RU2039929C1

RU2039929C1 - Ultrasonic displacement transducer

Info

Publication number: RU2039929C1
Authority: RU
Inventors: С.Б. Демин
Original assignee: Демин Станислав Борисович
Priority date: 1990-06-14
Filing date: 1990-06-14
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: transducer uses an L-shaped acoustic line, in which ultrasonic torsional vibrations are excited at interaction with polarizing magnets positioned on the branches of the acoustic line. These magnets are connected to the moving object and its coordinates are registered according to their position. EFFECT: enhanced accuracy of determination of moving object coordinates. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и предназначено для использования в робототехнических системах и комплексах, а также другого технологического оборудования для двухкоординатных измерения и контроля параметров кинематического движения объекта. The invention relates to measuring and computing equipment and is intended for use in robotic systems and complexes, as well as other technological equipment for two-coordinate measurement and control of the kinematic motion of an object.

Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий прямолинейный звукопровод с магнитострикционными свойствами со свободным концом, акустический демпфер, стабилизатор растягивающих усилий, элемент записи и элемент считывания с подмагничиванием, усилитель записи, предусилитель считывания, одновибратор, измерительный генератор, триггер, блок автоматического регулирования усиления, усилитель-формирователь, коммутатор, регистр, блок табличного вычисления, три буферных регистра, цифровой компаратор [1]
Известен ультразвуковой преобразователь перемещений, выбранный в качестве прототипа, который содержит две координатные пьезоэлектрические пластины, одна из которых выполнена неподвижной, шесть встречно-штыревых преобразователей ПАВ, генератор, два фазовращателя, два измерителя разности фаз, четыре акустических поглотителя и два акустических волновода [2]
Основным недостатком известных устройств является недостаточная точность измерения линейных перемещений из-за влияния дестабилизирующих факторов среды, например дисперсии скорости упругой волны в волноводе. Устройства сложны в изготовлении, что снижает их себестоимость.Known ultrasonic transducer containing a straight sound guide with magnetostrictive properties with a free end, an acoustic damper, a tensile force stabilizer, a recording element and a reading element with magnetization, a recording amplifier, a read preamplifier, a one-shot oscillator, a measuring generator, a trigger, an automatic gain control unit, an amplifier shaper, switch, register, table calculation unit, three buffer registers, digital comparator [1]
Known ultrasonic transducer, selected as a prototype, which contains two coordinate piezoelectric plates, one of which is fixed, six interdigital transducers surfactants, a generator, two phase shifters, two meters of phase difference, four acoustic absorbers and two acoustic waveguides [2]
The main disadvantage of the known devices is the lack of accuracy in measuring linear displacements due to the influence of destabilizing environmental factors, for example, the dispersion of the velocity of an elastic wave in a waveguide. The devices are difficult to manufacture, which reduces their cost.

Целью изобретения является повышение точности двухкоординатного измерения линейных перемещений из-за уменьшения влияния дестабилизирующих факторов среды. The aim of the invention is to improve the accuracy of two-dimensional measurement of linear displacements due to the reduction of the influence of destabilizing environmental factors.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковой преобразователь перемещений, содержащий основание, звукопровод, закрепленный на основании, акустический поглотитель, установленный на звукопроводе, первый и второй сосредоточенные элементы считывания, установленные на звукопроводе рядом с акустическим поглотителем, первый и второй избирательные усилители-формирователи считывания, подключенные к выводам первого и второго сосредоточенных элементов считывания соответственно, и последовательно соединенные формирователь импульсов и усилитель записи, введены первый и второй поляризующие магниты, координатные элементы с визирным элементом, первый и второй D-триггеры, триггер контроля ошибки, первые и вторые измерительные генераторы и счетчики результата, два инвертора, выход первого инвертора соединен с единичным входом триггера контроля ошибки, а вход с выходом формирователя импульсов, нулевыми входами первого и второго счетчиков результата и через второй инвертор подключен к шине синхронизации, нулевые входы D-триггеров, триггера контроля ошибки соединены с одним входом формирователя импульсов и подключены к шине управления, другой вход формирователя импульсов подключен к шине запуска. Синхровходы первого и второго D-триггеров подсоединены соответственно к выходам первого и второго избирательных усилителей-формирователей считывания. Выход первого D-триггера соединен с одним входом первого элемента ИЛИ и входом первого измерительного генератора, выход второго D-триггера с другим входом первого элемента ИЛИ и входом второго измерительного генератора. Выходы первого и второго измерительных генераторов соединены соответственно с прямыми счетными входами первого и второго счетчиков результата, их разрядные выходы подключены к первым и вторым шинам результата. Выходы переноса соединены с входами второго элемента ИЛИ, его выход соединен с синхровходом триггера контроля ошибки, выход которого подключен к шине контроля ошибки, выход первого элемента ИЛИ подключен к шине запроса, а звукопровод выполнен Г-образным, на ветвях которого расположены указанные магниты с возможностью перемещения вдоль этих ветвей. This goal is achieved by the fact that in an ultrasonic transducer containing a base, a sound duct fixed to the base, an acoustic absorber mounted on the sound duct, the first and second concentrated reading elements installed on the sound duct next to the acoustic absorber, the first and second selective reading amplifiers connected to the terminals of the first and second lumped reading elements, respectively, and series-connected pulse shaper s and a recording amplifier, the first and second polarizing magnets, coordinate elements with a sighting element, the first and second D-flip-flops, the error control trigger, the first and second measuring generators and result counters, two inverters, the output of the first inverter is connected to a single input of the control trigger errors, and the input with the output of the pulse shaper, the zero inputs of the first and second result counters and through the second inverter is connected to the synchronization bus, the zero inputs of the D-triggers, the error control trigger are connected to These input of the pulse and connected to the control bus, the other input of the pulse shaper is connected to the trigger bus. The synchro inputs of the first and second D-flip-flops are connected respectively to the outputs of the first and second selective amplifiers-read drivers. The output of the first D-trigger is connected to one input of the first OR element and the input of the first measuring generator, the output of the second D-trigger with another input of the first OR element and the input of the second measuring generator. The outputs of the first and second measuring generators are connected respectively to the direct counting inputs of the first and second result counters, their bit outputs are connected to the first and second result buses. The transfer outputs are connected to the inputs of the second OR element, its output is connected to the sync input of the error control trigger, the output of which is connected to the error control bus, the output of the first OR element is connected to the request bus, and the sound pipe is made L-shaped, on the branches of which the indicated magnets are located with the possibility moving along these branches.

На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового преобразователя перемещений; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу. In FIG. 1 shows a block diagram of an ultrasonic displacement transducer; in FIG. 2 timelines explaining his work.

Ультразвуковой преобразователь перемещений (фиг. 1) содержит двухкоординатный первичный магнитострикционный преобразователь перемещений (МПП), выполненный на основе Г-образного звукопровода 1 из магнитострикционного материала, акустического поглотителя 2, двух поляризующих магнитов 3, 4, сосредоточенных элементов 5, 6 считывания, координатных поводковых элементов 7, 8 с визирным элементом 9, установленных на основании 10, усилителя 11 записи и двух координатных избирательных усилителей-формирователей 12, 13 считывания, а также формирователь 14 импульсов, первый и второй D-триггеры 15, 16, триггер 17 контроля ошибки, первый и второй измерительные генераторы 18, 19, первый и второй счетчики 20, 21 результаты, первый инвертор 22, первый и второй элементы 23, ИЛИ 24, второй инвертор 25, шину 26 управления, шину 27 запроса, шину 28 запуска, шину 29 синхронизации, две координатные шины 30, 31 и шину 32 контроля ошибки. The ultrasonic transducer of displacement (Fig. 1) contains a two-coordinate primary magnetostrictive displacement transducer (MPP) made on the basis of a L-shaped sound duct 1 of magnetostrictive material, an acoustic absorber 2, two polarizing magnets 3, 4, concentrated reading elements 5, 6, and coordinate leads elements 7, 8 with the sighting element 9 installed on the basis of 10, the recording amplifier 11 and two coordinate selective amplifiers-reading drivers 12, 13, as well as the shaper 14 pulses, first and second D-flip-flops 15, 16, error control trigger 17, first and second measuring generators 18, 19, first and second counters 20, 21 results, first inverter 22, first and second elements 23, OR 24, second inverter 25, a control bus 26, a query bus 27, a start bus 28, a synchronization bus 29, two coordinate buses 30, 31, and an error control bus 32.

Акустический поглотитель 2 установлен в зоне изгиба Г-образного магнитострикционного звукопровода 1 МПП, образуя две акустически изолированные ортогональные ветви. На каждой из них вблизи акустического поглотителя 2 неподвижно закреплены первый и второй сосредоточенные элементы 5, 6 считывания, подсоединенные через первый и второй избирательные усилители-формирователи 12, 13 считывания к синхровходам первого и второго D-триггеров 15, 16 соответственно. Здесь же закреплены поляризующие магниты 3, 4, выполненные с возможностью перемещения вдоль ветвей со свободными концами и имеющие кинематическое соединение с объектом через визирный элемент 9 и координатные поводковые элементы 7, 8. The acoustic absorber 2 is installed in the bending zone of the L-shaped magnetostrictive sound duct 1 of the MPP, forming two acoustically isolated orthogonal branches. On each of them near the acoustic absorber 2, the first and second concentrated reading elements 5, 6 are fixedly connected, connected through the first and second selective reading amplifiers-12, 13 to the sync inputs of the first and second D-flip-flops 15, 16, respectively. Polarizing magnets 3, 4 are also fixed here, made to move along branches with free ends and having a kinematic connection to the object through the sighting element 9 and coordinate driving elements 7, 8.

Звукопровод 1 МПП через акустический поглотитель 2 подсоединен к выходу усилителя 11 записи, его вход соединен с входами первого и второго инвертора 22, 25, нулевыми входами первого и второго счетчиков 20, 21 результата и выходом формирователя 14 импульсов. Один вход формирователя 14 импульсов соединен с нулевыми входами первого и второго D-триггеров 15, 16 и триггера 17 контроля ошибки и подключен к шине 26 управления. Другой его вход подключен к шине 28 запуска. Sound line 1 MPP through an acoustic absorber 2 is connected to the output of the recording amplifier 11, its input is connected to the inputs of the first and second inverters 22, 25, the zero inputs of the first and second counters 20, 21 of the result and the output of the pulse shaper 14. One input of the pulse shaper 14 is connected to the zero inputs of the first and second D-flip-flops 15, 16 and the error control flip-flop 17 and is connected to the control bus 26. Its other input is connected to the start bus 28.

Выход первого инвертора 22 соединен с единичным входом триггера 17 контроля ошибки. Его вход синхронизации соединен с выходом второго элемента ИЛИ 24. Выход второго инвертора 25 подключен к шине 29 синхронизации. Выход первого D-триггера 15 соединен с одним входом первого элемента ИЛИ 23 и через первый измерительный генератор 18 подключен к прямому счетному входу первого счетчика 20 результата. Его информационные выходы подключены к первым шинам 30 результата, а выход переноса соединен с одним входом второго элемента 24 ИЛИ. Выход второго D-триггера 16 соединен с другим входом первого элемента ИЛИ 23 и через второй измерительный генератор 19 подключен к прямому счетному входу второго счетчика 21 результата. Его информационные выходы подключены к вторым шинам 31 результата, а выход переноса к второму входу второго элемента ИЛИ 24. Выход первого элемента ИЛИ 23 подключен к шине 27 запроса, выход триггера 17 контроля ошибки к шине 32 контроля ошибки. The output of the first inverter 22 is connected to a single input of the trigger 17 error control. Its synchronization input is connected to the output of the second OR element 24. The output of the second inverter 25 is connected to the synchronization bus 29. The output of the first D-trigger 15 is connected to one input of the first element OR 23 and through the first measuring generator 18 is connected to a direct counting input of the first counter 20 of the result. Its information outputs are connected to the first result buses 30, and the transfer output is connected to one input of the second OR element 24. The output of the second D-flip-flop 16 is connected to another input of the first OR element 23 and is connected to the direct counting input of the second result counter 21 through the second measuring generator 19. Its information outputs are connected to the second result buses 31, and the transfer output to the second input of the second OR element 24. The output of the first OR element 23 is connected to the request bus 27, the output of the error control trigger 17 to the error control bus 32.

Ультразвуковой преобразователь перемещений работает следующим образом. В исходном состоянии преобразователь (фиг. 1) находится в заблокированном состоянии (фиг. 2 а) и не реагирует на сигналы "Запуск" (фиг. 2 б) по шине 28 запуска. При подаче сигнала "Разрешение" по шине 26 производится разблокирование входов формирователя 14 импульсов, первого и второго D-триггеров 15, 16. Преобразователь подготовлен к циклу преобразования, о чем сигналом "Запрос" (фиг. 2 л) по шине 27 запроса информируется пользователь. Ultrasonic transducer works as follows. In the initial state, the converter (Fig. 1) is in a locked state (Fig. 2 a) and does not respond to the "Start" signals (Fig. 2 b) via the start bus 28. When the "Resolution" signal is supplied via bus 26, the inputs of the pulse shaper 14, the first and second D-flip-flops 15, 16 are unlocked. The converter is prepared for the conversion cycle, about which the "Request" signal (Fig. 2 l) informs the user via the request bus 27 .

В следующий момент времени t_р (время реакции) по шине 28 подается сигнал "Запуск", который запустит формирователь 14 импульсов. На его выходе будут сформированы сдвоенные видеоимпульсы (фиг. 2 в), которые управляют работой усилителя 11 записи и возбуждают в среде Г-образного магнитострикционного звукопровода 1 МПП под поляризующими магнитами 3, 4 крутильные упругие волны удвоенной амплитуды (фиг. 2 г).At the next time point t _p (reaction time), a “Start” signal is supplied via bus 28, which will start the pulse shaper 14. At its output, dual video pulses will be generated (Fig. 2 c), which control the operation of the recording amplifier 11 and excite in the medium of an L-shaped magnetostrictive sound duct 1 MPP under polarizing magnets 3, 4 torsional elastic waves of double amplitude (Fig. 2 g).

Эти упругие волны начинают распространяться в обе стороны по ортогональным ветвям звукопровода 1 со скоростью V_кр крутильной волны. Одни волны, распространяясь в сторону акустического поглотителя 2, достигают сосредоточенные элементы 5, 6 считывания и ими считываются через интервалы времени соответственно
T₁= l₁/V_кр и T₂=l₂/V_кр, (1) где l₁, l₂ расстояние между элементами 5, 6 считывания и координатными поляризующими магнитами 3, 4.These elastic waves begin to propagate in both directions along the orthogonal branches of the sound duct 1 at a speed V _{cr of a} torsion wave. Some waves, propagating towards the acoustic absorber 2, reach the concentrated reading elements 5, 6 and are read out by them at time intervals, respectively
T ₁ = l ₁ / V _cr and T ₂ = l ₂ / V _cr , (1) where l ₁ , l _{2 the} distance between the reading elements 5, 6 and the coordinate polarizing magnets 3, 4.

Далее падающие упругие волны демпфируются акустическим поглотителем 2 МПП. Другие волны достигают границ отражения ортогональных ветвей звукопровода 1 МПП, отражаются без изменения фазы и формы волны, изменяют направление своего движения и через интервалы времени
T₃= (l₁+2l_x)/V_кр и T₄=(l₂+2l_y)/V_кр, (2) где l_x, l_y искомые перемещения объекта по координатным осям Х и Y, достигают сосредоточенные элементы 5, 6 считывания и считываются. В следующий момент отраженные упругие волны демпфируются акустическим поглотителем 2 МПП преобразователя.Next, the incident elastic waves are damped by an acoustic absorber 2 MPP. Other waves reach the boundaries of reflection of the orthogonal branches of the sound duct 1 MPP, are reflected without changing the phase and waveform, change the direction of their movement and at time intervals
T ₃ = (l ₁ + 2l _x ) / V _cr and T ₄ = (l ₂ + 2l _y ) / V _cr, (2) where l _x, l _{y are the} sought-for movements of the object along the coordinate axes X and Y, reach the lumped elements 5, 6 are read and read. At the next moment, the reflected elastic waves are damped by the acoustic absorber 2 of the MPP converter.

Сформированные сигналы считывания на выводах элементов 5, 6 считывания усиливаются и преобразуются в прямоугольные видеоимпульсы координатными избирательными усилителями-формирователями 12, 13 считывания (фиг. 2 д-з). По этим сигналам производится цикл переключения D-триггеров 15, 16, формируя на их выходах временные интервалы искомых перемещений по координатным осям X и Y (фиг. 2 и, к)
T_x=T₃-T₁=2l_x/V_кр и T_y=T₄-T₂=2l_y/V_кр (3)
На время их действия запускаются координатные измерительные генераторы 18, 19, производящие дискретизацию интервалов перемещений (3) с частотой f₀= 1/T₀. Так, счетные импульсы генераторов 18, 19 поступают на счетные входы первого и второго счетчиков 20, 21 результаты и накапливаются, формируя на их разрядных выходах коды линейного перемещения l_x, l_y по координатным осям Х и Y.The generated read signals at the terminals of the read elements 5, 6 are amplified and converted into rectangular video pulses by coordinate selective reading amplifiers 12, 13 (Fig. 2 dz). These signals are used to cycle the switching of D-flip-flops 15, 16, forming at their outputs time intervals of the desired movements along the coordinate axes X and Y (Fig. 2 and, k)
T _x = T ₃ -T ₁ = 2l _x / V _cr and T _y = T ₄ -T ₂ = 2l _y / V _cr (3)
At the time of their operation, coordinate measuring generators 18, 19 are started, discretizing the intervals of displacements (3) with a frequency f ₀ = 1 / T ₀ . So, the counting pulses of the generators 18, 19 arrive at the counting inputs of the first and second counters 20, 21 and are accumulated, forming linear displacement codes l _x , l _y along the coordinate axes X and Y on their bit outputs.

N_x= T_x _˙f₀ и N_y=T_y ˙f₀, (4) которые в следующий момент времени выставляются по первым и вторым шинам 30, 31 результата.N _{_x} = T _x _˙ f ₀ and N _{_y} = T _y ˙f _0, (4) that the next time exhibited by the first and second rails 30, 31 result.

В случае переполнения разрядной сетки счетчиков 20 или 21 на их выходах переполнения формируются сигналы, которые проходят через второй логический элемент ИЛИ 24 и переключают в нулевое состояние триггер 17 контроля ошибки. По шине 32 контроля ошибки выставляется сигнал "Ошибка" (фиг. 2 н), информирующий пользователя о недостоверности считанной или принимаемой информации о координатном перемещении объекта. In case of overflow of the discharge grid of counters 20 or 21, signals are generated at their overflow outputs, which pass through the second logic element OR 24 and switch the trigger 17 of the error control to the zero state. On the error control bus 32, an “Error” signal is set (Fig. 2 n), informing the user of the inaccuracy of the read or received information about the coordinate movement of the object.

По сигналам D-триггеров 15, 16 первым логическим элементом ИЛИ 23 формируется сигнал "Запрос" (фиг. 2 л), выставляемый по шине 27 запроса. Сигнал "Синхронизация" (фиг. 2 м) вырабатывается по выходу второго инвертора 25 в начале каждого очередного цикла преобразования и подается по шине 29 синхронизации. According to the signals of the D-flip-flops 15, 16, the first logical element OR 23 generates a signal "Request" (Fig. 2 l), set via the request bus 27. The signal "Synchronization" (Fig. 2 m) is generated by the output of the second inverter 25 at the beginning of each next conversion cycle and is supplied via the synchronization bus 29.

Одновременно производится установка в исходное состояние счетчиков 20, 21 и триггера 17 контроля ошибки. На этом цикл преобразования преобразователя завершается, и он подготовлен к очередному циклу, который начинается по сигналу "Запуск" и выполняется согласно рассмотренного. При снятии сигнала "Разрешение" преобразователь переводится в режим блокирования работы. At the same time, the counters 20, 21 and the trigger 17 of the error control are reset. This completes the conversion cycle of the converter, and it is prepared for the next cycle, which begins with the "Start" signal and is executed as described. When the “Resolution” signal is removed, the converter is put into operation blocking mode.

Таким образом, возбуждение в звукопроводе МПП преобразователя крутильных упругих волн удвоенной амплитуды, повышение избирательности цепей считывания повышает точность измерения перемещений и упрощает структуру преобразователя. Thus, the excitation of double amplitude torsional elastic waves in the MPP sound transducer, increasing the selectivity of readout circuits increases the accuracy of displacement measurement and simplifies the structure of the transducer.

Claims

An ULTRASONIC MOVEMENT TRANSMITTER containing a base, a sound pipe fixed to the base, an acoustic absorber mounted on the sound pipe, first and second lumped sensing elements mounted on the sound pipe next to the acoustic absorber, first and second selective reading amplifiers connected to the terminals of the first and second lumped reading elements, respectively, and serially connected pulse shaper and recording amplifier, characterized in that, in order to increase accuracy, it is equipped with the first and second polarizing magnets, coordinate elements with a sighting element, first and second D-flip-flops, an error control trigger, first and second measuring generators and result counters, two inverters, the output of the first inverter is connected to a single the input of the error control trigger, and the input with the output of the pulse shaper, zero inputs of the first and second result counters and through the second inverter is connected to the synchronization bus, zero inputs of D-triggers and three error control headers are connected to one input of the pulse shaper and connected to the control bus, the other input of the pulse shaper is connected to the start bus, the clock inputs of the first and second D-flip-flops are connected respectively to the outputs of the first and second selective read-off amplifiers, the output of the first D-trigger is connected with one input of the first OR element and the input of the first measuring generator, the output of the second D-trigger with another input of the first OR element and the input of the second measuring generator, output The first and second measuring generators are connected respectively to the direct counting inputs of the first and second result counters, their bit outputs are connected to the first and second result buses, and the transfer outputs are connected to the inputs of the second OR element, the output of which is connected to the sync input of the error control trigger, the output of which connected to the error control bus, the output of the first OR element is connected to the request bus, and the sound pipe is made L-shaped, these magnets are located on its branches with the possibility of moving in ol of these branches.