SE459769B - Akustisk avstaandsmaetare - Google Patents

Description

459 769 15 20 25 v! ,1 40 Jå åskådliggör uppfinningen.

Pig 2 visar en grupp diagram, som åskådliggör i kretsen enligt fig 1 arbetande vägformer.

Pig 3 visar ett kopplingsschema för en annan krets, som åskådliggör uppfinningen. - Fig 4 visar ett kopplingsschema för en styrbar ström- källkrets, vilken är användbar vid utföringsformerna enligt fig 1 och 3.

Fíg 5 visar ett diagram tiv arbetande vågform hos ti mätare. , som åskådliggör en representa- digare kända ultraljudavstánds- Fig 6 visar ett kopplingsschema för ett alternativt omvandlararrangemang, vilket är användbart vid utförings- formen enligt fíg 1.

Fig 7 visar ett kopplíngsschema för ett alternativt omvandlararrangemang, vilket är användbart vid utföríngs- formen enligt fig 3.

Fig 8 visar ett kopplíngsschema för en skyddskrets, vilken är användbar vid utföringsformerna enligt fíg 1 och 3.

Fig 9 visar en uppifrån sedd vy av en robotgripanord- nín , vilken är försedd med en avståndsbestämnin somvand- E E lare, som åskådliggör uppfinningen.

Detaljerad beskrivning Enligt fig 1 innefattar fyrkanten 100 en LC-avstäm- ningskrets eller resonanskrets, inkluderande en kondensator CZ, som är seriekopplad med induktanselementet L1. Konden- satorn C2 kan ha kapacitansen approximativt 0,05 PF och induktanselementet Ll kan ha induktansen approximativt 10 mH. En kapacitív omvandlare Cl, som vanligen har kapacitansen approximativt 500 pF, är parallellkopplad med kondensatorn CZ och índuktanselementet L1. Omvandlaren C1 kan exempelvis utgöras av polariod-ultraljudavståndsmät- elementet. Omvandlarens Cl metalliserade yta är kopplad till jord. Detta jordarrangcmang är speciellt fördelaktigt vid åstadkommande av elektromagnetisk avskärmning. Omvand- larens Cl andra sida är via motståndet R1 kopplad till klämman Tl. En förspänning VB av exempelvis approximativt 200 volt likspänning kan vara påtryckt på klämman T1 via en spänníngskälla VS1. 10 15 20 25 30 35 40 3 459 769 Andra typer av välkända omvandlare, till exempel ett elektret, kan användas i stället för det i rektangeln 4 i fíg 1 visade arrangemanget. Enligt fig 6 är elektretets El ena klämma ansluten till den ena sidan av induktanselementet LI och till klämman T2. Elektretets sluten till induktanselementets andra sida och till jord.

I fig 1 är förbindelsen mellan kondensatorn C2 och andra klämma är an- induktanselementet L1 ansluten till en tidsberoende konduktanskrets vid klämman T2. Konduktanskretsen innefat- tar förstärkarna OTAI och OTA2.

OTA2 kan utgöras av operations-transkonduktansförstärkar- kretsar, typ CA3080A, tillverkade av Radio Corporation of America, Incorporated. Förstärkarna är anslutna till spän- Förstärkarna OTAl och ningskällor (icke visade), såsom är välkänt inom området.

Förspänningsströmmar 11 och Iz sänds vid förutbestämda tidpunkter till styrklämmorna hos respektive förstärkare OTA1 och OTAZ.

Strömmarna I1 och Iz kan matas via ett styrbart ström- källarrangemang, såsom visas i fig 4. En konstant spänning VM påtryckes på den ena sidan av motstånden R3 och R4.

VM kan exempelvis uppgå till approximativt +8 volt. Mot- stånden R3 och R4 kan exempelvis uppgå till approximativt 20 K ohm. Motståndets R3 andra sida är ansluten till diodens D7 anod och transistorns TR1 emitter. Motståndets R4 andra sida är ansluten till diodens D8 anod och till transistorns TR2 emitter. Diodernas D7 och D8 katoder är anslutna till respektive klämmor TS och T6. Transistorer- nas TR1 och TR2 baser är anslutna till en positiv spänning av exempelvis approximativt 1 volt.

En signal av TTL-typ, välkänd inom tekniken, kan sändas alternerande till klämmorna TS och T6. Transistorn TRl ger utström I1 (lika med approximativt 1/3 mA) vid sin kollektor, när en sann TTL-signal sänds till klämman TS. En sann signal kan ha värdet approximativt +4 volt. vid Sin koliek- tor, när en sann signal sänds till klämman T6. När falska Transistorn TR2 är verksam för utström Iz signaler (approximativt O volt) sänds till klämmorna T5 och T6 är strömmarna I1 och 12 noll. Det torde inses att andra styrbara strömkällarrangemang kan användas i stället för det ovanstående arrangemanget, såsom är välkänt inom 459 20 25 40 769 tekniken.

Såsom visas i fig 1 kan förstärkarens OTA1 positiva ingångsklämma vara ansluten direkt till klämman TZ för positiv återkopplingsdrift. På samma sätt kan förstärkarens OTAZ negativa ingångsklämma vara ansluten direkt till kläm- man T2 för negativ återkopplingsdrift. Man föredrar emel- lertid att inkludera en skyddskrets i återkopplíngsslingor- na för att begränsa de på förstärkaringångarna pátryckta spänningarna. Skyddskretsen kan användas i stället för den direkta anslutning, som visas mellan klämmorna T2 och T3 i fig 1.

Skyddskretsen kan exempelvis innefatta ett diod- arrangemang, såsom visas i fig 8. I fig 4 är diodernas D1 och D2 anoder anslutna till en positiv strömkälla CS1.

Strömkällan CS1 kan exempelvis innefatta en transistor, som är GB-kopplad, såsom är välkänt inom tekniken. Strömkällan C51 matar en konstant ström I0 exempelvis lika med approxi- mativt 0,1 mA. Diodens D1 katod samt diodens D3 anod är anslutna till klämman T2. Diodernas DZ och D6 katoder samt diodernas D4 och DS anoder är anslutna till klämman TS och till de positiva och negativa ingångsklämmorna hos respektive förstärkare OTA1 och OTA2. Diodernas DS och D4 katoder är anslutna till de negativa strömkällorna CS2, som matar en konstant ström -lo. Diodens DS katod samt diodens D6 anod är anslutna till jord. Detta diodarrange- mang begränsar den på förstärkarna påtryckta spänningen till ett säkert område av approximativt 10,7 volt. Med fördel kan omvandlarens Cl drivpotential (spänningen vid klämman TZ) ligga mellan approximativt :10 volt. Omvand- larens uteffekt ökas därigenom. Det torde ínses att annan skyddskretskoppling kan anordnas inom uppfinningens ram.

Driften av kretsen i fig 1 åskådliggöres med diagram- men i fig 2. Diagrammen 202 och 203 i fig Z visar våg- formerna hos förspänningsströmmar Il och I2, till respektive förstärkare OTA1 och OTA2. visar den resulterande spänningskurvan V som sänds Diagrammet 201 T hos resonans- kretsen med avseende på tid. Spänningskurvan VT kan erhål- las vid klämman TZ.

För att excitera den akustiska omvandlaren C1 inkopp- las ström 11 vid tidpunkten tï. Eftersom OTA1 är ansluten 10 15 20 ZS 30 40 459 769 H för positiv återkoppling byggs amplituden för resonans- kretsens spänningskurva VT snabbt upp vid resonans- frekvensen. Amplituden av den av den kapacitiva omvand- larens C1 genererade akustiska tryckvågen byggs upp på mot- svarande sätt. Strömmen 11 förblir inkopplad under en förut- bestämd tidsperiod, exempelvis 30 Ps, vid vilken tidpunkt VT när en maximal toppspänning av approximativt 20 volt.

För att dämpa ned ultraljudomvandlaren Cl frånkopplas strömmen I1 och strömmen I2 inkopplas vid tidpunkten tz.

Förstärkaren OTA1 återgår därför till ett högimpedanstill- stånd och förstärkaren OTAZ aktiveras. Eftersom OTA2 är ansluten för negativ återkoppling tages energi från resonanskretsen. Omvandlarens C1 svängningar hindras därigenom och resonanskretsspänningens VT amplitud avtar hastigt till noll.

Vid tidpunkten ts i fig 2 är båda strömmarna Il och I2 frånkopplade och omvandlaren Cl har återgått till ett vilotillstånd. Omvandlaren Cl kan därför användas omedel- bart efter tidpunkten t3 för att mottaga ett retureko från målet. Såsom är välkänt inom tekniken medför ett retureko oscillationer i omvandlaren C1. Den motsvarande utsignalen V0 kan med fördel erhållas vid klämman T3.

Enligt fig S visar diagrammet en vågform, som re- presenterar omvandlardrift i tidigare kända ultraljudav- stàndsmätare. När exciteringsenergin bortkopplas vid tid- punkten tz fortsätter omvandlaren att svänga oregelbundet eller att "ringa". Ringningen beror primärt på omvand- larens mekaniska tröghet. Eftersom mottagningscykeln inte kan börja förrän efter det att ríngningen upphör vid tid- punkten t3 kan tidigare kända ultraljudavståndsmätare endast mäta ett minsta avstånd av approximativt 3 deci- meter. Å andra sidan innefattar föreliggande uppfinning ett aktivt dämpningsarrangemang. Aktiv dämpning betyder att energi från omvandlar- och oscillatorelementen uttages eller avleds av kretsorgan, till exempel den ovan beskriv- na förstärkaråterkopplingskretsen, vilken i sig själv är en källa för elektrisk energi. Vid tidigare anordningar är dämpningen passiv, det vill säga omvandlarens energi avledcs endast genom mekaniskt och elektriskt motstånd. 459 20 25 30 35 40 769 Med fördel återför aktiv dämpning omvandlar- och oscillatorelementen till ett vilotillstånd mycket snabbare, varigenom ett minsta avståndsmätområde understigande 2,54 centimeter uppnås. Vidare gör aktiv dämpning det möj- ligt att inkludera omvandlaren i den resonanskrets, som används för att driva omvandlaren, såsom visas i fig 1.

Ett högre signalbrusförhållande uppnås därigenom i förhål- lande till kända arrangemang, varvid själva omvandlaren inte är en del av en resonanskrets. Ett högt signalbrus- förhållande ökar känsligheten med avseende på detekteringen av små föremål. Föreliggande omvandlardrivarrangemang är alltså effektivare; tidigare kända avståndsmätare kan för- bruka av storleksordningen 100 gånger mer effekt.

Enligt fig 3 visas en alternativ resonanskrets, som är ansluten till en tidsberoende konduktanskrets, liknande den, vilken beskrivits i detalj ovan. Konduktanskretsen är densamma som tidigare beskrivits med undantag av att drivförstärkaren OTA1 är ansluten för negativ återkoppling (i stället för positiv) och dämpningsförstärkaren OTA2 är ansluten för positiv återkoppling (eller för negativ).

Den alternativa resonanskretsen innefattar en operations- förstärkare OA1, som har en positiv ingångsklämma, vilken är ansluten till jord, och en negativ ingångsklämma, vil- ken är ansluten till förstärkarnas OTA1 och OTA2 ut- gångar. Eftersom förstärkarnas OTAI och OTA2 utgângskläm- mor är anslutna till den negativa eller fasvändande kläm- man hos förstärkaren OAI är driften av kretsen i beroende av strömmarna I1 och Iz densamma som beskrivits ovan under hänvisning till fig 1. Den negativa ingångsklämman hos förstärkaren OA1 är också ansluten till den ena sidan av omvandlaren Cl och induktanselementet Ll. Den andra sidan av omvandlaren Cl är ansluten till kondensatorn CZ och till klämman T1 via motståndet R1. Den andra sidan av induktanselementet L1 är ansluten till den andra sidan av kondensatorn C2, förstärkarens OAl utgångsklämma och kläm- man T2. Dessutom kan den ovan diskuterade skyddskretsen i fig 8 i stället inkopplas mellan klämmorna T2 och T3 hos den alternativa resonanskretsen. Med fördel uppnår den alternativa resonanskretsen en vid spänningssvängning över omvandlaren för åstadkommande av en motsvarande kraftig 10 20 ZS 30 i' 459 769 akustisk våg.

Ett elektret kan användas i stället för det i rektangeln 300 enligt fig 3 åskâdliggjorda omvandlar- arrangemanget. Enligt fig 7 är en klämma hos elektretet El ansluten till den ena sidan av induktanselementet L1 och till klämman T2. Elektretets andra klämma är ansluten till den andra sidan av induktanselementet samt till klämman T4.

Enligt fig 9 kan en akustisk avståndsbestämníngs- omvandlare 903 enligt uppfinningen utgöra utrustning hos en robothand eller gripanordning 900. Oscillator- och styrkretskopplingen (icke visad) kan vara belägen långt bort. Gripanordningen innefattar griporgan 901 och 902.

Avståndsbedömningsomvandlaren 903 åstadkommer därigenom möjlighet till mâlsökning. Avstàndsinformation från av- ståndsmätaren kan användas för återkopplingsstyrning av gripanordningens inriktning, varigenom griporganen 901 och 902 kan styras för att noggrant gripa ett målobjekt.

Ehuru uppfinningen har visats och beskrivits under hänvisning till en föredragen utföringsform så kan olika modifikationer och ändringar göras av en fackman inom om- rådet utan att uppfinningens ram överskrides. I fig 4 exempelvis kan ett seriemotstånd och en kondensator, kopp- lade till jord, anordnas på transistorns T2 kollektor, varigenom strömmen Iz kommer att avtaga långsammare vid tidpunkten ts. I fig 1 kan en liten spänningsförskjutning påföras den positiva ingångsklämman hos förstärkaren OTA2.

Dessa modifikationer förbättrar ytterligare den hastighet, med vilken anordníngen återgår till ett vilotillstånd efter sändningsflödet. Vidare kan olika komponentvärden ändras för ändring av driftsegenskaperna.

Claims (3)

459 769 Patentkrav

1. Akustisk avstandsmätare med sândnings- och mottag- ningscykler och innefattande: en resonanskrets (Li, C23; en till resonanskretsen ansluten omvandlare (Cl), som är alter- nerande verksam i avstándemätarens sändnings- och mottagninge- cykler; organ för att styra resonanskretsen (L1, C2) under sändningscykeln och försedda med organ (OTA1, OTA2) för att tillföra energi för drivning av resonanskretsen (L1, C2); samt ' 1 organ för att selektivt utta energi fran resonanskretsen: k ä n n e t e c k n a d av att nämnda energitillföringsorgan innefattar transkonduktansorgan (OTA1, OTA2) med en ingång ansluten till resonanskretsen och en utgang ansluten till resonanskretsen samt organ för drift av nämnda transkonduk- tansorgan i tillstànd med positiv återkoppling; samt att effektuttagningsorganen innefattar nämnda transkonduktansorgan (OTA1, OTA2) samt organ för drift av transkonduktansorganen i tillstànd för negativ återkoppling, varvid transkonduktana- organen reagerar för en signal pà sin ingång fran resonans- kretsen för att till sin utgång mata en signal för avlägsnande av energi fran resonanskreteen. i

2. Avståndsmätare enligt kravet 1, k ä n n e t e c k- n a d av att nämnda transkonduktansorgan (OTA1, OTA2) inne- fattar skyddsorgan för att begränsa därpå patryckta spän- ningar.

3. Avstándsmâtare enligt kravet 1 eller 2, t e c k n a d k ä n n e - av att nämnda omvandlare är utformad för an- vändning som omvandlarelement i en robot, varigenom avstånds- information kan användas för orientering av elementet pa god- tyckligt avstànd från ett mál.