RU2006793C1

RU2006793C1 - Ultrasound converter of linear movements

Info

Publication number: RU2006793C1
Authority: RU
Inventors: С.Б. Демин
Original assignee: Демин Станислав Борисович
Priority date: 1990-12-17
Filing date: 1990-12-17
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: measuring devices. SUBSTANCE: device has U-shaped magnetostrictive sound duct 1, which has loose ends and is attached to movable base 2, coupled read and write units 3, 4, magnetostrictive delay line 5, write pulse shaper 10, read discriminating amplifier 11, read discriminating shaping amplifier 12, modulator 13, input buses 14, 15 and output bus 16. EFFECT: increased precision and sensitivity due to decreased influence of disturbing environment and U-shaped sound duct which branches has read and write units. 3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в робототехнических системах и комплексах для измерения и контроля параметров кинематического движения объекта. The invention relates to measuring equipment and is intended for use in robotic systems and complexes for measuring and controlling the parameters of the kinematic motion of an object.

Известен ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий синхрогенератор, генератор зондирующих импульсов, подвижный электроакустический преобразователь, ультразвуковой звуковод, усилитель, элемент И, два триггера, счетчик, селектор, счетчик результата, дешифратор, второй элемент И, одновибратор, регистр, цифровое отсчетное устройство, второй одновибратор и генератор счетных импульсов [1] . Known ultrasonic transducer of linear displacements containing a clock generator, a probe pulse generator, a movable electro-acoustic transducer, an ultrasonic sound guide, an amplifier, an element And, two triggers, a counter, a selector, a result counter, a decoder, a second element And, a one-shot, register, digital reading device, the second single vibrator and counting pulse generator [1].

Известный ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод, закрепленный на нем сосредоточенный элемент считывания, соединенный с ним избирательный усилитель-формирователь считывания, линию задержки и формирователь импульсов записи, соединенный с входом линии задержки [2] . Known ultrasonic transducer of linear displacements, containing a magnetostrictive sound guide, a concentrated reading element fixed to it, a selective reading amplifier-shaper connected to it, a delay line and a recording pulse shaper connected to the input of the delay line [2].

Основными недостатками известных устройств является недостаточная точность и чувствительность по перемещению из-за влияния дестабилизирующих факторов среды и использования прямолинейного волноведущего тракта. The main disadvantages of the known devices is the lack of accuracy and sensitivity to movement due to the influence of destabilizing environmental factors and the use of a rectilinear wave guide path.

Целью изобретения является повышение точности преобразования скорости линейного перемещения объекта в число-импульсный код. The aim of the invention is to improve the accuracy of converting the speed of linear movement of the object into a number-pulse code.

Это достигается тем, что ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод, закрепленный на нем сосредоточенный элемент считывания, соединенный с ним избирательный усилитель-формирователь считывания, линию задержки и формирователь импульсов записи, соединенный с входом линии задержки, снабжен сосредоточенным элементом записи, подключенным к формирователю импульсов записи, модулятором, подключенным к выходу избирательного усилителя-формирователя считывания, и избирательным усилителем считывания, включенным между выходом линии задержки и формирователем импульсов записи, магнитострикционный звукопровод выполнен U-образным и кинематически соединен с подвижным относительно него основанием, предназначенным для связи с объектом, сосредоточенные элементы записи и считывания размещены на параллельных ветвях звукопровода, второй вход формирователя импульсов записи предназначен для подключения к шине запуска, третий его вход и второй вход модулятора - к шине управления, а выход модулятора - к шине результата. This is achieved by the fact that the ultrasonic transducer of linear displacements, containing a magnetostrictive sound guide, a concentrated reading element fixed to it, a selective reading amplifier-shaper connected to it, a delay line and a recording pulse generator connected to the input of the delay line, is equipped with a concentrated recording element connected to a write pulse shaper, a modulator connected to the output of the selective reading driver, and a selective amplifier a readout connected between the output of the delay line and the recording pulse generator, the magnetostrictive sound pipe is made U-shaped and kinematically connected to a movable base intended for communication with the object, concentrated recording and reading elements are placed on parallel branches of the sound pipe, the second input of the recording pulse generator to connect to the start bus, its third input and second modulator input to the control bus, and the modulator output to the result bus.

Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковой преобразователь снабжен вторым состедоточенным элементом считывания, размещенным на расстоянии, равном или кратном полупериоду зондирующей упругой волны от первого, подключенными к его выходу последовательно соединенными вторым избирательным усилителем-формирователем считывания и схемой определения знака перемещения, вторым входом подключенной к выходу первого избирательного усилителя-формирователя считывания, а также тем, что линия задержки выполнена в виде радиального звукопровода с монолитным акустическим поглотителем, размещенного на торцовой части радиального звукопровода пьезоэлектрического элемента записи и третьего сосредоточенного элемента считывания, закрепленного на радиальном звукопроводе, электроды пьезоэлектрического элемента являются входом линии задержки, а выход третьего элемента считывания - ее выходом. This goal is achieved by the fact that the ultrasonic transducer is equipped with a second centered reading element located at a distance equal to or a multiple of the half-period of the probing elastic wave from the first one, connected to its output in series with a second selective read pickup amplifier and a sign of displacement, the second input connected to the output of the first selective amplifier-driver of reading, as well as the fact that the delay line is made in the form of a radial sound wires with monolithic acoustic absorber disposed on the front portion of a radial acoustic line of the piezoelectric element and the third recording focused reading member fixed to a radial acoustic line, the electrodes of the piezoelectric element of the delay line are input, and the output of the third sensing element - its output.

На фиг. 1, 2 приведены блок-схемы ультразвукового преобразователя линейных перемещений с разным выполнением сигнальной цепи считывания; на фиг. 3-5 - варианты выполнения его формирователя импульсов записи, избирательного усилителя-формирователя, считывания и схемы определения знака перемещения; на фиг. 6, 7 - основные временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя. In FIG. 1, 2 are block diagrams of an ultrasonic transducer of linear displacements with different designs of the read signal circuit; in FIG. 3-5 - embodiments of its shaper of recording pulses, selective amplifier-shaper, reading and schemes for determining the sign of movement; in FIG. 6, 7 are basic timing diagrams explaining the operation of the converter.

Ультразвуковой преобразователь скорости линейного перемещения (фиг. 1) содержит U-образный магнитострикционный звукопровод 1 со свободными концами, закрепленный на подвижном основании 2, кинематически соединенным с объектом, сосредоточенные элемент 3 записи и элемент 4 считывания, магнитострикционную линию 5 задержки (МЛЗ), выполненную на основе радиального звукопровода 6 из однотипного с U-образным звукопроводом материала с монолитным акустическим поглотителем 7, пьезоэлектрического элемента 8 записи и сосредоточенного элемента 9 считывания, формирователь 10 импульсов записи, избирательный усилитель 11 считывания, избирательный усилитель-формирователь 12 считывания, модулятор 13, а также шину 14 управления, шину 15 запуска и шину 16 результата. The ultrasonic linear velocity transducer (Fig. 1) contains a U-shaped magnetostrictive sound pipe 1 with free ends, mounted on a movable base 2, kinematically connected to the object, lumped recording element 3 and reading element 4, magnetostrictive delay line 5 (MLS), made based on a radial sound duct 6 from the same material with a U-shaped sound duct with a monolithic acoustic absorber 7, a piezoelectric recording element 8 and a concentrated reading element 9 Nia, write pulse generator 10, the selective sense amplifier 11, the selective amplifier-driver 12 reading, the modulator 13 and the control bus 14, bus 15 and bus 16 start result.

Сосредоточенные элементы 3, 4 записи и считывания закреплены на разных равнопараллельных ветвях U-образного звукопровода 1. Выводы сосредоточенного элемента 4 считывания через избирательный усилитель-формирователь 12 считывания подключены к сигнальному входу модулятора 13. Его вход управления объединен с входом управления формирователя 10 импульсов записи и подключен к шине 14 управления. Один сигнальный вход формирователя 10 импульсов записи подключен к шине 15 запуска, другой его вход соединен с выходом избирательного усилителя 11 считывания, а выход подсоединен к выводам сосредоточенного элемента 3 записи и пьезоэлектрического элемента 8 записи, закрепленного на торцовой части радиального звукопровода 6 МЛЗ 5. На другой части звукопровода 6 закреплен второй сосредоточенный элемент 9 считывания, подключенный к входу избирательного усилителя 11 считывания. The concentrated recording and reading elements 3, 4 are mounted on different equal parallel branches of the U-shaped sound duct 1. The conclusions of the concentrated reading element 4 are connected to the signal input of the modulator 13 through a selective reading amplifier-shaper 12. Its control input is combined with the control input of the shaper 10 of the recording pulses and connected to the control bus 14. One signal input of the recording pulse generator 10 is connected to the triggering bus 15, its other input is connected to the output of the selective reading amplifier 11, and the output is connected to the terminals of the concentrated recording element 3 and the piezoelectric recording element 8 fixed to the end part of the radial sound duct 6 MLZ 5. On another part of the duct 6 is fixed to the second concentrated reading element 9 connected to the input of the selective reading amplifier 11.

Кроме того, в ультразвуковой преобразователь линейных перемещений (фиг. 2) введены второй сосредоточенный элемент 17 считывания и второй избирательный усилитель-формирователь 18 считывания и схема 19 определения знака перемещения. Сосредоточенный элемент 17 считывания закреплен на второй ветви U-образного звукопровода 1 на расстоянии от первого сосредоточенного элемента 4 считывания, равном или кратном полупериоду стоячей волны, возбуждаемой в среде звукопровода. Его выводы через второй избирательный усилитель-формирователь 18 считывания подсоединены одному входу схемы 19 определения знака перемещения. Его другой вход соединен с выходом первого избирательного усилителя-формирователя 12 считывания, а парафазные выходы подключены к шинам 20 знака перемещения. In addition, in the ultrasonic transducer of linear displacements (Fig. 2), a second concentrated reading element 17 and a second selective reading amplifier-driver 18 and a displacement sign determination circuit 19 are introduced. The concentrated reading element 17 is fixed on the second branch of the U-shaped sound duct 1 at a distance from the first concentrated reading element 4 equal to or a multiple of the half-wave of a standing wave excited in the medium of the sound duct. Its conclusions through the second selective amplifier-driver 18 of the reading connected to one input of the circuit 19 determine the sign of movement. Its other input is connected to the output of the first selective reading amplifier 12, and the paraphase outputs are connected to the buses 20 of the sign of movement.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Первоначально устройство (фиг. 1) находится в заблокированном состоянии и не реагирует на сигналы "Запуск" по шине 15 запуска. Перевод устройства в режим работы производиться по цифровому сигналу "Разрешение", выставляемого пользователем по шине 14 управления. Разблокируются формирователь 10 импульсов записи (фиг. 3) и модулятор 13. Initially, the device (Fig. 1) is in a locked state and does not respond to "Start" signals on the start bus 15. The transfer of the device into operation is carried out on a digital signal "Resolution", set by the user on the control bus 14. The shaper 10 of the recording pulses (Fig. 3) and the modulator 13 are unlocked.

В следующий момент по шине 15 запуска подается цифровой импульсный сигнал "Запуск", возбуждающий формирователь 10 импульсов записи. На его выходе формируется токовый импульс записи соответствующей длительности, который проходит на сосредоточенные элемент 3 записи и пьезоэлектрический элемент 8 записи МЛЗ 5. В результате магнитомеханического преобразования (эффект Джоуля) в средах магнитострикционных звукопроводов 1 и 6 возбуждаются упругие нормальные волны, распространяющиеся с продольной фазовой скоростью V_пр .At the next moment, a start pulse digital signal “Start” is supplied via the start bus 15, the exciting driver 10 recording pulses. At its output, a recording current pulse of the corresponding duration is generated, which passes to the concentrated recording element 3 and the piezoelectric element 8 of the MLZ recording 5. As a result of the magnetomechanical transformation (Joule effect), elastic normal waves propagating with a longitudinal phase velocity are excited in magnetostrictive sound ducts 1 and 6 V _ave .

Так, упругая волна, распространяясь по радиальному звукопроводу 6 МЛЗ 5, достигает второй сосредоточенный элемент 9 считывания и им считывается вследствие магнитоупругого преобразования (эффект Виллари) через время:
T_оп= Π

(1) где R₁ - радиус дополнительного звукопровода 6 МЛЗ 5.So, an elastic wave, propagating through a radial sound path 6 MLZ 5, reaches the second concentrated reading element 9 and is read due to magnetoelastic transformation (Villari effect) through time:
T _op = Π

(1) where R ₁ is the radius of the additional sound duct 6 MLZ 5.

С выводов элемента 9 считывания наведенный аналоговый импульс считывания усиливается избирательным усилителем 11 считывания и подается на второй сигнальный вход формирователя 10 импульсов записи (фиг. 3). Осуществляется его повторный запуск, и весь процесс преобразования сигналов в контуре 10, 5, 11 повторяется. From the terminals of the read element 9, the induced analog read pulse is amplified by the selective read amplifier 11 and supplied to the second signal input of the write pulse generator 10 (Fig. 3). It is restarted, and the entire process of converting the signals in the circuit 10, 5, 11 is repeated.

На выходе формирователя 10 считывания устанавливается устойчивая генерация импульсов с некоторой частотой следования, выбираемая из условия формирования стоячей упругой волны в среде магнитострикционного U-образного звукопровода 1
f_оп=

=

, (2) где K = 2˙L/πR, - число полупериодов стоячей волны;
L = 2l_x + π R - общая длина U-образного звукопровода 1;
l_x - длина его прямолинейных ветвей, задающих диапазон перемещения подвижного основания 2;
R - радиус закругления U-образного звукопровода 1.At the output of the read shaper 10, a stable pulse generation is established with a certain repetition rate, selected from the conditions for the formation of a standing elastic wave in a magnetostrictive U-shaped sound duct 1
f _op =

=

, (2) where K = 2˙L / πR, is the number of half-periods of the standing wave;
L = 2l _x + π R is the total length of the U-shaped sound duct 1;
l _x - the length of its straight branches, defining the range of movement of the movable base 2;
R is the radius of curvature of the U-shaped sound duct 1.

Таким образом, в следующий момент времени в среде U-образного звукопровода 1 установится стоячая ультразвуковая волна, обозначающая магнитострикционную измерительную шкалу, период которой автоматически поддерживается в широком температурном диапазоне магнитострикционным генератором на элементах 5, 10, 11. Thus, at the next moment of time, a standing ultrasonic wave will be established in the environment of the U-shaped sound duct 1, indicating a magnetostrictive measuring scale, the period of which is automatically supported in a wide temperature range by a magnetostrictive generator on elements 5, 10, 11.

Магнитострикционная измерительная шкала перемещается относительно сосредоточенного элемента 4 считывания с искомой скоростью v_х перемещения объекта и наводит на его выводах аналоговые сигналы считывания, следующие с временным интервалом, пропорциональным мгновенной скорости движения объекта:
T_x= T

=

(3)
Аналоговые сигналы считывания поступают на вход избирательного усилителя-формирователя 12 считывания, усиливаются и преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы, которые запускают модулятор 13, вырабатывающий пачки импульсов стабильной частоты f_о.The magnetostrictive measuring scale moves relative to the concentrated reading element 4 with the desired velocity v _{x of} the object _’s movement and induces analog reading signals at its outputs, following with a time interval proportional to the instantaneous speed of the object:
T _x = T

=

(3)
The analog read signals are fed to the input of the selective amplifier-driver 12 read, amplified and converted into rectangular video pulses, which trigger the modulator 13, which generates pulses of pulses of a stable frequency f _about .

N_x= T_xf₀=

f₀ (4) которые далее проходят на шину 16 результата и формируют сигнал "Скорость".N _x = T _x f ₀ =

f ₀ (4) which then pass to the bus 16 of the result and form a signal "Speed".

Функциональные возможности устройства (фиг. 1) можно расширить за счет определения направления перемещения магнитострикционной измерительной шкалы. Для этого в него введена дополнительная цепь считывания на элементах 17, 18 и схема 19 определения знака перемещения (фиг. 2, 5). При этом дополнительный сосредоточенный элемент 17 считывания закреплен на второй ветви U-образного звукопровода 1 от первого сосредоточенного элемента 4 считывания на расстоянии, равном или кратном полупериоду магнитострикционной измерительной шкалы (стоячей волны). Это позволяет считывать упругие импульсы в заданной последовательности, определяемой направлением перемещения шкалы, и сдвинутых друг относительно друга на величину φ= π/2 (фиг, 6, 7). The functionality of the device (Fig. 1) can be expanded by determining the direction of movement of the magnetostrictive measuring scale. For this, an additional readout circuit is introduced into it on the elements 17, 18 and a scheme 19 for determining the sign of movement (Fig. 2, 5). In this case, the additional concentrated reading element 17 is fixed on the second branch of the U-shaped sound duct 1 from the first concentrated reading element 4 at a distance equal to or a multiple of the half-period of the magnetostrictive measuring scale (standing wave). This allows you to read the elastic impulses in a given sequence, determined by the direction of movement of the scale, and shifted relative to each other by φ = π / 2 (Figs. 6, 7).

Так, считанные импульсы основным и дополнительным сосредоточенными элементами 4, 17 считывания и преобразованные в прямоугольные видеоимпульсы избирательными усилителями-формирователями 12, 18 считывания в заданной последовательности (фиг. 6, а, б, 7 а, б) поступают на входы схемы 19 определения знака перемещения (фиг. 5). На выходах схемы 19 в следующий момент времени формируются импульсные сигналы "Знак", поступающие на шины 20 знака перемещения, которые указывают направление кинематического движения объекта. Их подсчет, например, реверсивным счетчиком позволяет одновременно судить о величине положения объекта относительно магнитострикционной измерительной шкалы, предварительно зарегистрировав начало диапазона преобразования. Это дополнительные возможности ультразвукового преобразователя скорости линейного перемещения по фиг. 2. So, the read pulses of the main and additional lumped reading elements 4, 17 and converted into rectangular video pulses by selective reading amplifiers 12, 18 in a given sequence (Fig. 6, a, b, 7 a, b) are input to the sign determination circuit 19 displacement (Fig. 5). At the outputs of the circuit 19, at the next moment of time, “Sign” pulse signals are generated, which arrive on the bus 20 of the movement sign, which indicate the direction of the kinematic movement of the object. Their calculation, for example, by a reversible counter allows you to simultaneously judge the magnitude of the position of the object relative to the magnetostrictive measuring scale, after registering the beginning of the conversion range. These are additional features of the ultrasonic linear velocity transducer of FIG. 2.

Останов устройства (фиг. 1, 2) производится переводом его в режим блокирования при снятии сигнала "Разрешение" по шине 14 управления. Блокируются формирователь 10 импульсов записи и модулятор 13, что ведет к срыву генерации магнитострикционной измерительной шкалы в среде U-образного звукопровода 1 и поглощению упругих волн его средой до полного рассеяния их энергии в течение времени успокоения t_усп. после чего возможен перезапуск устройства.The device is stopped (Fig. 1, 2) by transferring it to the blocking mode when the "Resolution" signal is removed via the control bus 14. The recording pulse generator 10 and the modulator 13 are blocked, which leads to the failure of the generation of the magnetostrictive measuring scale in the medium of the U-shaped sound duct 1 and the absorption of elastic waves by its medium until their energy is completely dissipated during the calm time t _arr. after which it is possible to restart the device.

Схемотехника устройства следующая. Формирователь 10 импульсов записи (фиг. 3) выполнен на логических элементах 21, И-НЕ 22, диодных 23, 24, RC-цепи задержки на элементах 25, 26, задающей длительность импульса записи, и токовом усилителе 27 записи. Временную задержку по его цепи вносят цифровой элемент И-НЕ 22 и аналоговый элемент 27, которая не превосходит величины 3-20 нс, что позволяет ее не учитывать в выражении (1), так как она не вносит заметных искажений формы магнитострикционной измерительной шкалы в широком температурном диапазоне (-20^о-80^оС).The circuitry of the device is as follows. Shaper 10 recording pulses (Fig. 3) is made on the logic elements 21, NAND 22, diode 23, 24, RC-delay circuit on the elements 25, 26, which sets the duration of the recording pulse, and the current recording amplifier 27. The time delay along its circuit is introduced by the I-NOT 22 digital element and analog element 27, which does not exceed 3-20 ns, which allows it not to be taken into account in expression (1), since it does not introduce appreciable distortions of the magnetostrictive measuring scale in a wide temperature range (-20 ^о -80 ^о С).

Избирательные усилители-формирователи 12, 18 считывания (фиг. 4) выполнены на основе избирательного RC-усилителя 28, амплитудного ограничителя 29 и порогового элемента 30. Selective reading amplifiers 12, 18 (Fig. 4) are made on the basis of a selective RC amplifier 28, an amplitude limiter 29, and a threshold element 30.

Схема 19 определения знака перемещения (фиг. 5) выполнена на логических элементах И-НЕ 31-34, ускоряющих емкостях 35, 36 и резисторных делителях 37-40 напряжения. Scheme 19 for determining the sign of movement (Fig. 5) is made on the logical elements AND-NOT 31-34, accelerating capacitances 35, 36 and resistor voltage dividers 37-40.

Автостабилизация магнитострикционной измерительной шкалы в широком температурном диапазоне позволяет повысить точность и помехоустойчивость преобразования скорости линейного перемещения. Применение звукопровода U-образной формы позволяет в 2 раза увеличить чувствительность по измеряемому параметру. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1504509, кл. G 01 B 17/00, 1987. Self-stabilization of the magnetostrictive measuring scale over a wide temperature range improves the accuracy and noise immunity of linear velocity conversion. The use of a U-shaped sound duct allows a 2-fold increase in sensitivity in terms of the measured parameter. (56) 1. USSR author's certificate N 1504509, cl. G 01 B 17/00, 1987.

2. Авторское свидетельство СССР N 1552002, кл. G 01 B 17/00, 1988. 2. USSR author's certificate N 1552002, cl. G 01 B 17/00, 1988.

Claims

1. ULTRASONIC TRANSMITTER OF LINEAR MOVEMENTS, comprising a magnetostrictive sound guide, a concentrated reading element fixed to it, a selective reading amplifier-shaper connected to it, a delay line and a recording pulse shaper connected to the input of the delay line, characterized in that, in order to increase the conversion accuracy linear velocity of the object in the number-pulse code, it is equipped with a concentrated recording element connected to the recording pulse shaper, module a torus connected to the output of the selective reading driver, and a selective reading amplifier connected between the output of the delay lines and the recording pulse generator, the magnetostrictive sound guide is made U-shaped and kinematically connected to the base moving relative to it, intended for communication with the object, lumped recording elements and readings are placed on parallel branches of the sound duct, the second input of the recording pulse shaper is designed to connect to the start bus, its input and the second modulator input to the control bus, and the modulator output to the result bus.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that it is provided with a second concentrated reading element located at a distance equal to or a multiple of the half-period of the probing elastic wave from the first, and connected to its output in series with the second selective reading pick-up amplifier and a detection circuit sign movement, the second input connected to the output of the first selective amplifier-driver of reading.

3. The transducer according to claim 1, characterized in that the delay line is made in the form of a radial sound duct made of U-shaped sound duct material with a monolithic acoustic absorber located on the end part of the radial sound duct of the piezoelectric recording element and a third concentrated reading element mounted on the radial sound duct, the electrodes of the piezoelectric element are the input of the delay line, and the output of the third concentrated reading element is its output.