Преобразователь пути и линейной скорости движения объекта в код

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой преобразователь пути и линейной скорости движения объекта в код и может использоваться при контроле положения и скорости при малых (0,1 мкм÷10 мкм) и больших (до 10 см) перемещениях. Для улучшения метрологических и весогабаритных характеристик преобразователя пути и линейной скорости электрический и магнитный блоки преобразователя реализованы на базе техники цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) и микроэлектронного конструирования. Технический результат достигается тем, что с помощью магнитных триггеров 10 и 17, магнитного барьера 19 и электронного блока «реверс» 20, который осуществляет переключение фаз тактирующего генератора 1, проводится измерение пути и скорости объекта независимо от направления его движения, результаты которого регистрируются в счётчиках. Пределы измерения ограничиваются скоростью движения ЦМД (20 м/с и более). При этом благодаря малым размерам ЦМД (0,1 мкм÷10 мкм) значительно уменьшаются весогабаритные параметры преобразователей. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к автоматизированным системам контроля, и может быть использовано при контроле положения и скорости малых (единицы микрометров) и больших (сантиметры) перемещений в код.

Известен преобразователь линейных перемещений в код (патент RU 2400014 C1, бюл. изобр. №26 от 20.09.10) [1], сущность которого заключается в том, что для преобразования линейных величин используется техника цилиндрических магнитных доменов ЦМД. В его состав входят высокочастотный генератор, задатчик размера, самариевый магнит, над которым расположен феррит-гранатовый кристалл с магнитоодноосной эпитаксиальной пленкой с доменопродвигающей структурой.

Недостатком этого преобразователя является недостаток информации о движении объекта (нет информации о скорости движения объекта).

Известен также преобразователь угла, угловой скорости вала в код (патент №2280322 от 20 июля 2006 г.) [3], который содержит вращающееся магнитное поле, феррит-гранатовый кристалл, генератор ЦМД» аннигилятор ЦМД, доменопродвигающую структуру, детекторы ЦМД, счетчик и вычитатель.

Недостатком этого преобразователя является то, что он предназначен только для измерения параметров вращательного движения объекта.

Наиболее близким по сущности изобретения является измеритель линейной скорости движения объекта (патент RU 2441245 C2, МПК G01F 3/66 (2006,01)) [2], в котором используется техника ЦМД и микроэлектронного конструирования. Он содержит электронный и магнитный блоки, связанные между собой соответствующим образом, причем электронный блок содержит две шины ПУСК I и ПУСК II, элемент «ИЛИ», блок реверса, элемент «задержка», первый, второй и третий ключи, регистр, два диода, первый и второй счетчики и трехфазный генератор, а магнитный блок - содержит генератор ЦМД, доменопродвигающую структуру ДПС, два компрессора, два магнитных барьера, каретку с магнитной головкой, аппликациями генератора ЦМД «вперед», генератора ЦМД «назад» и генератора ЦМД «реверс», и магнитожесткую пленку, три диода, резистор, «память», два магнитных реле и аннигилятор.

Недостатком этого изобретения является малая информация о движении объекта (нет информации о пути, пройденным объектом движения).

Устранить указанные недостатки аналогов и прототипа позволяет использование механизма интегральной оценки пути на основании информации от магнитного блока, который реализован с применением техники цилиндрических магнитных доменов и микроэлектронного конструирования [4, 5]. Носителями ЦМД являются магнитоодноосные кристаллы феррит-гранатов (диаметр ЦМД порядка единиц, десятых долей микрометра). ЦМД можно перемещать со скоростью 20 м/сек и создавать различные датчики высокой точности. Таким образом, высокая точность и высокое быстродействие обеспечиваются за счет малых размеров ЦМД и высокой скорости их перемещения.

Задачей заявляемого изобретения является создание преобразователя пути и линейной скорости перемещений объекта, имеющего достаточно полную информацию о движении объекта при хороших весогабаритных характеристиках.

Технический результат достигается за счет введения счетчика и ключей, соединенных с узлами электронного и магнитного блоков, соответствующим образом. Первый и второй выходы магнитного блока соединены с соответствующими первым и вторым входами электронного блока, первый второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы электронного блока соединены каждый с соответствующими первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым входами магнитного блока.

Электронный блок содержит две шины ПУСК I и ПУСК II, элемент «ИЛИ», блок реверса, элемент «задержка», первый, второй и третий ключи, регистр, два диода, первый и второй счетчики и трехфазный генератор, причем три выхода генератора подключены к первым трем входам первого ключа, четвертый - к общей точке, первый и второй выходы первого ключа через блок «реверс» подключены к четвертому и пятому выходам электронного блока и к первому и второму входам элемента «ИЛИ», третий вход которого соединен с шестым выходом электронного блока и с третьим выходом первого ключа, четвертый выход которого подключен к общей точке, а четвертый вход его через линию задержки соединен с его пятым входом и с первым выходом регистра, вторым выходом электронного блока, и с первыми управляющими входами второго и третьего ключей, входы которых подключены к выходу элемента «ИЛИ», а выходы соединены с входами первого и второго счетчиков соответственно, к управляющим входам которых подключены управляющий вход регистра и третий вход второго ключа, а через первый диод шина ПУСК I и седьмой выход электронного блока, первый выход которого через второй диод подключен к шине ПУСК II и шестому входу первого ключа, седьмой вход которого соединен с третьим выходом электронного блока, с третьим входом третьего ключа и со вторым выходом регистра, вход которого соединен со вторым входом электронного блока, первый вход которого подключен к третьему входу блока «реверс», третий выход которого соединен с общей точкой.

Магнитный блок содержит генератор ЦМД, доменопродвигающую структуру ДПС, два компрессора, два магнитных барьера, каретку с магнитной головкой, аппликациями генератора ЦМД «вперед», генератора ЦМД «назад» и генератора ЦМД «реверс», и магнитожесткую пленку, три диода, резистор, «память», два магнитных реле, аннигилятор, причем первый вход магнитного блока последовательно через генератор ЦМД, первый компрессор и второй компрессор подключен к общей точке, второй вход магнитного блока через виток аннигилирующий ЦМД первого реле соединен с общей точкой, и через виток генератора ЦМД «вперед», генератора ЦМД «реверс» подключен к общей точке, третий вход магнитного блока через виток аннигилирующий ЦМД второго реле соединен с общей точкой, четвертый, пятый и шестой входы через соответствующие входы доменопродвигающей структуры ДПС и первый, второй и третий диоды подключены к витку магнитостатической ловушки МСЛ первого реле, выход которой через виток магнитостатической ловушки МСЛ второго реле соединен с общей точкой, а через резистор подключен ко входу памяти, выход которой соединен с общей точкой, седьмой вход магнитного блока через аннигилятор подключен к общей точке, первый выход магнитного блока соединен с выходом второго магнитного реле и через виток аннигилирующий ЦМД «вперед» и виток генератора ЦМД «назад» каретки подключен к общей точке, второй выход магнитного блока соединен с выходом первого магнитного реле.

Схема преобразователя представлена на фиг.1. В ее состав входят следующие элементы:

1 - трехфазный генератор;

2 - первый ключ;

3 - доменопродвигающая структура (ДПС);

4 - магнитная головка;

5 - генератор ЦМД;

6 - первый компрессор;

7 - первый магнитный барьер;

8 - счетчик импульсов;

9 - элемент «ИЛИ»;

10 - первое магнитное реле;

11 - регистр;

12 - первый диод;

13 - второй диод;

14 - третий диод;

15 - магнитная память;

16 - второй компрессор;

17 - второе магнитное реле;

18 - второй магнитный барьер;

19 - магнитожесткая пленка;

20 - блок реверса;

21 - элемент «задержка»;

22 - четвертый диод;

23 - пятый диод;

24 - резистор;

25 - ЦМД магнитной головки;

26 - виток генератора ЦМД «вперед»;

27 - виток генератора ЦМД «реверс»;

28 - виток генератора ЦМД «назад»;

29 - виток аннигилирующий ЦМД «вперед»;

30 - виток аннигилирующий ЦМД первого реле;

31 - виток аннигилирующий ЦМД второго реле;

32 - виток магнитостатической ловушки МСЛ первого реле;

33 - виток магнитостатической ловушки МСЛ второго реле;

34 - аннигилятор;

35 - феррит-гранатовый кристалл с эпитаксиальной магнитной пленкой и с самариевым магнитом;

36 - каретка, на которой размещены магнитная головка 4, аппликации витков 26, 27, 28, 29 и магнитожесткая пленка 19;

37 - второй счетчик;

38 - «общая» точка;

39 - второй ключ;

40 - третий ключ;

41 - Шина «Пуск I»;

42 - Шина «Пуск II».

Причем три выхода генератора 1 подключены к первым трем входам первого ключа 2, а четвертый - к общей точке. Первый и второй выходы первого ключа 2 через блок реверс 20 подключены к четвертому «D» и пятому «E» выходам электронного блока и к первому и второму входам элемента «ИЛИ» 9. Третий вход элемента «ИЛИ» 9 соединен с шестым «F» выходом электронного блока и с третьим выходом первого ключа 2, четвертый выход которого подключен к общей точке. Четвертый вход первого ключа 2 через линию задержки соединен с его пятым входом и с первым выходом регистра 11, вторым «B» выходом электронного блока, и с первыми управляющими входами второго 39 и третьего 40 ключей. Входы второго 39 и третьего 40 ключей подключены к выходу элемента «ИЛИ» 9, а выходы соединены с входами первого 8 и второго 37 счетчиков соответственно, к управляющим входам которых подключены управляющий вход регистра 11 и третий вход второго ключа 39, а через первый диод 22 шина ПУСК I и седьмой «G» выход электронного блока. Первый выход «A» электронного блока через второй диод 23 подключен к шине ПУСК II и шестому входу первого ключа 2, седьмой вход которого соединен с третьим выходом «C» электронного блока, с третьим входом третьего ключа 40 и со вторым выходом регистра 11. Вход регистра 11 соединен со вторым «I» входом электронного блока. Первый вход «H» электронного блока подключен к третьему входу блока реверс 20, третий выход которого соединен с общей точкой.

Причем первый вход магнитного блока «A» последовательно через генератор ЦМД 5, первый компрессор 6 и второй компрессор 16 подключен к общей точке. Второй вход магнитного блока «B» через виток аннигилирующий ЦМД первого реле 30 соединен с общей точкой, и через виток генератора ЦМД «вперед» 26, генератора ЦМД «реверс» 27 подключен к общей точке. Третий вход магнитного блока «C» через виток аннигилирующий ЦМД второго реле 31 соединен с общей точкой. Четвертый «D», пятый «E» и шестой «F» входы через соответствующие входы доменопродвигающей структуры ДПС 3 и первый 12, второй 13 и третий 14 диоды подключены к витку магнитостатической ловушки МСЛ первого реле 32. Выход магнитостатической ловушки первого реле 32 через виток магнитостатической ловушки МСЛ второго реле 33 соединен с общей точкой, а через резистор 24 подключен к входу памяти 15. Выход памяти 15 соединен с общей точкой. Седьмой вход магнитного блока «G» через аннигилятор 34 подключен к общей точке. Первый выход магнитного блока «H» соединен с выходом второго магнитного реле 17 и через виток аннигилирующий ЦМД «вперед» 29 и виток генератора ЦМД «назад» 28 каретки подключен к общей точке. Второй выход магнитного блока «I» соединен с выходом первого магнитного реле 10.

Преобразователь пути и линейной скорости движения объекта работает следующим образом:

При подаче входного сигнала по шине «Пуск I» регистр 11, счетчики 8 и 37 приводятся в нулевое положение, а аннигилятор 34 уничтожает все цилиндрические магнитные домены ЦМД на феррит-гранатовом кристалле с эпитаксиальной магнитной пленкой 35, приводя схему в исходное состояние, и переводит ключ 39 в открытое состояние, а ключ 40 в закрытое. При поступлении сигнала по шине «Пуск II» включается ключ 2, создается ЦМД 5 в доменопродвигающей структуре ДПС 3, создаются ЦМД в компрессоре 6 и компрессоре 16. Трехфазный генератор 1 генерирует импульсы, которые подаются на ключ 2. Импульсы первой и второй фаз через ключ 2 поступают на блок «реверса» 20, с выхода которого они подаются на первую и вторую фазы ДПС 3, а импульсы третьей фазы непосредственно подаются на третью фазу ДПС 3.

Сигналы всех фаз через диоды 12, 13, 14 поступают на магнитостатическую ловушку МСЛ 32 реле 10, и после нее на МСЛ 33 реле 17 и через резистор 24 на ячейки памяти 15, создавая в них МСЛ. Под действием этих же импульсов проходит перемещение ЦМД, созданного генератором ЦМД 5 по доменопродвигающей структуре ДПС 3.

Импульсы всех трех фаз генератора через ключ 2 и блок реверса 20 поступают на вход схемы «ИЛИ» 9, с выхода которой они попадают на входы ключей 39 и 40. Через открытый ключ 39 импульсы поступают на счетный вход счетчика 8, в котором регистрируется значение измеряемого пути. Когда ЦМД ДПС 3, продвигаясь по ДПС 3, достигает магнитной головки 4, его выталкивает ЦМД 25 магнитной головки в компрессор 6. Компрессор 6 срабатывает и на его выходе, расположенном возле первого магнитного реле 10, появляется ЦМД, который захватывается его МСЛ. Реле 10 срабатывает и его выходной сигнал подается на регистр 11. На выходе первой ячейки регистра 11 появляется сигнал, который отключает ключ 39 и включает ключ 40, с выхода которого будут поступать импульсы в счетчик 37. Счетчик 8 останавливается и фиксирует расстояние объекта от границы диапазона перемещений его. Это расстояние определяется по формуле:

где S - расстояние между текущим положением головки ЦМД и начальным значением диапазона ее перемещений,

r₁ - расстояние между двумя соседними ячейками ДПС,

N₁ - число ячеек ДПС между текущим положением ЦМД головки 4 и начальным значением диапазона ее перемещений.

Сигнал с первого выхода регистра 11 запирает также ключ 2, тем самым прекращая поступление продвигающих импульсов ДПС 3. Для случая, когда головка движется «вперед», ЦМД «вперед» 29 не перемещается до тех пор, пока сигнал с выхода регистра 11, пройдя через элемент «задержка» 21, не откроет ключ 2. Движение ЦМД в ДПС 3 возобновляется, и, соответственно, в счетчик 37 поступают импульсы, формирующие значение скорости движения, которая вычисляется по формуле:

где V - скорость, с которой перемещается головка,

N₂ - число ячеек ДПС между двумя положениями каретки, которое она проходит за фиксированное время Δt, определяемое задержкой, формируемой узлом 21;

r - расстояние между двумя соседними ячейками ДПС;

Δt - интервал времени, в течение которого определяется скорость движения объекта.

Если соотношение $$\frac{r}{\Delta t}$$ подобно кратным 10^x, то число N₂ в счетчике 37 будет соответствовать скорости движения объекта N₂*10^x.

Когда ЦМД ДПС 3 достигает магнитную головку 4, ее ЦМД 25 выталкивает ЦМД ДПС 3 в первый компрессор 6, он срабатывает, вторично включает первое магнитное реле 10, сигнал выхода реле включает регистр 11, на втором выходе которого появляется сигнал, отключающий третий ключ 40, останавливается второй счетчик 37. В случае движения головки «назад» согласно фиг.1 к левой границе диапазона магнитожесткая пленка 19 выталкивает ЦМД «реверс» 27 во второй компрессор 16, который, срабатывая, включает второе магнитное реле 17, выходной сигнал его подается на блок реверса 20, осуществляющий взаимную замену первой и второй фаз генератора 1. В результате этого изменяется направление движения ЦМД ДПС 3. Сигнал второго реле ликвидирует ЦМД «вперед» 26 и создает ЦМД «назад» 28 витком 30. Это исключает ложное срабатывание магнитной головки 4. ЦМД «назад» 28, продвигаясь в направлении «назад», достигает магнитную головку 4 во втором положении. ЦМД магнитной головки 25 выталкивает ЦМД ДПС 3 в первый компрессор 6, он срабатывает вторично, включается первое магнитное реле 10, подается второй сигнал на регистр 11, со второго выхода которого подается сигнал на остановку счета счетчика 8 и на отключение первого ключа 2, на уничтожение ЦМД второго магнитного реле 17. На счетчике высвечивается разность первого и второго положений головки, эквивалентная скорости движения объекта (головки).

Благодаря применению вышеперечисленных узлов, реализованных в технике ЦМД, достигается высокая разрешающая способность при измерении пути и скорости движения объекта в широком диапазоне измеряемых малых величин при хороших весогабаритных параметрах.

Преобразователи позволяют измерять малые перемещения порядка 0,1 мкм÷10 мкм и большие перемещения порядка единиц÷десятков сантиметров, а также скорость объекта. Пределы измерения ограничиваются скоростью движения ЦМД (20 м/с и более). При этом благодаря малым размерам ЦМД (0,1 мкм÷10 мкм) преобразователь имеет очень малые весогабаритные характеристики.

Источники информации

1. Преобразователь линейных перемещений в код. Патент RU 2400014 C1. БЮЛ. №26Б, 20.09.10.

2. Измеритель линейной скорости движения объекта. Патент RU 2441245 C2, МПК G01F 3/66 (2006, 01).

3. Преобразователь угла, угловой скорости вала в код. Патент RU 2280322 от 20.07.12.

4. В.П. Миловзоров. Электромагнитные устройства автоматики. - М.: «Высшая школа», 1983, стр.288-332.

5. Ф.В. Лисовский. Физика цилиндрических магнитных доменов. - М.: «Советское радио», 1979, стр.164-182.

Преобразователь расстояния и линейной скорости объекта, содержащий электронный и магнитный блоки, соединенные таким образом, что первый и второй выходы магнитного блока соединены с соответствующими первым и вторым входами электронного блока, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы электронного блока соединены каждый с соответствующими первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым входами магнитного блока, причем магнитный блок содержит генератор ЦМД, доменопродвигающую структуру ДПС, два компрессора, два магнитных барьера, каретку с магнитной головкой, аппликациями генератора ЦМД «вперед», генератора ЦМД «назад» и генератора ЦМД «реверс», и магнитожесткую пленку, три диода, резистор, «память», два магнитных реле, аннигилятор, причем первый вход магнитного блока последовательно через генератор ЦМД, первый компрессор и второй компрессор подключен к общей точке, второй вход магнитного блока через виток аннигилирующий ЦМД первого реле соединен с общей точкой, и через виток генератора ЦМД «вперед», генератора ЦМД «реверс» подключен к общей точке, третий вход магнитного блока через виток аннигилирующий ЦМД второго реле соединен с общей точкой, четвертый, пятый и шестой входы через соответствующие входы доменопродвигающей структуры ДПС и первый, второй и третий диоды подключены к витку магнитостатической ловушки МСЛ первого реле, выход которой через виток магнитостатической ловушки МСЛ второго реле соединен с общей точкой, а через резистор подключен ко входу памяти, выход которой соединен с общей точкой, седьмой вход магнитного блока через аннигилятор подключен к общей точке, первый выход магнитного блока соединен с выходом второго магнитного реле и через виток аннигилирующий ЦМД «вперед» и виток генератора ЦМД «назад» каретки подключен к общей точке, второй выход магнитного блока соединен с выходом первого магнитного реле, а электронный блок содержит две шины ПУСК I и ПУСК II, элемент «ИЛИ», блок реверса, элемент «задержка», первый ключ, регистр, два диода, первый счетчик и трехфазный генератор, причем три выхода генератора подключены к первым трем входам первого ключа, четвертый - к общей точке, первый и второй выходы первого ключа через блок реверс подключены к четвертому и пятому выходам электронного блока и к первому и второму входам элемента «ИЛИ», третий вход которого соединен с шестым выходом электронного блока и с третьим выходом первого ключа, четвертый выход которого подключен к общей точке, а четвертый вход его через линию задержки соединен с его пятым входом и с первым выходом регистра, вторым выходом электронного блока, к управляющему входу первого счетчика подключены управляющий вход регистра, а также через первый диод шина ПУСК I и седьмой выход электронного блока, первый выход которого через второй диод подключен к шине ПУСК II и шестому входу первого ключа, седьмой вход которого соединен с третьим выходом электронного блока и со вторым выходом регистра, вход которого соединен со вторым входом электронного блока, первый вход которого подключен к третьему входу блока реверс, третий выход которого соединен с общей точкой, отличающийся тем, что в него введены счетчик, второй и третий ключи, с первыми управляющими входами которых соединен выход регистра, а входы второго и третьего ключей подключены к выходу элемента «ИЛИ», выходы второго и третьего ключей соединены с входами первого и второго счетчиков соответственно, к управляющему входу второго счетчика и второму управляющему входу третьего ключа подключен седьмой выход электронного модуля, а со вторым управляющим входом второго ключа соединен второй выход регистра.