ультразвуковой преобразователь угла наклона

Формула изобретения

Ультразвуковой преобразователь угла наклона, содержащий цилиндрический корпус с закрепленным в верхней его части через сферический шарнир маятником, генератор опросных импульсов, триггер и блок индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей за счет одновременного вычисления знака угловых перемещений, маятник выполнен в виде прямолинейного звукопровода из магнитострикционного материала, а в устройство дополнительно введены установленные последовательно сверху вниз на звукопроводе акустический поглотитель, сосредоточенный магнитострикционный преобразователь с неподвижным постоянным магнитом, распределенный магнитострикционный преобразователь и кольцевой поляризатор, усилители записи и считывания, балансный и цифровой компараторы, аналого-цифровой преобразователь, регистр, блок памяти и шина управления, шина данных, шина синхронизации и шина знака перемещения, при этом кольцевой поляризатор расположен внутри корпуса и выполнен с возможностью перемещения вдоль обмотки распределенного магнитострикционного преобразователя, выводы которого подключены к выходам усилителя записи, к входу которого, единичному входу триггера, нулевому входу блока памяти, синхровходу регистра и шине синхронизации подключен выход генератора опросных импульсов, вход которого подключен к шине управления, выводы сосредоточенного магнитострикционного преобразователя соединены с входами усилителя считывания, выход которого подключен к первым входам балансного компаратора и блока памяти, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к шине данных, первым входам цифрового компаратора и информационным входам регистра, выходы которого соединены с вторыми входами цифрового компаратора, выходы которого подключены к шине знака перемещения, причем индикатор соединен с выходом триггера, к синхровходу которого подключен выход балансного компаратора, второй вход которого подключен к шине порогового напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения и контроля двухкоординатных угловых перемещений объекта.

Известен преобразователь угла наклона, выбранный в качестве прототипа, который содержит груз в виде пустотелого усеченного корпуса, нить подвеса, устройство перемещения, центрирующее отверстие, четыре неподвижных пластины-электроды, корпус, переключающее устройство, ВЧ-генератор, частотомер, блок управления, блок времени, транскриптор и записывающее устройство [1]

Основными недостатками известного устройства являются недостаточные точностные характеристики и функциональные возможности. Это объясняется тем, что влияние дестабилизирующих факторов среды, например акустических помех, вызывают увеличение погрешности измерения угловых перемещений объекта. В известном устройстве не предусмотрены технические средства для вычисления знака угловых перемещений объекта, что также ограничивает область использования устройства.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей за счет уменьшения влияния дестабилизирующих факторов среды и вычисления знака угловых перемещений.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом преобразователе угла наклона, содержащем цилиндрический корпус с закрепленным в верхней его части через сферический шарнир маятником, генератор опросных импульсов, триггер и блок индикации, маятник выполнен в виде прямолинейного звукопровода из магнитострикционного материала, а в устройство дополнительно введены установленные последовательно сверху вниз на звукопроводе акустический поглотитель, приемное звено с неподвижным постоянным магнитом, излучающее звено и кольцевой постоянный магнит, усилители записи и считывания, балансный и цифровой компараторы, аналого-цифровой преобразователь, регистр, блок памяти, шина управления, шина данных, шина синхронизации и шина знака перемещения, при этом приемное и излучающее звенья выполнены в виде соответственно первой и второй катушек индуктивности, а кольцевой постоянный магнит расположен внутри корпуса и выполнен с возможностью перемещения вдоль обмотки второй катушки индуктивности, выводы которой подключены к выходам усилителя записи, ко входу которого, единичному входу триггера, нулевому входу блока памяти, синхровходу регистра и шине синхронизации подключен выход генератора опросных импульсов, вход которого подключен к шине управления, выводы первой катушки индуктивности соединены со входами усилителя считывания, выход которого подключен к первым входам балансного компаратора и блока памяти, выход которого соединен со входом аналого-цифровой преобразователя, выходы которого подключены к шине данных, первым входам цифрового компаратора и информационным входам регистра, выходы которого подключены к шине знака перемещения, причем схема индикации соединена с выходом триггера, к синхровходу которого подключен выход балансного компаратора, второй вход которого подключен к шине порогового напряжения.

На фиг. 1 приведена блок-схема ультразвукового преобразователя угла наклона; на фиг.2 основные временные диаграммы, поясняющие его работу.

Ультразвуковой преобразователь угла наклона (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1, в котором размещены прямолинейный магнитострикционный звукопровод 2, акустический поглотитель 3, сферический шарнир 4, сосредоточенный магнитострикционный преобразователь 5 (СМП) с магнитом 6 смещения, распределенный магнитострикционный преобразователь 7 (РМП), поляризатор 8, выполненный в виде кольцевого постоянного магнита, усилитель 9 записи, усилитель 10 считывания, генератор 11 опроса, триггер 12, балансный компаратор 13 с цифровым выходом, схему 14 индикации, блок 15 аналоговой памяти, аналого-цифровой преобразователь 16 (АЦП), буферный регистр 17, цифровой компаратор 18, а также шину 19 управления, n-шины 20 данных, m-шины 21 знака перемещения и шину 22 синхронизации.

Магнитрострикционный звукопровод 2 со свободным концом размещен в корпусе 1 первичного преобразователя параллельно вектору гравитации и кинематически соединен с ним в верхней части через сферический шарнир 4. На этом же конце звукопровода 2 закреплен акустический поглотитель 3. С другой стороны от него закреплен СМП 5 с магнитом 6 смещения, подключенный к входам усилителя 10 считывания. На свободном конце звукопровода 2 закреплен РМП 7, выводы которого подсоединены к выходам усилителя 9 записи. В нижней части корпуса 1 с внутренней поверхности установлен поляризатор 8, выполненный с возможностью перемещения вдоль обмотки РМП 7. Выход генератора 11 опроса соединен с входом усилителя 9 записи, единичным входом триггера 12 и нулевым входом блока 15 памяти. Его выход подключен через АЦП 16 к шинам 20 данных, информационным входам регистра 17 и одним входам цифрового компаратора 18, а вход соединен с входом усилителя 10 считывания и одним входом балансного компаратора 13. На другой его вход подается пороговое напряжение сравнения. Цифровой выход балансного компаратора 13 соединен с синхровходом триггера 12, подключенным к схеме 14 индикации. Вход генератора 11 опроса подключен к шине 19 управления. Выходы регистра 17 соединены с другими входами цифрового компаратора 18, подключенный к шинам 21 знака перемещения. Кроме того, вход генератора 11 опроса подключен к шине 22 синхронизации.

Ультразвуковой преобразователь угла наклона работает следующим образом. Первоначально преобразователь (фиг. 1) находится в исходном состоянии. По шине 19 управления выставляется напряжение управления U_упр, по которому осуществляется запуск генератора 11 опроса и задается частота f_оп=1/T_оп опроса первичного преобразователя (фиг.2,а). По сигналам генератора 11 опроса устанавливается в единичное состояние триггер 12 (фиг.2,д), обнуляется аналоговый блок 15 памяти (фиг.2,е) и возбуждается усилитель 9 записи. На его выходе формируется токовый сигнал записи, которым возбуждается РМП 7, и под поляризатором 8 в среде магнитострикционного звукопровода 2 возбуждается продольная упругая волна. Амплитуда зондирующей упругой волны (фиг.2,б) пропорциональна величине углового отклонения звукопровода 2 от оси вектора гравитации



где K коэффициент пропорциональности, E модуль Юнга, m - магнитная проницаемость материала звукопровода, H напряженность импульсного магнитного поля РМП 7, H_x=H₀exp(-lx) напряженность постоянного магнитного поля поляризатора 8, H₀ его напряженность магнитного поля при a=tg(l_o/l_x)=0, l₀ расстояние от шарнира 4 до поляризатора 8.

Наведенная упругая волна _x распространяется в обе стороны по звукопроводу 2 с фазовой скоростью V_пр. Так, распространяясь в сторону СМП 5, падающая упругая волна ₁=_xexp(-l₁) достигает его через время T₁=l₁/V_пр и наводит на его выводах аналоговый сигнал считывания (фиг.2,в) равный

E_x= -W_обU_пр;

где декремент затухания упругой волны в среде звукопровода 2, l₁ расстояние между поляризатором 8 и СМП 5, W число витков СМП 5, F_об магнитный поток в зоне магнитоупругого преобразователя, создаваемый магнитом 6 смещения и упругой волной который проходит на усилитель 10 считывания и усиливается в K_y раз до величины U_x=K_yE_x. Достигая акустический поглотитель 3, упругая волна в следующий момент времени испытывает полное поглощение. Другая упругая волна s₂=_xexp[-(l₁+2l₂)], распространяясь в сторону свободного конца звукопровода 2, через время T₂=l₂/V_пр достигает его, испытывает отражение без изменения и фазы, и распространяется в сторону СМП 5, который достигает через суммарное время T=(2l₂+l₁)/V_пр, где l₂ - расстояние от свободного конца звукопровода 2 до поляризатора 8. На выводах СМП 5 формируется аналоговый сигнал считывания E_x (фиг.2,в).

С выхода усилителя 10 считывания аналоговый сигнал считывания (2) проходит на входы аналогового блока 15 памяти и балансного компаратора 13, где запоминается U₁=U_x и сравнивается с опорным напряжением U_x-U_пор (фиг.2,в,е). Если U_x>U_пор, на выходе балансного компаратора 13 формируется импульсный сигнал, которым переключается триггер 12 и включает схему 14 индикации (фиг. 2,г,д). Схема 14 индикации вырабатывает световые и звуковые сигналы, информирующие об отклонении от вертикали корпуса 1 преобразователя. Угол наклона кодируется АЦП 16, вырабатывающий n-разрядный код N_x текущего углового отклонения объекта, поступающий далее на информационные входы буферного регистра 17, цифрового компаратора 18 и шины 20 данных, формируя сигнал "Угол наклона".

По очередному сигналу генератора 11 опроса (фиг.2,а) производится запись в буферный регистр 17 кода N_x углового перемещения объекта предыдущего (смежного) цикла преобразования, выставляемый далее на другую группу входов цифрового компаратора 18. В конце очередного цикла преобразования, который выполняется согласно рассмотренного, на выходах АЦП 16 формируется код N_x.1 текущего углового перемещения объекта и сравнивается компаратором 18 для вычисления знака перемещения объекта, а именно



Вычисленный код N_зн в следующий момент подается на m-шины 21 знака перемещения, формируя сигнал "Знак перемещения". В начале каждого цикла преобразования по шине 22 синхронизации выставляется сигнал "Синхронизация" для организации синхронной работы с микропроцессорным пользователем.

Проходя далее по звукопроводу 2, отраженная упругая волна в следующий момент достигает акустический поглотитель 3 и полностью рассеивает на нем свою энергию. Таким образом в акустическом тракте первичного преобразователя устраняется образованием вторичных отраженных волн, накопление которых приводит к снижению помехоустойчивости. При снятии управляющего сигнала по шине 19 управления преобразователь переводится в режим блокирования работы.

Выполнение поляризатора 8 подвижным позволяет установить требуемую чувствительность первичного преобразователя и к угловым двухкоординатным перемещениям объекта. Размещение акустического тракта преобразователя и его вторичного преобразователя в металлическом корпусе 1, подключение звукопровода 2 к корпусу 1 через акустический поглотитель 3 позволяет уменьшить влияние электромагнитных и акустических полей на результирующий сигнал, а значит повысить точность измерения угловых перемещений объекта относительно выбранного прототипа. Вычисление знака угловых перемещений расширяет функциональные возможности преобразователя относительно прототипа, расширяет область использования. А примененный в качестве маятника демпфированный акустический волновод позволяет уменьшить его инерционность, сделать более чувствительным к угловым колебаниям по сравнению с прототипом.