магнитострикционный преобразователь скорости перемещений в код

Формула изобретения

1. Магнитострикционный преобразователь скорости перемещений в код, содержащий ферромагнитный волновод с демпферами на концах, элементы записи и считывания, размещенные у волновода, генератор одиночных импульсов, формирователь импульсов тока записи, усилитель-формирователь импульсов считывания, входом подсоединенный к элементу считывания, генератор тактовых импульсов, первый и второй Т-триггеры, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой элементы И, первый, второй и третий элементы ИЛИ, причем выход усилителя-формирователя импульсов считывания подсоединен к первому входу третьего элемента И, выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, счетчик импульсов, реверсивный счетчик и элемент ИЛИ - НЕ, причем прямые выходы Т-триггеров соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов И, прямой выход первого триггера соединен с первым входом шестого элемента И, выходы первого и второго Т-триггеров соединены соответственно со вторыми входами второго и первого элементов И, третьи входы которых подсоединены к выходу генератора тактовых импульсов, а выходы четвертого, первого и второго элементов И подключены соответственно к первому входу третьего элемента ИЛИ, вычитающему и суммирующему входам реверсивного счетчика, выходы которого подсоединены к входам элемента ИЛИ - НЕ, отличающийся тем, что в него введены блок управления, шины запуска и останова, третий, четвертый и пятый Т-триггеры и операционный блок, причем волновод своими концами подсоединен к выходу формирователя импульсов тока записи, один элемент записи выполнен неподвижным и установлен у одного из демпферов, а неподвижный элемент считывания установлен у другого демпфера и между ними размещен подвижный элемент записи, кинематически соединенный с объектом, причем в качестве элементов записи использованы постоянные магниты, намагниченные вдоль волновода, а в качестве элемента считывания использован магнитострикционный преобразователь крутильных волн механического напряжения в э.д.с. , при этом выход усилителя-формирователя импульсов считывания соединен со счетным входом третьего Т-триггера, прямой выход которого подключен к первому входу четвертого элемента И и к счетному входу четвертого Т-триггера, а инверсный выход третьего Т-триггера соединен со вторым входом третьего элемента И, выход первого элемента ИЛИ подсоединен к счетному входу первого Т-триггера, прямой выход четвертого Т-триггера подсоединен к четвертому входу блока управления, первый, второй и третий входы которого подсоединены к выходу генератора одиночных импульсов, шине останова и к выходу генератора тактовых импульсов соответственно, вход генератора одиночных импульсов соединен с шиной запуска, первый и второй выходы блока управления подсоединены к входу обнуления и к входу сигнала переноса операционного блока соответственно, третий выход блока управления подключен к R-входам с первого по пятый Т-триггеров и к входам обнуления счетчика импульсов и реверсивного счетчика, четвертый выход блока управления подсоединен ко входу формирователя импульса тока записи и к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен со счетным входом второго Т-триггера, инверсный выход четвертого Т-триггера соединен со вторым входом четвертого элемента И, третий вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, ко второму входу третьего элемента ИЛИ подсоединен выход второго элемента И, при этом выход третьего элемента ИЛИ подсоединен к первому входу пятого элемента И, ко второму входу которого подключен инверсный выход пятого Т-триггера, счетный вход которого соединен со вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ и с выходом шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ - НЕ, выход пятого элемента И соединен со входом счетчика импульсов, выходы счетчика импульсов и реверсивного счетчика подключен к операционному блоку.

2. Магнитострикционный преобразователь скорости перемещений в код по п. 1, отличающийся тем, что блок управления содержит RS-триггер, элемент И, делитель числа импульсов, первый и второй элементы ИЛИ и триггер Шмидта, причем S-вход RS-триггера подсоединен к первому входу блока управления, к первым входам первого и второго элементов ИЛИ и к первому выходу блока управления, выход RS-триггера подключен к первому входу элемента И, второй вход которого подсоединен к третьему входу блока управления, а выход через делитель числа импульсов соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с четвертым выходом блока управления, второй вход которого соединен с R-входом RS-триггера, второй выход блока управления подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ и выходу триггера Шмидта, вход которого соединен с четвертым входом блока управления, выход второго элемента ИЛИ соединен с третьим выходом блока управления.

3. Магнитострикционный преобразователь скорости перемещений в код по п. 1, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены кольцевыми, цилиндрическими и размещены соосно с волноводом, механически не контактируя с ним.

4. Магнитострикционный преобразователь скорости перемещений в код по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что волновод выполнен трубчатым, а внутри него размещен токопровод, концы которого подсоединены к выходу формирователя импульсов тока записи, причем токопровод электрически изолирован от волновода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике, в частности, к устройствам преобразования скорости перемещения в код.

Известен магнитострикционный преобразователь линейных перемещений в код, содержащий звукопровод с двумя демпферами на концах, подвижную катушку записи и две катушки считывания с постоянными магнитами смещения, тактовый генератор, формирователь импульсов записи, два усилителя-формирователя импульсов считывания, три RS-триггера, элементы И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, генератор образцовой частоты и счетчик [Авторское свидетельство СССР N 1109778, кл. H 03 М 1/22, 1983 г.].

Недостатком известного преобразователя является ограниченная точность из-за влияния изменения скорости распространения упругой волны в звукопроводе, например, от изменения температуры, и низкая надежность из-за подвижных токоподводов к подвижным катушкам записи и считывания.

Наиболее близким к изобретению является магнитострикционный преобразователь скорости перемещения в код, содержащий звукопровод, три глушителя, два входных и два выходных магнитострикционных преобразователя, два усилителя записи, два усилителя считывания, пять элементов ИЛИ, шесть элементов И, элемент НЕ, дешифратор, счетчик, два триггера, реверсивный счетчик, элемент ИЛИ-НЕ, регистр кода скорости перемещения, генератор одиночного импульса и элемент задержки [Авторское свидетельство СССР N 1387197, кл. H 03 М 1/26, 1/50, 1988 г. (прототип)].

Однако наличие подвижных катушек записи и считывания затрудняет реализацию преобразователя при больших диапазонах перемещений и снижает его надежность.

Целью изобретения является повышение надежности устройства.

Для этого в магнитострикционный преобразователь скорости перемещения в код, содержащий ферромагнитный волновод с демпферами на концах, элементы записи и считывания, размещенные у волновода, генератор одиночных импульсов, формирователь импульсов тока записи, усилитель-формирователь импульсов считывания, входом подсоединенный к элементу считывания, генератор тактовых импульсов, первый и второй Т-триггеры, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой элементы И, первый, второй и третий элементы ИЛИ, причем выход усилителя-формирователя импульсов считывания подсоединен к первому входу третьего элемента И, выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, счетчик импульсов, реверсивный счетчик и элемент ИЛИ-НЕ, причем прямые выходы Т-триггеров соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов И, прямой выход первого триггера соединен с первым входом шестого элемента И, инверсные выходы первого и второго Т-триггеров соединены соответственно со вторыми входами второго и первого элементов И, третьи входы которых подсоединены к выходу генератора тактовых импульсов, выходы четвертого, первого и второго элементов И подключены соответственно к первому входу третьего элемента ИЛИ, вычитающему и суммирующему входам реверсивного счетчика, выходы которого подсоединены к входам элемента ИЛИ-НЕ, введены блок управления, шины запуска и останова, третий, четвертый и пятый Т-триггеры и операционный блок, причем волновод своими концами подсоединен к выходу формирователя импульсов тока записи, один элемент записи выполнен неподвижным и установлен у одного из демпферов, а неподвижный элемент считывания установлен у другого демпфера, и между ними размещен подвижный элемент записи, кинематически соединенный с объектом, причем в качестве элементов записи использованы постоянные магниты, намагниченные вдоль волновода, а в качестве элемента считывания использован магнитострикционный преобразователь крутильных волн механического напряжения в ЭДС, при этом выход усилителя-формирователя импульсов считывания соединен со счетным входом третьего Т-триггера, прямой выход которого подключен к первому входу четвертого элемента И и к счетному входу четвертого Т-триггера, а инверсный выход третьего Т-триггера соединен со вторым входом третьего элемента И, выход первого элемента ИЛИ подсоединен к счетному входу первого Т-триггера, прямой выход четвертого Т-триггера подсоединен к четвертому входу блока управления, первый, второй и третий входы которого подсоединены к выходу генератора одиночных импульсов, шине останова и к выходу генератора тактовых импульсов соответственно, вход генератора одиночных импульсов соединен с шиной запуска, первый и второй выходы блока управления подсоединены к входу обнуления и к входу сигнала переноса операционного блока соответственно, третий выход блока управления подключен к R-входам с первого по пятый Т-триггеров и к входам обнуления счетчика импульсов и реверсивного счетчика, четвертый выход блока управления подсоединен ко входу формирователя импульса тока записи и к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен со счетным входом второго Т-триггера, инверсный выход четвертого Т-триггера соединен со вторым входом четвертого элемента И, третий вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, ко второму входу третьего элемента ИЛИ подсоединен выход второго элемента И, при этом выход третьего элемента ИЛИ подсоединен к первому входу пятого элемента И, ко второму входу которого подключен инверсный выход пятого Т-триггера, счетный вход которого соединен со вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ и с выходом шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ-НЕ, выход пятого элемента И соединен со входом счетчика импульсов, выходы счетчика импульсов и реверсивного счетчика подключены к операционному блоку.

В магнитострикционном преобразователе скорости перемещений в код блок управления содержит RS-триггер, элемент И, делитель числа импульсов первый и второй элементы ИЛИ и триггер Шмидта, причем S-вход RS-триггера подсоединен к первому входу блока управления, к первым входам первого и второго элементов ИЛИ и к первому выходу блока управления, выход RS-триггера подключен к первому входу элемента И, второй вход которого подсоединен к третьему входу блока управления, а выход через делитель числа импульсов соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с четвертым выходом блока управления, второй вход которого соединен с R-входом RS-триггера, второй выход блока управления подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ и выходу триггера Шмидта, вход которого соединен с четвертым входом блока управления, выход второго элемента ИЛИ соединен с третьим выходом блока управления.

Кроме того, в магнитострикционном преобразователе скорости перемещений в код постоянные магниты выполнены кольцевыми, цилиндрическими и размещены соосно с волноводом, механически не контактируя с ним, а сам волновод выполнен трубчатым, а внутри него размещен токопровод, концы которого подсоединены к выходу формирователя импульсов тока записи, причем токопровод электрически изолирован от волновода.

На фиг. 1 приведена структурная схема магнитострикционного преобразователя скорости перемещений в код, на фиг.2 - схема блока управления, на фиг.3 - конструкция датчика скорости преобразователя, когда каналы записи и считывания электрически изолированы друг от друга.

Магнитострикционный преобразователь скорости перемещений в код (фиг.1) содержит ферромагнитный волновод 1, концы которого помещены в демпферы 4 и 4а, подвижный элемент записи - постоянный магнит 2, кинематически соединенный с объектом, неподвижный элемент записи - постоянный магнит 2а, размещенный у демпфера 4а, неподвижный элемент 3 считывания, размещенный на волноводе 1 у демпфера 4, шины "запуск" и "останов", генератор 6 одиночных импульсов, блок 7 управления, генератор 8 тактовых импульсов, формирователь 9 импульсов тока записи, первый 21, второй 22, третий 10, четвертый 14, пятый 32 и шестой 34 элементы И, усилитель-формирователь 11 импульсов считывания, первый 19, второй 20, третий 12, четвертый 13 и пятый 33 Т-триггеры, первый 17, второй 18 и третий 15 элементы ИЛИ, счетчик 16 импульсов и реверсивный счетчик 23, элемент 24 ИЛИ-НЕ, и операционный блок 25.

Блок 7 управления (фиг.2) содержит RS-триггер 26, элемент 27 И, делитель 28 числа импульсов, коэффициент деления которого m, первый 29 и второй 31 элементы ИЛИ и триггер Шмидта 30.

Волновод (фиг. 3) содержит ферромагнитную трубку 1, внутри которой размещен токопровод 5. Кольцевые постоянные магниты 2 и 2а выполнены цилиндрическими, они намагничены по образующей и механически не контактируют с волноводом. Элементы 1, 2, 2а, 3, 4, 4а (фиг.1) и 1, 2, 2а, 3, 4, 4а и 5 (фиг. 3) образуют датчик скорости преобразователя.

Расстояние между подвижным элементом 2 записи и неподвижным элементом 3 считывания, равно X, а расстояние между неподвижными элементами записи 2а и считывания 3 равно X₀.

Устройство работает следующим образом.

По команде, поступающей по шине "запуск" генератор 6 одиночных импульсов формирует одиночный импульс, который запускают в работу блок 7 управления.

На первом выходе блока 7 управления появляется импульс, который обнуляет регистр операционного блока 25. На третьем выходе блока 7 управления возникает импульс, который устанавливает первый 19, второй 20, третий 12, четвертый 13 и пятый 33 Т-триггеры в исходное состояние : на прямых выходах первого, второго и третьего Т-триггеров действуют для первого 21, второго 22, четвертого 14 и шестого 34 элементов И запрещающие уровни напряжения, а на инверсных выходах третьего 12 и пятого 33 Т-триггеров действует для третьего 10 и пятого 32 элементов И разрешающие уровни напряжения; этот импульс также обнуляет счетчик импульсов 16 и реверсивный счетчик 23.

Одновременно с этим в блоке 7 управления RS-триггер 26 устанавливается в состояние, когда на первом входе элемента 27 И появляется разрешающий уровень напряжения и импульсы с выхода тактового генератора 8 через вход 3 блока 7 управления начинают поступать на вход делителя 28 числа импульсов.

Кроме того, на четвертом выходе блока 7 управления возникает первый импульс цикла записи.

Первый импульс цикла записи через второй 18 элемент ИЛИ переводят второй 20 Т-триггер в состояние, когда на первом входе второго 22 элемента И возникает разрешающий, а на втором входе первого 21 элемента И запрещающий уровни напряжения и импульсы с выхода тактового генератора импульсов 8, период повторения которых T₀, через второй 22 элемент И начинают поступать соответственно на суммирующий вход реверсивного счетчика 23 и через третий 15 элемент ИЛИ и пятый 32 элемент И на вход счетчика 16 импульсов.

Одновременно с этим импульс цикла записи запускает формирователь 9 импульсов тока записи. Импульсы тока записи возбуждают в волноводе 1 под постоянными магнитами 2 и 2а импульсы крутильной волны механического напряжения (прямой эффект Видемана), которые распространяются вдоль волновода со скоростью V_k в обе стороны от места их возбуждения. При их прохождении под элементом 3 считывания, в нем последовательно через время t1 и t0 от момента возбуждения

t1=X/V_k (1)

t0-X₀/V_k (2)

возникнут первый и второй импульсы ЭДС считывания (обратный эффект Видемана). Распространяясь далее вправо импульсы механического напряжения, как и импульсы механического напряжения, которые распространились от места возникновения влево, доходят соответственно до демпферов 4 и 4а, где и затухают.

Первый же импульс ЭДС считывания с выхода элемента считывания 3 после усиления усилителем-формирователем 11 импульсов через третий 10 элемент И и первый 17 элемент ИЛИ переведет первый 19 Т-триггер в состояние, когда на первом входе первого 21 элемента И и втором входе второго 22 элемента И появятся соответственно разрешающий и запрещающий уровни напряжений, второй 22 элемент И закрывается : на счетный вход реверсивного счетчика 23 и на вход счетчика 16 импульсов через второй 22 элемент И перестанут поступать тактовые импульсы.

За время t1в реверсивном счетчике 23 и в счетчике 16 импульсов будет записано число

N1 = t1/T0 = X/(V_k T0). (3)

Одновременно с этим, первый импульс с выхода усилителя-формирователя 11 импульсов считывания переведет третий 12 Т-триггер в состояние, когда на первом входе четвертого 14 элемента И появится разрешающий, а на втором входе третьего 10 элемента И появится запрещающий уровни напряжения. Так как на втором входе четвертого 14 элемента И также имеется разрешающий уровень напряжения с инверсного выхода четвертого 13 Т-триггера, то импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 8 будут продолжать поступать на вход счетчика импульсов 16, но уже соответственно через элементы четвертый 14 И, третий 15 ИЛИ и пятый 32 И.

Второй импульс ЭДС, возникший на выходе элемента считывания 3 через время t0 (от элемента записи 2а) после усиления усилителем-формирователем 11 импульсов считывания перебросит третий 12 Т-триггер в первоначальное состояние, а четвертый 13 Т-триггер перейдет в состояние, когда на втором входе четвертого 14 элемента И появится запрещающий уровень. Четвертый 14 элемент И закроется и прекратится поступление импульсов от генератора тактовых импульсов 8 на вход счетчика 16 импульсов.

За время t0-t1 на вход счетчика импульсов 16 поступит

N0-N1-X0/(V_kT0)-X/(V_kT0) = NO (4)

тактовых импульсов, а всего на вход счетчика импульсов 16 поступит

(N0-N1)+N1=X0/(V_kT0) (5)

тактовых импульсов, число которых пропорционально расстоянию X0.

Через время Тц, равное

Тц = mT0=X0/V_k, (6)

на четвертом выходе блока 7 управления появится второй импульс цикла записи (второй такт работы), он через второй 18 элемент ИЛИ переведет второй Т-триггер в исходное состояние - на втором входе первого 21 элемента И появится разрешающий уровень напряжения и импульсы от генератора тактовых импульсов 8 начнут поступать через первый 21 элемент И на вычитающий вход реверсивного счетчика 23. Одновременно с этим, на выходе формирователя 9 импульсов тока записи снова появится второй импульс тока записи, который снова возбудит в волноводе в местах расположения элементов записи 2 и 2а третий и четвертый крутильные импульсы механического напряжения, которые достигнут элемента 3 считывания через время соответственно равное t2 и t0

t2 = (X-X)/Vк (7)

где

X = TцV0 (8)

- перемещение элемента записи 2 за время цикла Тц вправо;

- V0-скорость перемещения объекта.

На выходе элемента считывания 3 возникнут третий и четвертый импульсы ЭДС соответственно. Третий импульс ЭДС с выхода элемента 3 считывания через время t2 поступит на вход усилителя-формирователя импульсов считывания 11 и после него через третий 10 элемент И и первый 17 ИЛИ переведет первый 19 Т-триггер в исходное состояние: на первом входе первого 21 элемента И появится запрещающий уровень напряжения и поступление импульсов с выхода генератора тактовых импульсов 8 на вычитающий вход реверсивного счетчика 23 прекратится.

За время t2 на вычитающий вход реверсивного счетчика 23 поступит N2 импульсов

N2 = (X-X)/(VкT0) (9)

За оба такта работы в реверсивном счетчике будет зафиксировано число

N = N1-N2 = X/(VкT0) = mV0/Vк (10)

пропорциональное скорости перемещения объекта V0.

Одновременно с этим третий импульс ЭДС с выхода усилителя-формирователя импульсов считывания 11 переведет третий 12 Т-триггер в единичное состояние, когда на втором входе третьего 10 элемента И снова появится запрещающий уровень напряжения.

Четвертый импульс ЭДС с выхода усилителя-формирователя импульсов считывания 11 через время t0 -12 возвратит третий 12 и четвертый 13 Т-триггеры в исходное состояние; на прямом выходе четвертого 13 Т-триггера сформируется перепад напряжения, который поступает на четвертый вход блока управления 7 и запускает триггер Шмидта 30, после чего на втором выходе блока 7 управления сформируется импульс записи чисел N0 и N с выходов счетчика импульсов 16 и реверсивного счетчика 23 в соответствующие регистры операционного блока 25.

В операционном блоке 25 реализуется операция деления

Q = N/N0 = (mT0V0)/X0 = C1V0 (11)

и код на его выходе прямо пропорционален скорости V0 объекта и не зависит от скорости распространения V_k крутильной волны механического напряжения в волноводе.

После срабатывания триггера Шмидта 30, задним фронтом его импульса через второй 31 элемит ИЛИ с третьего выхода блока 7 управления производится установка с первого по пятый Т-триггеров в исходное состояние и обнуление счетчика импульсов 16 и реверсивного счетчика 23.

Через время Тц на четвертом выходе блока 7 управления снова появляется импульс цикла записи и работа магнитострикционного преобразователя скорости перемещений в код повторяется.

Если в какой-то момент времени V0= 0, то t1=t2, а, следовательно, и N = 0. На выходе операционного блока будет формироваться код скорости, равный нулю. Если объект изменит направление перемещения на противоположное - объект начнет перемещатся влево, то t2 > t1. N2 > N1 и в режиме вычитания в момент времени, когда код на разрядных выходах реверсивного счетчика 23 становится равным нулю, на выходе элемента 24 ИЛИ-НЕ появится уровень напряжения, разрешающий для шестого 34 элемента И, а так как на втором входе этого элемента также действует разрешающий уровень напряжения, то на его выходе возникает импульс, который через элементы первый 17 и второй 18 ИЛИ поступает на счетные входы первого 19 и второго 20 Т-триггеров и переводит их в состояние, когда первый 21 элемент И будет закрыт запрещающим потенциалом с прямого выхода первого 19 Т-триггера, а второй 22 элемент И будет открыт разрешающим потенциалом с прямого выхода второго 20 Т-триггера и инверсного выхода первого 19 Т-триггера. Это приведет к реверсированию работы реверсивного счетчика 23 - он из режима вычитания перейдет в режим суммирования. Суммирование будет продолжаться до момента появления третьего импульса ЭДС считывания с выхода усилителя-формирователя импульсов считывания 11 через открытый третий 10 элемент И и первый 17 элемент ИЛИ.

Под действием этого импульса первый 19 Т-триггер переключается, после чего первый 21 и второй 22 элементы И закрываются.

На выходе реверсивного счетчика 23 опять будет записано число



Кроме того/сигнал с выхода шестого 34 элемента И опрокидывает пятый 33 Т-триггер в результате чего на втором входе пятого 32 элемента И появится запрещающий уровень напряжения, препятствующий поступлению тактовых импульсов с выхода третьего 15 элемента И на вход счетчика импульсов 16 после реверсирования работы реверсивного счетчика 23.

Наконец, импульс выхода шестого 34 элемента И заносится также в регистр кода скорости операционного блока 25, формируя знак направления движения объекта (высокий уровень сигнала на выходе шестого 34 элемента И соответствует движению объекта влево).

Таким образом, на выходе операционного блока 25 формируется код числа, пропорциональный скорости V0 движения объекта, и код направления его движения.

При подаче сигнала по шине "останов" на второй вход блока 7 управления, работа магнитострикциониого преобразователя скорости перемещения в код прекращается, так как RS-триггер 26 блока 7 управления возвратится в исходное состояние. Тогда на первом входе первого 27 элемента блока 7 управления появится запрещающий уровень натяжения и поступления импульсов с выхода генератора тактовых импульсов 8 на вход делителя числа импульсов 28 прекратится.

Магнитострикционный преобразователь скорости перемещений в код имеет повышенную надежность вследствие того, что:

- в нем отсутствуют подвижные токоподводы к подвижному элементу записи,

- конструкция элемента записи в виде цилиндрического кольцевого постоянного магнита обеспечивает неизменность величины намагничивающего поля, а следовательно и амплитуды крутильной волны упругих напряжений при перемещении постоянного магнита вдоль волновода;

- каналы записи (токопровод внутри металлического волновода) и считывания (наружная поверхность волновода) электрически изолированы друг от друга, что снижает уровень и длительность сигнала помехи, наводимой в элементе считывания в момент возбуждения крутильной волны в волноводе.