RU2347187C1

RU2347187C1 - Способ измерения линейных перемещений и устройство для его осуществления

Info

Publication number: RU2347187C1
Application number: RU2007119340/28A
Authority: RU
Inventors: Юли Андреевна Федотова (RU); Юлия Андреевна Федотова; Роберт Юнусович Мукаев (RU); Роберт Юнусович Мукаев
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2009-02-20
Also published as: RU2007119340A

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля перемещения и скорости. Техническим результатом изобретения является повышение точности и помехоустойчивости, а также расширение функциональных возможностей. Предложены способ и устройство для его осуществления. Устройство измерения линейных перемещений содержит устройство управления 1 генератора импульсных сигналов 2, первый усилитель 3, электроакустический преобразователь 4, звукопровод 5, электроакустический приемник 6, первый демпфер 7 и второй демпфер 8, второй усилитель 9, третий усилитель 10, первый узкополосный фильтр 11, второй узкополосный фильтр 12, первый измеритель интервалов времени 13 и второй измеритель интервалов времени 14, вычислитель 15. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля перемещения и скорости.

Известен преобразователь линейных перемещений, содержащий звукопровод, катушку возбуждения, катушку приема с подвижным постоянным магнитом, генератор, два фильтра, два усилителя [А.с. СССР №1252667, кл. G01B 17/00, 1986].

Недостатком преобразователя является ограниченная помехоустойчивость вследствие того, что помехи беспрепятственно проходят на выход.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является магнитострикционный преобразователь перемещений, содержащий звукопровод, выполненный из магнитострикционного материала, на концах которого расположены демпферы, два постоянных магнита, расположенных соответственно в зоне действия катушки записи и катушки считывания, три усилителя, два фильтра, измеритель интервалов времени [Патент РФ №2093789, кл. G01B 17/00, 1997].

Недостатком преобразователя является низкая помехоустойчивость при воздействии импульсных помех.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ измерения перемещений, заключающийся в том, что возбуждают в магнитострикционном звукопроводе электроакустическим преобразователем импульсный сигнал и принимают его электроакустическим приемником, измеряют время распространения ультразвукового импульса от неподвижного электроакустического преобразователя до подвижного акустоэлектрического преобразователя, соединенного с контролируемым объектом, по значению этого времени судят о величине линейного перемещения [А.с. СССР №1252667, кл. G01B 17/00, 1986].

Недостатком способа является ограниченная помехоустойчивость вследствие того, что помехи могут быть приняты за полезный сигнал.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехоустойчивости измерения линейных перемещений, а также расширение функциональных возможностей за счет введения новых элементов в схему.

Сигнал любой формы можно представить в виде суммы спектральных составляющих, полученных из ряда Фурье

(Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2003. - 23 с). В дальнейшем в описании будет использоваться термин компонента частоты f_iдля обозначения составляющей сигнала, проходящей через узкополосный фильтр с полосой пропускания от f_i-Δf до f_i+Δf, где 2Δf - полоса пропускания.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения линейных перемещений возбуждают в магнитострикционном звукопроводе электроакустическим преобразователем импульсный сигнал и принимают его электроакустическим приемником, измеряют время распространения ультразвукового импульса от неподвижного электроакустического преобразователя до подвижного электроакустического приемника, соединенного с контролируемым объектом, по значению этого времени судят о величине линейного перемещения, в отличие от прототипа принимают и усиливают компоненты сигнала на частоте f₁ и на частоте f₂, причем результат измерения определяют по формуле

где

- интервал времени распространения компоненты частоты f₁

k - коэффициент, определяемый по дисперсионной характеристике звукопровода и равный отношению скоростей распространения компонент частот f₁ и f₂,

вычисленное значение (

) принимают за результат измерения только при выполнении условия

где ε - установленная заранее величина погрешности измерения;

- измеренный интервал времени распространения компоненты частоты f₂по магнитострикционному звукопроводу.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем магнитострикционный звукопровод, три усилителя, два фильтра, первый измеритель интервалов времени, первый и второй демпферы, расположенные на концах магнитострикционного звукопровода, в отличие от прототипа введены генератор импульсных сигналов, выход которого соединен с входом первого усилителя, электроакустический преобразователь, неподвижно установленный на магнитострикционном звукопроводе, электроакустический приемник, установленный на звукопроводе с возможностью перемещения, или электроакустический преобразователь, установленный на звукопроводе с возможностью перемещения, электроакустический приемник, неподвижно установленный на магнитострикционном звукопроводе, устройство управления, вычислитель, второй измеритель интервалов времени, при этом первый выход устройства управления соединен с генератором импульсных сигналов, выход которого подключен к первому усилителю, электроакустический преобразователь соединен с выходом первого усилителя, второй выход устройства управления соединен с вычислителем, выход вычислителя соединен с устройством управления, входы второго и третьего усилителей соединены с электроакустическим приемником, вход первого узкополосного фильтра подключен к выходу второго усилителя, вход второго узкополосного фильтра соединен с выходом третьего усилителя, выход первого узкополосного фильтра подключен к второму входу первого измерителя интервалов времени, а выход второго узкополосного фильтра подключен к второму входу второго измерителя интервалов времени, первые входы первого и второго измерителей интервалов времени подключены к генератору импульсных сигналов, причем выходы первого и второго измерителей интервалов времени соединены с входными каналами А и В вычислителя, на канале С которого формируется выходной код.

Кроме того, второй усилитель и первый узкополосного фильтр могут быть объединены и выполнены в виде первого селективного усилителя, и третий усилитель и второй узкополосного фильтр могут быть объединены и выполнены в виде второго селективного усилителя.

Существо устройства поясняется чертежами, на фиг.1 изображена схема устройства измерения линейных перемещений, на фиг.2 и фиг.3 изображен наклонный участок дисперсионной кривой ультразвукового сигнала в магнитострикционном звукопроводе.

Устройство измерения линейных перемещений (фиг.1) содержит устройство 1 управления, первый выход которого соединен с входом генератора 2 импульсных сигналов, выход которого соединен с входом первого усилителя 3, выход которого соединен с электроакустическим преобразователем 4, неподвижно расположенным на магнитострикционном звукопроводе 5, электроакустический приемник 6, расположенный на магнитострикционном звукопроводе 5 и механически соединенный с подвижным объектом. Возможно расположение электроакустического преобразователя 4, механически соединенного с подвижным объектом, на магнитострикционном звукопроводе 5 электроакустического приемника 6, неподвижно расположенного на магнитострикционном звукопроводе 5. Первый демпфер 7 и второй демпфер 8, расположены на противоположных концах магнитострикционного звукопровода 5. Выход электроакустического приемника 6 соединен с входом второго усилителя 9 и с входом третьего усилителя 10. Выход второго усилителя 9 соединен с первым узкополосным фильтром 11 и выход третьего усилителя 10 соединен с вторым узкополосным фильтром 12. Выход генератора 2 импульсных сигналов соединен с первым входом первого измерителя 13 интервалов времени и первым входом второго измерителя 14 интервалов времени. Выход первого узкополосного фильтра 11 соединен с вторым входом первого измерителя 13 интервалов времени. Выход второго узкополосного фильтра 12 соединен с вторым входом второго измерителя 14 интервалов времени. Выход первого измерителя 13 интервалов времени соединен с входным каналом А вычислителя 15, входной канал В которого соединен с выходом второго измерителя 14 интервалов времени. Выход вычислителя 15 подключен к входу устройства 1 управления, второй выход которого соединен с входом вычислителя 15.

Кроме того, выход электроакустического приемника 6 соединен с входом первого селективного усилителя 16 и с входом второго селективного усилителя 17. Выход первого селективного усилителя 16 соединен с вторым входом первого измерителя 13 интервалов времени. Выход второго селективного усилителя 17 соединен с вторым входом второго измерителя 14 интервалов времени.

Устройство 1 управления известно и описано в литературе (Микро- и мини-ЭВМ/ Е.П.Балашов, В.Л.Григорьев, Г.А.Петров: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1984, стр.84). Электроакустический преобразователь 4, преобразующий электрический сигнал в акустическую энергию, например, магнитострикционного типа известен и описан в литературе (Ультразвук. Маленькая энциклопедия/Под ред. Галяминой И.П., 1979, стр.196). Электроакустический приемник 6, преобразующий акустическую энергию в электрический сигнал, например, магнитострикционного типа, известен (Ультразвук. Маленькая энциклопедия/Под ред. Галяминой И.П., 1979, стр.196). Измерители 13 и 14 интервалов времени, известны и описаны в литературе (Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и устройства. Методы проектирования. 2001, стр.197). Вычислитель 15 известен и описан в литературе (Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. - М.: Энергоиздат, 1985, стр.30).

Устройство измерения линейных перемещений работает следующим образом.

На первом выходе устройства 1 управления формируется импульс, который поступает на генератор 2 импульсных сигналов. На втором выходе устройства 1 управления формируется сигнал, который поступает на вход вычислителя 15 и запускает процесс вычисления. С выхода генератора 2 импульсных сигналов импульс поступает одновременно на вход первого усилителя 3, устанавливает первый измеритель 13 интервалов времени и второй измеритель 14 интервалов времени в начальное положение и запускает счет времени. Первый усилитель 3 вырабатывает сигнал, которым возбуждается электроакустический преобразователь 4. Электроакустический преобразователь 4 возбуждает в магнитострикционном звукопроводе 5 ультразвуковой импульс. Ультразвуковой импульс, распространяясь по магнитострикционному звукопроводу 5, достигает электроакустического приемника 6 через интервал времени, пропорциональный линейному перемещению объекта.

t=x/ν,

где х - измеряемое перемещение;

ν - скорость ультразвуковой волны в звукопроводе.

Распространяясь далее по магнитострикционному звукопроводу 5, ультразвуковой импульс достигает первого демпфера 7 и второго демпфера 8, расположенных на противоположных концах магнитострикционного звукопровода 5, и рассеивает на них свою энергию.

Излученный импульсный сигнал содержит определенный спектр частот, который можно определить разложением сигнала в ряд Фурье. Каждая компонента ряда Фурье имеет свою скорость распространения. Реальный магнитострикционный звукопровод 5 имеет дисперсионную характеристику, т.е. зависимость скорости распространения волн от частоты определенного вида (фиг.2) [Ультразвук. Маленькая энциклопедия/ Под ред. Галяминой И.П., 1979, стр.235].

С вывода электроакустического приемника 6 аналоговый сигнал одновременно поступает на вход второго усилителя 9 и на вход третьего усилителя 10. Сигналы с выходов второго усилителя 9 и третьего усилителя 10 поступают на первый узкополосный фильтр 11 и второй узкополосный фильтр 12 соответственно.

Первый узкополосный фильтр 11, настроенный на частоту f₁, выделяет компоненту частоты f₁ на второй вход первого измерителя 13 интервалов времени и останавливает счет времени

, который равен времени распространения компоненты частоты f₁. Второй узкополосный фильтр 12, настроенный на частоту f₂, выделяет компоненту частоты f₂ (фиг.2) на второй вход второго измерителя 14 интервалов времени и останавливает счет времени

, который равен времени распространения компоненты частоты f₂

Кроме того, с вывода электроакустического приемника 6 аналоговый сигнал одновременно поступает на вход первого селективного усилителя 16 и на вход второго селективного усилителя 17 (фиг.4). Первый селективный усилитель 16, настроенный на частоту f₁, усиливает и выделяет компоненту частоты f₁, которая поступает на второй вход первого измерителя 13 интервалов времени и останавливает счет времени

, который равен времени распространения компоненты частоты f₁. Второй селективный усилитель 17, настроенный на частоту f₂, усиливает и выделяет компоненту частоты f₂, которая поступает на второй вход второго измерителя 14 интервалов времени и останавливает счет времени

.

На выходе первого измерителя 13 интервалов времени появляется код N₁, равный времени

а на выходе второго измерителя 14 интервалов времени появляется код N₂ равный времени

. Код с выхода первого измерителя 13 интервалов времени поступает в входной канал А вычислителя 15, в входной канал В которого поступает код с выхода второго измерителя 14 интервалов времени.

Вычислитель 15 выполняет следующие функции.

Сначала вычислитель 15 вычисляет значение времени распространения ультразвукового импульса по формуле

где k - коэффициент, который определяется по дисперсионной характеристике звукопровода и вычисляется по формуле:

где

- скорость распространения компоненты частоты f₁, определяется из графика по фиг.2;

- скорость распространения компоненты частоты f₂, определяется из графика по фиг.2;

- скорость распространяющейся компоненты частоты f₁, которая выделена первым узкополосным фильтром 13;

- скорость распространяющейся компоненты частоты f₂, которая выделена вторым узкополосным фильтром 14.

После чего вычислитель 15 проверяет условие:

где ε - установленная заранее величина погрешности измерения.

Если условие выполняется, тогда в выходном канале С вычислителя 15 формируется код

пропорциональный расстоянию между электроакустическим преобразователем и объектом, перемещение которого измеряется. После окончания вычисления на выходе вычислителя 15 формируется импульс, по которому устройство 1 управления начинает формировать сигналы для нового цикла измерения, и процесс измерения перемещения подвижного объекта повторяется.

Способ осуществляется следующим образом.

В магнитострикционном звукопроводе излучается один импульсный сигнал. Затем принимается импульсный сигнал, из которого выделяется компонента частоты f₁ и компонента частоты f₂. После этого измеряются интервалы времени

и

от момента возбуждения импульсного сигнала до момента выделения каждой компоненты этого импульсного сигнала на частотах f₁ и f₂ соответственно.

Время распространения ультразвукового импульсного сигнала от зоны возбуждения до зоны приема (

), пропорциональное измеряемому перемещению, определяется из формулы:

где

- скорость распространяющейся компоненты частоты f₁;

- скорость распространяющейся компоненты частоты f₂.

Компонента частоты f₁±Δf распространяется со скоростью υ₁±Δυ (фиг.3).

Вычисленное значение (

) принимается за результат измерения, если выполняется условие:

Благодаря такой последовательности операций измерения и вычисления предлагаемый способ позволяет значительно повысить помехоустойчивость за счет выделения компонент на разных частотах.

Описанная совокупность существенных признаков в известной литературе для решения поставленной задачи не встречается.

Основные доводы, доказывающие, что отношение

/

не зависит от температуры, заключаются в том, что плотность материала звукопровода и модуль Юнга материала звукопровода на частотах f₁ и f₂ изменяются пренебрежимо мало, но от температуры, например, модуль Юнга изменяется значительно. Для никеля температурный коэффициент модуля Юнга больше

[Ультразвук. Маленькая энциклопедия/ Под ред. Голяминой И.П., 1979, стр.191].

Таким образом, достоинством данного устройства является повышение помехоустойчивости за счет использования кварцевых узкополосных фильтров, при этом уменьшается вероятность прохождения импульсных помех через узкополосный фильтр.

Claims

1. Способ измерения линейных перемещений, заключающийся в том, что возбуждают в магнитострикционном звукопроводе электроакустическим преобразователем импульсный сигнал и принимают его электроакустическим приемником, измеряют время распространения ультразвукового импульса от неподвижного электроакустического преобразователя до подвижного электроакустического приемника, соединенного с контролируемым объектом, по значению этого времени судят о величине линейного перемещения, отличающийся тем, что принимают и усиливают компоненты сигнала на частоте f₁ и на частоте f₂, причем результат измерения определяют по формуле

где

- интервал времени распространения компоненты частоты f₁;
k - коэффициент, определяемый по дисперсионной характеристике звукопровода и равный отношению скоростей распространения компонент частот f₁ и f₂,
вычисленное значение(

где ε - установленная заранее погрешность измерения;

- интервал времени распространения компоненты частоты f₂ по магнитострикционному звукопроводу.

2. Устройство измерения линейных перемещений, включающее магнитострикционный звукопровод, три усилителя, два фильтра, первый измеритель интервалов времени, первый и второй демпферы, расположенные на концах магнитострикционного звукопровода, отличающееся тем, что в него введены генератор импульсных сигналов, выход которого соединен с входом первого усилителя, электроакустический преобразователь, неподвижно установленный на магнитострикционном звукопроводе, электроакустический приемник, установленный на звукопроводе с возможностью перемещения, или электроакустический преобразователь, установленный на звукопроводе с возможностью перемещения, электроакустический приемник, неподвижно установленный на магнитострикционном звукопроводе, устройство управления, вычислитель, второй измеритель интервалов времени, при этом первый выход устройства управления соединен с генератором импульсных сигналов, выход которого подключен к первому усилителю, электроакустический преобразователь соединен с входом первого усилителя, второй выход устройства управления соединен с вычислителем, выход вычислителя соединен с устройством управления, входы второго и третьего усилителей соединены с электроакустическим приемником, вход первого узкополосного фильтра подключен к выходу второго усилителя, вход второго узкополосного фильтра соединен с выходом третьего усилителя, выход первого узкополосного фильтра подключен к второму входу первого измерителя интервалов времени, а выход второго узкополосного фильтра подключен к второму входу второго измерителя интервалов времени, первые входы первого и второго измерителей интервалов времени подключены к генератору импульсных сигналов, причем выходы первого и второго измерителей интервалов времени соединены с входными каналами А и В вычислителя, на канале С которого формируется выходной код.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что второй усилитель и первый узкополосный фильтр выполнены в виде первого селективного усилителя, и третий усилитель и второй узкополосный фильтр выполнены в виде второго селективного усилителя.