RU2035692C1

RU2035692C1 - Ultrasonic displacement transducer

Info

Publication number: RU2035692C1
Authority: RU
Inventors: С.Б. Демин
Original assignee: Демин Станислав Борисович
Priority date: 1991-06-03
Filing date: 1991-06-03
Publication date: 1995-05-20

Abstract

FIELD: check-up of dimensions. SUBSTANCE: magnetostrictive acoustic line is coupled with part under check and displaced together with it relative to recording and reading units connected to data processing unit. EFFECT: improved speed due to use of magnetostrictive acoustic line. 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в робототехнике для измерения и контроля параметров кинематического движения объекта. The invention relates to measuring equipment and is intended for use in robotics to measure and control the parameters of the kinematic motion of an object.

Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий О-образный магнитострикционный звукопровод, сосредоточенные элемент записи и элемент считывания, два ограничителя перемещений, усилитель записи, сигнальный усилитель-формирователь, формирователь импульсов записи, D-триггер, измерительный генератор, два элемента И, Т-триггер, две схемы последовательного счета, счетчик циклов рециркуляции, цифровой компаратор, элемент задержки, два буферных регистра [1]
Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, выбранный в качестве прототипа, который содержит У-образный магнитострикционный звукопровод, акустический демпфер, два ограничителя перемещений, входной и выходной сосредоточенные магнитострикционные преобразователи, усилитель записи, усилитель-формирователь считывания, опорный генератор, делитель частоты, три счетчика последовательного счета, четыре буферных регистра, три логических элемента И, сумматор, элемент задержки, блок вычисления результата, триггер управления [2]
Основным недостатком известных устройств является недостаточное быстродействие преобразования перемещений, что ограничивает динамический диапазон. Это объясняется тем, что в преобразователе [1] из-за увеличения базы акустического тракта увеличивается время вычисления результирующего кода перемещения. В другом преобразователе [2] время цикла существенно уменьшено вследствие использования метода частотно-временного кодирования перемещения на основе ВИМ, формируемой по закону однотактного интегрирования, требующего устранения двузначия кодирования. За счет этого снижается быстродействия преобразования, ведущее к сужению динамического диапазона преобразования перемещений.A known ultrasonic displacement transducer containing an O-shaped magnetostrictive sound guide, a concentrated recording element and a reading element, two movement limiters, a recording amplifier, a signal amplifier-shaper, a recording pulse shaper, a D-trigger, a measuring generator, two I elements, a T-trigger, two serial counting circuits, recycle counter, digital comparator, delay element, two buffer registers [1]
A known ultrasonic displacement transducer, selected as a prototype, which contains a U-shaped magnetostrictive sound pipe, an acoustic damper, two limiters of movement, input and output concentrated magnetostrictive transducers, a recording amplifier, a reading driver, a reference generator, a frequency divider, three sequential counters , four buffer registers, three logical elements AND, adder, delay element, result calculation unit, control trigger [2]
The main disadvantage of the known devices is the lack of speed of movement conversion, which limits the dynamic range. This is because in the transducer [1], due to an increase in the base of the acoustic path, the computation time of the resulting displacement code increases. In another converter [2], the cycle time is significantly reduced due to the use of the time-frequency coding of displacement based on VIM, which is formed according to the law of single-cycle integration, which requires the elimination of encoding two-valued. Due to this, the performance of the conversion is reduced, leading to a narrowing of the dynamic range of the transformation of displacements.

Целью изобретения является повышение быстродействия преобразования и расширение диапазона перемещений объекта. The aim of the invention is to increase the speed of conversion and expanding the range of movements of the object.

Это достигается тем, что в ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод с замкнутыми прямой и обратной ветвью, оппозитно установленные на них элементы записи и считывания и связанный с ним блок кодирования и вычислений, снабжен формирователь сигналов опроса, выполненным из последовательно связанных генератора, двух инверторов и элемента И-НЕ, звукопровод выполнен О-образным с возможностью кинематической связи с перемещающимся объектом, элементы записи и считывания установлены неподвижно относительно звукопровода, а блок кодирования и вычислений выполнен в виде последовательно-параллельно связанных двух реверсивных счетчиков, двух D-триггеров, двух буферных регистров, связанного с выходами последних компаратора с коммутатором и соединенных с ними каскадов суммирования и вычитания сигналов. This is achieved by the fact that the ultrasonic displacement transducer containing a magnetostrictive sound duct with closed forward and reverse branches, the recording and reading elements opposite to them, and the associated coding and computing unit, is equipped with a polling signal shaper made of a series-connected generator, two inverters and the AND-NOT element, the sound duct is made O-shaped with the possibility of kinematic communication with a moving object, the recording and reading elements are mounted motionless from ositelno acoustic line, and a block coding and calculations made as a series-parallel connected two reversible counters, two D-flip-flops, two buffer registers associated with the last comparator outputs with the switch and associated cascades summation and subtraction signals.

На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового преобразователя перемещений; на фиг. 2 и 3 варианты выполнения его основных блоков; на фиг. 4 и 5 основные временные диаграммы, поясняющие работу ультразвукового преобразователя перемещений. In FIG. 1 shows a block diagram of an ultrasonic displacement transducer; in FIG. 2 and 3 embodiments of its main blocks; in FIG. 4 and 5 are the main time diagrams explaining the operation of the ultrasonic displacement transducer.

Ультразвуковой преобразователь перемещений (фиг. 1) содержит О-образный звукопровод 1 из магнитострикционного материала, установленный на подвижном основании 2 и заключенный в акустический поглотитель 3, ограничители 4 перемещений, сосредоточенные элементы 5, 6 записи и считывания, усилитель 7 записи, избирательный усилитель-формирователь 8 считывания, формирователь 9 сигналов опроса, блок 10 кодирования и вычислений (БКВ), а также шину 11 управления, шину 12 запуска, первый и вторые n-шины 13 и m-шины 14 данных, П-шины 15 знака перемещения. The ultrasonic transducer of displacements (Fig. 1) contains an O-shaped sound duct 1 made of magnetostrictive material mounted on a movable base 2 and enclosed in an acoustic absorber 3, limiters 4 movements, lumped elements 5, 6 recording and reading, amplifier 7 records, selective amplifier a read shaper 8, a polling signal shaper 9, a coding and computing (BKV) unit 10, as well as a control bus 11, a start bus 12, a first and second n-bus 13 and an m-bus 14 data, a P-bus 15 of the displacement sign.

Ограничители 4 перемещений закреплены на концах подвижного основания 2, кинематически подключенного к объекту. Оппозитно на параллельных ветвях О-образного звукопровода 1 установлены сосредоточенные элементы 5, 6 записи и считывания, выводы которых подсоединены соответственно к выходу усилителя 7 записи и входу избирательного усилителя-формирователя 8 считывания. Его выход соединен с одним сигнальным входом БКВ 10, а второй сигнальный вход соединен с одним выходом формирователя 9 сигналов опроса. Другой его выход соединен с входом усилителя 7 записи, а вход управления подключен к шине 11 управления. Управляющий вход БКВ 10 подключен к шине 12 запуска, а его первый, вторые и третьи выходы соответственно к первым и вторым шинам 13, 14 данных и шинам 15 знака перемещения. Limiters 4 movements are fixed at the ends of the movable base 2, kinematically connected to the object. Opposite on the parallel branches of the O-shaped sound duct 1 are mounted lumped recording and reading elements 5, 6, the outputs of which are connected respectively to the output of the recording amplifier 7 and the input of the selective reading amplifier 8. Its output is connected to one signal input BKV 10, and the second signal input is connected to one output of the shaper 9 of the polling signals. Its other output is connected to the input of the recording amplifier 7, and the control input is connected to the control bus 11. The control input BKV 10 is connected to the start bus 12, and its first, second and third outputs, respectively, to the first and second data buses 13, 14 and bus 15 signs of movement.

Ультразвуковой преобразователь перемещений работает следующим образом. Первоначально преобразователь (фиг. 1) устанавливается в исходное состояние. По сигналу формирователя начального сброса на инверторах 54,38, 39, 40 RC-элементах 55, 56 и диоде 57 производится установка в нулевое состояние D-триггеров 25, 29, 44 и запись нулевой информации (N_Н=00 0) по информационным входам в реверсивные счетчики 24, 28 (фиг. 3).Ultrasonic transducer works as follows. Initially, the converter (Fig. 1) is set to its initial state. The signal of the initial reset driver on the inverters 54.38, 39, 40 of the RC elements 55, 56 and diode 57 sets the D-flip-flops 25, 29, 44 to zero and record zero information (N _Н = 00 0) via the information inputs in reversible counters 24, 28 (Fig. 3).

Перевод преобразователя в режим работы осуществляется по сигналу "Разрешение" (фиг. 4 а) выставляемому по шине 11 управления. Запускается формирователь 9 импульсов опроса, выполненный на опорном генераторе 16, формирователе укороченных импульсов на инверторе 17, элементе И-НЕ 18 с времязадающей RC-цепью на элементах 20, 21 и инверторе 19 (фиг. 2). На его выходах формируются паритетные цифровые мерные шкалы грубого отсчета с шагом дискретизации Т_оп=1/f_оп, поступающие на вход усилителя 7 записи и один сигнальный вход БКВ 10 преобразователя (фиг. 5 б).The converter is put into operation by the signal “Resolution” (Fig. 4 a) set via the control bus 11. The interrogation pulse generator 9 is launched, executed on the reference generator 16, the shorter pulse generator on the inverter 17, the AND-NOT element 18 with the RC timing circuit on the elements 20, 21 and the inverter 19 (Fig. 2). At its outputs are formed parity digital measuring scales of coarse reference with a sampling step T _op = 1 / f _op coming to the input of the recording amplifier 7 and one signal input BKV 10 of the Converter (Fig. 5 b).

Поступая на сигнальный вход БКВ 10, импульсные сигналы формирователя 9 подсчитываются первой схемой реверсивного счета (фиг. 3), выполненной на логических элементах И-НЕ 22, 23, реверсивном счетчике 24 и D-триггере 25. На выходах реверсивного счетчика 24 формируется n разрядный код N₁=

·f_оп текущего значения (фиг. 3 б), подаваемый на информационные входы буферного регистра 30 БКВ 10, где

- верхний диапазон преобразования перемещений.Arriving at the signal input BKV 10, the pulse signals of the shaper 9 are counted by the first circuit of the reversible counting (Fig. 3), performed on the logical elements AND 22, 23, the counter 24 and the D-trigger 25. At the outputs of the counter 24 is formed n bit code N ₁ =

· F _{op the} current value (Fig. 3 b) supplied to the information inputs of the buffer register 30 BKV 10, where

- the upper range of transformation of displacements.

Одновременно импульсные сигналы формирователя 9 укороченной длительности τ_и поступая на вход усилителя 7 записи, вырабатывают на его выходе токовые посылки, которыми возбуждается сосредоточенный элемент 5 записи. В результате магнитомеханического преобразования в среде О-образного звукопровода 1 под элементом 5 возбуждаются продольные упругие волны, которые распространяются в обе стороны с фазовой скоростью V_пр и следуют с опорной частотой

= 1/Т_оп, устанавливая шаг дискретизации магнитострикционной мерной шкалы преобразователя (фиг. 5 б). Распространяясь в сторону акустического поглотителя 3 по звукопроводу 1, упругие волны в следующий момент времени достигают его и рассеивают свою энергию. Распространяясь в другую сторону, упругие волны через временной интервал искомого линейного перемещения l_x объекта
T_x=

(1) где R радиус закругления звукопровода 1, достигают сосредоточенного элемента 6 считывания и им считываются вследствии магнитоупругого преобразования. Достигая акустического поглотителя 3, упругие волны в следующий момент демпфируются. В среде магнитострикционного звукопровода формируется магнитострикционная мерная шкала грубого отсчета.At the same time, the pulsed signals of the shaper 9 of a shorter duration τ _and fed to the input of the recording amplifier 7 generate current packages at its output, which excite the concentrated recording element 5. As a result of the magnetomechanical transformation in the medium of an O-shaped sound duct 1, longitudinal elastic waves are excited under element 5, which propagate in both directions with a phase velocity V _pr and follow with a reference frequency

= 1 / T _op , setting the sampling step of the magnetostrictive measuring scale of the transducer (Fig. 5 b). Propagating towards the acoustic absorber 3 through the sound pipe 1, elastic waves at the next time instant reach it and dissipate their energy. Propagating in the opposite direction, elastic waves through the time interval of the desired linear displacement l _{x of the} object
T _x =

(1) where R is the radius of curvature of the sound pipe 1, a concentrated reading element 6 is reached and is read due to magnetoelastic conversion. Reaching the acoustic absorber 3, the elastic waves are damped at the next moment. In a magnetostrictive sound duct environment, a magnetostrictive coarse reference scale is formed.

Наведенные импульсные аналоговые сигналы считывания, следующие с частотой f_x=1/T_o, поступают на вход избирательного усилителя-формирователя 8 считывания, где преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы длительности τ (фиг. 5 в). Эта наведенная и задержанная на время Т_х (1) импульсная последовательность поступает на второй сигнальный вход БКВ 10 и подсчитывается второй схемой реверсивного счета, выполненной на логических элементах И-НЕ 26, 27, реверсивном счетчике 28 и D-триггере 29 (фиг. 3). На выходах реверсивного счетчика 28 формируется n разрядный код N₂=

текущего значения (фиг. 4 в), отличающийся от опорного значения кода N₁ на величину перемещения объекта l_x, считанного по грубой мерной шкале преобразователя. Код N₂выставляется по информационным входам буферного регистра 31 БКВ 10.Induced pulsed analog read signals, following with a frequency f _x = 1 / T _o , are fed to the input of a selective reading amplifier 8, where they are converted into rectangular video pulses of duration τ (Fig. 5 c). This induced and delayed by the time T _x (1) pulse sequence is fed to the second signal input BKV 10 and is counted by the second circuit of the reverse counting, performed on the logic elements AND 26, 27, the counter 28 and the D-trigger 29 (Fig. 3 ) At the outputs of the reverse counter 28 is formed n bit code N ₂ =

the current value (Fig. 4 c), which differs from the reference value of the code N ₁ by the amount of displacement of the object l _x read on a rough measuring scale of the converter. Code N _{2 is} set at the information inputs of the buffer register 31 BKV 10.

По сигналу "Запуск" (фиг. 4 г, 5 а), выставляемому по шине 12 запуска, производится запуск БКВ 10 преобразователя по захвату фазы цифровой и магнитострикционной мерных шкал грубого отсчета (фиг. 4 б, в), ее измерения (фиг. 5 е) и вычислению цифрового эквивалента N_xперемещения l_x объекта. Так, по сигналу "Запуск" в буферные регистры 30, 31 БКВ 10 заносятся коды N₁, N₂ текущего значения, выставленные в этот момент времени на выходах реверсивных счетчиков 24, 28.According to the "Start" signal (Fig. 4 g, 5 a), set via the start bus 12, the BKV 10 converter is launched to capture the phase of the digital and magnetostrictive coarse-graded measuring scales (Fig. 4 b, c) and measure it (Fig. 5 e) and calculating the digital equivalent N _{x of the} displacement l _{x of the} object. So, by the “Start” signal, codes N ₁ , N _{2 of the} current value set at the outputs of the reversible counters 24, 28 are entered into the buffer registers 30, 31 of the BKV 10.

Далее коды подаются на входы цифровых компаратора 32 и коммутатора 34. Компаратор 32, поразрядно сравнивая между собой значения указанных кодов, определяет наибольшее значение одного из них и через логический элемент ИЛИ 33 управляет работой выходов коммутатора 34. В результате на входы цифрового вычитателя 35 будут поданы коды N₁ и N₂ в однозначной последовательности для выполнения операции логического вычитания
ΔN= N₁-N₂ (2)
Вычисленный код (2) перемещения, считанный по грубой шкале преобразователя, выставляется по одной группе информационных входов комбинационного сумматора 37 (фиг. 3).Next, the codes are fed to the inputs of the digital comparator 32 and switch 34. The comparator 32, bitwise comparing the values of the indicated codes with each other, determines the highest value of one of them and through the logic element OR 33 controls the operation of the outputs of the switch 34. As a result, the inputs of the digital subtractor 35 will be fed codes N ₁ and N ₂ in a unique sequence for performing a logical subtraction operation
ΔN = N ₁ -N ₂ (2)
The calculated displacement code (2), read out on the rough scale of the converter, is set for one group of information inputs of the combination adder 37 (Fig. 3).

Одновременно по сигналу "Запуск" устанавливается в единичное состояние D-триггер 44 БКВ 10 (фиг. 5 г), что приводит к разблокированию логического элемента И-НЕ 42, выполняющего роль логического ключа, а также подтверждается нулевое состояние Т-триггера 43 (фиг. 5 д). При поступлении сигналов цифровой и магнитострикционой мерных шкал (фиг. 5 б, в) на вход Т-триггера 43 через цепочку логических элементов ИЛИ и И-НЕ 41, 42 произойдет его переключение по полной фазе (фиг. 5 д), на время которой запустится измерительный генератор 45 (фиг. 5 е), формирующий цифровую мерную шкалу точного отсчета. Его счетные импульсы с частотой следования f=1/T пройдут на прямой счетный вход счетчика 36 и запомнятся. На К-разрядном выходе счетчика 36 будет сформирован код фазы механотронной шкалы преобразователя, считанный относительно цифровой мерной шкалы точного отсчета
N_ф=Т_ф ˙f (3) где Т_ф длительность фазы механотронной шкалы преобразователя, который поступает на другую группу информационных входов комбинационного сумматора 37 БКВ 10.At the same time, on the basis of the “Start” signal, the D-flip-flop 44 BKV 10 is set to a single state (Fig. 5 g), which leads to the unlocking of the AND-NOT 42 logical element acting as a logical key, and the zero state of the T-flip-flop 43 is confirmed (Fig. 5 d). When digital and magnetostrictive measuring scales (Fig. 5 b, c) arrive at the input of the T-trigger 43 through a chain of logic elements OR and NAND 41, 42, it will switch over in full phase (Fig. 5 d), for the time of which the measuring generator 45 will start (Fig. 5 e), forming a digital measuring scale for accurate reading. Its counting pulses with a repetition rate f = 1 / T will go to the direct counting input of the counter 36 and will be remembered. At the K-bit output of the counter 36, a phase code of the mechatronic scale of the converter will be generated, read relative to the digital measuring scale of the exact reading
N _f = T _f ˙f (3) where T _{f is the} duration of the phase of the mechatronic scale of the converter, which is fed to another group of information inputs of the combinational adder 37 BKV 10.

По срезу сигнала Т-триггера 43 срабатывает одновибратор БКВ 10 на инверторе 46, элементе И-НЕ 47 с RC-элементами 48, 49, который переключает D-триггер 44 в исходное состояние (фиг. 5 г, ж). Логический элемент И-НЕ 42 блокируется и на счетный вход Т-триггера 43 прекратится прохождение импульсных сигналов механотронной мерной шкалы преобразователя до следующего цикла преобразования. By cutting the signal of the T-flip-flop 43, the single-shot oscillator BKV 10 is activated on the inverter 46, an N-HE element 47 with RC elements 48, 49, which switches the D-flip-flop 44 to its initial state (Fig. 5 g, g). The AND-NOT 42 logic element is blocked and the pulse signals of the mechatronic measuring scale of the converter will stop passing to the counting input of the T-trigger 43 until the next conversion cycle.

В следующий момент на выходах сумматора 37 будет сформирован n-разрядный код искомого перемещения объекта
N_x= ΔN+N_ф (4) который проходит на первые шины 13 данных, формируя сигнал "Положение".At the next moment, an n-bit code of the desired object movement will be generated at the outputs of adder 37
N _x = ΔN + N _f (4) which passes to the first data bus 13, forming a signal "Position".

Одновременно код (4) поступает на одни группы входов буферного регистра 50 и цифрового компаратора 51. При подаче очередного сигнала "Запуск" через время Т_опр ≥Т_к= τ₃₂ + τ₃₃ + τ_34,36,37, где τ время задержки сигналов по цепям элементов 32-37 БКВ 10, производится занесение кода (4) перемещения текущего значения в буферный регистр 50, а через время кодирования перемещения Т_к на выводах сумматора 37 будет сформировано очередное значение кода перемещения объекта N_x1, который поразрядно сравнивается с кодом N_x перемещения смежного цикла преобразования компаратором 51. На его П-разрядном выходе формируется код знака перемещения
N_3н=N_x-N_x˙1, (5) поступающий далее на шины 15 знака перемещения с формированием сигнала "Знак перемещения".At the same time, code (4) is sent to one input group of the buffer register 50 and the digital comparator 51. When the next Start signal is applied after a time T _opr ≥T _to = τ ₃₂ + τ ₃₃ + τ _34.36.37 , where τ is the delay time signals along the chains of elements 32-37 BKV 10, the code (4) for moving the current value to the buffer register 50 is entered, and after the encoding of the movement of T _to the terminals of the adder 37, the next value of the object moving code N _x1 will be generated, which is bitwise compared with the code N _x displacement comp adjacent conversion cycle Rathore 51. At its n-bit output code generated moving plate
N _3n = N _x -N _x˙1 , (5) then coming to the bus 15 of the sign of movement with the formation of the signal "Sign of movement".

По сигналам компаратора 51 через логический элемент ИЛИ 40 переключается цифровой коммутатор 52 и коды перемещения смежных циклов преобразования проходят однозначно на группы информационных входов вычитателя 53. В результате на его m-разрядном выходе формируется код скорости перемещения объекта V_x= Δl_x/Т_опр, где Δ l_x=l_x-l_x˙ ₁ приращение перемещений объекта за время Т_опр, равный
N_y= T_опр·

·f,
(6) который проходит на вторые шины 14 данных с формированием сигнала "Скорость".According to the signals of the comparator 51, the digital switch 52 is switched via the OR 40 logic element and the displacement codes of adjacent conversion cycles pass uniquely to the groups of information inputs of the subtractor 53. As a result, the object displacement speed code V _x = Δl _x / T _opr is generated on its m-bit output, where Δ l _x = l _x -l _x˙ _{1 the} increment of displacements of the object during the time T _opr equal to
N _y = T _od

F
(6) which passes to the second data bus 14 with the formation of a signal "Speed".

Таким образом, использование метода паритетных шкал с времяимпульсным кодированием перемещений по закону двухтактного интегрирования позволяет уменьшить время кодирования Т_к по сравнению с прототипом на время коррекции двузначия механотронной мерной шкалы преобразователя, позволяя расширить динамический диапазон преобразования перемещений. Выполнение звукопровода преобразователя подвижным улучшает динамические характеристики первичного преобразователя, повышает его технологичность.Thus, the use of the method of parity scales with time-pulse coding of displacements according to the law of push-pull integration allows to reduce the coding time T _k compared to the prototype by the time of correction of the two-valued mechatronic measuring scale of the transducer, allowing to expand the dynamic range of conversion of displacements. The implementation of the movable sound duct of the transducer improves the dynamic characteristics of the primary transducer, increases its manufacturability.

Claims

ULTRASONIC MOVEMENT CONVERTER containing a magnetostrictive sound guide with closed forward and reverse branches, oppositely mounted recording and reading elements and an associated coding and computing unit, characterized in that, in order to increase speed and expand the range of movements, it is equipped with a polling signal generator made of series-connected generator, two inverters and AND element NOT, the sound duct is made O-shaped with the possibility of kinematic communication with displacement object, the recording and reading elements are fixedly mounted relative to the sound duct, and the coding and computing unit is made in the form of two parallel reversible counters, two D-flip-flops, two buffer registers connected in series with the outputs of the last comparator with the switch and the summing stages connected to them and subtracting signals.