /2 и регистра, выполненного на п Dтриггерах 37.

Опорный генератор управляет разверткой интерполяционного кодового звена на п-разрядном D-триггере-регистре 37 и сумматоре 38, включенных в кольцо. При этом сумматор 38 может быть выполнен на программируемых логических элементах, что позволяет выполнить генератор 23 кодов как функциональный генератор, расширяя возможности устройства.

Зондирующая магнитоупругая волна9 распространяясь вправо (по фиг. 1) по звукопроводу 1 МПП, в некоторый момент времени достигает свободного

его конца, образующего границу полного отражения, отражается (инверrI руется - Q ) и распространяясь в сторону элемента 4 записи-считывания, достигает его через. суммарное время

Т = 2-R. (2)

1 о

Проходя по звукопроводу 1 под элементом 4 зондирующая магнитоупругая волна — G индуцирует на его вы2 ходе модулированный импульс, который преобразуется первым усилителемформирователем 8 в прямоугольный видеоимпульс считывания (фиг. 4в), и, проходя на первый сигнальный вход

БВР 12, записывает в его регистр 24 код N» = T „ йо, который -в момент вр емени (2) выставляется на и-разрядном, выходе генератора 23 кодов. Этот код далее поступает на входы цифровых компаратора 33 и делителя 32 (фиг. 2).

Магнитоупругие волны Q и (). <, распространяясь по звукопроводу 1 в сто. рону перемещающегося с искомой скоростью 7> контролируемого объекта подвижного элемента 5 считывания, достигают его через время соответственно 4Р 6 т

1 +21о (4) V+7»

Проходя по sвукопроводу 1 под эле ментом 5 считывания, магнитоупругие волны G .и †.Q индуцируют íà его выг ходе модулированные импульсы напряжения, которые преобразуются вторым усилителем-формирователем 9 в прямо10 угольные видеоимпульсы считывания (фиг. 4г), и проходят на второй сигнальный вход БВР 12. Эти сигналы считывания проходят через его открытый логический элемент И 22 и произ15 водят запись в регистры 25 и 26 текущих кодов N<= Т Е и N>= Т Г г о которые выставляются на выходах генератора 23 кодов в моменты времени (3) и (4), ™ак что в регистре 25

20 записывается код N>, а в регистре

26 — код N . Далее код N поступает на одни входы вычитателя 3 1 и делите ля 32 и входы буферного регистра 27 (фиг. 2) .

На фиг. 4г, д, е показаны опорные сигналы соответственно при Чх = 0 (фиг, .4г), +Ч (фиг. 4д) и -7 (фиг. 4е), формируемые на выходе сигнального усилителя-формирователя 9.

30 Если скорость объекта отлична от нулевой (7» ф О), то наблюдается. некоторое временное приращение +hT опорного интервала Т, знак которого определяется направлением перемещения подвижного элемента 5 считыва35 ния ИПП. Так, если направления распространения продольной магнитоупругой волны и перемещения элемента 5 противоположны, то имеет место сум40 марная фазовая скорость (Ч+Чх) и знак приращения равен -ДТ. В противном случае, когда суммарная фаэовая скорость равна (V-7» ), знак прира- > щения равен обратному значению +hТ.

Ю

45 . Знак скорости перемещения Й объекта вычисляется цифровым компара тором 33 БВР 12 согласно следующему

1выражению:

01, если Ы -04>0 (+Чх);

10, если N< N4<0 (-7х) р (5)

00, если М1-Ng- =0 (ЧХ= О), где 114= N<- N> - код, .который вычисляется вычитателем 31.

Сформированные коды N><, И4. проходят на входы буферных и-разрядного регистра 29 и двухразрядного регистра 30.

1613855

Таким абра зом, сформированный код М< на выходах регистра 26 несет информацию непосредственного преобразования текущего положения 1 контролируемого объекта относитель5 но магнитострикционной шкалы отсчета

NIII, которому присущи известные нецостатки. На выходах делителя 32 формируется код искомого перемещения,10 объекта логометрического значения

М -- N

Распространяясь далее по звукопро-15 воду 1 IGIII магнитоупругие волны 6, и в некоторшй момент времени до2 стигают акустического поглотителя 2 и рассеивают на нем свою энергию.

Так предотвращается образование в магнитострикционном тракте передачи (звукопр оводе) инрерсных (отраженных)

1 . неинформационньж волн — Q, и gg .

В следующий момент а, Сг + а>z, где г, с — время распространения 25 л л сигналов чер ез цепи элементов 25 и 32, на первом выходе схемы 34 задержки выставляется цифровой импульс синхронизации (фиг, 4ж), по которому производится запись вычисленных кодов N N< N и Ызяв регистры 2730 и переключение в исходное состояние (нулевое) триггера 10 управления (фиг. 4и), С выходов регистров 27-30 искомые коды, соответственно "Код положения

1", "Код положения 2", "Код скорости" и "Знак скорости", проходят на первые, вторые и третьи и-разрядные пптны 16-18 результата и шину 19

40 (фиг. 1 и 2), Перевод триггера 10 управления в нулевое состояние по сигналу "Цикл" приводит к блокированию сигнальных входов БВР защ щая от прок дения 45 ложных импульсных сигналов вне цикпа преобразования, и формированию. по нине 14 запроса сигнала "Запрос" (фиг, 4к).

Л л следующий момент u < ь, у 0, . 50

"г7-ъо сигналов через элементы 27-30, на другом выходе схемы 34 задержки выставляется цифровой импульсный сигнал который проходит на шину 20

55 синхронизации и формирует сигнал

"Синхронизация" (фиг. 4з) .

На этом полный цикл преобразования заканчивается, устройство подготовпено к очередному циклу преобразования, который выполняется через

1 время tp. При снятии по шине 13 управления сигнала "Разрешение " (фиг. 4а) запуск устройства по сигналу "Запуск" невозможен.

Высокая помехоустойчивость устройства достигается за счет использования модуляции зондирующего магнитоупругого сигнала МПП и применения стабилизатора 3 натяжения, обеспечивающих постоянство во времени волнового акустического сопротивления .магнитострикционного тракта передачи из условия максимально возможного отношения сигнал/помеха. Наличие ограничителей перемещения ИПП повышает его надежность sa счет предохранения от возможного механического разрушения элементов кинематической схемы в крайних точках диапазона преобразования.

Формула из обр ет ения

1„Ультразвуковой измерительный преобразователь параметров движения, содержащий прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала со свободным концом, стабилизатор растягивающих усилий и акустический поглотитель, расположенные на дру, гом конце звукопровода, преобразователь колебаний, установленный неподвижно на звукопроводе на опорном расстоянии от его свободного конца, сосредоточенный элемент считывания, установленный на рабочей части эвукопровода и выполненный с возможностью перемещения вдоль звукопровода и кинематического подключения к объекту контроля, усилитель записи

H усилитель-формирователь считывания, подключенные к выходам соответственно преобразователя колебаний и элемента считывания, формирователь импульсов записи и триггер управления, подключенный через формирователь импульсов записи к входу усилителя записи, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью расширения области использования за счет формирования более полной измерительной информации о параметрах движения объекта, он снабжен вторым усилителем-формирователем считывания и блоком вычисления результата, первый и второй сигнальные входы ко9 16! торого соединены соответственно с выходами первого и второго усилителей-формирователей считывания, первый и второй управляющие входы объединены и соединены с выходом триггера управления, а третий управляющий вход соединен с информационным входом триггера управления, вход обнуления триггера управления соединен с синхровьмодом блока вычисления результата, выход второго усилителяформирователя считывания подсоединен к выходу преобразователя колебаний, который выполнен как элемент записисчитывания.

2. Преобразователь по п, 1, отличающийся тем, что блок вычисления результата содержит первый и второй элементы И, генератор кодов, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой регистры, компаратор, элемент задержки, вычитатель и делитель, первый вход которого соединен с первым входом компаратора и входом первого регистра, второй вход — с информационным входом четвертого регистра, первым входом вычитателя и выходом третьего регистра, а выход — с информационным входом пятого регистра, информационный вход третьего регист4

3855 ра соединен с выходом второго регистра и вторым входом вычитателя, выход которого соединен с информационным входом шестого регистра и вторым входом компаратора, выход которого соединен с информационным входом седьмого регистра, синхровходы четвертого, пятого, шестого и седьмого

)p регистров объединены и соединены ° с первым входом элемента задержки, вход которого соединен с синхровходами второго и третьего регистров и выходом второго элемента И, первые входы первого и второго элементов И объединены и соединены с первым входом генератора кодов, выход которого соединен с информационными входами первого и второго регистров, синхровход первого регистра соединен с вторым входом генератора кодов и выходом элемента И, при этом первые входы первого и второго элементов И являются соответственно первым и

2э вторым управляющими входами блока вычисл ения р езул ьтата, тр етий вход генератора кодов -- его третьим управляющим входом, второй вхсд первого и второго элемепто» И вЂ” его

30 первым и вторым и:;формационными вхоФ дами, а выход элемента задержки— его синхровыходом.

l6138S5

1613855 йцрешение "

Составитель В. Кольцов

Техред Л.Олийнык Корректор Н.Ревская Редактор А. Огар .Заказ 3885 Тираж 478 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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