RU2145059C1

RU2145059C1 - Magnetostrictive displacement-to-code converter

Info

Publication number: RU2145059C1
Application number: RU96118380A
Authority: RU
Inventors: А.И. Надеев; В.А. Дружинин; О.И. Шумов; Башир Хамум; А.В. Четверухин
Original assignee: Надеев Альмансур Измайлович
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 2000-01-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: magnetostrictive displacement-to-code converter includes acoustic line which carries dampers, pulse former connected to recording coil, reading coil connected to amplifier, generator of pulse bursts, generator of reading pulses, counter, register, control unit, storage and adder. EFFECT: improved accuracy of displacement-to-code converter without deterioration of its dynamic properties. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля перемещений. The invention relates to measuring equipment and can be used to measure and control movements.

Известен преобразователь перемещений во временной интервал, содержащий звукопровод, катушку записи, подключенную к генератору импульсов, и катушку считывания [1]. Known Converter displacements in the time interval containing the sound pipe, a recording coil connected to a pulse generator, and a read coil [1].

Однако из-за статического разброса времени между стартовыми и стоповыми импульсами преобразователь обладает низкой точностью. However, due to the static time spread between the start and stop pulses, the converter has low accuracy.

Наиболее близким к изобретению является преобразователь перемещения в код, содержащий магнитострикционную линию с демпферами на концах, электроакустический преобразователь, элемент возбуждения ультразвукового импульса, жестко связанный с объектом контроля, усилитель-формирователь, формирователь импульсов тока, генератор счетных импульсов, счетчик, регистры памяти, буферный формирователь, дешифратор адреса, формирователь запуска, формирователь сигнала готовности, шину обмена и счетчик режима [2]. Closest to the invention is a displacement transducer into a code containing a magnetostrictive line with dampers at the ends, an electro-acoustic transducer, an ultrasonic pulse excitation element, rigidly connected to the control object, an amplifier-former, a current pulse generator, a counting pulse generator, a counter, memory registers, a buffer shaper, address decoder, start shaper, ready signal shaper, exchange bus and mode counter [2].

Его недостатком является низкая точность преобразования, обусловленная конечной шириной спектра импульса считывания, конечным отношением сигнал/шум, а также наличием погрешности квантования. Its disadvantage is the low accuracy of the conversion, due to the finite width of the spectrum of the read pulse, the final signal-to-noise ratio, and also the presence of a quantization error.

Целью изобретения является увеличение точности преобразователя перемещений в код без ухудшения динамических свойств. The aim of the invention is to increase the accuracy of the transducer movements to code without compromising dynamic properties.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь перемещений в код, содержащий звукопровод, на концах которого установлены демпферы, катушку записи, жестко связанную с объектом позиционирования и соединенную с выходом формирователя импульсов записи, катушку считывания, соединенную с входом усилителя импульсов считывания, генератор счетных импульсов, соединенный выходом со счетным входом счетчика, который входом установки в нулевое состояние соединен с линией "Старт", а выходом - с информационным каналом регистра, который тактовым входом соединен с усилителем импульсов считывания, введены генератор пачки импульсов, входом соединенный с линией "Старт", а выходом - с входом формирователя импульсов, устройство управления, запоминающее устройство, входом управления соединенное с первым выходом устройства управления, информационным каналом - с выходом регистра, а выходом - с первым информационным каналом сумматора, вход управления которого соединен со вторым выходом управляющего устройства, и имеющего обратную связь по второму информационному каналу с собственным выходом, при этом под воздействием устройства управления в сумматоре вычисляется среднее значение кода, пропорционального времени распространения ультразвуковой волны от катушки записи до катушки считывания. This goal is achieved by the fact that in the displacement transducer into a code containing a sound pipe, at the ends of which there are dampers, a recording coil rigidly connected to the positioning object and connected to the output of the recording pulse shaper, a read coil connected to the input of the read pulse amplifier, a counting pulse generator connected by the output to the counting input of the counter, which is connected to the "Start" line by the input to the zero state, and by the output to the register information channel, which is the input input is connected to a read pulse amplifier, a pulse train generator is introduced, the input connected to the Start line, and the output to the pulse shaper input, a control device, a storage device, a control input connected to the first output of the control device, and an information channel to the register output and the output - with the first information channel of the adder, the control input of which is connected to the second output of the control device, and having feedback on the second information channel with its own output, while under the influence of the control device in the adder calculates the average value of the code proportional to the propagation time of the ultrasonic wave from the recording coil to the read coil.

Генератор пачки импульсов входом соединен с линией "Старт", а выходом - с формирователем импульса; генератор счетных импульсов соединен выходом со счетным входом счетчика, входом установки в нулевое состояние соединенного с линией "Старт", а выходом - с информационным каналом регистра, соединенного тактовым входом с усилителем. Запоминающее устройство соединено информационным каналом с выходом регистра, управляющим входом - с первым выходом управляющего устройства, а выходом - с первым информационным каналом сумматора, входом управления соединенного со вторым выходом управляющего устройства и имеющего обратную по второму информационному каналу с собственным выходом. The pulse train generator is connected to the “Start” line by the input, and the output by a pulse shaper; the counter pulse generator is connected by the output to the counter input of the counter, the input to the zero state connected to the "Start" line, and the output to the information channel of the register connected by the clock input to the amplifier. The storage device is connected by an information channel to the output of the register, the control input to the first output of the control device, and the output to the first information channel of the adder, a control input connected to the second output of the control device and having a return channel with its own output on the second information channel.

На чертеже приведена структурная схема магнитострикционного преобразователя. The drawing shows a structural diagram of a magnetostrictive transducer.

Устройство содержит звукопровод 1, на концах которого установлены демпферы 2, жестко связанную с объектом позиционирования катушку записи 4 и катушку считывания 5 с постоянным магнитом 3, генератор пачки импульсов 6, вход которого соединен с линией "Старт", а выход - с выходом формирователя импульсов записи 7, выходом соединенного с катушкой записи 4, усилитель импульсов считывания 8, соединенный входом с катушкой считывания 5, а выходом с тактовым входом регистра 12, устройство управления 9, соединенное выходами с запоминающим устройством 13 и сумматором 14, генератор счетных импульсов 10, выходом соединенный с входом прямого счета счетчика 11, входом установки в нулевое состояние соединенного с линией "Старт", а выходом - с информационным каналом регистра 12, тактовым входом соединенного с выходом усилителя 8, а выходом - с первым информационным каналом сумматора 14, входом управления соединенного со вторым выходом управляющего устройства 9, имеющего обратную связь по второму информационному каналу с собственным выходом. The device comprises a sound pipe 1, at the ends of which there are dampers 2, a recording coil 4 and a read coil 5 with a permanent magnet 3 fixed to the positioning object, a pulse train generator 6, the input of which is connected to the “Start” line, and the output is connected to the output of the pulse shaper recording 7, an output connected to the recording coil 4, a read pulse amplifier 8, connected to an input to a reading coil 5, and an output to a clock input of a register 12, a control device 9, connected to the outputs with a storage device 13 and su Mator 14, the counter pulse generator 10, connected to the input of the direct counter counter 11, connected to the “Start” line to the zero state, and to the register information channel 12, the clock input connected to the amplifier 8 output, and the output to the the first information channel of the adder 14, the control input connected to the second output of the control device 9 having feedback on the second information channel with its own output.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

Передним фронтом сигнала "Старт" сбрасывается в ноль счетчик 11, на счетный вход которого подается последовательность счетных импульсов с частотой f от генератора 10. Одновременно запускается ждущий генератор 6 пачки импульсов. The leading edge of the “Start” signal is reset to zero counter 11, to the counting input of which a sequence of counting pulses with a frequency f from the generator 10 is supplied. At the same time, the waiting generator 6 of the pulse train is started.

Период следования сигналов "Старт"

где X_max - максимальное перемещение;
V - скорость ультразвука в звукопроводе;
t_n - длительность пачки из n импульсов.The following signals start

where X _max is the maximum displacement;
V is the speed of ultrasound in the sound pipe;
t _n is the duration of a burst of n pulses.

С выхода генератора 6 n импульсов поступают на вход формирователя 7, который формирует в катушке записи 4 n импульсов тока. Каждый из этих импульсов возбуждает в звукопроводе 1 в результате прямого эффекта магнитострикции собственную ультразвуковую волну. From the output of the generator 6 n pulses are fed to the input of the shaper 7, which generates 4 n current pulses in the recording coil. Each of these pulses excites in the sound pipe 1 as a result of the direct magnetostriction effect its own ultrasonic wave.

По прошествии времени

где x - измеряемое перемещение;
T - период следования импульсов в пачке;
i-я волна наводит в катушке считывания 5 ЭДС, которая усиливается усилителем 8 и, поступая на тактовый вход регистра 12, разрешает запись в него из счетчика 11 кода, пропорционального времени

С выхода регистра 12 код поступает в запоминающее устройство 13.As time passes

where x is the measured displacement;
T is the pulse repetition period in the packet;
The i-th wave induces an EMF in the read coil 5, which is amplified by an amplifier 8 and, arriving at the clock input of the register 12, allows writing into it from the counter 11 a code proportional to the time

From the output of the register 12, the code enters the storage device 13.

После прихода n-й ультразвуковой волны в запоминающем устройстве 13 оказываются записанными n кодов, пропорциональных времени, прошедшему от формирования первой упругой волны до достижения i-й волной катушки считывания 5. After the arrival of the nth ultrasonic wave in the memory 13, n codes are recorded that are proportional to the time elapsed from the formation of the first elastic wave until the ith wave of the read coil 5 is reached.

Под воздействием устройства управления 9 в сумматоре 14 вычисляется среднее значение кода N_x, пропорционального времени

, распространения ультразвуковой волны по звукопроводу от катушки записи 4 до катушки считывания 5.Under the influence of the control device 9 in the adder 14 is calculated the average value of the code N _x proportional to time

, the propagation of an ultrasonic wave through the sound duct from the recording coil 4 to the read coil 5.

Такие элементы преобразователя, как устройство управления 9, запоминающее устройство 13 и сумматор 14 могут быть, к примеру, реализованы при помощи контроллеров на базе микропроцессоров. При этом в качестве сумматора 14 используется арифметико-логическое устройство (АЛУ) микропроцессора, а алгоритм вычисления значения времени

хранится в виде программы в ПЗУ контроллера. В качестве запоминающего устройства 13 может использоваться оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) контроллера. Примеры реализации контроллеров приведены [4], [5], [6].

Elements of the Converter, such as the control device 9, the storage device 13 and the adder 14 can be, for example, implemented using controllers based on microprocessors. Moreover, as an adder 14, an arithmetic logic device (ALU) of the microprocessor is used, and an algorithm for calculating the time value

stored as a program in the controller ROM. As the storage device 13 can be used random access memory (RAM) of the controller. Examples of controllers implementation are given [4], [5], [6].

Усредняемое значение прямого измеряемого перемещения определяется контроллером следующим образом

где f - частота следования счетных импульсов.The average value of the direct measured displacement is determined by the controller as follows

where f is the pulse repetition rate.

При этом, согласно [3],

где

среднеквадратичное отклонение X_ср;

- среднеквадратичное отклонение X_i.Moreover, according to [3],

Where

standard deviation X _cf ;

- standard deviation X _i .

Таким образом, незначительное (на величину длительности пачки из n импульсов) увеличение времени преобразования приводит к увеличению в

раз точности преобразователя, что позволяет применить его в системах, предъявляющих высокие требования как к динамическим параметрам преобразователей, так и к точности измерений.Thus, a slight (by the duration of a burst of n pulses) increase in the conversion time leads to an increase in

times the accuracy of the transducer, which allows it to be used in systems that place high demands on both the dynamic parameters of the transducers and the accuracy of the measurements.

Источники информации
1. А.с. СССР N 385305, кл. G 08 9/04, 1971 г.Sources of information
1. A.S. USSR N 385305, class G 08 9/04, 1971

2. Патент RU N 2047179, кл. G 01 B 7/00, 1995 г. 2. Patent RU N 2047179, cl. G 01 B 7/00, 1995

3. НОВИЦКИЙ П.В., ЗООГРАФ И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 с. 3. NOVITSKY P.V., ZOOGRAF I.A. Error estimation of measurement results. - L .: Energoatomizdat, 1991 .-- 304 p.

4. СТАШИН В. В., УРУСОВ А.В., МОЛОГОНЦЕВА О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. -М.:Энергоатомиздат, 1990. 4. Stashin V.V., Urusov A.V., Mologontseva O.F. Designing digital devices on single-chip microcontrollers. -M.: Energoatomizdat, 1990.

5. БАЛАШОВ Е.П., ПУЗАНКОВ Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. -М.: Радио и связь, 1981. 5. Balashov E.P., Puzankov D.V. Microprocessors and microprocessor systems. -M .: Radio and communications, 1981.

6. ДРОЗДОВ Н.В., МИРОШНИК И.В., СКОРУБСКИЙ И.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. -Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989. 6. DROZDOV N.V., MIROSHNIK I.V., SKORUBSKII I.V. Automatic control systems with microcomputers. -L.: Engineering, Leningrad Branch, 1989.

Claims

A magnetostrictive displacement transducer comprising a sound duct, at the ends of which there are dampers, a recording coil rigidly connected to the positioning object and connected to the output of the recording pulse generator, a read coil connected to the input of the read pulse amplifier, a counter pulse generator connected to the counter input by the counter, characterized in that the counter is connected to the "Start" line by the input of the installation to the zero state, and the output is connected to the register information channel, which is clock an input is connected to a read pulse amplifier, a pulse train generator is introduced into it, an input connected to the Start line, and an output to a pulse former, a control device, a storage device, a control input connected to the first output of the control device, and an information channel to the output register, and output - with the first information channel of the adder, the control input of which is connected to the second output of the control device and having feedback on the second information channel with the proper output, while under the influence of the control device in the adder calculates the average value of the code proportional to the propagation time of the ultrasonic wave from the recording coil to the read coil.