RU2194946C2

RU2194946C2 - Linear displacement converter

Info

Publication number: RU2194946C2
Application number: RU2000131821/28A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Трофимов; Н.И. Баринов; В.А. Золотарев; В.П. Елизаров; А.К. Нефедов
Original assignee: ФГУП "НИИ физических измерений"
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2002-12-20

Abstract

FIELD: automatics, devices converting mechanical vibrations to digital code. SUBSTANCE: proposed converter gas acoustic line made of magnetostrictive material with dampers on ends. Recording winding is uniformly distributed over entire length of acoustic line. Mobile permanent magnet is fixed on controlled object. Acoustic line also carries reading winding with immobile permanent magnet. Binary counter counts number of pulses of quartz oscillator during time between emergence of recording and reading pulses. Circuit of converter is supplemented with former of disabling pulses. Former of disabling pulses prohibits operation of comparator connected to output of receiving path for the time of function of transient process in input network of receiving path. Insertion of former of disabling pulses makes it feasible to exclude false operation of comparator when information signals coincide with synchronous electromagnetic interference and to enhance noise immunity of converter by this. EFFECT: enhanced noise immunity of converter. 2 dwg \

Description

Изобретение относится к автоматике, в частности к устройствам, преобразующим механические перемещения в цифровой код. The invention relates to automation, in particular to devices that convert mechanical movements into digital code.

Известен преобразователь перемещений, содержащий неподвижный магнитострикционный звукопровод, концы которого соединены с демпферами, последовательно соединенные катушку записи и усилитель-формирователь импульсов записи, катушку считывания, соединенную с усилителем-формирователем импульсов считывания, который соединен с RS-триггером, управляющим коммутацией линий задержки, элементы И, сравнивающие результаты прохождения импульсов, и элемент памяти [1]. A displacement transducer is known, comprising a fixed magnetostrictive sound conductor, the ends of which are connected to dampers, a recording coil and a recording pulse amplifier, a read coil connected to a read pulse amplifier, which is connected to an RS trigger controlling the switching of delay lines, elements And, comparing the results of the passage of pulses, and the memory element [1].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является преобразователь, содержащий звукопровод, выполненный из магнигострикционного материала, два демпфера, установленных на концах звукопровода, усилитель-формирователь импульсов возбуждения и подключенную к его выходу неподвижно установленную на звукопроводе катушку возбуждения с постоянным магнитом, установленную на звукопроводе с возможностью перемещения вдоль звукопровода приемную катушку с постоянным магнитом, подключенный к выходу последней усилитель-формирователь приемных синалов, последовательно соединенные генератор импульсов, линию задержки, коммутатор, вторую линию задержки и второй коммутатор, выход которого подключен к первому входу усилителя-формирователя импульсов возбуждения, подключенные к выходу первой линии задержки последовательно соединенные третий коммутатор, третью линию задержки и четвертый коммутатор, выход которого подключен к второму входу усилителя-формирователя импульсов возбуждения, последовательно соединенные генератор опорной частоты, счетчик импульсов и блок памяти, RS-триггер, первый и второй элементы И и четвертую линию задержки, выход генератора импульсов подключен к R-входу RS-триггера, выход усилителя-формирователя приемных сигналов подключен к S-входу RS-триггера и входу четвертой линии задержки, выход которой подключен к информационным входам первого и третьего коммутаторов и первым входам первого и второго элементов И, а вторые выходы второго и четвертого коммутаторов подключены к вторым входам соответственно первого и второго элементов И, последовательно соединенные датчик случайных чисел, запоминающий регистр, мультиплексор, подключенные к выходу первой линии задержки, последовательно соединенные пятый коммутатор, пятую линию задержки, шестой коммутатор, третий элемент И, элемент ИЛИ и шестую линию задержки, выход которой подключен к входу сброса счетчика, и подключенные к выходу первой линии задержки последовательно соединенные седьмой коммутатор, седьмую линию задержки, восьмой коммутатор и четвертый элемент И, выход которого подключен ко второму входу элемента ИЛИ, выходы первого и второго элементов И подключены соответственно к третьему и четвертому входам элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу блока памяти, выход четвертой линии задержки подключен к информационным входам пятого и седьмого коммутаторов, четыре выхода мультиплексора подключены к третьим входам соответственно первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого коммутаторов, выход RS-триггера подключен к управляющему входу запоминающего регистра, выход генератора импульсов подключен к четвертым входам всех коммутаторов, выходы шестого и восьмого коммутаторов подключены соответственно к третьему и четвертому входам усилителя-формирователя импульсов возбуждения, выход первой линии задержки подключен к пятым входам первого, третьего, пятого и седьмого коммутаторов, а выходы первого и второго элементов И подключены соответственно к третьему и четвертому входам элемента ИЛИ [2]. The closest technical solution to the proposed one is a converter containing a sound duct made of magnigostrictive material, two dampers installed at the ends of the sound duct, an excitation pulse shaper amplifier and a permanent magnet excitation coil fixed to the sound duct mounted on its output, mounted on the sound duct with the possibility moving along the sound duct, a receiving coil with a permanent magnet connected to the output of the last amplifier-driver receiving signals, serially connected pulse generator, delay line, switch, second delay line and second switch, the output of which is connected to the first input of the amplifier-driver of excitation pulses, connected to the output of the first delay line in series with the third switch, the third delay line and the fourth switch, the output of which is connected to the second input of the amplifier-driver of excitation pulses, series-connected reference frequency generator, pulse counter and memory unit The RS-flip-flop, the first and second elements And and the fourth delay line, the output of the pulse generator is connected to the R-input of the RS-flip-flop, the output of the amplifier-driver of the receiving signals is connected to the S-input of the RS-flip-flop and the input of the fourth delay line, the output of which connected to the information inputs of the first and third switches and the first inputs of the first and second elements And, and the second outputs of the second and fourth switches are connected to the second inputs of the first and second elements And, in series, a random number sensor a memory register, a multiplexer connected to the output of the first delay line, connected in series to the fifth switch, the fifth delay line, the sixth switch, the third AND element, the OR element and the sixth delay line, the output of which is connected to the counter reset input, and connected to the output of the first line delays connected in series to the seventh switch, the seventh delay line, the eighth switch and the fourth AND element, the output of which is connected to the second input of the OR element, the outputs of the first and second elements AND are connected with correspondingly, to the third and fourth inputs of the OR element, the output of which is connected to the control input of the memory unit, the output of the fourth delay line is connected to the information inputs of the fifth and seventh switches, the four outputs of the multiplexer are connected to the third inputs of the first and second, third and fourth, fifth and sixth, respectively , the seventh and eighth switches, the output of the RS-trigger is connected to the control input of the memory register, the output of the pulse generator is connected to the fourth inputs of all the switches, the outputs of the pole of the eighth and eighth switches are connected respectively to the third and fourth inputs of the amplifier-driver of excitation pulses, the output of the first delay line is connected to the fifth inputs of the first, third, fifth and seventh switches, and the outputs of the first and second elements AND are connected respectively to the third and fourth inputs of the OR element [2].

Недостаток указанных преобразователей - низкая помехоустойчивость, обусловленная тем, что при совпадении информационных сигналов преобразователя с синхронными электромагнитными помехами, т.е. кратными по частоте информационным сигналам, преобразователь начинает воспринимать помехи как импульс считывания. Этим нарушается правильность показаний прибора. The disadvantage of these converters is low noise immunity, due to the fact that when the information signals of the converter coincide with synchronous electromagnetic interference, i.e. multiples of information signals in frequency, the converter begins to perceive interference as a read pulse. This violates the accuracy of the instrument.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение надежности работы преобразователя за счет исключения ложных срабатываний при подаче импульсов питания датчика. The proposed technical solution is aimed at improving the reliability of the converter by eliminating false alarms when applying sensor power pulses.

Согласно техническому решению в преобразователь линейных перемещений, содержащий звукопровод, выполненный из магнитострикционного материала, два демпфера, установленных на концах звукопровода, обмотку записи, равномерно распределенную по всей длине звукопровода с подвижным постоянным магнитом, закрепленным на контролируемом объекте, установленную на звукопроводе обмотку считывания с постоянным магнитом, введены формирователь импульсов возбуждения, прямой выход которого через стабилизатор тока соединен с обмоткой записи, подключенный к выходу обмотки считывания входной каскад, который последовательно соединен с первым и вторым усилителями, выход второго усилителя подключен к компаратору, выход которого соединен со входом С триггера, выход триггера подключен к первому входу схемы управления, выход которой соединен с тактовым входом С двоичного счетчика, выход двоичного счетчика подключен к формирователю кода, с выхода которого снимается выходной цифровой код, кварцевый генератор, выход которого подключен к входу С формирователя импульсов возбуждения и третьему входу схемы управления, формирователь запирающих импульсов, прямой выход которого подключен к входу R компаратора, а инверсный выход соединен со входом R триггера и вторым входом схемы управления, вход формирователя запирающих импульсов подключен к выходу кварцевого генератора, инверсный выход формирователя импульсов возбуждения через формирователь импульсов подключен к входу двоичного счетчика. According to the technical solution, to a linear displacement transducer containing a sound duct made of magnetostrictive material, two dampers installed at the ends of the sound duct, a recording winding evenly distributed along the entire length of the sound duct with a movable permanent magnet fixed to the controlled object, a reading winding mounted on the sound duct with a constant a magnet, a driver of excitation pulses is introduced, the direct output of which through a current stabilizer is connected to the recording winding, the input stage connected to the output of the read winding, which is connected in series with the first and second amplifiers, the output of the second amplifier is connected to a comparator, the output of which is connected to the input C of the trigger, the output of the trigger is connected to the first input of the control circuit, the output of which is connected to the clock input C of the binary counter , the output of the binary counter is connected to the code generator, the output of which is the digital output code, a crystal oscillator, the output of which is connected to the input C of the excitation pulse generator and the third the input of the control circuit, the driver of the locking pulses, the direct output of which is connected to the input R of the comparator, and the inverse output is connected to the input R of the trigger and the second input of the control circuit, the input of the driver of the locking pulses is connected to the output of the crystal oscillator, the inverse output of the driver of excitation pulses through the pulse generator is connected to the input of the binary counter.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого преобразователя линейных перемещений; на фиг.2 - временная диаграмма сигналов. In FIG. 1 shows a diagram of a proposed linear displacement transducer; figure 2 is a timing diagram of the signals.

Преобразователь линейных перемещений содержит звукопровод 1, выполненный из магнитострикционного материала, два демпфера 4, установленных на концах звукопровода 1, формирователь импульсов возбуждения F1, прямой выход которого через стабилизатор тока ST подключен к обмотке записи 2, равномерно распределенной по всей длине звукопровода 1 с подвижным постоянным магнитом 6, закрепленным на контролируемом объекте, установленную на звукопроводе 1 обмотку считывания 3 с постоянным магнитом 5, подключенный к выходу последней входной каскад ВК, который последовательно соединен с первым U1 и вторым U2 усилителями, выход второго усилителя U2 подключен к компаратору, К выход которого соединен со входом С триггера Тр, выход триггера Тр подключен к первому входу схемы управления Е, выход которой соединен с тактовым входом С двоичного счетчика СТ2, выход двоичного счетчика СТ2 подключен к формирователю кода F4, с выхода которого снимается выходной цифровой код, кварцевый генератор G, выход которого подключен к входу С формирователя импульсов возбуждения F1 и третьему входу схемы управления Е, формирователь запирающих импульсов F2, прямой выход которого подключен к входу R компаратора К, инверсный выход формирователя запирающих импульсов F2 соединен со входом R триггера Тр и вторым входом схемы управления Е, вход формирователя запирающих импульсов F2 подключен к выходу кварцевого генератора G, инверсный выход формирователя импульсов возбуждения F1 через формирователь импульсов F3 подключен к входу двоичного счетчика СТ2. The linear displacement transducer contains a sound duct 1 made of magnetostrictive material, two dampers 4 mounted at the ends of the sound duct 1, an excitation pulse generator F1, the direct output of which through the current stabilizer ST is connected to the recording winding 2, uniformly distributed along the entire length of the sound duct 1 with a movable constant a magnet 6, mounted on a controlled object, mounted on the sound duct 1 reading coil 3 with a permanent magnet 5, connected to the output of the last input stage of the VK, cat the first is connected in series with the first U1 and second U2 amplifiers, the output of the second amplifier U2 is connected to a comparator, the output of which is connected to the input C of the trigger Tr, the output of the trigger Tr is connected to the first input of the control circuit E, the output of which is connected to the clock input C of the binary counter CT2 , the output of the binary counter CT2 is connected to the code generator F4, the output of which is the digital output code, the crystal oscillator G, the output of which is connected to the input C of the pulse generator F1 and the third input of the control circuit E, locking pulse generator F2, the direct output of which is connected to the input R of comparator K, the inverse output of the locking pulse generator F2 is connected to the input R of the trigger Tr and the second input of the control circuit E, the input of locking pulse generator F2 is connected to the output of the crystal oscillator G, the inverse output of the pulse generator excitation F1 through a pulse shaper F3 is connected to the input of the binary counter CT2.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

Усиленные импульсы тока возбуждения длительностью τ_пит (фиг.2, эпюра б), периодом повторения Т_зап (фиг.2, эпюра а) поступают в распределенную обмотку записи 2 и вдоль звукопровода 1 распространяется электромагнитное импульсное поле, при взаимодействии которого с магнитным полем перемещаемого постоянного магнита 6 в месте деформации магнитного состояния звукопровода 1 за счет прямого магнитострикционного эффекта (под магнитом), возникает продольная механическая волна напряжения, вызывающая механическую деформацию участка звукопровода 1. Вследствие упругости материала звукопровода эта волна будет распространяться в обе стороны от места ее возникновения со скоростью

где G - модуль сдвига, ρ - удельная плотность материала звукопровода 1.The amplified pulses of the excitation current of duration τ _pit (Fig. 2, plot b), the repetition period T _app (Fig. 2, plot a) enter the distributed winding of record 2 and an electromagnetic pulse field propagates along the sound duct 1, when it interacts with the magnetic field of the moving permanent magnet 6 in the place of deformation of the magnetic state of the duct 1 due to the direct magnetostrictive effect (under the magnet), a longitudinal mechanical stress wave occurs, causing mechanical deformation of the duct part 1. Due to the elasticity of the sound pipe material, this wave will propagate on both sides of its origin at a speed

where G is the shear modulus, ρ is the specific gravity of the sound duct material 1.

Импульс механической деформации, который распространяется в сторону демпферов 4, достигнув обмотки считывания 3, вследствие обратного магнитоупругого эффекта, наведет в ней через время

(где Х - расстояние между обмоткой считывания 3 и магнитом 6) импульс ЭДС считывания (фиг.2, эпюра г) и, распространяясь дальше по звукопроводу 1, импульс механической деформации погашается в демпферах 4.The pulse of mechanical deformation, which propagates in the direction of the dampers 4, reaching the read winding 3, due to the inverse magnetoelastic effect, will induce it through time

(where X is the distance between the read winding 3 and magnet 6) the read emf pulse (Fig. 2, diagram d) and, propagating further along the sound duct 1, the mechanical deformation pulse is extinguished in the dampers 4.

Положение перемещающегося магнита 6 определяется временным интервалом t_изм между импульсом записи и импульсом считывания (фиг.2, эпюра г), далее импульс, наведенный в обмотке считывания, поступает на входной каскад ВК промежуточного преобразователя. ВК предназначен для согласования выходного сопротивления датчика с входным сопротивлением измерительного канала, а также для увеличения помехоустойчивости за счет включения емкостей в тракт прохождения сигнала.The position of the moving magnet 6 is determined by the time interval t _ISM between the write pulse and the read pulse (Fig. 2, plot d), then the pulse induced in the read winding is fed to the input stage of the intermediate transformer converter VC. VK is designed to coordinate the output resistance of the sensor with the input resistance of the measuring channel, as well as to increase noise immunity due to the inclusion of capacitors in the signal path.

Далее сигнал поступает на усилительные каскады U1 U2, которые усиливают его. Выход усилительного каскада соединен с компаратором К, порог срабатывания которого настраивается на 2/3 амплитуды полезного сигнала, и в соответствии с перемещением сигнала, приходящего с датчика, на выходе К будет соответственно формироваться импульс, подаваемый на управляемый триггер Тр. Next, the signal enters the amplifier stages U1 U2, which amplify it. The output of the amplifier stage is connected to a comparator K, the threshold of which is adjusted to 2/3 of the amplitude of the useful signal, and in accordance with the movement of the signal coming from the sensor, a pulse will be generated at the output K supplied to the controlled trigger Tr.

Управляемый триггер Тр представляет собой D-триггер с управлением по R-входу. На С-вход триггера поступает импульс с К, в результате чего на выходе Тр формируется временной импульс t_изм (фиг.2, эпюра ж), длительность которого будет однозначно определять измеряемое перемещение. Во время подачи в звукопровод 1 импульса тока записи в звукопроводе 1 и вокруг него возникает электромагнитное поле, которое наводит в выходной обмотке ЭДС значительной амплитуды, которая возбуждает во входной цепи приемного тракта переходной процесс длительностью τ_зап (фиг.2, эпюра г). Эта помеха вызывает ложное срабатывание триггера Тр и приводит к сбою в работе системы. Для того чтобы исключить влияние электромагнитного поля импульса записи на работу системы введен формирователь запирающих импульсов F2, который одновременно с импульсом записи формирует сигнал запрета длительностью τ_бл≥τ_зап (фиг.2, эпюра в), на время действия этого импульса триггер Тр и компаратор К отключаются.Tr trigger control is a D-trigger with R-input control. An impulse from K arrives at the C-input of the trigger, as a result of which a time impulse t _ISM is generated at the output Tr (Fig. 2, plot g), the duration of which will uniquely determine the measured displacement. During the filing of the recording current pulse 1 in the sound duct 1 and around the sound duct 1, an electromagnetic field arises that induces a significant amplitude in the output winding of the EMF, which excites a transient process in the input circuit of the receiving path that lasts τ _app (Fig. 2, diagram d). This interference causes a false trigger Tr and leads to a malfunction of the system. In order to eliminate the influence of the electromagnetic field pulse recording to the system introduced by the pulse shaper locking F2, which simultaneously generates a recording pulse signal prohibition duration τ _plaque ≥τ _zap (Figure 2, diagram c), the duration of this trigger pulse Tp and comparator K are disconnected.

Импульс с триггера Тр поступает на схему управления Е, где измеренный период заполняется образцовой частотой от стабильного кварцевого генератора G (фиг.2, эпюра д). The pulse from the trigger Tr enters the control circuit E, where the measured period is filled with the reference frequency from a stable crystal oscillator G (Fig. 2, plot d).

В передающую распределенную обмотку 2 датчика с формирователя F1 через стабилизатор тока ST подаются стабильные по частоте и амплитуде импульсы тока (фиг.2, эпюра б), стабильность по амплитуде достигается с помощью ключевого стабилизатора тока ST, выполненного на составных транзисторах с различным питанием для увеличения суммарного усиления тока, что позволяет уменьшить мощность в цепи управления ключом. Frequency pulses of current that are stable in frequency and amplitude (Fig. 2, plot b) are fed into the transmitting distributed sensor winding 2 from the shaper F1 through the current stabilizer ST (Fig. 2, plot b), the amplitude stability is achieved using the key current stabilizer ST, made on composite transistors with different power supplies to increase total current amplification, which reduces power in the key control circuit.

С выхода измерительного канала импульсы поступают на счетчик СТ2 для подсчета импульсов и выдачи двоичного кода, соответствующего перемещению датчика. From the output of the measuring channel, the pulses are sent to the counter CT2 for counting pulses and issuing a binary code corresponding to the movement of the sensor.

Формирователи импульсов F1, F2, F3 схемно реализованы на D-тригтерах, работающих в режиме одновибраторов, что обеспечивает генерацию под действием входных сигналов одиночных прямоугольных импульсов заданной длительности. Наличие хронирующей цепи и обратной связи, обеспечивающей регенеративные (лавинообразные) процессы переключения, обеспечивает достижение большей крутизны фронтов выходных импульсов и лучшей устойчивости к дестабилизирующим факторам. The pulse shapers F1, F2, F3 are schematically implemented on D-flip-flops operating in the single-shot mode, which ensures the generation of single rectangular pulses of a given duration under the influence of input signals. The presence of the timing chain and feedback, providing regenerative (avalanche-like) switching processes, ensures a greater steepness of the fronts of the output pulses and better resistance to destabilizing factors.

С формирователя F1 подаются короткие, стабильные по частоте и амплитуде импульсы тока в передающую распределенную обмотку датчика (фиг.2, эпюра б), отрицательные импульсы данного формирователя служат для сброса счетчика СТ2 (фиг. 2, эпюра з), формирователь F2 служит для управления компаратором К, а именно для запирания во время действия переходного процесса во входной цепи приемного тракта (фиг.2, эпюра в), формирователь F3 отрицательным импульсом τ_уст разрешает параллельную загрузку счетчика СТ2 (фиг.2, эпюра и), формирователь F4 формирует параллельный 10-разрядный двоичный код.From the former F1, short, stable in frequency and amplitude current pulses are fed into the transmitting distributed sensor winding (Fig. 2, plot b), the negative pulses of this former are used to reset the counter CT2 (Fig. 2, plot 3), the former F2 is used to control comparator K, namely, for locking during the transition process in the input circuit of the receiving path (Fig. 2, plot c), the driver F3 with a negative pulse τ _mouth allows parallel loading of the counter CT2 (Fig. 2, plot I), the former F4 forms a parallel 10-bit binary code.

Преимущество преобразователя заключается в том, что для исключения ложных срабатываний и, следовательно, сбоя в работе преобразователя в схему введен формирователь запирающих импульсов, который устраняет этот недостаток. The advantage of the converter is that in order to eliminate false alarms and, consequently, malfunction of the converter, a blocking pulse former is introduced into the circuit, which eliminates this drawback.

Таким образом, предлагаемая схема позволяет повысить помехоустойчивость (стабильность работы) преобразователя за счет исключения помех, создаваемых питанием датчика. Thus, the proposed circuit allows to increase the noise immunity (stability) of the converter by eliminating the interference caused by the sensor power.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1562700, кл. G 01 В 17/00, 1989.Sources of information
1. Copyright certificate of the USSR 1562700, cl. G 01 B 17/00, 1989.

2. Авторское свидетельство СССР 1742618, кл. G 01 В 17/00, 1992. 2. USSR copyright certificate 1742618, cl. G 01 B 17/00, 1992.

Claims

A linear displacement transducer containing a sound duct made of magnetostrictive material, two dampers installed at the ends of the sound duct, a recording winding evenly distributed along the entire length of the sound duct with a movable permanent magnet mounted on the object being monitored, and a reading winding with a permanent magnet mounted on the sound duct, characterized in that a shaper of excitation pulses is introduced into the converter, the direct output of which through a current stabilizer is connected to the recording winding, Connected to the output of the read winding, an input stage, which is connected in series with the first and second amplifiers, the output of the second amplifier is connected to a comparator, the output of which is connected to the input of the C-trigger, the output of the trigger is connected to the first input of the control circuit, the output of which is connected to the clock input C of the binary counter, the output of the binary counter is connected to the code generator, from the output of which the digital output code is taken, a crystal oscillator, the output of which is connected to the input of the exciter pulse C-driver, and t the third input of the control circuit, the driver of the locking pulses, the direct output of which is connected to the input of the R-comparator, and the inverse output is connected to the input of the R-trigger and the second input of the control circuit, the input of the driver of the locking pulses is connected to the output of the crystal oscillator, the inverse output of the driver of excitation pulses is the pulse shaper is connected to the input of the binary counter.