RU2075728C1

RU2075728C1 - Ultrasonic converter of inclination angle

Info

Publication number: RU2075728C1
Authority: RU
Inventors: Станислав Борисович Демин
Original assignee: Станислав Борисович Демин
Priority date: 1991-06-05
Filing date: 1991-06-05
Publication date: 1997-03-20

Abstract

FIELD: conversion equipment. SUBSTANCE: ultrasonic converter has cylindrical body 1, rectilinear acoustic line 2 of magnetostrictive material, absorber 3, spherical joint 4, concentrated magnetostrictive converter 5, permanent magnet 6, distributive magnetostrictive converter 7, ring polarized 8, recording amplifier 9, reading amplifier 10, interrogation generator 11, flip-flop 12, balance comparator 13, indicator 14, storage 15, analog-to-digital converter 16, register 17, digital comparator 18, data bus 20, control bus 19, bus 21 of translation sign, synchronization bus. Acoustic line is anchored in upper part of body via spherical joint. Absorber, concentrated magnetostrictive converter with permanent magnet, distributed magnetostrictive converter and ring polarizer are installed in sequence from above downwards on acoustic line. EFFECT: enhanced accuracy. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения и контроля двухкоординатных угловых перемещений объекта. The invention relates to measuring equipment and is intended for measuring and controlling two-coordinate angular movements of an object.

Известен преобразователь угла наклона, выбранный в качестве прототипа, который содержит груз в виде пустотелого усеченного корпуса, нить подвеса, устройство перемещения, центрирующее отверстие, четыре неподвижных пластины-электроды, корпус, переключающее устройство, ВЧ-генератор, частотомер, блок управления, блок времени, транскриптор и записывающее устройство [1]
Основными недостатками известного устройства являются недостаточные точностные характеристики и функциональные возможности. Это объясняется тем, что влияние дестабилизирующих факторов среды, например акустических помех, вызывают увеличение погрешности измерения угловых перемещений объекта. В известном устройстве не предусмотрены технические средства для вычисления знака угловых перемещений объекта, что также ограничивает область использования устройства.A known angle converter selected as a prototype, which contains a load in the form of a hollow truncated housing, a suspension thread, a moving device, a centering hole, four fixed plate electrodes, a housing, a switching device, an RF generator, a frequency meter, a control unit, a time unit , transcriptor and recorder [1]
The main disadvantages of the known device are insufficient accuracy characteristics and functionality. This is because the influence of destabilizing environmental factors, such as acoustic noise, causes an increase in the measurement error of the angular displacements of the object. In the known device does not provide technical means for calculating the sign of the angular displacements of the object, which also limits the scope of use of the device.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей за счет уменьшения влияния дестабилизирующих факторов среды и вычисления знака угловых перемещений. The aim of the invention is to improve the measurement accuracy and expand the functionality by reducing the influence of destabilizing environmental factors and calculating the sign of angular displacements.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом преобразователе угла наклона, содержащем цилиндрический корпус с закрепленным в верхней его части через сферический шарнир маятником, генератор опросных импульсов, триггер и блок индикации, маятник выполнен в виде прямолинейного звукопровода из магнитострикционного материала, а в устройство дополнительно введены установленные последовательно сверху вниз на звукопроводе акустический поглотитель, приемное звено с неподвижным постоянным магнитом, излучающее звено и кольцевой постоянный магнит, усилители записи и считывания, балансный и цифровой компараторы, аналого-цифровой преобразователь, регистр, блок памяти, шина управления, шина данных, шина синхронизации и шина знака перемещения, при этом приемное и излучающее звенья выполнены в виде соответственно первой и второй катушек индуктивности, а кольцевой постоянный магнит расположен внутри корпуса и выполнен с возможностью перемещения вдоль обмотки второй катушки индуктивности, выводы которой подключены к выходам усилителя записи, ко входу которого, единичному входу триггера, нулевому входу блока памяти, синхровходу регистра и шине синхронизации подключен выход генератора опросных импульсов, вход которого подключен к шине управления, выводы первой катушки индуктивности соединены со входами усилителя считывания, выход которого подключен к первым входам балансного компаратора и блока памяти, выход которого соединен со входом аналого-цифровой преобразователя, выходы которого подключены к шине данных, первым входам цифрового компаратора и информационным входам регистра, выходы которого подключены к шине знака перемещения, причем схема индикации соединена с выходом триггера, к синхровходу которого подключен выход балансного компаратора, второй вход которого подключен к шине порогового напряжения. This goal is achieved by the fact that in the ultrasonic transducer of the angle of inclination, containing a cylindrical body with a pendulum fixed in its upper part through a spherical hinge, an interrogation pulse generator, a trigger and an indication unit, the pendulum is made in the form of a rectilinear sound duct from magnetostrictive material, and the device is additionally introduced an acoustic absorber installed in series from top to bottom on the sound duct, a receiving link with a fixed permanent magnet, a radiating link and an annular permanent magnet, write and read amplifiers, balanced and digital comparators, analog-to-digital converter, register, memory unit, control bus, data bus, synchronization bus and sign bus, while the receiving and radiating links are made in the form of first and second coils, respectively inductance, and an annular permanent magnet is located inside the housing and is arranged to move along the winding of the second inductor, the terminals of which are connected to the outputs of the recording amplifier, to the input of which the output of the trigger, the zero input of the memory block, the register clock and the synchronization bus are connected to the output of the interrogation pulse generator, the input of which is connected to the control bus, the terminals of the first inductor are connected to the inputs of the readout amplifier, the output of which is connected to the first inputs of the balanced comparator and the memory block, the output which is connected to the input of an analog-to-digital converter, the outputs of which are connected to the data bus, the first inputs of the digital comparator and the information inputs of the register, the outputs of which are key to move the rail plate, wherein the indication circuit connected to the output flip-flop, whose clock terminal is connected to the balanced output of the comparator, the second input of which is connected to the bus of the threshold voltage.

На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового преобразователя угла наклона; на фиг.2 основные временные диаграммы, поясняющие его работу. In FIG. 1 shows a block diagram of an ultrasonic tilt angle transducer; figure 2 the main timing diagrams explaining his work.

Ультразвуковой преобразователь угла наклона (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1, в котором размещены прямолинейный магнитострикционный звукопровод 2, акустический поглотитель 3, сферический шарнир 4, сосредоточенный магнитострикционный преобразователь 5 (СМП) с магнитом 6 смещения, распределенный магнитострикционный преобразователь 7 (РМП), поляризатор 8, выполненный в виде кольцевого постоянного магнита, усилитель 9 записи, усилитель 10 считывания, генератор 11 опроса, триггер 12, балансный компаратор 13 с цифровым выходом, схему 14 индикации, блок 15 аналоговой памяти, аналого-цифровой преобразователь 16 (АЦП), буферный регистр 17, цифровой компаратор 18, а также шину 19 управления, n-шины 20 данных, m-шины 21 знака перемещения и шину 22 синхронизации. The ultrasonic transducer of the angle of inclination (Fig. 1) contains a cylindrical body 1 in which a linear magnetostrictive sound guide 2, an acoustic absorber 3, a spherical hinge 4, a concentrated magnetostrictive transducer 5 (SMP) with a bias magnet 6, a distributed magnetostrictive transducer 7 (RMP) are placed, polarizer 8, made in the form of an annular permanent magnet, recording amplifier 9, reading amplifier 10, polling generator 11, trigger 12, balanced comparator 13 with digital output, indication circuit 14 ii, analog memory unit 15, analog-to-digital converter 16 (ADC), a buffer register 17, digital comparator 18 and the control bus 19, n-20 data bus, m-bus 21 and the moving plate 22, synchronization bus.

Магнитрострикционный звукопровод 2 со свободным концом размещен в корпусе 1 первичного преобразователя параллельно вектору гравитации и кинематически соединен с ним в верхней части через сферический шарнир 4. На этом же конце звукопровода 2 закреплен акустический поглотитель 3. С другой стороны от него закреплен СМП 5 с магнитом 6 смещения, подключенный к входам усилителя 10 считывания. На свободном конце звукопровода 2 закреплен РМП 7, выводы которого подсоединены к выходам усилителя 9 записи. В нижней части корпуса 1 с внутренней поверхности установлен поляризатор 8, выполненный с возможностью перемещения вдоль обмотки РМП 7. Выход генератора 11 опроса соединен с входом усилителя 9 записи, единичным входом триггера 12 и нулевым входом блока 15 памяти. Его выход подключен через АЦП 16 к шинам 20 данных, информационным входам регистра 17 и одним входам цифрового компаратора 18, а вход соединен с входом усилителя 10 считывания и одним входом балансного компаратора 13. На другой его вход подается пороговое напряжение сравнения. Цифровой выход балансного компаратора 13 соединен с синхровходом триггера 12, подключенным к схеме 14 индикации. Вход генератора 11 опроса подключен к шине 19 управления. Выходы регистра 17 соединены с другими входами цифрового компаратора 18, подключенный к шинам 21 знака перемещения. Кроме того, вход генератора 11 опроса подключен к шине 22 синхронизации. A magnetostrictive sound pipe 2 with a free end is placed in the primary transducer housing 1 parallel to the gravity vector and is kinematically connected to it in the upper part via a spherical hinge 4. An acoustic absorber 3 is fixed at the same end of the sound pipe 2. An SMP 5 with a magnet 6 is attached to it bias connected to the inputs of the amplifier 10 read. At the free end of the sound duct 2 is fixed RMP 7, the conclusions of which are connected to the outputs of the recording amplifier 9. In the lower part of the housing 1, a polarizer 8 is mounted on the inner surface, which is movable along the winding of the PMF 7. The output of the polling generator 11 is connected to the input of the recording amplifier 9, a single input of the trigger 12, and a zero input of the memory unit 15. Its output is connected through the ADC 16 to the data buses 20, the information inputs of the register 17 and one of the inputs of the digital comparator 18, and the input is connected to the input of the read amplifier 10 and one input of the balanced comparator 13. A threshold comparison voltage is applied to its other input. The digital output of the balanced comparator 13 is connected to the trigger input of the trigger 12 connected to the display circuit 14. The input of the polling generator 11 is connected to the control bus 19. The outputs of the register 17 are connected to other inputs of the digital comparator 18, connected to the buses 21 of the sign of movement. In addition, the input of the polling generator 11 is connected to the synchronization bus 22.

Ультразвуковой преобразователь угла наклона работает следующим образом. Первоначально преобразователь (фиг. 1) находится в исходном состоянии. По шине 19 управления выставляется напряжение управления U_упр, по которому осуществляется запуск генератора 11 опроса и задается частота f_оп=1/T_оп опроса первичного преобразователя (фиг.2,а). По сигналам генератора 11 опроса устанавливается в единичное состояние триггер 12 (фиг.2,д), обнуляется аналоговый блок 15 памяти (фиг.2,е) и возбуждается усилитель 9 записи. На его выходе формируется токовый сигнал записи, которым возбуждается РМП 7, и под поляризатором 8 в среде магнитострикционного звукопровода 2 возбуждается продольная упругая волна. Амплитуда зондирующей упругой волны (фиг.2,б) пропорциональна величине углового отклонения α звукопровода 2 от оси вектора гравитации

где K_ε коэффициент пропорциональности, E модуль Юнга, m - магнитная проницаемость материала звукопровода, H напряженность импульсного магнитного поля РМП 7, H_x=H₀•exp(-lx) напряженность постоянного магнитного поля поляризатора 8, H₀ его напряженность магнитного поля при a=tg(l_o/l_x)=0, l₀ расстояние от шарнира 4 до поляризатора 8.Ultrasonic transducer angle is as follows. Initially, the converter (Fig. 1) is in its original state. The bus master 19 is exposed _exercise control voltage U, by which the interrogation generator 11 and the start frequency is given by f _op = 1 / T _op poll the primary converter (2, a). According to the signals of the polling generator 11, the trigger 12 is set to a single state (FIG. 2, e), the analog memory unit 15 is reset (FIG. 2, e), and the recording amplifier 9 is excited. A current recording signal is generated at its output, by which an RMP 7 is excited, and a longitudinal elastic wave is excited under the polarizer 8 in the medium of the magnetostrictive sound duct 2. The amplitude of the probe elastic wave (Fig.2, b) is proportional to the angular deviation α of the sound duct 2 from the axis of the gravity vector

where K _{ε is} the proportionality coefficient, E is Young's modulus, m is the magnetic permeability of the sound pipe material, H is the intensity of the pulsed magnetic field RMP 7, H _x = H ₀ • exp (-lx) is the constant magnetic field strength of the polarizer 8, H _{0 is} its magnetic field strength at a = tg (l _o / l _x ) = 0, l _{0 the} distance from the hinge 4 to the polarizer 8.

Наведенная упругая волна σ_x распространяется в обе стороны по звукопроводу 2 с фазовой скоростью V_пр. Так, распространяясь в сторону СМП 5, падающая упругая волна σ₁=σ_x•exp(-β•l₁) достигает его через время T₁=l₁/V_пр и наводит на его выводах аналоговый сигнал считывания (фиг.2,в) равный
E_x= -W•Φ_об•U_пр;
где β декремент затухания упругой волны в среде звукопровода 2, l₁ расстояние между поляризатором 8 и СМП 5, W число витков СМП 5, F_об магнитный поток в зоне магнитоупругого преобразователя, создаваемый магнитом 6 смещения и упругой волной σ который проходит на усилитель 10 считывания и усиливается в K_y раз до величины U_x=K_y•E_x. Достигая акустический поглотитель 3, упругая волна в следующий момент времени испытывает полное поглощение. Другая упругая волна s₂=σ_x•exp[-β(l₁+2l₂)], распространяясь в сторону свободного конца звукопровода 2, через время T₂=l₂/V_пр достигает его, испытывает отражение без изменения и фазы, и распространяется в сторону СМП 5, который достигает через суммарное время T=(2l₂+l₁)/V_пр, где l₂ - расстояние от свободного конца звукопровода 2 до поляризатора 8. На выводах СМП 5 формируется аналоговый сигнал считывания E_x (фиг.2,в).The induced elastic wave σ _x propagates in both directions along the sound duct 2 with a phase velocity V _ave . So, propagating in the direction of SMP 5, the incident elastic wave σ ₁ = σ _x • exp (-β • l ₁ ) reaches it after a time T ₁ = l ₁ / V _ol and induces an analog read signal at its terminals (Fig. 2, c) equal
E _x = -W • Φ _about • U _ol ;
where β is the elastic wave attenuation decrement in the acoustic duct 2, l _{1 is the} distance between the polarizer 8 and the SMF 5, W is the number of turns of the SMP 5, F _{about the} magnetic flux in the magnetoelastic transducer zone created by the bias magnet 6 and the elastic wave σ that passes to the read amplifier 10 and amplifies K _y times to the value U _x = K _y • E _x . Reaching the acoustic absorber 3, the elastic wave at the next instant of time experiences complete absorption. Another elastic wave s ₂ = σ _x • exp [-β (l ₁ + 2l ₂ )], propagating towards the free end of the sound duct 2, after a time T ₂ = l ₂ / V _pr reaches it, experiences reflection without change and phase, and propagates in the direction of the SMP 5, which after a total time reaches T = (2l ₂ + l ₁ ) / V _ol , where l ₂ is the distance from the free end of the sound pipe 2 to the polarizer 8. At the terminals of the SMP 5, an analog read signal E _x ( figure 2, c).

С выхода усилителя 10 считывания аналоговый сигнал считывания (2) проходит на входы аналогового блока 15 памяти и балансного компаратора 13, где запоминается U₁=U_x и сравнивается с опорным напряжением U_x-U_пор (фиг.2,в,е). Если U_x>U_пор, на выходе балансного компаратора 13 формируется импульсный сигнал, которым переключается триггер 12 и включает схему 14 индикации (фиг. 2,г,д). Схема 14 индикации вырабатывает световые и звуковые сигналы, информирующие об отклонении от вертикали корпуса 1 преобразователя. Угол наклона α кодируется АЦП 16, вырабатывающий n-разрядный код N_x текущего углового отклонения объекта, поступающий далее на информационные входы буферного регистра 17, цифрового компаратора 18 и шины 20 данных, формируя сигнал "Угол наклона".From the output of the read amplifier 10, the analog read signal (2) passes to the inputs of the analog memory unit 15 and the balanced comparator 13, where U ₁ = U _{x is} stored and compared with the reference voltage U _x -U _then (Fig. 2, c, f). If U _x > U _then , at the output of the balanced comparator 13, a pulse signal is generated, which switches the trigger 12 and turns on the display circuit 14 (Fig. 2, d, d). The indication circuit 14 generates light and sound signals informing about a deviation from the vertical of the converter housing 1. The angle of inclination α is encoded by the ADC 16, which generates an n-bit code N _{x of the} current angular deviation of the object, which then goes to the information inputs of the buffer register 17, the digital comparator 18 and the data bus 20, forming the signal "Angle of inclination".

По очередному сигналу генератора 11 опроса (фиг.2,а) производится запись в буферный регистр 17 кода N_x углового перемещения объекта предыдущего (смежного) цикла преобразования, выставляемый далее на другую группу входов цифрового компаратора 18. В конце очередного цикла преобразования, который выполняется согласно рассмотренного, на выходах АЦП 16 формируется код N_x.1 текущего углового перемещения объекта и сравнивается компаратором 18 для вычисления знака перемещения объекта, а именно

Вычисленный код N_зн в следующий момент подается на m-шины 21 знака перемещения, формируя сигнал "Знак перемещения". В начале каждого цикла преобразования по шине 22 синхронизации выставляется сигнал "Синхронизация" для организации синхронной работы с микропроцессорным пользователем.According to the next signal of the polling generator 11 (Fig. 2, a), the code N _{x of the} angular displacement of the object of the previous (adjacent) conversion cycle is recorded in the buffer register 17, which is further set to another group of inputs of the digital comparator 18. At the end of the next conversion cycle, which is performed according to the above, at the outputs of the ADC 16 a code N _{x.1 of the} current angular displacement of the object is generated and compared by the comparator 18 to calculate the sign of the displacement of the object,

The calculated code N _zn at the next moment is fed to the m-bus 21 of the sign of movement, forming a signal "Sign of movement". At the beginning of each conversion cycle, a "Synchronization" signal is set on the synchronization bus 22 for organizing synchronous operation with a microprocessor user.

Проходя далее по звукопроводу 2, отраженная упругая волна в следующий момент достигает акустический поглотитель 3 и полностью рассеивает на нем свою энергию. Таким образом в акустическом тракте первичного преобразователя устраняется образованием вторичных отраженных волн, накопление которых приводит к снижению помехоустойчивости. При снятии управляющего сигнала по шине 19 управления преобразователь переводится в режим блокирования работы. Passing further along the sound duct 2, the reflected elastic wave at the next moment reaches the acoustic absorber 3 and completely dissipates its energy on it. Thus, the acoustic path of the primary transducer is eliminated by the formation of secondary reflected waves, the accumulation of which leads to a decrease in noise immunity. When the control signal is removed via the control bus 19, the converter is put into operation blocking mode.

Выполнение поляризатора 8 подвижным позволяет установить требуемую чувствительность первичного преобразователя и к угловым двухкоординатным перемещениям объекта. Размещение акустического тракта преобразователя и его вторичного преобразователя в металлическом корпусе 1, подключение звукопровода 2 к корпусу 1 через акустический поглотитель 3 позволяет уменьшить влияние электромагнитных и акустических полей на результирующий сигнал, а значит повысить точность измерения угловых перемещений объекта относительно выбранного прототипа. Вычисление знака угловых перемещений расширяет функциональные возможности преобразователя относительно прототипа, расширяет область использования. А примененный в качестве маятника демпфированный акустический волновод позволяет уменьшить его инерционность, сделать более чувствительным к угловым колебаниям по сравнению с прототипом. The implementation of the polarizer 8 movable allows you to set the required sensitivity of the primary Converter to angular two-coordinate movements of the object. Placing the acoustic path of the transducer and its secondary transducer in the metal casing 1, connecting the sound duct 2 to the casing 1 through the acoustic absorber 3 can reduce the influence of electromagnetic and acoustic fields on the resulting signal, and therefore increase the accuracy of measuring the angular displacements of the object relative to the selected prototype. Calculation of the sign of angular displacements extends the functionality of the transducer relative to the prototype, expands the scope of use. And a damped acoustic waveguide used as a pendulum can reduce its inertia, make it more sensitive to angular oscillations compared to the prototype.

Claims

An ultrasonic tilt angle transducer comprising a cylindrical body with a pendulum fixed in its upper part through a spherical hinge, an interrogation pulse generator, a trigger and an indication unit, characterized in that, in order to increase accuracy and expand functionality by simultaneously calculating the sign of angular displacements, the pendulum made in the form of a rectilinear sound duct of magnetostrictive material, and additionally installed sequentially from top to bottom on the sound path into the device Ode acoustic absorber, fixed magnetostrictive transducer with fixed permanent magnet, distributed magnetostrictive transducer and ring polarizer, write and read amplifiers, balanced and digital comparators, analog-to-digital converter, register, memory unit and control bus, data bus, synchronization bus and sign bus displacement, while an annular polarizer is located inside the housing and is arranged to move along the winding of a distributed magnetostrictive of the first converter whose outputs are connected to the outputs of the recording amplifier, to the input of which, a single input of the trigger, the zero input of the memory block, the register clock and the synchronization bus, the output of the interrogation pulse generator is connected, the input of which is connected to the control bus, the terminals of the lumped magnetostrictive converter are connected to the inputs of the amplifier a readout, the output of which is connected to the first inputs of a balanced comparator and a memory block, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter, which are connected to the data bus, the first inputs of the digital comparator and the information inputs of the register, the outputs of which are connected to the second inputs of the digital comparator, the outputs of which are connected to the bus of the sign of movement, the indicator is connected to the output of the trigger, to the sync input of which the output of the balanced comparator is connected, the second input which is connected to the threshold voltage bus.