RU2175754C2

RU2175754C2 - Microprocessor type magnetostriction position-to-code converter

Info

Publication number: RU2175754C2
Application number: RU99109445/28A
Authority: RU
Inventors: А.И. Надеев; С.В. Кононенко; Р.О. Кузнецов
Original assignee: Астраханский государственный технический университет
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2001-11-10

Abstract

FIELD: automatics, namely devices for measuring and monitoring position and movement distance of moving objects in control systems. SUBSTANCE: converter is based upon magnetostriction waveguide. One end of waveguide is secured to reflective strut and its other end is fastened by means of buffer. Pulse of electromagnetic induction of electroacoustic transducer caused by driving electric current is used as exciting pulse. Forward and reflected pulses are used as information pulses. One-line system for forming measured interval provides time interval filled with pulses of reference generator. Pulses of said generator are read by means of counter. Microprocessor sets operation mode and conversion algorithm. Converter may operate in modes providing high reproducibility of its static characteristics at changing environment temperature and at natural aging of waveguide or it provides enhanced responsibility when there is no need of high accuracy conversion. EFFECT: improved design providing enhanced characteristics of converter. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в системах измерения и контроля положения и перемещения подвижных объектов систем управления. The invention relates to the field of automation and computer technology and can be used in systems for measuring and monitoring the position and movement of moving objects of control systems.

Известен магнитострикционный преобразователь линейных перемещений [1], содержащий звукопровод, подвижные передающую и приемную катушки, демпфер, постоянные магниты, формирователь импульсов записи, усилитель считывания, формирователь импульсов, триггер со счетным входом, одновибратор и измеритель отношения временных интервалов. Однако наличие подвижных катушек затрудняет реализацию преобразователя для больших диапазонов перемещения и снижает его надежность. Known magnetostrictive linear displacement transducer [1], comprising a sound duct, movable transmitting and receiving coils, a damper, permanent magnets, a recording pulse shaper, a read amplifier, a pulse shaper, a trigger with a counting input, a one-shot and a time interval ratio meter. However, the presence of movable coils makes it difficult to implement a converter for large ranges of movement and reduces its reliability.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является магнитострикционный преобразователь перемещения в код [2], включающий магнитострикционную линию с демпферами на концах, электроакустический преобразователь, элемент возбуждения опорного ультразвукового импульса, содержащий неподвижные постоянные магниты, элемент возбуждения ультразвукового импульса, содержащий постоянные магниты, жестко связанные с объектом контроля, усилитель-формирователь считывания, формирователь импульсов тока возбуждения, генератор счетных импульсов, счетчик, регистры памяти, буферный формирователь, дешифратор адреса, формирователь запуска, формирователь сигнала готовности, счетчик режима, а положение объекта контроля определяется согласно дифференциально-логометрического алгоритма преобразования. Но для реализации данного алгоритма необходимо наличие двух каналов формирования кодов N_X и N₀.The closest to the invention in technical essence is a magnetostrictive transducer to code [2], including a magnetostrictive line with dampers at the ends, an electro-acoustic transducer, an excitation element of a reference ultrasonic pulse containing fixed permanent magnets, an element of excitation of an ultrasonic pulse containing permanent magnets, rigidly connected with an object of control, a reading driver amplifier, an excitation current pulse generator, a counting impulse generator pulses, counter, memory registers, buffer driver, address decoder, trigger driver, ready signal generator, mode counter, and the position of the monitoring object is determined according to the differential ratiometric conversion algorithm. But for the implementation of this algorithm, it is necessary to have two channels for generating codes N _X and N ₀ .

Целью изобретения является повышение быстродействия в определенных режимах работы и упрощение конструкции магнитострикционного преобразователя положения. The aim of the invention is to improve performance in certain operating modes and simplify the design of the magnetostrictive position transducer.

Это достигается тем, что в устройстве, содержащем магнитострикционный волновод, постоянный магнит, жестко связанный с объектом измерения, формирователь возбуждения, электроакустический преобразователь считывания, усилитель-формирователь считывания, генератор образцовой частоты, счетчик, причем концы волновода соединены соответственно с общей шиной и выходом формирователя возбуждения, электроакустический преобразователь считывания, установленный на волноводе, соединен с входом усилителя-формирователя считывания, с целью упрощения конструкции один конец волновода закреплен при помощи демпфера, а другой в отражающей стойке, при этом в качестве стартового импульса используется импульс электромагнитной наводки в электроакустическом преобразователе от импульса тока возбуждения, в качестве информационных импульсов - прямой и отраженный ультразвуковые импульсы, а двухканальная схема формирования числового кода измеряемого интервала заменена одноканальной, при этом в схему введены шинный формирователь, дешифратор команд, микропроцессор, причем первый вход схемы формирования измеряемого интервала соединен с выходом усилителя-формирователя считывания, второй вход соединен с выходом генератора образцовой частоты, управляющий вход схемы соединен со вторым выходом дешифратора команд, выход схемы соединен с счетным входом счетчика, выход которого соединен с входом шинного формирователя, с его выходом соединен входной порт микропроцессора, выходной порт которого соединен с входом дешифратора команд, первый выход которого соединен с входом формирователя возбуждения, третий выход соединен с входом сброса счетчика, четвертый выход соединен с входом управления шинного формирователя, при этом измеряемый интервал и алгоритм преобразования выбирается микропроцессором в зависимости от требуемых метрологических параметров посредством дешифратора команд и схемы формирования измеряемого интервала. This is achieved by the fact that in a device containing a magnetostrictive waveguide, a permanent magnet rigidly connected to the measurement object, an excitation driver, an electro-acoustic read transducer, a read-driver, a reference frequency generator, a counter, the ends of the waveguide being connected respectively to a common bus and the output of the former excitation, the electro-acoustic read transducer mounted on the waveguide is connected to the input of the read-driver amplifier, in order to simplify one end of the waveguide is secured with a damper and the other in a reflective rack; in this case, the starting pulse is an electromagnetic pickup pulse from an excitation current pulse in an electro-acoustic transducer, direct and reflected ultrasonic pulses are used as information pulses, and a two-channel numerical code generation circuit the measured interval is replaced by a single-channel one, while a bus driver, a command decoder, a microprocessor are introduced into the circuit, the first input of the ph of measuring interval measurement is connected to the output of the read-driver amplifier, the second input is connected to the output of the reference frequency generator, the control input of the circuit is connected to the second output of the command decoder, the circuit output is connected to the counter input of the counter, the output of which is connected to the input of the bus driver, and its output is connected the input port of the microprocessor, the output port of which is connected to the input of the command decoder, the first output of which is connected to the input of the exciter, the third output is connected to the input of sat meter dew, the fourth output is connected to the control input of the bus driver, and the measured interval and the conversion algorithm are selected by the microprocessor depending on the required metrological parameters by means of a command decoder and a circuit for generating the measured interval.

Блок схема устройства представлена на фиг. 1. The block diagram of the device is shown in FIG. 1.

Устройство выполнено на основе магнитострикционного волновода 1. Один конец волновода закреплен в демпфере 2, необходимом для предотвращения отражения волны от данного конца волновода, второй конец волновода закреплен в отражающей стойке. Постоянный магнит 3 жестко связан с объектом контроля. Для преобразования упругой механической волны в импульс ЭДС используется электроакустический преобразователь 4, выход которого соединен с входом усилителя-формирователя 5. Выход усилителя формирователя 5 соединен с одним из входов схемы формирования измеряемого интервала 7. Данная схема в зависимости от сигнала на выходе 2 дешифратора команд 11 формирует временной интервал, заполненный импульсами, поступающими с образцового генератора 8. Один из возможных вариантов реализации схемы формирования, представлен на фиг. 2. В состав схемы входит сдвигающий регистр 13 с последовательным входом и параллельным выходом, логические элементы НЕ 14, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 15-16 и И-НЕ 17-20. Вход 1 схемы формирования измеряемого интервала соединен с выходом 2 дешифратора команд 11, вход 2 схемы соединен с выходом усилителя формирователя 5, вход 4 схемы соединен с выходом образцового генератора 8. Выход 5 схемы формирования соединен с входом счетчика 9. Шинный формирователь 10 осуществляет передачу кода в порт микропроцессора 12. Управление схемой формирования измеряемого интервала, счетчиком и шинным формирователем осуществляется дешифратором команд 11 по сигналам микропроцессора. Выход 1 дешифратора команд соединен с входом формирователя возбуждения 6. Формирователь 6 формирует импульс тока заданной амплитуды и длительности, поступающий в волновод. The device is made on the basis of a magnetostrictive waveguide 1. One end of the waveguide is fixed in the damper 2, which is necessary to prevent reflection of the wave from this end of the waveguide, the second end of the waveguide is fixed in a reflective rack. Permanent magnet 3 is rigidly connected with the object of control. To convert an elastic mechanical wave into an EMF pulse, an electro-acoustic transducer 4 is used, the output of which is connected to the input of the amplifier-driver 5. The output of the amplifier of the driver 5 is connected to one of the inputs of the circuit for measuring the measured interval 7. This circuit depends on the signal at the output 2 of command decoder 11 generates a time interval filled with pulses from the reference generator 8. One of the possible implementation options for the formation circuit is shown in FIG. 2. The circuit includes a shift register 13 with serial input and parallel output, logical elements NOT 14, EXCLUSIVE OR 15-16 and AND NOT 17-20. The input 1 of the circuit for forming the measured interval is connected to the output 2 of the command decoder 11, the input 2 of the circuit is connected to the output of the amplifier of the driver 5, the input 4 of the circuit is connected to the output of the reference generator 8. The output 5 of the circuit of the generator is connected to the input of the counter 9. The bus driver 10 transmits a code to the microprocessor port 12. The control of the circuit for the formation of the measured interval, the counter and the bus driver is carried out by the command decoder 11 according to the microprocessor signals. The output 1 of the command decoder is connected to the input of the excitation driver 6. The driver 6 generates a current pulse of a given amplitude and duration entering the waveguide.

Устройство работает следующим образом. Запуск устройства осуществляется сигналом с выхода 1 дешифратора 11 по команде микропроцессора 12. Сигнал, усиленный и сформированный формирователем 6, поступает в волновод. При прохождении радиального магнитного поля под постоянным магнитом 3 вследствие магнитострикционного эффекта в волноводе 1 возбуждается ультразвуковая крутильная волна, распространяющаяся в обе стороны. Волна, дошедшая до отражающей стойки, отражается и распространяется в сторону электроакустического преобразователя 4. В нем формируется три импульса ЭДС. Первый - вызван электромагнитной наводкой от прохождения по волноводу импульса тока возбуждения, второй - прямой ультразвуковой волной, возникшей под постоянным магнитом, третий - отраженной ультразвуковой волной. Импульсы ЭДС поступают на усилитель-формирователь считывания 5, после усиления и формирования сигнал поступает на схему формирования интервала измерения 7. По фронту каждого импульса, поступающего на вход 2 схемы, в регистр сдвига 13 записывается логическая единица, сигналы на выходах регистра изменяются так, как показано на фиг. 3. В зависимости от сигнала на выходе 2 дешифратора команд 11 (вход 1 схемы формирования) изменяется число импульсов образцового генератора 8, поступающих на счетчик 9. На фиг. 3 показаны импульсы, поступающие в счетчик с выхода 5 схемы формирования в зависимости от сигнала на входе 1 схемы (сигнал от дешифратора команд). The device operates as follows. The device is started by the signal from the output 1 of the decoder 11 at the command of the microprocessor 12. The signal amplified and generated by the shaper 6, enters the waveguide. When the radial magnetic field passes under the permanent magnet 3 due to the magnetostrictive effect in the waveguide 1, an ultrasonic torsion wave is excited, propagating in both directions. The wave that reached the reflecting stand is reflected and propagates towards the electro-acoustic transducer 4. Three emf pulses are formed in it. The first is caused by electromagnetic interference from the passage of an excitation current pulse through the waveguide, the second is caused by a direct ultrasonic wave arising under a permanent magnet, and the third by a reflected ultrasonic wave. EMF pulses are fed to read-off amplifier-shaper 5, after amplification and formation, the signal goes to the circuit for forming the measurement interval 7. A logical unit is written into the shift register 13 along the edge of each pulse supplied to input 2 of the circuit, the signals at the outputs of the register change as shown in FIG. 3. Depending on the signal at the output 2 of the command decoder 11 (input 1 of the formation circuit), the number of pulses of the model generator 8 arriving at the counter 9 changes. FIG. Figure 3 shows the pulses arriving at the counter from the output 5 of the formation circuit depending on the signal at the input 1 of the circuit (signal from the command decoder).

Цифровой код N_X на выходе счетчика 9 соответствует времени пробега прямой ультразвуковой волной, возникшей под постоянным магнитом, и определяется положением контролируемого объекта

где f_гоч - частота импульсов генератора образцовой частоты 8;
V - скорость распространения ультразвуковой волны.The digital code N _X at the output of the counter 9 corresponds to the travel time of a direct ultrasonic wave that arose under a permanent magnet, and is determined by the position of the controlled object

where f _goch is the pulse frequency of the generator of the reference frequency 8;
V is the velocity of propagation of the ultrasonic wave.

N₀ - цифровой код, соответствующий времени пробега отраженной ультразвуковой волны, определяется по формуле

.N ₀ - digital code corresponding to the travel time of the reflected ultrasonic wave, is determined by the formula

.

После окончания счета шинный формирователь 10 по сигналам на выходе 4 дешифратора 11 передает код с выхода счетчика 9 в порт микропроцессора 12. After the end of the count, the bus driver 10, according to the signals at the output 4 of the decoder 11, transfers the code from the output of the counter 9 to the port of the microprocessor 12.

Обработка кодов и управление работой устройства осуществляется микропроцессором, режим работы и алгоритм обработки выбираются оператором в зависимости от требуемой точности и скорости получения информации о положении объекта. Codes are processed and the device’s operation is controlled by a microprocessor, the operating mode and processing algorithm are selected by the operator depending on the required accuracy and speed of obtaining information about the position of the object.

При необходимости получения оперативной информации о положении контролируемого объекта и невысоком требовании к точности осуществляется только определение кода N_X, при этом положение вычисляется как
X=K•N_X, (3)
где K - масштабный коэффициент.If it is necessary to obtain operational information about the position of the controlled object and the low accuracy requirement, only determination of the code N _{X is} carried out, while the position is calculated as
X = K • N _X , (3)
where K is the scale factor.

При необходимости получения высокой точности поочередно, в двух циклах измерения, определяются N_X и N₀. Положение объекта определяется микропроцессором по выражению

.If it is necessary to obtain high accuracy, in turn, in two measurement cycles, N _X and N _{0 are} determined. The position of the object is determined by the microprocessor by the expression

.

Применение данного алгоритма обеспечивает высокую повторяемость статической характеристики устройства при изменении температуры окружающей среды и при естественном старении звукопровода. The application of this algorithm provides high repeatability of the static characteristics of the device when the ambient temperature changes and during natural aging of the sound duct.

Применение двух алгоритмов для обработки измерительной информации позволяет при необходимости сократить время цикла измерения, уменьшая точность результата, или повысить, при необходимости, точность результата измерения за счет применения логометрического алгоритма обработки. The use of two algorithms for processing measurement information allows, if necessary, to reduce the measurement cycle time, reducing the accuracy of the result, or to increase, if necessary, the accuracy of the measurement result through the use of ratiometric processing algorithm.

Источники информации
1. А.с. N 537242 СССР; МКИ G 01 D 5/12. Магнитострикционный преобразователь линейных перемещений / Э.А. Артемьев, А.И. Надеев - N 2181343. Заявл. 09.10.75; опубл. 30.11.76. Бюл. N 44.Sources of information
1. A.S. N 537242 of the USSR; MKI G 01 D 5/12. Magnetostrictive linear displacement transducer / E.A. Artemyev, A.I. Nadeev - N 2181343. Decl. 10/9/75; publ. 11/30/76. Bull. N 44.

2. Патент РФ N 2080559; МКИ G 01 D 5/12. Магнитострикционный преобразователь перемещения в код / А. И. Надеев, О.И. Шумов - N 5055877/28. Заявл. 22.07.92; опубл. 27.05.97. Бюл. N 15. 2. RF patent N 2080559; MKI G 01 D 5/12. Magnetostrictive converter of displacement into code / A.I. Nadeev, O.I. Shumov - N 5055877/28. Claim 07/22/92; publ. 05/27/97. Bull. N 15.

Claims

A microprocessor magnetostrictive position transducer into a code comprising a magnetostrictive waveguide, a permanent magnet rigidly connected to the measurement object, an excitation driver, an electro-acoustic read converter, a read-drive amplifier, a reference frequency generator, a counter, the ends of the waveguide being connected respectively to a common bus and the output of the exciter , an electro-acoustic read transducer mounted on a waveguide is connected to the input of the amplifier-formations reading device, characterized in that one end of the waveguide is fixed with a damper and the other in a reflective rack, while the starting pulse is an electromagnetic pickup pulse from the excitation current pulse in the electro-acoustic transducer, and the direct and reflected ultrasonic pulses are used as information pulses , a single-channel circuit for forming the measured interval, a bus driver, a command decoder, a microprocessor are introduced into the electronic circuit, the first input of the circuit being formed the measured interval is connected to the output of the read-driver amplifier, the second input is connected to the output of the reference frequency generator, the control input of the circuit is connected to the second output of the command decoder, the output of the circuit is connected to the counter input of the counter, the output of which is connected to the input of the bus former, and its output is connected microprocessor input port, the output port of which is connected to the input of the command decoder, the first output of which is connected to the input of the exciter, the third output is connected to the reset input sensor, the fourth output is connected to the control input of the bus driver, and the measured interval and the conversion algorithm are selected by the microprocessor, depending on the required metrological parameters, by means of a command decoder and a circuit for generating the measured interval.