RU2391626C1 - Способ измерения линейного перемещения и устройство для его реализации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах измерения линейного перемещения. Техническим результатом является повышение точности измерения линейного перемещения за счет коррекции составляющей погрешности, вызванной аппаратной задержкой. Предложены способ и устройство для его реализации. Устройство содержит магнитострикционный преобразователь 1, звукопровод из магнитострикционного материала 2, возбуждающий электроакустический преобразователь (ЭАП) 3, неподвижно расположенный относительно звукопровода приемный ЭАП 4, жестко соединенный с подвижным концом упругого элемента 5, имеющего контакт с объектом контроля, акустические демпферы 6 и 7, расположенные на концах звукопровода, электродвигатель 8, датчики малых линейных перемещений 9 и 10, а так же контроллер 11. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах измерения линейного перемещения.

Известен способ измерения линейного перемещения (патент RU №2125235, МКИ G01B 17/00, 1999 г.), заключающийся в том, что при измерении линейных перемещений измеряют время распространения ультразвуковой волны от неподвижного элемента возбуждения ультразвуковой волны до подвижного элемента приема ультразвуковой волны, соединенного с контролируемым объектом, и по значению этого времени судят о величине линейного перемещения объекта, перед измерением времени распространения ультразвуковой волны устанавливают подвижный элемент приема на самое близкое расстояние к неподвижному элементу возбуждения и измеряют длительность образцового импульса ультразвуковой волны, а после перемещения подвижного элемента приема вместе с контролируемым объектом на измеряемое расстояние перед каждым измерением времени распространения ультразвуковой волны измеряют длительность рабочего импульса ультразвуковой волны, вычитают ее из длительности образцового импульса и по значению полученной разности определяют величину тока подвижного элемента возбуждения. Кроме того, перед каждым циклом измерения в приемной части устанавливают пороговое напряжение, в k раз большее напряжения шума, где k - коэффициент, определяемый требованиями к помехоустойчивости, а время распространения ультразвуковой волны от зоны возбуждения до зоны приема t_x, пропорциональное измеряемому перемещению, определяют из выражения

,

где t'_i и t''_i - моменты срабатывания порогового устройства приемной части при приеме импульсов ультразвуковой волны соответственно передним и задним фронтам этих импульсов;

n - число импульсов ультразвуковой волны, определяемое требованиями к точности и быстродействию.

Недостатком данного способа является невысокая точность из-за наличия в результате преобразования погрешности, обусловленной временной аппаратной задержкой, вызванной, например, изменением от температуры параметров элемента приема ультразвуковой волны. Например, если элементом приема ультразвуковой волны является индуктивная катушка, то изменяются индуктивность и сопротивление.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ, реализуемый в устройстве магнитострикционного преобразователя линейных перемещений (авт.св. СССР №634494, МКИ⁴ H04R 17/00, 1978 г.), в котором информацией о перемещении служит отношение частоты циркуляции упругих колебаний в опорном канале к частоте циркуляции упругих колебаний в рабочем канале, и, таким образом, выходная величина не зависит от скорости распространения упругих колебаний в звукопроводе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является ультразвуковой преобразователь перемещений (авт. св. СССР №1742618, МКИ⁵ G01B 17/00, 1992 г.), содержащий линейный магнитострикционный волновод, первый и второй акустический демпферы, генератор тока возбуждения, входной электроакустический преобразователь, выходной электроакустический преобразователь и одновибратор.

Недостатком прототипа является невысокая точность из-за наличия составляющей погрешности, вызываемой временной аппаратной задержкой в приемном устройстве.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения линейного перемещения за счет коррекции составляющей погрешности, вызванной аппаратной задержкой.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе измерения линейного перемещения возбуждают ультразвуковые колебания в звукопроводе магнитострикционного преобразователя в отличие от прототипа проводят калибровку, включающую перемещение подвижного приемного электроакустического преобразователя, соединенного с подвижным концом упругого элемента, на первое известное расстояние l₁ между подвижным приемным и неподвижным возбуждающим электроакустическими преобразователями, возбуждение первой ультразвуковой волны, которую принимают приемным электроакустическим преобразователем, определение первого интервала времени t₁, за которое ультразвуковая волна проходит первое известное расстояние, и занесение первого кода, пропорционального первому интервалу времени, в память контроллера, перемещение приемного электроакустического преобразователя, соединенного с подвижным концом упругого элемента, на второе известное расстояние l₂ между подвижным приемным и неподвижным возбуждающим электроакустическими преобразователями, возбуждение второй ультразвуковой волны, которую принимают приемным электроакустическим преобразователем, определение второго интервала времени t₂, за которое волна проходит второе известное расстояние, и занесение второго кода, пропорционального второму интервалу времени, в память контроллера, далее проводят измерение, в котором приемный электроакустический преобразователь, соединенный с подвижным концом упругого элемента, входит в механический контакт с контролируемым объектом и занимает определенное положение по отношению к неподвижному возбуждающему электроакустическому преобразователю, электроакустическим преобразователем возбуждают третью ультразвуковую волну, которую принимают приемным электроакустическим преобразователем, определяют третий интервал времени t₃, за которое волна достигает приемного электроакустического преобразователя, заносят третий код, пропорциональный третьему интервалу времени, в память контроллера, затем рассчитывают скорость звуковой волны и аппаратную задержку по формулам:

;

,

где V - скорость ультразвуковой волны,

l₁ и l₂ - расстояния, на которые выходной приемный электроакустический преобразователь перемещается в режиме калибровки,

t₁ и t₂ - интервалы времени, за которые ультразвуковая волна проходит расстояния l₁ и l₂,

t₄ - аппаратная временная задержка,

и занесенных в память кодах, пропорциональных значениям l₁, l₂, t₁, t₂, а также расстояние x, на которое переместился контролируемый объект, по формуле

.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что в устройство для измрения линейного перемещения, состоящее из линейного магнитострикционного волновода, первого и второго акустического демпферов, входного электроакустического преобразователя, выходного электроакустического преобразователя в отличие от прототипа введены упругий элемент, который может быть реализован, например, на основе пружины, подвижный конец которого соединен с выходным электроакустическим преобразователем и имеет механический контакт с объектом контроля, соединенный с концами двух коаксиальных трубок различного диаметра, причем внутренний диаметр наружной трубки больше внешнего диаметра внутренней трубки, с обеспечением гарантированного воздушного зазора, при этом один конец внутренней трубки соединен с одним концом упругого элемента, а другой конец трубки неподвижно закреплен относительно звукопровода, а второй конец упругого элемента соединен с концом наружной трубки, обращенным к объекту контроля и контактирующего с ним, при этом коаксиальные трубки расположены параллельно звукопроводу, и перед началом режима калибровки или измерения упругий элемент расположен так, что его подвижный конец контактирует с объектом контроля, на подвижном конце упругого элемента расположен Г-образный выступ, который позволяет датчикам малых линейных перемещений регистрировать достижение подвижным концом упругого элемента и приемным электроакустическим преобразователем первого и второго известного расстояний, и выходной электроакустический преобразователь, два датчика малых линейных перемещений, закрепленных на первом и втором известных расстояниях, электродвигатель, перемещающий подвижный конец упругого элемента, контроллер, связанный с электродвигателем, входным электроакустическим преобразователем, выходным электроакустическим преобразователем, с датчиками малых линейных перемещений.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На чертеже изображена схема устройства. (Подвод питания элементов на чертеже условно не показан.)

Устройство для реализации способа содержит магнитострикционный преобразователь 1, звукопровод 2 (волновод) [Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. редактор И.П.Голямина. - М.: «Советская энциклопедия», 1979 г. - 400 с., с 44] из магнитострикционного материала, входной (возбуждающий) электроакустический преобразователь (ЭАП) 3, неподвижно расположенный относительно звукопровода, выходной (приемный) ЭАП 4, жестко соединенный с подвижным концом упругого элемента 5, акустические демпферы 6 и 7, расположенные на концах звукопровода, упругий элемент 5, имеющий контакт с объектом контроля, электродвигатель 8, датчики малых линейных перемещений 9 и 10, а также контроллер 11.

Устройство работает следующим образом. Перед циклом измерений производят калибровку. Для этого подвижный конец упругого элемента и закрепленный на нем выходной ЭАП 4 перемещаются с электродвигателем 8 на первое известное расстояние.

Один подвижный конец упругого элемента с выходной ЭАП 4 перемещается параллельно звукопроводу 2. Достижение подвижным концом упругого элемента первого известного расстояния регистрирует первый датчик малых линейных перемещений 9, закрепленный на уровне первого известного расстояния l₁. При достижении подвижным концом упругого элемента первого известного расстояния l₁ срабатывает датчик малых линейных перемещений 9, контроллер 11, получив сигнал с датчика малых линейных перемещений 9, подает сигнал на останов электродвигателя 8, что приводит к останову и подвижного конца упругого элемента 5. Таким образом, выходной ЭАП 4 перемещается на первое известное расстояние l₁. Затем с контроллера 11 во входной ЭАП 3 поступает импульс напряжения, что вызывает появление ультразвуковой волны. Через интервал времени t₁ ультразвуковая волна достигает выходного ЭАП 4. Интервал времени t₁ определяется измерителем временных интервалов, реализованным на основе контроллера 11, преобразуется в код, который заносится в память контроллера 11.

Затем аналогичным образом выходной ЭАП 4 перемещается на второе известное расстояние l₂. Интервал времени t₂, за который ультразвуковая волна достигает выходного ЭАП 4, также преобразуется в код, который заносится в память контроллера 11.

Затем контроллер производит вычисления и определяет величины скорости распространения ультразвуковой волны и аппаратной временной задержки из системы уравнений

где l₁ и l₂ - расстояния, на которые выходной ЭАП перемещается в режиме калибровки,

V - скорость ультразвуковой волны,

t₄ - аппаратная временная задержка, обусловленная, например, изменением индуктивности и сопротивления.

И соответственно величине скорость распространения ультразвуковой волны V и аппаратная временная задержка t₄ определяются из системы уравнений (1)

Контроллер осуществляет вычислительные операции по формулам (2) и (3) и заносит в свою память коды, пропорциональные скорости распространения ультразвуковой волны V и аппаратной задержки t₄.

В режиме измерения под воздействием упругого элемента 5 происходит механический контакт выходного ЭАП 4 с объектом контроля, и выходной ЭАП 4 перемещается на измеряемое расстояние. Во входной ЭАП 3 с контроллера 11 поступает импульс напряжения, приводящий к появлению ультразвуковой волны. Через интервал времени t₃ ультразвуковая волна, пройдя измеряемое расстояние, достигает выходного ЭАП 4. Этот интервал времени преобразуется в код. Контроллер 11, основываясь на занесенных ранее в память кодах, пропорциональных скорости распространения ультразвуковой волны V и аппаратной задержки t₄, производит расчет измеряемого расстояния по формуле:

Пример конкретной реализации способа

На основе данного способа были произведены измерения на модели, диапазон измерения которой равен 500 мм.

Перед циклом измерений производится калибровка. Для этого подвижный конец упругого элемента и закрепленный на нем выходной ЭАП перемещается управляемым электродвигателем [Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики: Учебник для ВУЗов. - Л.: Энергоатомиздат., Ленингр. отделение, 1985-368 с., с 282] на первое известное расстояние l₁, равное, например, 100 мм.

Один подвижный конец упругого элемента с приемным ЭАП 4 перемещается параллельно звукопроводу 2. Достижение подвижным концом упругого элемента 5 первого известного расстояния регистрирует первый датчик малых линейных перемещений 9, например с цифровым выходом, закрепленный на уровне первого известного расстояния l₁. При достижении первого известного расстояния l₁ подвижным концом упругого элемента 5 срабатывает датчик малых линейных перемещений 9. Контроллер 11 [Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. - M.: ИП Радиософт, 2002, 176 с.], получив сигнал с датчика малых линейных перемещений 9, подает сигнал на останов электродвигателя 8, что приводит к останову и подвижного конца упругого элемента 5. Таким образом, выходной ЭАП 4 перемещается на первое известное расстояние l₁, равное, например, 100 мм. Затем с контроллера 11 во входной ЭАП 3 поступает импульс напряжения, что вызывает появление ультразвуковой волны. Через интервал времени t₁ ультразвуковая волна достигает выходного ЭАП 4. Интервал времени t₁ определяется измерителем временных интервалов, реализованным на основе контроллера 11, преобразуется в код, который заносится в память контроллера. В результате интервал времени t₁ оказался равен 21 мкс.

Затем аналогичным образом выходной ЭАП 4 перемещается на второе известное расстояние l₂, равное, например, 50 мм. Интервал времени t₂, за который ультразвуковая волна достигает выходного ЭАП 4, также преобразуется в код, который заносится в память контроллера 11. Интервал времени t₂ оказался равным 11 мкс.

Затем, контроллер производит вычисления и определяет величины скорости распространения ультразвуковой волны и аппаратной временной задержки из системы уравнений

где l₁ и l₂ - расстояния, на которые выходной ЭАП перемещается в режиме калибровки,

V - скорость ультразвуковой волны,

t₄ - аппаратная временная задержка, обусловленная, например, изменением индуктивности и сопротивления.

И соответственно величине скорость распространения ультразвуковой волны V и аппаратная временная задержка t₄ определяются из системы уравнений (1)

Контроллер осуществляет вычислительные операции по формулам (2) и (3) и заносит в свою память коды, пропорциональные скорости распространения ультразвуковой волны V и аппаратной задержки t₄, которые оказались равными V=5·10³ м/с, t₄=1 мкс.

В режиме измерения из-за упругого элемента 5 происходит контакт выходного ЭАП 4 с объектом контроля, и выходной ЭАП 4 перемещается на измеряемое расстояние. В входной ЭАП 3 с контроллера 11 поступает импульс напряжения, приводящий к появлению ультразвуковой волны. Через интервал времени t₃ ультразвуковая волна, пройдя измеряемое расстояние, достигает выходного ЭАП 4. Этот интервал времени преобразуется в код. Длительность интервала времени t₃=55 мкс. Контроллер 11, основываясь на занесенных ранее в память кодах, пропорциональных скорости распространения ультразвуковой волны V и аппаратной задержки t₄, производит расчет измеряемого расстояния по формуле (4).

В результате, значение измеряемого расстояния х оказалось равным 270 мм.

Применение данного способа измерения линейного перемещения позволяет исключить составляющую погрешности, вызванную аппаратной задержкой, а также вызванной изменением скорости распространения ультразвуковой волны по звукопроводу из-за нестабильности параметров окружающей среды.

Claims (2)

1. Способ измерения линейного перемещения, заключающийся в том, что возбуждают ультразвуковые колебания в звукопроводе магнитострикционного преобразователя, отличающийся тем, что проводят калибровку, включающую перемещение подвижного приемного электроакустического преобразователя, соединенного с подвижным концом упругого элемента, на первое известное расстояние l₁ между подвижным приемным и неподвижным возбуждающим электроакустическими преобразователями, возбуждение первой ультразвуковой волны, которую принимают приемным электроакустическим преобразователем, определение первого интервала времени t₁, за которое ультразвуковая волна проходит первое известное расстояние, и занесение первого кода, пропорционального первому интервалу времени, в память контроллера, перемещение приемного электроакустического преобразователя, соединенного с подвижным концом упругого элемента, на второе известное расстояние l₂ между подвижным приемным и неподвижным возбуждающим электроакустическими преобразователями, возбуждение второй ультразвуковой волны, которую принимают приемным электроакустическим преобразователем, определение второго интервала времени t₂, за которое волна проходит второе известное расстояние, и занесение второго кода, пропорционального второму интервалу времени, в память контроллера, далее проводят измерение, в котором приемный электроакустический преобразователь, соединенный с подвижным концом упругого элемента, входит в механический контакт с контролируемым объектом, и занимает определенное положение по отношению к неподвижному возбуждающему электроакустическому преобразователю, электроакустическим преобразователем возбуждают третью ультразвуковую волну, которую принимают приемным электроакустическим преобразователем, определяют третий интервал времени t₃, за которое волна достигает приемного электроакустического преобразователя, заносят третий код, пропорциональный третьему интервалу времени, в память контроллера, затем рассчитывают скорость звуковой волны и аппаратную задержку по формулам:

где V - скорость ультразвуковой волны;
l₁ и l₂ - расстояния, на которые выходной приемный электроакустический преобразователь перемещается в режиме калибровки;
t₁ и t₂ - интервалы времени, за которые ультразвуковая волна проходит расстояния l₁ и l₂;
t₄ - аппаратная временная задержка,
и занесенных в память кодах, пропорциональных значениям l₁, l₂, t₁, t₂, a также расстояние х, на которое переместился контролируемый объект, по формуле

2. Устройство для измерения линейного перемещения, содержащее линейный магнитострикционный волновод, первый и второй акустические демпферы, входной электроакустический преобразователь, выходной электроакустический преобразователь, отличающееся тем, что введены упругий элемент, который может быть реализован, например, на основе пружины, подвижный конец которого соединен с выходным электроакустическим преобразователем и имеет механический контакт с объектом контроля, соединенный с концами двух коаксиальных трубок различного диаметра, причем внутренний диаметр наружной трубки больше внешнего диаметра внутренней трубки, с обеспечением гарантированного воздушного зазора, при этом один конец внутренней трубки соединен с одним концом упругого элемента, а другой конец трубки неподвижно закреплен относительно звукопровода, а второй конец упругого элемента соединен с концом наружной трубки, обращенным к объекту контроля и контактирующего с ним, при этом коаксиальные трубки расположены параллельно звукопроводу, и перед началом режима калибровки или измерения упругий элемент расположен так, что его подвижный конец контактирует с объектом контроля, на подвижном конце упругого элемента расположен Г-образный выступ, который позволяет датчикам малых линейных перемещений регистрировать достижение подвижным концом упругого элемента и приемным электроакустическим преобразователем первого и второго известного расстояний, и выходной электроакустический преобразователь, два датчика малых линейных перемещений, закрепленных на первом и втором известных расстояниях, электродвигатель, перемещающий подвижный конец упругого элемента, контроллер, связанный с электродвигателем, входным электроакустическим преобразователем, выходным электроакустическим преобразователем, с датчиками малых линейных перемещений.