Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к измерительной технике. Преобразователь имеет магнитострикционный звукопровод с акустическими демпферами на концах, неподвижную катушку возбуждения и подвижную приемную катушку. Для определения момента прихода УЗ волны схема преобразователя содержит детектор амплитудного значения с резистивным делителем на выходе, источник постоянного напряжения, два компаратора напряжения и элемент И-НЕ, подключенный к выходам компараторов. Амплитудное значение принятого сигнала уменьшается в К раз резистивным делителем и используется в первом компараторе в качестве опорного сигнала. Сигнал источника постоянного напряжения используется во втором компараторе в качестве опорного при устранении прохождения сигналов ложных срабатываний первого компаратора, вызванных помехами. Благодаря установке опорного уровня пропорциональным амплитуде сигнала в приемной катушке, уменьшается погрешность при определении момента прихода УЗ волны и повышается точность преобразования. 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2171967
Класс(ы) патента: G01B17/00, G01D5/48
Номер заявки: 99107782/28
Дата подачи заявки: 16.04.1999
Дата публикации: 10.08.2001
Заявитель(и): Уфимский государственный авиационный технический университет
Автор(ы): Ясовеев В.Х.; Исхаков Р.Р.
Патентообладатель(и): Уфимский государственный авиационный технический университет
Описание изобретения: Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах измерения линейного перемещения контролируемого объекта.
Известен ультразвуковой измерительный преобразователь параметров движения (А. С. СССР N 1613855, МКИ5 G 01 B 17/00, 1990 г.), содержащий магнитострикционный звукопровод, стабилизатор растягивающих усилий, акустический демпфер, преобразователь колебаний, приемную катушку, преобразователь напряжения в ток, первый и второй усилитель-формирователь считывания, одновибратор, триггер управления и блок вычисления результата.
Известен ультразвуковой измеритель перемещений (А.С. СССР N 1679187, МКИ5 G 01 B 17/00, 1991 г.), содержащий магнитострикционный звукопровод, первый и второй акустические демпферы, механизм натяжения звукопровода, первую и вторую неподвижные приемные катушки с постоянными магнитами, подвижную катушку возбуждения с постоянным магнитом, одновибратор и блок измерения интервалов времени.
Недостатком приведенных аналогов является наличие в результате преобразования погрешности от затухания ультразвуковой (УЗ) волны в магнитострикционном звукопроводе, сущность которой заключается в следующем. Измерение перемещения контролируемого объекта с помощью магнитострикционных преобразователей линейных перемещений сводятся к измерению времени Tx распространения УЗ волны по магнитострикционному звукопроводу от подмагничиваемой катушки возбуждения (элемента записи) до подмагничиваемой приемной катушки (элемента считывания), охватывающих звукопровод, причем одна из катушек связана с контролируемым объектом и свободно перемещается вдоль магнитострикционного звукопровода, а другая катушка неподвижно закреплена относительно него.
Начало измеряемого интервала времени Tx определяется моментом t0 начала импульса тока возбужденна, подаваемого в катушку возбуждения (фиг. 1, а), а его окончание определяется моментом t1 начала импульса ЭДС в приемной катушке (фиг. 1, б). Однако реально окончание измеряемого интервала времени определяется в момент времени t2 по фронту прямоугольного импульса напряжения (фиг. 1, в), который формируется из усиленного импульса ЭДС в приемной катушке путем сравнения мгновенного значения ЭДС с опорным уровнем напряжения Uоп таким образом, что фронт импульса напряжения совпадает по времени с моментом t2 равенства мгновенного значения ЭДС уровню Uоп (фиг. 1, в) на фронте импульса ЭДС.
Вследствие недостаточно большой крутизны фронта импульса ЭДС между моментами времени t1 и t2 существует некоторый промежуток времени
Δt = t2 - t1.
Таким образом реально производится измерение интервала времени не Tx, а
T'x = Tx + Δt.
При распространении вдоль магнитострикционного звукопровода УЗ волна претерпевает затухание по экспоненциальному закону

где I - интенсивность УЗ волны в точке магнитострикционного звукопровода, лежащей на расстоянии x от точки возбуждения УЗ волны; I0 - интенсивность УЗ волны в точке ее возбуждения; α - коэффициент затухания магнитострикционного материала звукопровода. Таким образом, с увеличением расстояния x между катушкой возбуждения и приемной катушкой интенсивность УЗ волны уменьшается, что вызывает уменьшение амплитуды, а следовательно, и крутизны фронта импульса ЭДС в приемной катушке. Это является причиной возрастания интервала времени Δt (фиг. 1, г).
Следовательно, в результате измерения времени T'x присутствует систематическая погрешность
Δt = T'x-Tx
от затухания УЗ волны в магнитострикционном звукопроводе. Она имеет разное значение при различном расстоянии x между катушкой возбуждения и приемной катушкой, что затрудняет ее компенсацию.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является преобразователь линейных перемещений (А. С. СССР N 1394033, МКИ4 G 01 В 17/00, 1988 г.), содержащий одновибратор, преобразователь напряжения в ток, катушку возбуждения с постоянным магнитом, магнитострикционный звукопровод, приемную катушку с постоянным магнитом, предусилитель, усилитель-формирователь, триггер, генератор, стабилизатор напряжения, коммутатор, первый, второй, третий и четвертый регистры, делитель, компаратор, линию задержки, блок автоматической регулировки усиления (АРУ).
Недостатком прототипа является наличие динамической погрешности в результате преобразования: за время распространения УЗ волны от катушки возбуждения до приемной катушки контролируемый объект может изменить свое положение, в то время как сигнал с блока АРУ, задающий амплитуду текущего импульса тока возбуждения, соответствует положению контролируемого объекта в момент подачи предыдущего, а не текущего импульса тока возбуждения. Поэтому амплитуда следующего импульса ЭДС в приемной катушке будет отличаться от нормированного значения на некоторую величину. Следовательно, из-за перемещения контролируемого объекта величина погрешности Δt также будет отличаться от нормированного значения, что влияет на точность преобразования.
Задачей изобретения является повышение точности преобразования.
Поставленная задача решается тем, что в магнитострикционный преобразователь линейных перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод, первый и второй акустические демпферы, неподвижную катушку возбуждения, подвижную приемную катушку, первый и второй постоянные магниты, последовательно соединенные одновибратор и преобразователь напряжения в ток, выход которого соединен с неподвижной катушкой возбуждения, избирательный усилитель, вход которого соединен с подвижной приемной катушкой, RS триггер, вход установки которого соединен с выходом одновибратора, генератор квантующих импульсов, логический элемент И, первый вход которого соединен с выходом RS триггера, а второй вход соединен с выходом генератора квантующих импульсов, двоичный счетчик, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента И, регистр, информационные входы которого соединены с выходами двоичного счетчика, линию "запуск", соединенную со входом одновибратора, линию "сброс", соединенную со входом предустановки двоичного счетчика, и n-разрядную шину, соединенную с выходами регистра, в отличие от прототипа введены последовательно соединенные детектор амплитудного значения, буферный усилитель и резистивный делитель напряжения, вход детектора амплитудного значения соединен с выходом избирательного усилителя, а вход сброса соединен с линией "сброс", источник постоянного напряжения, первый и второй компараторы напряжения и логический элемент И-НЕ, инвертирующий вход первого компаратора напряжения соединен с выходом резистивного делителя напряжения, неинвертирующие входы первого и второго компараторов напряжения соединены с выходом избирательного усилителя, инвертирующий вход второго компаратора напряжения соединен с выходом источника постоянного напряжения, первый и второй входы логического элемента И-НЕ соединены с выходами первого и второго компараторов напряжения соответственно, а его выход соединен со входом сброса RS триггера и входом разрешения записи регистра.
При затухании УЗ волны в магнитострикционном звукопроводе импульс ЭДС претерпевает пропорциональное сжатие по оси E (фиг. 2), а его длительность Tпрм остается неизменной. Если опорный уровень напряжения Uоп принимать равным величине амплитудного значения импульса ЭДС, поделенной на постоянный коэффициент К, а измерение длительности времени T'x заканчивать в момент равенства мгновенного значения ЭДС опорному уровню напряжения Uоп на спаде импульса ЭДС, то величина Δt погрешности от затухания УЗ волны, равная в данном случае длительности интервала времени между моментом t1 начала импульса ЭДС и моментом t3, когда мгновенное значение ЭДС на спаде импульса равняется опорному уровню напряжения Uоп, остается постоянной и не зависящей от амплитуды Em импульса ЭДС величиной. Это поясняется фиг. 2, на которой изображены два импульса ЭДС с различными амплитудами Em1 и Em2.
Таким образом, истинное время Тx распространения УЗ волны, определяемое выражением
Tx = T'x - Δt,
содержит систематическую аддитивную погрешность Δt, которая легко исключается из результата преобразования путем предварительной записи в двоичный счетчик кода N0.
Сущность погрешности от затухания УЗ волны в магнитострикционном звукопроводе пояснена на фиг. 1. Метод приведения величины погрешности от затухания УЗ волны в магнитострикционном звукопроводе к постоянному значению пояснен на фиг. 2.
Устройство поясняется чертежами. На фиг. 3 изображена функциональная схема устройства, а на фиг. 4 - временные диаграммы его работы.
Магнитострикционный преобразователь линейных перемещений содержит магнитострикционный звукопровод 1, первый и второй акустические демпферы 2 и 3, неподвижную катушку возбуждения 4, подвижную приемную катушку 5, первый и второй постоянные магниты 6 и 7, последовательно соединенные одновибратор 8 и преобразователь 9 напряжения в ток (ПНТ), выход которого соединен с неподвижной катушкой возбуждения 4, избирательный усилитель 10, вход которого соединен с подвижной приемной катушкой 5, RS триггер 11, вход установки которого соединен с выходом одновибратора 8, генератор 12 квантующих импульсов (ГКИ), логический элемент 13 И, первый вход которого соединен с выходом RS триггера 11, а второй вход соединен с выходом ГКИ 12, двоичный счетчик 14, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента 13 И, регистр 15, информационные входы которого соединены с выходами двоичного счетчика 14, линию 16 "запуск", соединенную со входом одновибратора 8, линию 17 "сброс", соединенную со входом предустановки двоичного счетчика 14, n-разрядную шину 18, соединенную с выходами регистра 15, последовательно соединенные детектор 19 амплитудного значения, буферный усилитель 20 и резистивный делитель 21 напряжения, вход детектора 19 амплитудного значения соединен с выходом избирательного усилителя 10, а вход сброса соединен с линией 17 "сброс", источник 22 постоянного напряжения, первый и второй компараторы напряжения 23 и 24 и логический элемент 25 И-НЕ, инвертирующий вход первого компаратора 23 напряжения соединен с выходом резистивного делителя 21 напряжения, неинвертирующие входы первого и второго компараторов напряжения 23 и 24 соединены с выходом избирательного усилителя 10, инвертирующий вход второго компаратора напряжения 24 соединен с выходом источника постоянного напряжения 22, первый и второй входы логического элемента 25 И-НЕ соединены с выходами первого и второго компараторов напряжения 23 и 24 соответственно, а его выход соединен со входом сброса RS триггера 11 и входом разрешения записи регистра 15.
Устройство работает следующим образом.
По сигналу высокого уровня, поступающему по линии 17 "сброс" (фиг. 4, а), устройство приводится в начальное состояние: сбрасывается в ноль напряжение на выходе детектора 19 амплитудного значения (фиг. 4, д), а на выходе двоичного счетчика 14 появляется двоичный n-разрядный код N0.
Цикл преобразования начинается с подачи импульса высокого уровня по линии 16 "запуск" (фиг. 4, б). По этому импульсу одновибратор 8 генерирует прямоугольный импульс напряжения (фиг. 4, в) калиброванной длительности. Этот импульс в ПНТ 9 преобразуется в импульс тока той же длительности, который, поступая в неподвижную катушку 4 возбуждения, возбуждает в магнитострикционном звукопроводе 1 две УЗ волны, распространяющиеся по нему влево и вправо.
Одновременно по фронту импульса с выхода одновибратора 8 устанавливается в единичное состояние RS триггер 11 (фиг. 4, л). Логический элемент 13 И открывается и на счетный вход двоичного счетчика 14 начинают поступать квантующие импульсы (фиг. 4, м) с выхода ГКИ 12, имеющие период следования (фиг. 4, к).
УЗ волна, распространяющаяся вдоль магнитострикционного звукопровода 1 влево, рассеивается на акустическом демпфере 2.
УЗ волна, распространяющаяся вдоль магнитострикционного звукопровода 1 вправо, через время

где X - расстояние между неподвижной катушкой 4 возбуждения и подвижной приемной катушкой 5, V - скорость распространения УЗ волны вдоль магнитострикционного звукопровода 1, после возбуждения достигает места расположения подвижной приемной катушки 5 и наводит в ней импульс ЭДС колоколообразной формы. Далее УЗ волна рассеивается на акустическом демпфере 3.
Импульс ЭДС в подвижной приемной катушке 5 усиливается избирательным усилителем 10 (фиг. 4, г), напряжение с которого, представляющее усиленный импульс ЭДС, поступает на вход детектора 19 амплитудного значения. Напряжение на выходе последнего повторяет мгновенное значение усиленного импульса ЭДС с выхода избирательного усилителя 10 до тех пор, пока не достигнет амплитудного значения Em усиленного импульса ЭДС. После начала спада мгновенного значения усиленного импульса ЭДС на выходе детектора 19 амплитудного значения присутствует напряжение, равное Em (фиг. 4, д). Это напряжение поступает на буферный усилитель 20, который имеет единичный коэффициент усиления и большое значение входного сопротивления и введен для исключения влияния входного сопротивления резистивного делителя 21 напряжения на работу детектора 19 амплитудного значения. Напряжение с выхода буферного усилителя 20 делится в резистивном делителе 21 напряжения на постоянный коэффициент деления К (фиг. 4, е) и поступает на инвертирующий вход первого компаратора 23 напряжения, задавая таким образом опорный уровень напряжения

с которым будет производится сравнение мгновенного значения усиленного импульса ЭДС.
Одновременно усиленный импульс ЭДС с выхода избирательного усилителя 10 поступает на неинвертирующий вход второго компаратора 24 напряжения. До момента времени, когда мгновенное значение усиленного импульса ЭДС становится больше некоторого максимального уровня напряжения шумов Uш, который задается источником 22 постоянного напряжения, напряжение на выходе второго компаратора 24 напряжения имеет низкий уровень (фиг. 4, ж) и логический элемент 25 И-НЕ находится в закрытом состоянии: напряжение на его выходе имеет высокий уровень (фиг. 4, и). Таким образом исключается прохождение ложных срабатываний первого компаратора 23 напряжения на RS триггер 11 через логический элемент 25 И-НЕ. Ложные срабатывания первого компаратора 23 напряжения могут быть вызваны помехами в подвижной приемной катушке 5, избирательном усилителе 10, детекторе 19 амплитудного значения, буферном усилителе 20 и резистивном делителе 21 напряжения.
С момента времени, когда мгновенное значение усиленного импульса ЭДС превышает уровень Uш, напряжение на выходе второго компаратора 24 напряжения принимает высокий уровень (фиг. 4, ж), по которому открывается логический элемент 25 И-НЕ. С этого момента времени информация с выхода первого компаратора 23 напряжения является достоверной, а напряжение на его выходе имеет высокий уровень, потому что напряжение на его инвертирующем входе, поступающее с выхода резистивного делителя 21 напряжения, меньше напряжения на его неинвертирующем входе, поступающего с выхода избирательного усилителя 10. По высокому уровню напряжения с выхода первого компаратора 23 напряжения напряжение на выходе логического элемента 25 И-НЕ переходит в низкий уровень (фиг. 4, и).
Через время
T'x = Tx + Δt,
где величина погрешности Δt от затухания УЗ волны в магнитострикционном звукопроводе имеет постоянное значение, которое не зависит от текущего положения контролируемого объекта и его скорости перемещения, после возбуждения УЗ волны мгновенное значение усиленного импульса ЭДС становится меньше опорного уровня напряжения Uоп и напряжение на выходе первого компаратора 23 напряжения принимает низкий уровень (фиг. 4, з), что вызывает переход напряжения на выходе логического элемента 25 И-НЕ из низкого в высокий уровень (фиг. 4, и).
По переходу напряжения на выходе логического элемента И-НЕ из низкого в высокий уровень RS триггер 11 переходит в нулевое состояние (фиг. 4, л), логический элемент 13 И закрывается и на счетный вход двоичного счетчика 14 перестают поступать квантующие импульсы с выхода ГКИ 12 (фиг. 4, м). На выходе двоичного счетчика 14 в этот момент присутствует двоичный n-разрядный код
N = N1 - (Nmax-N0+1), (1)
где N1 = E((T'x + τ • fкв) - количество квантующих импульсов, уложившихся в интервал времени T'x, Nmax = 11...12 - максимально возможный двоичный код на выходе счетчика 14, N0 = Nmax- E = ((Δt+τ)•fкв)+1 - код, который появляется на выходах двоичного счетчика 14 после подачи сигнала "Сброс", где E (•) - целая часть выражения, τ - суммарное время задержки сигнала, создаваемое ПНТ 9, избирательным усилителем 10, первым компаратором 23 напряжения и логическим элементом 25 И-НЕ.
Одновременно по переходу напряжения на выходе логического элемента 25 И-НЕ из низкого уровня в высокий в регистр 15 записывается код N (фиг. 4, н). Далее этот код присутствует на n-разрядной шине 18.
С момента времени, когда мгновенное значение усиленного импульса ЭДС становится меньше уровня Uш, напряжение на выходе второго компаратора 24 напряжения принимает низкий уровень (фиг. 4, ж) и логический элемент 25 И-НЕ закрывается. С этого момента времени информация с выхода первого компаратора 23 напряжения не является достоверной.
На этом цикл преобразования заканчивается.
Подставляя в (1) выражения для N1 и N0, получаем:

Таким образом, благодаря тому, что опорный уровень напряжения Uоп, с которым сравнивается мгновенное значение ЭДС в приемной катушке, устанавливается пропорциональным амплитуде Em, а двоичный счетчик 14 подсчитывает квантующие импульсы с выхода ГКИ 19, начиная со значения N0, код N несет информацию об истинном времени Tx распространения УЗ волны от неподвижной катушки возбуждения 4 до подвижной приемной катушки 5.
Итак, заявленное изобретение позволяет повысить точность преобразования линейного перемещения.
Формула изобретения: Магнитострикционный преобразователь линейных перемещений, содержащий магнитострикционный звукопровод, первый и второй акустические демпферы, неподвижную катушку возбуждения, подвижную приемную катушку, первый и второй постоянные магниты, последовательно соединенные одновибратор и преобразователь напряжения в ток, выход которого соединен с неподвижной катушкой возбуждения, избирательный усилитель, вход которого соединен с подвижной приемной катушкой, RS триггер, вход установки которого соединен с выходом одновибратора, генератор квантующих импульсов, логический элемент И, первый вход которого соединен с выходом RS триггера, а второй вход соединен с выходом генератора квантующих импульсов, двоичный счетчик, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента И, регистр, информационные входы которого соединены с выходами двоичного счетчика, линию "запуск", соединенную со входом одновибратора, линию "сброс", соединенную со входом предустановки двоичного счетчика и n-разрядную шину, соединенную с выходами регистра, отличающийся тем, что в него также введены последовательно соединенные детектор амплитудного значения, буферный усилитель и резистивный делитель напряжения, вход детектора амплитудного значения соединен с выходом избирательного усилителя, а вход сброса соединен с линией "сброс", источник постоянного напряжения, первый и второй компараторы напряжения и логический элемент И - НЕ, инвертирующий вход первого компаратора напряжения соединен с выходом резистивного делителя напряжения, неинвертирующие входы первого и второго компараторов напряжения соединены с выходом избирательного усилителя, инвертирующий вход второго компаратора напряжения соединен с выходом источника постоянного напряжения, первый и второй входы логического элемента И - НЕ соединены с выходами первого и второго компараторов напряжения соответственно, а его выход соединен со входом сброса RS триггера и входом разрешения записи регистра.