Ультразвуковой преобразователь линейных перемещений

Ультразвуковой преобразователь линейных перемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для высокоточных измерений перемещений и линейных размеров объектов в автоматизированных технических системах, а также в качестве автономного измерительного средства.

Известен ультразвуковой преобразователь линейных перемещений [1], содержащий прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала со стабилизатором нагружения, акустическим поглотителем и ограничителями перемещений, волновой магнитострикционный генератор, подвижный элемент считывания, усилитель импульсов, триггер, логический элемент И, умножитель частоты, по два счетчика импульсов и регистра, формирователь импульсов и элемент задержки.

Известен другой ультразвуковой преобразователь линейных перемещений [2], выбранный в качестве прототипа. Устройство содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из прямолинейного звукопровода, катушки возбуждения, двух катушек считывания с магнитами, генератор электрических колебаний, опорный канал в виде последовательно соединенных фильтра и усилителя, блока вычитания и преобразователя "время-напряжение", и рабочий канал из последовательно соединенных управляемого фильтра и второго усилителя, измерителя временных интервалов.

Известные устройства обладают недостаточными точностью и надежностью вследствие применения относительно сложных электрических цепей, которые вносят дополнительные составляющие погрешности, снижают надежность и не обеспечивают требуемой разрешающей способности. Это ограничивает область применения данных устройств.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности и надежности измерительного преобразования перемещения в код.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из прямолинейного звукопровода одного диаметра с закрепленным на одном из его концов акустическим поглотителем и электроакустическим преобразователем, подсоединенный к усилителю считывания, другой усилитель считывания подключен к второму электроакустическому преобразователю, постоянного магнита, усилителя записи, формирователь импульсов, соединенный с входом усилителя записи и подключенный к шине запуска, и цифровой измеритель временных интервалов, соосно с первым звукопроводом установлен второй прямолинейный звукопровод отличного диаметра из однотипного магнитострикционного материала, гальванически соединенные между собой и подсоединенные к усилителю записи, на этой же стороне закреплены акустический поглотитель и второй электроакустический преобразователь, на противоположных концах звукопроводов закреплена отражающая нагрузка, между ними установлен кольцевой постоянный магнит с возможностью перемещаться между ограничителями перемещений и кинематически связанный с объектом, выходы усилителей считывания через одноименные логические элементы И подключены к входам синхронизации схемы выделения интервалов перемещений, один ее выход подсоединен с входом синхронизации цифрового измерителя линейных перемещений, другой со входами управления логических элементов И, а третий подключен к шине синхронизации, сигнальный вход формирователя импульсов подключен к шине запуска, управляющий вход соединен с нулевым входом схемы выделения интервалов перемещений и подключен к шине управления, один его выход подсоединен со входом усилителя записи, а другой соединен с единичным входом схемы выделения интервалов перемещений и соединен с нулевым входом цифрового измерителя временных интервалов, подключенный к выходным шинам результата.

Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показана блок-схема ультразвукового преобразователя линейных перемещений; на фиг.2 приведены основные временные диаграммы его работы.

Ультразвуковой преобразователь линейных перемещений (фиг.1) содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений (МПП), содержащий соосно закрепленные прямолинейные звукопроводы 1, 2 из однотипного магнитострикционного материала, акустический поглотитель 3, отражающую нагрузку 4, кольцевой постоянный магнит 5, по два ограничителя 6 перемещений и сигнальных электроакустических преобразователя (ЭАП) 7, 8, усилитель 9 записи, два усилителя 10, 11 считывания, а также формирователь 12 импульсов, два логических элемента И 13, 14, схему 15 выделения интервалов перемещений (СВИП), цифровой измеритель 16 временных интервалов (ЦИВИ), входные шины 17, 18 управления и запуска, и выходные шины 19, 20 результата и синхронизации.

Одни концы звукопроводов 1 и 2 заключены в акустический поглотитель 3 и подключены к выходу усилителя 9 записи. С этой же стороны, вблизи поглотителя 3, на звукопроводах 1 и 2 МПП жестко закреплены электроакустические преобразователи 7 и 8, которые через одноименные усилители 10, 11 считывания, логические элементы И 13, 14 подсоединены к входам синхронизации СВИП 15. Отражающая нагрузка 4 закреплена на других концах звукопроводов 1 и 2. Соосно с ними закреплен кольцевой постоянный магнит 5 с возможностью продольного перемещения между ограничителями 6 перемещений. Магнит 5 имеет кинематическое соединение с контролируемым объектом. Один выход формирователя 12 импульсов соединен с входом усилителя 9 записи, а другой - с единичными входам СВИП 15 и нулевым входом ЦИВИ 16. Его сигнальный вход подключен к шине 18 запуска, а управляющий соединен с нулевым входом СВИП 15 и подключен к шине 17 управления. Один выход СВИП 15 соединен с входом синхронизации ЦИВИ 16, разрядные выходы которого подключены к шинам 19 результата. Другой его выход соединен с управляющими входами логических элементов И 13 и 14, а третий выход подключен к шине 20 синхронизации.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально преобразователь (фиг.1) находится в заблокированном состоянии и по шине 20 выставлен сигнал "Запрос" и его перевод в режим ожидания осуществляется по сигналу "Управление", подаваемому по шине 17 управления (фиг.2а). Осуществляется разблокирование формирователя 12 импульсов и триггеров СВИП 15 (на фиг.1 не показано). С этого момента через шину 18 запуска на сигнальный вход формирователя 12 импульсов подаются импульсные сигналы "Запуск" (фиг.2б), следующие с периодом T_опр. По этим сигналам формирователь 12 импульсов вырабатывает импульсные сигналы для обнуления счетной схемы ЦИВИ 16 (на фиг.1 не показано), установки в единичное состояние СВИП 15 и возбуждения усилителя 9 записи. Установка СВИП 15 в единичное состояние сопровождается снятием сигнала "Запрос" по шине 20 синхронизации и разблокированием логических элементов И 13 и 14 (фиг.2б,д,е).

На выходе усилителя 9 записи вырабатываются токовые сигналы, проходят в среду смежных звукопроводов 1, 2 МПП и под магнитом 5, расположенным на искомом расстоянии L_х от отражающей нагрузки 4, возбуждают ультразвуковые импульсы (эф. Видемана). Распространяясь по звукопроводам 1, 2 со скоростью V_кр волны кручения, они испытывают переотражение, считываются сигнальными ЭАП 7, 8 (эф. Виллари), преобразуются усилителями 10, 11 считывания в прямоугольные видеоимпульсы, проходят через открытые логические элементы И 13, 14 и переключают триггеры СВИП 15 (фиг.2в-ж), формируя разностные временные интервалы Т1 и Т2 перемещения L_х объекта. Их размерность находится в прямой зависимости от геометрии продольных волноведущих трактов МПП:

где L_х.1=2·L_х - акустический путь волны через среду первого звукопровода 1; - спиралевидный акустический путь волны через среду второго звукопровода 2 с большим, чем у первого звукопровода 1, радиусом R витка l_в=2πR·ctgα с углом закручивания α.

В следующий момент на информационном выходе СВИП 15 по сигналам (1) производится формирование результирующего временного интервала Т_х искомого перемещения L_х объекта (фиг.2з):

который ЦИВИ 16 преобразуется в цифровой код N_x=Т_х·f_o, где f_o - частота дискретизации измерительного преобразования, требуемого двоичного формата (фиг.2ж), который в следующий момент времени выставляется по шинам 19 результата, формируя сигнал "Перемещение".

По фронту сигнала временного интервала Т2>Т1 (момент считывания отраженного импульса звукопровода 2 - фиг.2г,е), фиксирующего окончание текущего цикла преобразования, на одном из выходов СВИП 15 вырабатывается блокирующий работу логических элементов И 13, 14 сигнал (фиг.2.и), запрещая с этого момента доступ к измерительному каналу преобразователя. Одновременно по шине 20 синхронизации СВИП 15 выставляется сигнал "Запрос", информируя пользователя о готовности к очередному циклу преобразования (фиг.2.б,к).

В акустическом тракте МПП падающие и отраженные ультразвуковые импульсы в соответствующие моменты времени достигают акустический поглотитель 3 и рассеивают свою энергию, обеспечивая, тем самым, требуемый уровень акустических шумов в измерительном канале. Применение здесь отражающей нагрузки 4 позволяет без повышения частоты f_o дискретизации ЦИВИ 16 в 2 раза увеличить разрешающую способность (2) преобразователя.

Таким образом, применение метода параллельно-разностных структур позволяет исключить из результирующего преобразования (2) составляющую температурной погрешности измерения и существенно упростить структуру измерительного канала преобразователя. Это способствует повышению его точности и надежности, расширяет область технического использования, ведет к снижению себестоимости вследствие отказа от использования в акустическом тракте МПП дорогостоящих прецизионных магнитострикционных ферросплавов и, в целом, отличает от выбранного прототипа, обеспечивая достижение положительного эффекта.

Практическая реализация устройства: звукопроводы 1, 2 - проволочные из ферросплава 49КФ2, звукопровод 2 конструктивно выполнен в виде спирали с радиусом R=10 мм; магнит 5 - феррит ЮНДК25Б; ЭАП 7, 8 - пьезокерамические; усилитель записи 9 - КТ972, КД503, RC-элементы; усилители 10, 11 - К548УН1, КТ3102, КД503, RC-элементы; формирователь 12 - 555ЛАЗ, RC-элементы; элементы 13, 14 - 555ЛИ1; СВИП 15 выполнена на 4 триггерах 555ТМ2, три из которых включены по схеме счетного триггера, элементе неравнозначности 555ЛП5 и логическом элементе И 555ЛИ1; ЦИВИ 16 содержит измерительный генератор на 531ГГ1 с RC-элементами и двоичный счетчик 531ИЕ16.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки

1. А.с. №1552002 (СССР), G01B 17/00. БИ №11, 1990.

2. А.с. №1252667 (СССР), G01B 17/00. БИ №31, 1986, прототип.

Ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из прямолинейного звукопровода одного диаметра с закрепленным на одном из его концов акустическим поглотителем и электроакустическим преобразователем, подсоединенный к усилителю считывания, другой усилитель считывания подключен к второму электроакустическому преобразователю, постоянного магнита, усилителя записи, формирователь импульсов, соединенный с входом усилителя записи и подключенный к шине запуска, и цифровой измеритель временных интервалов, отличающийся тем, что соосно с первым звукопроводом установлен второй прямолинейный звукопровод отличного диаметра из однотипного магнитострикционного материала, гальванически соединенные между собой и подсоединенные к усилителю записи, на этой же стороне закреплены акустический поглотитель и второй электроакустический преобразователь, на противоположных концах звукопроводов закреплена отражающая нагрузка, между ними установлен кольцевой постоянный магнит с возможностью перемещаться между ограничителями перемещений и кинематически связанный с объектом, выходы усилителей считывания через одноименные логические элементы И подключены к входам синхронизации схемы выделения интервалов перемещений, один ее выход подсоединен с входом синхронизации цифрового измерителя линейных перемещений, другой со входами управления логических элементов И, а третий подключен к шине синхронизации, сигнальный вход формирователя импульсов подключен к шине запуска, управляющий вход соединен с нулевым входом схемы выделения интервалов перемещений и подключен к шине управления, один его выход подсоединен со входом усилителя записи, а другой соединен с единичным входом схемы выделения интервалов перемещений и соединен с нулевым входом цифрового измерителя временных интервалов, подключенным к выходным шинам результата.