RU2318186C2

RU2318186C2 - Ultrasound transformer of linear movements

Info

Publication number: RU2318186C2
Application number: RU2005109718/28A
Authority: RU
Inventors: Станислав Борисович Демин (RU); Станислав Борисович Демин
Original assignee: ГОУ ВПО Пензенская государственная технологическая академия
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2008-02-27
Also published as: RU2005109718A

Abstract

FIELD: automated technical systems, possible use as positional check connection element and autonomous measuring device.

SUBSTANCE: transformer contains two rectilinear coaxially mounted sound conductors of different diameters, acoustic absorber, reflective load, circular constant magnet, movement limiters, electro-acoustic transformers, record amplifier, two reading amplifiers, impulse generator, two logical AND elements, circuit for extracting movement intervals, digital device for measuring temporal intervals, input buses for management and launching, and output buses for result and synchronization.

EFFECT: increased precision and increased reliability of measuring transformation of movement to code.

2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для высокоточных измерений перемещений и линейных размеров объектов в автоматизированных технических системах, а также в качестве автономного измерительного средства.The invention relates to measuring equipment and is intended for high-precision measurements of displacements and linear dimensions of objects in automated technical systems, as well as an autonomous measuring tool.

Известен ультразвуковой преобразователь линейных перемещений [1], содержащий прямолинейный звукопровод из магнитострикционного материала со стабилизатором нагружения, акустическим поглотителем и ограничителями перемещений, волновой магнитострикционный генератор, подвижный элемент считывания, усилитель импульсов, триггер, логический элемент И, умножитель частоты, по два счетчика импульсов и регистра, формирователь импульсов и элемент задержки.Known ultrasonic transducer of linear displacements [1], containing a rectilinear sound duct made of magnetostrictive material with a load stabilizer, an acoustic absorber and limiters, a wave magnetostrictive generator, a movable read element, a pulse amplifier, a trigger, a logic element And, a frequency multiplier, two pulse counters and register, pulse shaper and delay element.

Известен другой ультразвуковой преобразователь линейных перемещений [2], выбранный в качестве прототипа. Устройство содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из прямолинейного звукопровода, катушки возбуждения, двух катушек считывания с магнитами, генератор электрических колебаний, опорный канал в виде последовательно соединенных фильтра и усилителя, блока вычитания и преобразователя "время-напряжение", и рабочий канал из последовательно соединенных управляемого фильтра и второго усилителя, измерителя временных интервалов.Known for another ultrasonic transducer of linear displacements [2], selected as a prototype. The device comprises a primary magnetostrictive displacement transducer, consisting of a rectilinear sound duct, an excitation coil, two read coils with magnets, an electric oscillation generator, a reference channel in the form of a filter and amplifier connected in series, a subtraction unit and a time-voltage converter, and a working channel from series connected by a managed filter and a second amplifier, a time interval meter.

Известные устройства обладают недостаточными точностью и надежностью вследствие применения относительно сложных электрических цепей, которые вносят дополнительные составляющие погрешности, снижают надежность и не обеспечивают требуемой разрешающей способности. Это ограничивает область применения данных устройств.Known devices have insufficient accuracy and reliability due to the use of relatively complex electrical circuits, which introduce additional error components, reduce reliability and do not provide the required resolution. This limits the scope of these devices.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности и надежности измерительного преобразования перемещения в код.The technical result of the invention is to improve the accuracy and reliability of the measuring conversion of displacement to code.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковой преобразователь линейных перемещений, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь перемещений, состоящий из прямолинейного звукопровода одного диаметра с закрепленным на одном из его концов акустическим поглотителем и электроакустическим преобразователем, подсоединенный к усилителю считывания, другой усилитель считывания подключен к второму электроакустическому преобразователю, постоянного магнита, усилителя записи, формирователь импульсов, соединенный с входом усилителя записи и подключенный к шине запуска, и цифровой измеритель временных интервалов, соосно с первым звукопроводом установлен второй прямолинейный звукопровод отличного диаметра из однотипного магнитострикционного материала, гальванически соединенные между собой и подсоединенные к усилителю записи, на этой же стороне закреплены акустический поглотитель и второй электроакустический преобразователь, на противоположных концах звукопроводов закреплена отражающая нагрузка, между ними установлен кольцевой постоянный магнит с возможностью перемещаться между ограничителями перемещений и кинематически связанный с объектом, выходы усилителей считывания через одноименные логические элементы И подключены к входам синхронизации схемы выделения интервалов перемещений, один ее выход подсоединен с входом синхронизации цифрового измерителя линейных перемещений, другой со входами управления логических элементов И, а третий подключен к шине синхронизации, сигнальный вход формирователя импульсов подключен к шине запуска, управляющий вход соединен с нулевым входом схемы выделения интервалов перемещений и подключен к шине управления, один его выход подсоединен со входом усилителя записи, а другой соединен с единичным входом схемы выделения интервалов перемещений и соединен с нулевым входом цифрового измерителя временных интервалов, подключенный к выходным шинам результата.This goal is achieved by the fact that in an ultrasonic transducer of linear displacements containing a primary magnetostrictive transducer of displacements, consisting of a rectilinear sound duct of one diameter with an acoustic absorber and an electro-acoustic transducer fixed at one of its ends, connected to a reading amplifier, another reading amplifier is connected to the second electro-acoustic transducer , permanent magnet, recording amplifier, pulse shaper connected to input a recording amplifier house connected to the start bus, and a digital time interval meter, coaxially with the first sound pipe, a second rectilinear sound pipe of excellent diameter made of the same magnetostrictive material is installed, galvanically connected to each other and connected to the recording amplifier, an acoustic absorber and a second electro-acoustic are fixed on the same side transducer, at the opposite ends of the sound ducts a reflective load is fixed, an annular permanent magnet is installed between them with the ability to move between movement limiters and kinematically connected with the object, the outputs of the reading amplifiers through the same logical elements AND are connected to the synchronization inputs of the allocation circuit for the intervals of movement, one of its outputs is connected to the synchronization input of a digital linear displacement meter, the other with the control inputs of the logical elements And, and the third is connected to the synchronization bus, the signal input of the pulse shaper is connected to the start bus, the control input is connected to the zero input ohm of the scheme for allocating intervals of movements and is connected to the control bus, one of its outputs is connected to the input of the recording amplifier, and the other is connected to a single input of the scheme for allocating intervals of movements and is connected to the zero input of a digital time interval meter connected to the output buses of the result.

Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показана блок-схема ультразвукового преобразователя линейных перемещений; на фиг.2 приведены основные временные диаграммы его работы.The device is illustrated by drawings. Figure 1 shows a block diagram of an ultrasonic transducer of linear displacements; figure 2 shows the main timing diagrams of his work.

Ультразвуковой преобразователь линейных перемещений (фиг.1) содержит первичный магнитострикционный преобразователь перемещений (МПП), содержащий соосно закрепленные прямолинейные звукопроводы 1, 2 из однотипного магнитострикционного материала, акустический поглотитель 3, отражающую нагрузку 4, кольцевой постоянный магнит 5, по два ограничителя 6 перемещений и сигнальных электроакустических преобразователя (ЭАП) 7, 8, усилитель 9 записи, два усилителя 10, 11 считывания, а также формирователь 12 импульсов, два логических элемента И 13, 14, схему 15 выделения интервалов перемещений (СВИП), цифровой измеритель 16 временных интервалов (ЦИВИ), входные шины 17, 18 управления и запуска, и выходные шины 19, 20 результата и синхронизации.The ultrasonic transducer of linear displacements (Fig. 1) contains a primary magnetostrictive transducer of displacements (MPP), containing coaxially fixed rectilinear sound ducts 1, 2 of the same magnetostrictive material, an acoustic absorber 3, reflecting the load 4, an annular permanent magnet 5, two limiters 6 of displacements and signal electro-acoustic transducer (EAP) 7, 8, recording amplifier 9, two reading amplifiers 10, 11, as well as a pulse shaper 12, two logical elements And 13, 14, 15 v circuit allocation of intervals of movement (SWIP), a digital meter 16 time intervals (CIVI), the input bus 17, 18 control and start, and the output bus 19, 20 result and synchronization.

Одни концы звукопроводов 1 и 2 заключены в акустический поглотитель 3 и подключены к выходу усилителя 9 записи. С этой же стороны, вблизи поглотителя 3, на звукопроводах 1 и 2 МПП жестко закреплены электроакустические преобразователи 7 и 8, которые через одноименные усилители 10, 11 считывания, логические элементы И 13, 14 подсоединены к входам синхронизации СВИП 15. Отражающая нагрузка 4 закреплена на других концах звукопроводов 1 и 2. Соосно с ними закреплен кольцевой постоянный магнит 5 с возможностью продольного перемещения между ограничителями 6 перемещений. Магнит 5 имеет кинематическое соединение с контролируемым объектом. Один выход формирователя 12 импульсов соединен с входом усилителя 9 записи, а другой - с единичными входам СВИП 15 и нулевым входом ЦИВИ 16. Его сигнальный вход подключен к шине 18 запуска, а управляющий соединен с нулевым входом СВИП 15 и подключен к шине 17 управления. Один выход СВИП 15 соединен с входом синхронизации ЦИВИ 16, разрядные выходы которого подключены к шинам 19 результата. Другой его выход соединен с управляющими входами логических элементов И 13 и 14, а третий выход подключен к шине 20 синхронизации.Some ends of the sound ducts 1 and 2 are enclosed in an acoustic absorber 3 and connected to the output of the recording amplifier 9. On the same side, near the absorber 3, on the sound ducts 1 and 2 of the MPP, electroacoustic transducers 7 and 8 are rigidly fixed, which are connected via the amplifiers 10, 11 of reading, logic elements I 13, 14 to the synchronization inputs of the SVIP 15. The reflecting load 4 is fixed to the other ends of the sound ducts 1 and 2. An annular permanent magnet 5 is fixed coaxially with them with the possibility of longitudinal movement between the limiters 6 movements. Magnet 5 has a kinematic connection with a controlled object. One output of the pulse shaper 12 is connected to the input of the recording amplifier 9, and the other is connected to the single inputs of the SWITCH 15 and the ZIVI 16 zero input. Its signal input is connected to the start bus 18, and the control input is connected to the zero input of the SWIP 15 and connected to the control bus 17. One output of the SVIP 15 is connected to the synchronization input of the TsIVI 16, the bit outputs of which are connected to the result buses 19. Its other output is connected to the control inputs of the logic elements And 13 and 14, and the third output is connected to the synchronization bus 20.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Первоначально преобразователь (фиг.1) находится в заблокированном состоянии и по шине 20 выставлен сигнал "Запрос" и его перевод в режим ожидания осуществляется по сигналу "Управление", подаваемому по шине 17 управления (фиг.2а). Осуществляется разблокирование формирователя 12 импульсов и триггеров СВИП 15 (на фиг.1 не показано). С этого момента через шину 18 запуска на сигнальный вход формирователя 12 импульсов подаются импульсные сигналы "Запуск" (фиг.2б), следующие с периодом T_опр. По этим сигналам формирователь 12 импульсов вырабатывает импульсные сигналы для обнуления счетной схемы ЦИВИ 16 (на фиг.1 не показано), установки в единичное состояние СВИП 15 и возбуждения усилителя 9 записи. Установка СВИП 15 в единичное состояние сопровождается снятием сигнала "Запрос" по шине 20 синхронизации и разблокированием логических элементов И 13 и 14 (фиг.2б,д,е).Initially, the converter (FIG. 1) is in a blocked state and the “Request” signal is set on the bus 20 and it is put into standby mode by the “Control” signal supplied via the control bus 17 (FIG. 2a). The shaper 12 of the pulses and the triggers of the SVIP 15 are unlocked (not shown in FIG. 1). From this moment through the start bus 18 to the signal input of the pulse shaper 12 pulse signals "Start" (Fig.2b), followed by a period of T _opr . Based on these signals, the pulse shaper 12 generates pulse signals for zeroing the counting circuit of the TsIVI 16 (not shown in Fig. 1), setting the SWIP 15 to a single state, and exciting the recording amplifier 9. The installation of the SWIP 15 in a single state is accompanied by the removal of the signal "Request" on the bus 20 synchronization and the unlocking of the logical elements And 13 and 14 (figb, d, e).

На выходе усилителя 9 записи вырабатываются токовые сигналы, проходят в среду смежных звукопроводов 1, 2 МПП и под магнитом 5, расположенным на искомом расстоянии L_х от отражающей нагрузки 4, возбуждают ультразвуковые импульсы (эф. Видемана). Распространяясь по звукопроводам 1, 2 со скоростью V_кр волны кручения, они испытывают переотражение, считываются сигнальными ЭАП 7, 8 (эф. Виллари), преобразуются усилителями 10, 11 считывания в прямоугольные видеоимпульсы, проходят через открытые логические элементы И 13, 14 и переключают триггеры СВИП 15 (фиг.2в-ж), формируя разностные временные интервалы Т1 и Т2 перемещения L_х объекта. Их размерность находится в прямой зависимости от геометрии продольных волноведущих трактов МПП:At the output of the recording amplifier 9, current signals are generated, pass into the environment of adjacent sound ducts 1, 2 MPP, and under the magnet 5, located at the desired distance L _x from the reflecting load 4, ultrasonic pulses are excited (eff. Wiedemann). Propagating along sound ducts 1, 2 with a speed of V _{cr of a} torsion wave, they undergo re-reflection, are read out by signal EAPs 7, 8 (eff. Villari), are converted by reading amplifiers 10, 11 into rectangular video pulses, pass through open logic gates And 13, 14 and switch SWIP triggers 15 (figv-g), forming the difference time intervals T1 and T2 of the movement of L _x object. Their dimension is directly dependent on the geometry of the longitudinal waveguiding paths of the MPP:

где L_х.1=2·L_х - акустический путь волны через среду первого звукопровода 1;

- спиралевидный акустический путь волны через среду второго звукопровода 2 с большим, чем у первого звукопровода 1, радиусом R витка l_в=2πR·ctgα с углом закручивания α.where L _x.1 = 2 · L _x is the acoustic path of the wave through the medium of the first sound duct 1;

- helical path acoustic wave through a medium with a second acoustic conductor 2 larger than that of the first acoustic conductor 1, the coil radius R l _in = 2πR · ctgα twist angle α.

В следующий момент на информационном выходе СВИП 15 по сигналам (1) производится формирование результирующего временного интервала Т_х искомого перемещения L_х объекта (фиг.2з):At the next moment, at the information output of the SVIP 15 by signals (1), the resulting time interval T _{x of the} desired displacement L _{x of the} object is formed (Fig.2z):

который ЦИВИ 16 преобразуется в цифровой код N_x=Т_х·f_o, где f_o- частота дискретизации измерительного преобразования, требуемого двоичного формата (фиг.2ж), который в следующий момент времени выставляется по шинам 19 результата, формируя сигнал "Перемещение".Tsivi 16 which is converted to a digital code N _x = _x T · f _o, where f _o - measuring conversion of the sampling frequency, the desired binary format (2g), which is the next time is set at 19, the result buses forming a signal "Moving" .

По фронту сигнала временного интервала Т2>Т1 (момент считывания отраженного импульса звукопровода 2 - фиг.2г,е), фиксирующего окончание текущего цикла преобразования, на одном из выходов СВИП 15 вырабатывается блокирующий работу логических элементов И 13, 14 сигнал (фиг.2.и), запрещая с этого момента доступ к измерительному каналу преобразователя. Одновременно по шине 20 синхронизации СВИП 15 выставляется сигнал "Запрос", информируя пользователя о готовности к очередному циклу преобразования (фиг.2.б,к).On the front of the signal of the time interval T2> T1 (the moment of reading the reflected pulse of the sound duct 2 - Fig.2d, f), fixing the end of the current conversion cycle, blocking the operation of the logical elements And 13, 14 signal is generated at one of the outputs of the SWIP 15 (Fig.2. i), forbidding from now on access to the measuring channel of the converter. At the same time, the “Request” signal is set on the synchronization bus 20 of the SVIP 15, informing the user about the readiness for the next conversion cycle (Fig.2.b, k).

В акустическом тракте МПП падающие и отраженные ультразвуковые импульсы в соответствующие моменты времени достигают акустический поглотитель 3 и рассеивают свою энергию, обеспечивая, тем самым, требуемый уровень акустических шумов в измерительном канале. Применение здесь отражающей нагрузки 4 позволяет без повышения частоты f_o дискретизации ЦИВИ 16 в 2 раза увеличить разрешающую способность (2) преобразователя.In the acoustic path of the MPP, incident and reflected ultrasonic pulses at the corresponding time reaches the acoustic absorber 3 and dissipate their energy, thereby providing the required level of acoustic noise in the measuring channel. The use of reflective load 4 here allows, without increasing the sampling frequency f _o DSCI 16, to double the resolution (2) of the converter.

Таким образом, применение метода параллельно-разностных структур позволяет исключить из результирующего преобразования (2) составляющую температурной погрешности измерения и существенно упростить структуру измерительного канала преобразователя. Это способствует повышению его точности и надежности, расширяет область технического использования, ведет к снижению себестоимости вследствие отказа от использования в акустическом тракте МПП дорогостоящих прецизионных магнитострикционных ферросплавов и, в целом, отличает от выбранного прототипа, обеспечивая достижение положительного эффекта.Thus, the use of the method of parallel-difference structures allows us to exclude the component of the temperature error of measurement from the resulting transformation (2) and significantly simplify the structure of the measuring channel of the converter. This helps to increase its accuracy and reliability, expands the field of technical use, leads to lower costs due to the refusal to use expensive precision magnetostrictive ferroalloys in the MPP acoustic path and, in general, distinguishes it from the selected prototype, ensuring a positive effect.

Практическая реализация устройства: звукопроводы 1, 2 - проволочные из ферросплава 49КФ2, звукопровод 2 конструктивно выполнен в виде спирали с радиусом R=10 мм; магнит 5 - феррит ЮНДК25Б; ЭАП 7, 8 - пьезокерамические; усилитель записи 9 - КТ972, КД503, RC-элементы; усилители 10, 11 - К548УН1, КТ3102, КД503, RC-элементы; формирователь 12 - 555ЛАЗ, RC-элементы; элементы 13, 14 - 555ЛИ1; СВИП 15 выполнена на 4 триггерах 555ТМ2, три из которых включены по схеме счетного триггера, элементе неравнозначности 555ЛП5 и логическом элементе И 555ЛИ1; ЦИВИ 16 содержит измерительный генератор на 531ГГ1 с RC-элементами и двоичный счетчик 531ИЕ16.Practical implementation of the device: sound ducts 1, 2 - wire made of 49KF2 ferroalloy, sound duct 2 is structurally made in the form of a spiral with a radius of R = 10 mm; magnet 5 - ferrite UNDK25B; EAP 7, 8 - piezoceramic; recording amplifier 9 - KT972, KD503, RC elements; amplifiers 10, 11 - K548UN1, KT3102, KD503, RC elements; shaper 12 - 555LAZ, RC elements; elements 13, 14 - 555LI1; SVIP 15 is executed on 4 555TM2 triggers, three of which are included according to the counting trigger scheme, the 555ЛП5 disambiguation element and the I 555L1 logical element; TsIVI 16 contains a measuring generator at 531GG1 with RC elements and a binary counter 531IE16.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявкиSources of information taken into account when preparing the application

1. А.с. №1552002 (СССР), G01B 17/00. БИ №11, 1990.1. A.S. No. 1552002 (USSR), G01B 17/00. BI No. 11, 1990.

2. А.с. №1252667 (СССР), G01B 17/00. БИ №31, 1986, прототип.2. A.S. No. 1252667 (USSR), G01B 17/00. BI No. 31, 1986, prototype.

Claims

An ultrasonic linear displacement transducer containing a primary magnetostrictive displacement transducer, consisting of a rectilinear sound duct of one diameter with an acoustic absorber and an electroacoustic transducer fixed to one of its ends, connected to a readout amplifier, another readout amplifier is connected to a second electroacoustic converter, a permanent magnet, a recording amplifier, a pulse shaper connected to the input of the recording amplifier and connected to f start-up, and a digital time interval meter, characterized in that coaxially with the first sound duct, a second rectilinear sound duct of an excellent diameter of the same magnetostrictive material is installed, galvanically connected to each other and connected to a recording amplifier, an acoustic absorber and a second electro-acoustic transducer are fixed on the same side, a reflective load is fixed at the opposite ends of the sound ducts, an annular permanent magnet is installed between them with the possibility of located between the movement limiters and kinematically connected with the object, the outputs of the reading amplifiers through the same logical elements AND are connected to the synchronization inputs of the circuit for separating the intervals of movement, one of its outputs is connected to the synchronization input of a digital linear displacement meter, the other is connected to the control inputs of the logical elements AND, and the third is connected to the synchronization bus, the signal input of the pulse shaper is connected to the trigger bus, the control input is connected to the zero input of the allocation circuit of movement intervals and is connected to the control bus, one of its outputs is connected to the input of the recording amplifier, and the other is connected to a single input of the circuit for allocation of movement intervals and connected to the zero input of a digital time interval meter connected to the output buses of the result.