Устройство для измерения перемещений

)5 6 01 В ЮИЗВаМТЮ ТЕХН"Ч ЕТЕН ЬСТВУ К А ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ И ВТОРСКОУУ СВИДЕТЕ(71) Пензенский политехнический институт(56) Авторское свидетельство СССРМ 1504507, кл. 6 01 В 17/00, 1989,Авторское свидетельство СССРМ 1471809, кл, 6 01 В 17/00, 1987,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для ультразвукового измерения линейных перемещенийобъекта. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости преобразования путем увеличения амплитудызондирующей ультразвуковой волны в среде магнитострикционного звукопровода,Это достигается за счет возбуждения в среде звуковода первичного преобразователяперемещений пачки из М волн, амплитуда каждой из которых является суммой предыдущих волн, которые одновременно считываются в М-точкахсчитывания и суммируются. При этом зависимость О= р(М) в зависимости от способа возбуждения и считывания является либо монотонно возрастающей, либо экспоненциально возрастающей, Устройство для измерения перемещений содержит прямолинейный магнитострикционный звукопровод 1 с акустическими демпферами 2, блок 3 считывания, формирователь 4 возбуждения колебаний, усилитель 6 записи, формирователь 7 импульсов считывания, генератор 8 сдвоенных импульсов, счетчик 9 опроса, анализатор 10 кода, О-триггер 11, измерительный генератор 12, счетчик 13 результата, входные и выходные шины 14, 15 и 16, 17. Устройство предназначено для использования в робототехнических системах и комплексах. 4 з,п. ф-лы, 8 ил,Изобретение относится к измерительной технике, а именно к ультразвуковым преобразователям перемещений, и может найти применение в робототехнических системах и комплексах для измерения и контроля параметров кинематического движения объекта.Известно устройство для измерения перемещений, содержащее магнитострикционный звукопровод, акустический демпфер, стабилизатор растягивающих усилий, элементы записи и считывания с магнитами смещения, предусилитель считывания, одновибратор, измерительный генератор, триггер, блок АРУ, усилитель-формирователь считывания, коммутатор, четыре буферных регистра, выцислитель и компаратор.Известно другое устройство для измерения перемещений, выбранное в качестве прототипа, которое содержит магнитострикционный звукопровод, установленный в акустицеские демпферы, схемы запуска, элемент ИЛИ ждущий генератор импульсов, формирователь импульсов записи, подвижную катушку записи, неподвк:ную катушку считывания, усилитель считывания, формирователь импульсов. счетчик, преобразователь временного. интервала в код, блок управления масштабом преобразования, нормализатор, генератор образцовой частоты, элемент И, счетчик колыестаа перезапусков, дешифратор,Общим недостаткам известных устройств является недостаточная помехоустойчивость вследствие аозбукдения в магнитострикционном эвукопроводе упругих волн одинарной амплитуды.Цель изобретения - повышение помехоус 1 ойчвости путем увеличения амплитуды колебаний звукапровода,На фиг, 1 приведена блок-схема устройства для измерения перемещенийна фиг.2-4 - блок-схемы устройства для измерения перемещений с различным выполнением кинематической схемы его первичного преобразователя перемещений; на фиг. 5, б - выполнение основных блоков 7, 8 устройства; на фиг. 7- форма сигналов записи и считывания первичного преобразователя перемещений при разных способах возбуждения ультразвуковых волн; на фиг, 8 - график функции Ох = р(М)Устройство для измерения перемещений (фиг. 1) содержит прямолинейный магнитострикционный эвукопровод 1, закрепленный в акустических демпферах 2, блок 3 считывания из М неподвижных сосредоточенных элементов сцитывания с магнитом смещения, закрепленные на звукопроаоде вблизи одного акустического демпфера, формирователь 4 возбуждения колебаний с магнитом смещения, закрепленный на звукопроводе с возможно стью перемещения между ограничителями5 перемещений и кинематически подключенный к объекту перемещения, подсоединенный к выходу усилителя 6 записи, формирователь 7 импульсов считывания, ге нератор 8 сдвоенных импульсов, К-разрядный счетчик 9 опроса, логический анализатор 10 кода, О-триггер 11, измерительный генератор 12, счетчик 13 результата, шину 14 управления, шину 15 запуска, 15 шину 16 запроса, и-шин 17 результата. Выходы счетчика 13 результата подключены к шинам 17 результата, а счетный вход через измерительный генератор 12 подключен к прямому выходу 0-триггера 11, Его инверс ный выход подключен к шине 16 запроса,синхровход подключен к выводам блока 3 считывания церез формирователь 1 импульсов считывания, единичный вход соединен с нулевыми входами счетчиков 9, 13 и под ключен к шине 15 запуска, а нулевой входподключен к шине 14 управления и соединен с одним входом анализатора 10 кода, его другие К-входы соединены с выходами счетчика 9 опроса, а выход соединен с вхо дом генератора 8 сдвоенных импульсов,Один его выход соединен со счетным входом счетчика 9 опроса, другой подсоединен к входу усилителя 6 записи.Кроме того, в устройство для измерения 35 перемещений (фиг. 2) введен генератор 18импульсов, подключенный к счетному входу счетчика 9 опроса и входу усилителя 6 записи. Причем блок 3 считывания выполнен подвикным с воэмакностью перемещения 40 вдоль звукопроаода 1 между ограничителями 5 перемещений и подключен к обьектуперемещения, а формирователь 4 аозбукдения колебаний выполнен неподвижным и закреплен на эвукопроводе 1 на опорном 45 расстоянии о от его свободного конца,Кроме того, в устройство для измеренияперемещений (фиг, 3) введен дополнительный формирователь 19 возбуждения колебаний из(М -1) сосредоточенных элементов 50 записи с магнитом смещения, закрепленный на заукопроводе 1 на опорном расстоянии от основного формирователя. 4 возбуждения колебаний с возможностью перемещения между ограничителями 5 пе ремещений. Их выводы подсоединены к выходам усилителя 6 записи.Крометого, вустройстводля измеренияперемещений (фиг, 4) введен ы распределенная обмотка 20 возбуждения, неподаикно закрепленная на рабочем участке звукопро 1758429вода 1 между ограничи 1 елями 5 перемещений, и блок 21 из М магнитов смещения, закрепленные на звукопроводе с возможностью перемещения вдоль обмотки 20 возбуждения и кинематически подключенные к объекту перемещений. Выводы обмотки 20 возбуждения подсоединены к выходам усилителя 6 записи,Устройство работает следующим образом.Первоначальноустройство(фиг.1) находится в заблокированном состоянии. По его шине 14 управления выставлен цифровой сигнал "Останов", блокирующий входы анализатора 1 О кода и удерживающий О-триггер 11 в нулевом состоянии, формируя по шине 16 запроса цифровой сигнал "Запрос". При снятии сигнала "Останов" устройство переводится в режим ожидания начала цикла преобразования.В ответ на сигнал "Запрбс" пользователь подает по шине 15 запуска цифровой сигнал "Запуск", по которому устанавливаются в нулевое состояние счетчики 9, 13 опроса и результата и в единичное состояние - О-триггер 11. Переключение 0-триггера 11 обозначает начало цикла преобразования искомого линейного перемещения 1 х объекта в цифровой кодЯх По его сигналу запускается цифровой измерительный генератор 12, вырабатывающий серию импульсов частоты Го, подсчитываемых счетчиком 13 результата.Установка в нулевое состояние счетчика 9 опроса вызывает формирование на выходе анализатора 1 О кода статического сигнала, разрешающего запуск генератора 8 сдвоенных импульсов, Генератор 8 производит генерацию прямоугольных видеоимпульсов с частотой акоп = Опр/ г, где Ор - фазовая скорость ультразвуковой (УЗ) волны в звукопроводе;- расстояние между М элементами считывания блока 3 считывания, которые поступают на счетный вход счетчика 9 опроса и подсчитываются, Количество импульсов не должно превысить числа М используемых элементов считывания блока 3 считывания. По достижении этой величины М = 2 к = М на выходе логического анализатора 10 кода формируется сигнал, производящий блокирование работы генератора 8 сдвоенных импульсов до очередного цикла преобразования.По другому выходу генератора 8 в каждом из М тактов генерируются сдвоенные прямоугольные видеоимпульсы длительности г и со скважностью 0 =: 2 (фиг. 7 б), Они проходят на сигнальный вход усилителя б записи и преобразуются в токовые посылки, возбуждающие формирователь 4 возбуждения колебаний, находящийся в момент опроса на искомом расстоянии 1 х от блоха 3 считывания, В результате магнитомеханического преобразования под формировате 5 лем 4 в звукопроводе 1 возбуждается серияиз М ультразвуковых волн удвоенной амплитуды (фиг, 7 б) вследствие суперпоэиционного сложения смежных одинарных полуволн (фиг. 7 а). Они проходят по звукопроводу 1 к 10 блоку 3 считывания эа искомое время перемещения Тх " хИлр и наводят на выводах М сосредоточенных элементов считывания аналоговые сигналы считывания удвоенной амплитуды15 +фгх01.г = .20 о.е (1)где к - 0,8 - 0,9 - коэффициент пропорциональности;Оо - единичная амплитуда сигнала счир - коэффициент затухания УЗ волны всреде эвукопровода.. Поступая на входы формирователя 7 импульсов считывания, наведенные сигналы 25 (1) суммируются и формируют моноимпульсный сигнал считывания повышенной амплитудымОх=. 01,г; (2)который преобразуется в прямоугольный видеоимпульс считывания и переключает О- триггер 11 в исходное состояние. Работа измерительного генератора 12 завершается, а на и выходах счетчика 13 результата выстсаляется код искомого перемещенияЙх = Тх.о = 01 х; (3)поступающий на шины 17 результата, формируя сигнал "Код перемещения". По шине 16 запроса выставляется сигнал "Запрос" и устройство переводится в режим ожидания, Далее весь процесс преобразования осуществляется без изменения.Используемый в устройстве формирователь 7 импульсов считывания выполнен (фиг, 5) на диодных вентилях 22 и 24 отрицательной и положительной полуволн, диодных ограничителях 23 и 25, резисторе 26, формирующем элементе 27 (триггер Шмитта), Диоды 22 шунтируют отрицательные полуволны сигналов считывания на общую шину, которые запирают диоды 23, что приводит к формированию в цепи элементов 25, 26 суммарного сигнала считывания (2) для 55запуска формирую;цего злелгента 27.Генератор 8 сдвоенных импульсов выполен по схеме каскадного соединениядвух управляемых генераторов (фиг, 6). Первый цифровой ниэкочастотньй генератор5 10 15 20 25 30 зультирующий сигнал 40 45 50 55 выполнен на логическом элементе И-НЕ 28, транзистор 32 МРй-проводимости, резисторах 33-35 и конденсаторе 37, генерирует сигналы с частотой акоп " /Топ - Опр/11. По1его сигналам запускается второй цифровой "высокочастотный" генератор на логических элементах И-НЕ 29-31, резисторе 36 и конденсаторе 38. Он генерирует сигналы более высокой частоты, равной 11 - 1/2 тп. Причем длительноСть импульса сигнала первого генератора равна Т 1 "(34)тЪ., что позволяет формировать по второму выходу генератора 8 сдвоенные импульсы согласно фиг, 7 б.Следовательно, применение метода сдвоенных импульсов с использованием блока 3 считывания из М элементов считывания позволяет формировать аналоговый сигнал считывания (2), описываемый линейной зависимостью вида О = р (М) (прямая 1 на фиг. 8), и повысить в Ох/Оо раз отношение сигнал/помеха по сравнению с прототипом.Кинематическую схему первичного преобразователя перемещений устройства по фиг. 1 можно несколько упростить, если его звукопровод 1 включить по псевдозамкнутой схеме, формирователь 4 возбуждения колебаний закрепить на опорном расстоянии 1 о от свободного конца звукопровода, а блок 3 считывания с М сосредоточенными элементами считывания, наоборот, выполнить подвижным и подсоединить к обьекту перемещения (фиг. 2). Такое выполнение кинематической схемы первичного преобразователя перемещений йозволяет использовать во вторичном преобразователе цифровой генератор 18 импульсов более простой структуры. например, по схеме цифровогр генератора 8 сдвоенных импульсов.Генератор 18 импульсов вырабатывает серию из (М + 1) прямоугольных видеоимпульсов частоты акоп, которые подсчитываются счетчиком 9 опроса. Установка формирователя 4 на расстояниио =11/2 от свободного конца звукопровода 1 позволяет формировать в его среде зондирующие УЗ волны удвоенной амплитуды (1) аналогично фиг, 7 б за счет суперпозиционного сложения прямой и отраженной полуволн. Одинарную амплитуду имеет только самый первый в пачке из (М+ 1) импульсов.Возбужденный в звукопроводе 1 пакет из (М + 1) УЗ волн проходит в зону магнитоупругого преобразования через искомое время Тх и считывается блоком 3 считцва. ния, формируя аналоговый сигнал считывания увеличенной амплитуды (2), Далее весь процесс преобразования сигналов в устройстве по фиг. 1 не отличается от рассмотренного, В результате достигается увеличение в 2 М раз отношения сигнал/помеха устройства относительно прототипа (прямая 1 фиг, 8).Эффективность устройства на фиг. 1, 2 может быть повь 1 шена, если в кинематическую схему первичного преобразователя перемещений включить дополнительный формирователь 19 возбуждения колебаний, который совместно с основным формирователем 4 содержит М сосредоточенных элементов записи с магнитом смещения, установленных на звукопроводе 1 на опорном расстоянии 11 один относительно другого и включенных параллельных параллельно с учетом полярности выводов (на фиг. 3 не показано).В этом случае генератор 18 импульсов генерирует серию из М прямоугольных видеоимпульсов записи длительности т, которые, преобразуясь в токовые посылки усилителем б записи, возбуждают в среде звукопровода 1 зондирующие УЗ волны, Их амплитуда с каждым очередным тактом повышается на величину одинарной волны (фиг, 7 а) за счет суперпозиционного сложения полуволн в зонах магнитомеханического преобразования, как показано на фиг, 7 в Возбужденный пакет УЗ волн (фиг. 7 в) повышенной амплитуды распространяется в сторону блока 3 считывания и через время Тх достигает его, считывается, формируя реМ - 1О,=О+ Х Ои (4)=1Далее весь процесс преобразования сигналов выполняется без изменения согласно рассмотренному. Г 1 ри данном способе возбуждения зондирующих УЗ волн величина вцходно 1 о напряжения (4) может достигать значительных величин при соответствующем выборе числа М элементов записи и считывания в блоках 4, 19 и 3. За счет этого существенно повышается помехоустойчивость устройства относительно прототипа (кривая 2 фиг. 8).Кроме того, кинематическую схему первичного преобразователя перемещений по фиг. 3 можно выполнить по неконтактной схеме, как показано на фиг. 4. В этом случае по всей длине рабочей части звукопровода 1 закрепляют неподвижную распределенную обмотку 20 возбуждения, подсоед 1 ияя ее к выводам усилителя б записи. Вдоль обмотки 20 перемещается блок 21 из М однотипных магнитов смещения, установленных на опорном расстоянии 11 одинотносительно другого и перемещающихся между ограничителял 1 и 5 перел 1 ещений.При подача в обмотку 30 возбужденияМ токовых импульсных посылок от усилителя б записи в подмагниченных магнитами участках звукопровода 1 возбуждаются зондирующие УЗ волны с трансфорл 1 ированной амплитудой (фиг. 7 в), Через искомое время перемещения Тх пакет УЗ волн считывается блоком 3 считывания с формированием результирующего сигнала считывания 4). Далее весь процесс преобразования сигналов выполняется согласно рассмотренному, В результате достигается значительное повышение помехоустойчивости устройства относительно прототипа, что подтверждает кривая 2 функциональной зависимости Ох = =фМ) по фиг. 8.Применение акустических демпферов 2в кинематической схеме первичного преобразователя перемещений устройства устраняет образование переотражений УЗ волн в среде магнитострикционного звукопроводаи их накопление, чем обеспечивается выполнение описанного алгоритма работы устройства.Такил 1 образом, предложенные подходы возбуждения й считывания ультразвуковых волн распространяются на все типы нормальных упругих волн продольные, крутильные), возбуждаемые в магнитострикционной среде воловедущего тракта преобразователя, и позволяют существенно повысить помехоустойчивость преобразоваия относительно прототипа без значительного усложнения структуры.Формула изобретения 1. Устройство для измерения перемещений, содержащее магнитострикционный звукопровод, концы которого демпфированы, формирователь возбуждения колебаний в звукопроводе с магнитом смещеия и блок считывания, содержащий один элемент считывания, установленные на эвукопроводе с возможностью их взаимного перемещения, усилитель записи, выход которого соединен10 30 с я тем, что оно дополнительно снабжено не 35 15 20 с входол 1 формирователя возбуждения, последовательно соединенные счетчик опроса и измерительный генератор, выход которого подсоединен к входу счетчика результата, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения пол 1 ехоустойчивости путем увеличения амплитуды колебаний в звукопроводе, оно снабжено установленным в блоке считывания, на заданном расстоянии друг от друга, не менее чем одним дополнительным элементом считывания, формирователем импульсов считывания, вход которого соединен с блоком считывания, а выход последовательно соединен с О-триггером, измерительным генераторол 1 и счетчиком результата, генераторол сдвоенных импульсов, один выход которого соединен с входом формирователя возбуждения колебаний. другой выход соединен со счетчиком опроса, соединенным с логическим анализатором хода, выход которого соединен с входом генератора сдвоенных импульсов,2. Устройство по п.1, отл и ч а ю ще ес я тем, что в качестве генератора импульсов используется генератор сдвоенных импульсов, а формирователь возбуждения колебаний установлен неподвижно на звукопрсводе.3. Устройство поп. 1, отл ич а ю щееменее чем одним однотипным элементом возбуждения колебаний, установленным в формирователе возбуждения на звукопроводе на заданном расстоянии друг от друга, в качестве генератора импульсов используется генератор сдвоенных импульсов, а блоксчитывания установлен неподвижно на эвукоп роводе,4, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что формирователь возбуждения вь,полне в виде распределенной обмотки, неподвижно закрепленной на звукопроводе, и нескольких однотипных магнитов смещения, установленных на заданныхра стояниях друг от друга с воэл 1 ожностьюперемещения вдоль звукопровода.1758429 РИГУ иг. Составитель В, ЮровскРедактор А.Маковская Техред М.Моргентал Корректор А.Ворович Заказ тиям при ГКНТ ССС оизводственно-издательский комбинат "Патент ород, ул, Гагарина,90 Тираж Подпи ИПИ Государственного комитета по изобретениям и от113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4