Магнитострикционный преобразователь перемещения

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения и контроля перемещений. На волноводе из магнитострикционного материала с демпферами на концах размещены опрашивающая и выходная обмотки. Над обмотками размещены постоянные неподвижные магниты. Еще один постоянный магнит связан с объектом перемещения. С выходной обмоткой соединен вход усилителя-формирователя, а к опрашивающей обмотке подключен формирователь импульса тока записи. Устройство содержит два преобразователя временного интервала в цифровой код, каждый из которых состоит из D-триггера и счетчика. Входы счетчиков соединены с выходом генератора счетных импульсов. Кроме того, устройство содержит тактовый генератор, сумматор, регистр сдвига и буферный регистр. Изобретение позволяет повысить точность измерений за счет измерения временной задержки между моментами времени, соответствующими середине двух импульсов напряжения, наводимых в выходной обмотке за один цикл измерения. 2 ил.

Настоящее изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения и контроля перемещений.

Известен преобразователь перемещения в код, содержащий подвижный элемент, волновод из магнитострикционного материала, на концах которого расположены демпферы, обмотку опроса, расположенную на одном конце волновода и соединенную через усилитель опроса с первым входом счетчика импульсов, к второму входу которого подключен выход усилителя считывания, первый вход которого соединен с другим концом волновода, а второй его вход соединен с первым выходом генератора импульсов счета, второй выход которого соединен с третьим входом счетчика импульсов, записи, делитель частоты и блок записи и стирания, подключенный к другому концу волновода и к обмотке записи, которая расположена на подвижном элементе, вход делителя частоты соединен с вторым выходом генератора импульсов счета, а его выход - с входом усилителя опроса [1].

Этот преобразователь имеет большую погрешность измерения вследствие измерения временного интервала по фронту импульса считывания, который из-за ослабления упругой волны в волноводе имеет разные амплитуды (чем дальше от обмотки возбуждения, тем амплитуда наводимого импульса напряжения в выходной обмотке меньше), что при постоянном пороге срабатывания отсечного устройства приводит к ошибке.

Известен преобразователь перемещения в код, содержащий волновод, выполненный из магнитной подложки, на которой установлены дискретные магнитострикционные элементы, распределенные вдоль волновода, подвижный магнит, установленный вдоль образующей волновода с сигнальной обмоткой и распределенной обмоткой опроса, соединенной с выходом генератора импульсов, на концах волновода установлены демпферы, выход генератора импульсов соединен с входом сброса счетчика, выход сигнальной обмотки подключен к усилителю, выход усилителя через блок селекции импульсов соединен с входами счетчика. [2] Известный преобразователь имеет большую погрешность также из-за срабатывания отсчетного устройства по фронтам импульсов считывания.

Наиболее близким к изобретению является преобразователь перемещения - код, содержащий волновод из магнитострикционного материала, опрашивающую и выходную обмотки, размещенные непосредственно на волноводе, постоянный магнит, связанный с объектом перемещения, и преобразователь временного интервала в цифровой код. [3] Этот преобразователь имеет большую погрешность вследствие того, что измерение производится по фронту импульса напряжения, наводимого в выходной обмотке продольной упругой волной.

Задача изобретения - повышение точности измерений преобразователя перемещения в код за счет измерения временной задержки между моментами времени, соответствующих середине двух импульсов напряжения, наводимых в выходной обмотке за один цикл измерения.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый преобразователь содержит волновод из магнитострикционного материала с демпферами на концах, опрашивающую и выходную обмотки, размещенные на волноводе, постоянный магнит, связанный с объектом перемещения, тактовый генератор, усилитель-формирователь, вход которого соединен с выходной обмоткой, а также генератор счетных импульсов, в отличие от прототипа в него введены первый и второй неподвижные постоянные магниты, размещенные соответственно над опрашивающей и выходной обмотками, формирователь импульса тока записи, подключенный к опрашивающей обмотке, первый и второй преобразователи временного интервала в цифровой код, каждый из которых состоит из D-триггера, включенного как делитель частоты и счетчика, вход разрешения которого соединен с выходом D-триггера, счетные входы первого и второго счетчиков соединены с выходом генератора счетных импульсов, а входы начальной установки первого и второго D-триггеров и первого и второго счетчиков подключены к выходу тактового генератора, входы первого и второго преобразователей временного интервала в цифровой код соединены с выходом усилителя-формирователя, сумматор, разрядные входы которого соединены с соответствующими разрядными выходами первого и второго преобразователей временного интервала в цифровой код, регистр сдвига, разрядные входы которого подключены к соответствующим выходам сумматора, управляющий вход регистра сдвига соединен с выходом тактового генератора, а вход записи подключен через первую линию задержки ко второму выходу второго D-триггера, буферный регистр, входы которого соединены с выходами регистра сдвига, а управляющий вход соединен через вторую линию задержки с выходом тактового генератора, выход тактового генератора соединен с формирователем импульса тока записи.

Сущность устройства поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена блок-схема заявляемого преобразователя, на фиг. 2 - эпюры напряжений.

Предлагаемый преобразователь содержит волновод 1 из магнитострикционного материала с демпферами 2 на концах, подвижный постоянный магнит 3, связанный с объектом перемещения, первый 4 и второй 5 постоянные магниты, опрашивающую обмотку 6, соединенную с формирователем импульса тока записи 7, вход которого связан с выходом тактового генератора 8, выходную обмотку 9, соединенную через усилитель - формирователь 10 с входами первого 11 и второго 12 преобразователей временного интервала в цифровой код 11 состоит из D-триггера 13 и счетчика 14. Второй преобразователь временного интервала в код 12 аналогичен первому преобразователю 11 и состоит из D-триггера 15, выход которого соединен с входом разрешения счетчика 16, на счетный вход которого поступают импульсы с генератора счетных импульсов 17. Входы начальной установки D-триггера 15 и счетчика 16 соединены с выходом тактового генератора 8. Разрядные выходы первого 11 и второго 12 преобразователей временного интервала в цифровой код соединены с соответствующими разрядными входами сумматора 18, выходы которого подключены к соответствующим входам регистра сдвига 19, вход записи которого соединен через первую линию задержки 20 с вторым выходом триггера 15 второго преобразователя интервала в код 12, а управляющий вход - с выходом тактового генератора 8. Разрядные выходы регистра сдвига 19 соединены с соответствующими входами буферного регистра 21, управляющий вход которого подключен через вторую линию задержки 22 к выходу тактового генератора 8.

Устройство работает следующим образом. Тактовый генератор 8 вырабатывает импульс синхронизации, который устанавливает в исходное состояние первый 11 и второй 12 преобразователи временного интервала в цифровой код. Формирователь импульса тока записи 7 по этому же импульсу вырабатывает импульс тока, который подается на опрашивающую обмотку 6 и возбуждает продольную упругую волну вследствие прямого магнитострикционного эффекта. Продольная волна распространяется в обе стороны от второго неподвижного магнита 5. Одна волна достигает демпфера 2 и затухает, а другая, распространяясь вдоль волновода 1 со скоростью V, достигает выходной обмотки 9. Волна деформации, достигшая выходной обмотки 9, наводит в ней ЭДС за счет изменения магнитного поля под первым неподвижным магнитом 4 (обратный магнитострикционный эффект) и далее, распространяясь вдоль волновода, снова наводит ЭДС, но уже за счет изменения магнитного поля под магнитом 3 и затухает в демпфере 2.

ЭДС с выходной обмотки 9 усиливается и преобразуется в импульс напряжения прямоугольной формы усилителем-формирователем 10 и поступает на вход первого 11 и второго 12 преобразователей временного интервала в цифровой код.

Интервал времени t между серединой первого импульса с выходной обмотки 9 и серединой второго импульса с этой же обмотки пропорционален перемещению X подвижного магнита 3 (из экспериментальных исследований получено, что середина импульса более стабильна при ослаблении импульса записи в волноводе, чем фронты) t = X/V.

Удвоенное значение этого интервала определится как сумма интервалов между фронтами импульсов, которые формируются с помощью первого 13 и второго 15 триггеров. Триггеры срабатывают по переднему и заднему фронту информационных импульсов соответственно. Эти интервалы времени заполняются импульсами от генератора счетных импульсов 17 и фиксируется первым 14 и вторым 16 счетчиками. Показания счетчиков однозначно определяют величину перемещения как X = (N1 + N2) V/2f, где N1 - содержимое счетчика 14; N2 - содержимое счетчика 16; f - частота генератора счетных импульсов 17.

Показания счетчиков складываются в сумматоре 18 и по окончании импульса разрешения счета с второго триггера 15 через время t₁, которое обеспечивается первой линией задержки 20, результат записывается в регистре сдвига 19 и по следующему импульсу синхронизации сдвигается вправо. Данные с регистра сдвига поступают на вход буферного регистра 21 и через время t₂ после начала нового цикла измерения, которое обеспечивается второй линией задержки 22, передаются на его выход.

Опрос производится циклически с периодом времени большим, чем t_max = (X_max + X_уст + j₀)/V + t₁,
где
X_max - максимальное перемещение магнита 3;
X_уст - минимальное расстояние между магнитами 3 и 4.

Время t₂ не должно превышать значения (X_max + X_уст + j₀)/V, а минимальное расстояние между магнитами X_уст должно быть таким, чтобы не было гальванической связи между ними.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерений известных преобразователей и производить их бесконтактно, так как подвижный магнит 3 не имеет электрических соединений с вторичной аппаратурой и механически не связан с волноводом 1.

Источники информации.

1. Авторское свидетельство СССР N 690520, кл. G 08 C 9/04, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР N 690521, кл. G 08 C 9/04, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР N 262518, кл. G 08 C 9/04, 1968.

Формула изобретения

Магнитострикционный преобразователь перемещения, содержащий волновод из магнитострикционного материала с демпферами на концах, опрашивающую и выходную обмотки, размещенные на волноводе, постоянный магнит, связанный с объектом перемещения, тактовый генератор, усилитель-формирователь, вход которого соединен с выходной обмоткой, а также генератор счетных импульсов, отличающийся тем, что в него введены первый и второй неподвижные постоянные магниты, размещенные соответственно над опрашивающей и выходной обмотками, формирователь импульса тока записи, подключенный к опрашивающей обмотке, первый и второй преобразователи временного интервала в цифровой код, каждый из которых состоит из D-триггера, включенного как делитель частоты и счетчика, вход разрешения которого соединен с выходом D-триггера, счетные входы первого и второго счетчиков соединены с выходом генератора счетных импульсов, а входы начальной установки первого и второго D-триггеров и первого и второго счетчиков подключены к выходу тактового генератора, входы первого и второго преобразователей временного интервала в цифровой код соединены с выходом усилителя-формирователя, сумматор, разрядные входы которого соединены с соответствующими разрядными выходами первого и второго преобразователей временного интервала в цифровой код, регистр сдвига, разрядные входы которого подключены к соответствующим выходам сумматора, управляющий вход регистра сдвига соединен с выходом тактового генератора, а вход записи подключен через первую линию задержки ко второму выходу второго D-триггера, буферный регистр, входы которого соединены с выходами регистра сдвига, а управляющий вход соединен через вторую линию задержки с выходом тактового генератора, выход тактового генератора соединен с формирователем импульса тока записи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2