RU2271515C1 - Ultrasonic converter of displacement and velocity - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring engineering.

SUBSTANCE: ultrasonic converter comprises the primary magnetostrictive converter of displacement in which magnetostrictive sound conductor an ultrasonic wave is excited by means of sinusoidal current and output electroacoustical converter whose frequency changes by the value of Doppler frequency when the object to be traced moves. The value of the velocity can be judged by the Doppler frequency shift.

EFFECT: improved resolution capability.

2 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах измерения линейного перемещения и скорости движения.The invention relates to measuring technique and can be applied in systems for measuring linear displacement and speed.

Известен преобразователь линейных перемещений (А.С. СССР №1394033, МКИ⁴ G 01 B 17/00, 1988 г.), содержащий одновибратор, генератор тока возбуждения, входной электроакустический преобразователь, линейный магнитострикционный волновод и выходной электроакустический преобразователь.A known linear displacement transducer (AS USSR No. 1394033, MKI⁴ G 01 B 17/00, 1988) containing a one-shot, excitation current generator, input electro-acoustic transducer, linear magnetostrictive waveguide and output electro-acoustic transducer.

Известен магнитострикционный преобразователь линейных перемещений (А.С. СССР №1742618, МКИ⁵ G 01 B 17/00, 1992 г.), содержащий линейный магнитострикционный волновод, первый и второй акустические демпферы, генератор тока возбуждения, входной электроакустический преобразователь, выходной электроакустический преобразователь и одновибратор.Known magnetostrictive linear displacement transducer (AS USSR No. 1742618, MKI⁵ G 01 B 17/00, 1992), containing a linear magnetostrictive waveguide, first and second acoustic dampers, excitation current generator, input electro-acoustic transducer, output electro-acoustic transducer and one-shot.

Недостатком приведенных аналогов является отсутствие преобразования скорости линейного движения.The disadvantage of these analogues is the lack of conversion of linear motion speed.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является ультразвуковой измеритель перемещений (А.С. СССР №1620834, МКИ⁵ G 01 B 17/00, 1991 г.), содержащий первичный магнитострикционный преобразователь перемещения, состоящий из линейного магнитострикционного волновода, первого и второго акустического демпфера, выходного электроакустического преобразователя, входного электроакустического преобразователя, генератора тока возбуждения, усилителя-формирователя считывания, стабилизатора растягивающих усилий и ограничителей перемещений, измерительный генератор, схему реверсирования, блок накопления, генератор опроса, одновибратор, первую и вторую схемы управления, вторую схему реверсирования, второй, третий и четвертый блоки накопления, вспомогательный генератор, второй формирователь импульсов, три буферных регистра и элемент задержки.The closest in technical essence and the achieved result to the declared one is an ultrasonic displacement meter (AS USSR No. 1620834, MKI⁵ G 01 B 17/00, 1991) containing a primary magnetostrictive displacement transducer consisting of a linear magnetostrictive waveguide, the first and a second acoustic damper, an output electro-acoustic transducer, an input electro-acoustic transducer, an excitation current generator, a reading driver, a stabilizer of tensile forces and anichiteley displacement measuring generator, reversing circuit storage unit interrogation generator monostable multivibrator, a first and a second control circuit, the second reversing circuit, second, third and fourth storage units, the auxiliary generator, the second pulse generator, three buffer register and a delay element.

Недостатком прототипа является невысокая разрешающая способность по измеряемой скорости.The disadvantage of the prototype is the low resolution in measured speed.

Задачей изобретения является улучшение разрешающей способности преобразования по скорости движения.The objective of the invention is to improve the resolution of the conversion of the speed of movement.

Поставленная задача решается тем, что в ультразвуковой преобразователь перемещения и скорости движения, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь перемещения, состоящий из линейного магнитострикционного волновода с первым и вторым акустическим демпферами на концах, входного электроакустического преобразователя, неподвижно установленного возле первого демпфера, выходного электроакустического преобразователя, выполненного с возможностью перемещения вдоль волновода и предназначенного для кинематического соединения с контролируемым объектом, генератор тока возбуждения, выход которого соединен со входом входного электроакустического преобразователя, и одновибратор, в отличие от прототипа введены однокристальный микроконтроллер, выход "Старт" которого соединен со входом одновибратора, интерфейс связи, генератор синусоидального напряжения, амплитудный модулятор, первый вход которого соединен с выходом одновибратора, второй вход соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, а выход соединен со входом генератора тока возбуждения, активный полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом выходного электроакустического преобразователя, амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом активного полосового фильтра, источник опорного напряжения, аналоговый компаратор, неинвертирующий вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, инвертирующий вход соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход соединен со входом "Стоп" однокристального микроконтроллера, генератор развертывающего кода, вход запуска которого соединен с выходом "Старт" однокристального микроконтроллера, регистр, вход стробирования которого соединен с выходом аналогового компаратора, информационные входы соединены с n-разрядной шиной генератора развертывающего кода, а информационные выходы соединены с n-разрядной шиной однокристального микроконтроллера, первый умножитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, первый смеситель, первый вход которого соединен с выходом первого умножителя частоты, а второй вход соединен с выходом активного полосового фильтра, первый фильтр низких частот, вход которого соединен с выходом первого смесителя, второй умножитель частоты, вход которого соединен с выходом первого фильтра низких частот, третий умножитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, второй смеситель, первый вход которого соединен с выходом третьего умножителя частоты, а второй вход соединен с выходом второго умножителя частоты и второй фильтр низких частот, вход которого соединен с выходом второго смесителя, а выход соединен со входом "Сигнал скорости" однокристального микроконтроллера.The problem is solved in that in an ultrasonic transducer of displacement and speed of motion, containing a primary magnetostrictive transducer of displacement, consisting of a linear magnetostrictive waveguide with first and second acoustic dampers at the ends, an input electro-acoustic transducer fixedly installed near the first damper, an output electro-acoustic transducer made with the ability to move along the waveguide and intended for kinematic connected with a controlled object, an excitation current generator, the output of which is connected to the input of the input electroacoustic transducer, and a single-vibrator, in contrast to the prototype, a single-chip microcontroller is introduced, the "Start" output of which is connected to the input of a single-vibrator, a communication interface, a sinusoidal voltage generator, an amplitude modulator, the first the input of which is connected to the output of the one-shot, the second input is connected to the output of the sinusoidal voltage generator, and the output is connected to the input of the excitation current generator, ak an in-line bandpass filter, the input of which is connected to the output of the output electro-acoustic transducer, an amplitude detector, the input of which is connected to the output of the active band-pass filter, a reference voltage source, an analog comparator, a non-inverting input of which is connected to the output of the amplitude detector, an inverting input is connected to the output of the reference voltage source, and the output is connected to the “Stop” input of a single-chip microcontroller, a developing code generator, the launch input of which is connected to the “Start” output about a microcircuit microcontroller, a register whose gating input is connected to the output of an analog comparator, information inputs are connected to an n-bit bus of the developing code generator, and information outputs are connected to an n-bit bus of a single-chip microcontroller, the first frequency multiplier whose input is connected to the output of a sinusoidal voltage generator , the first mixer, the first input of which is connected to the output of the first frequency multiplier, and the second input is connected to the output of the active bandpass filter, p the first low-pass filter, the input of which is connected to the output of the first mixer, the second frequency multiplier, the input of which is connected to the output of the first low-pass filter, the third frequency multiplier, whose input is connected to the output of the sinusoidal voltage generator, the second mixer, the first input of which is connected to the output of the third a frequency multiplier, and the second input is connected to the output of the second frequency multiplier and a second low-pass filter, the input of which is connected to the output of the second mixer, and the output is connected to the input "Speed signal and "single chip microcontroller.

Измерение скорости устройством, выбранным в качестве прототипа, выполняется методом так называемого простого дискретного дифференцирования цифровой величины перемещения х. При разрешающей способности преобразователя по перемещению, равной x_РАЗР=50 мкм и длительности интервала времени между двумя измерениями перемещения t_V=50 мс разрешающая способность преобразователя по скорости линейного движения равняется

The speed measurement by the device selected as a prototype is performed by the method of the so-called simple discrete differentiation of the digital displacement x. With the resolution of the transducer with respect to displacement equal to x_SIZE = 50 μm and the duration of the time interval between two measurements of displacement t_V = 50 ms, the resolution of the transducer with respect to linear velocity

Если возбуждать ультразвуковую волну в магнитострикционном звукопроводе первичного магнитострикционного преобразователя перемещения (ПМПП) с помощью тока синусоидальной формы с частотой f₀, то при движении контролируемого объекта со скоростью V частота сигнала выходного электроакустического преобразователя (ЭАП) из-за эффекта Доплера изменяется на величину доплеровской частоты, по значению которой можно найти скорость V. Из-за нелинейной зависимости магнитной индукции ферромагнитного материала волновода от напряженности магнитного поля в сигнале выходного ЭДС присутствуют высшие гармонические составляющие, изменение частоты которых из-за эффекта Доплера увеличивается с номером гармоники. При скорости ультразвуковой волны V_уз=5000 м/с и частоте тока возбуждения f₀=500 кГц чувствительность преобразования скорости V в доплеровскую частоту f_Д равняетсяIf an ultrasonic wave is excited in a magnetostrictive sound guide of a primary magnetostrictive displacement transducer (PMPT) using a sinusoidal current with a frequency f₀ , then when a controlled object moves at a speed V, the frequency of the output electroacoustic transducer (EAP) signal changes due to the Doppler frequency whose value can be used to find the velocity V. Due to the nonlinear dependence of the magnetic induction of the ferromagnetic material of the waveguide on the magnetic On the field in the signal of the output EMF there are higher harmonic components, the frequency change of which due to the Doppler effect increases with the harmonic number. When the speed of the ultrasonic wave V_knots = 5000 m / s and the frequency of the excitation current f₀ = 500 kHz, the sensitivity of the conversion of the velocity V to the Doppler frequency f_D equals

т.е. скорости движения V=1 м/с будет соответствовать значение доплеровской частотыthose. the speed of movement V = 1 m / s will correspond to the value of the Doppler frequency

f_Д=S_V·V=100 м^-1·1 м/с=100 Гцf_D = S_V · V = 100 m^-1 · 1 m / s = 100 Hz

Для увеличения чувствительности S_V из частоты некоторой n-й гармоники вычитается частота f₀, умноженная на число (n-1). Полученная разностная частота умножается на число m и далее из нее вычитается частота f₀, умноженная на число (m-1). В итоге выполняемых спектральных преобразований частота информационного сигнала равняетсяTo increase the sensitivity S_{V, the} frequency f₀ times the number (n-1) is subtracted from the frequency of some nth harmonic. The resulting difference frequency is multiplied by the number m, and then the frequency f₀ subtracted by the number (m-1) is subtracted from it. As a result of the performed spectral transformations, the frequency of the information signal is

f=([n·(f₀+f_Д)-(n-1)·f₀]·m)-(m-1)·f₀=n·m·f_Д+f₀,f = ([n · (f₀ + f_D ) - (n-1) · f₀ ] · m) - (m-1) · f₀ = n · m · f_D + f₀ ,

т.е. чувствительность S_V увеличивается в n·m раз. Для обеспечения разрешающей способности по скорости лучше 1 мм/с при n=5 и m=20 необходимо измерение доплеровской частоты с разрешающей способностью не хужеthose. sensitivity S_V increases in n · m times. To provide a resolution with a speed better than 1 mm / s at n = 5 and m = 20, it is necessary to measure the Doppler frequency with a resolution no worse

Такому требованию на сегодняшний день удовлетворяет анализ спектрального состава сигнала с помощью дискретного быстрого преобразования Фурье.Today, such a requirement is satisfied by an analysis of the spectral composition of a signal using a discrete fast Fourier transform.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы его работы.Figure 1 shows a functional diagram of a device; figure 2 - timing diagrams of his work.

Ультразвуковой преобразователь перемещения и скорости движения содержит первичный магнитострикционный преобразователь 1 перемещения, который состоит из линейного магнитострикционного волновода 2 с первым и вторым акустическими демпферами 3 и 4 на концах, входного электроакустического преобразователя 5, неподвижно установленного возле первого акустического демпфера 3, выходного электроакустического преобразователя 6, выполненного с возможностью перемещения вдоль линейного магнитострикционного волновода 2 и предназначенного для кинематического соединения с контролируемым объектом, генератор 7 тока возбуждения, выход которого соединен со входом входного электроакустического преобразователя 5, одновибратор 8, однокристальный микроконтроллер 9, выход "Старт" которого соединен со входом одновибратора 8, интерфейс 10 связи, генератор 11 синусоидального напряжения, амплитудный модулятор 12, первый вход которого соединен с выходом одновибратора 8, второй вход соединен с выходом генератора 11 синусоидального напряжения, а выход соединен со входом генератора 7 тока возбуждения, активный полосовой фильтр 13, вход которого соединен с выходом выходного электроакустического преобразователя 6, амплитудный детектор 14, вход которого соединен с выходом активного полосового фильтра 13, источник 15 опорного напряжения, аналоговый компаратор 16, неинвертирующий вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 14, инвертирующий вход соединен с выходом источника 15 опорного напряжения, а выход соединен со входом "Стоп" однокристального микроконтроллера 9, генератор 17 развертывающего кода, вход запуска которого соединен с выходом "Старт" однокристального микроконтроллера 9, регистр 18, вход стробирования которого соединен с выходом аналогового компаратора 16, информационные входы соединены с n-разрядной шиной генератора 17 развертывающего кода, а информационные выходы соединены с n-разрядной шиной однокристального контроллера 9, первый умножитель 19 частоты, вход которого соединен с выходом генератора 11 синусоидального напряжения, первый смеситель 20, первый вход которого соединен с выходом первого умножителя 19 частоты, а второй вход соединен с выходом активного полосового фильтра 13, первый фильтр 21 низких частот, вход которого соединен с выходом первого смесителя 20, второй умножитель 22 частоты, вход которого соединен с выходом первого фильтра 21 низких частот, третий умножитель 23 частоты, вход которого соединен с выходом генератора 11 синусоидального напряжения, второй смеситель 24, первый вход которого соединен с выходом третьего умножителя 23 частоты, а второй вход соединен с выходом второго умножителя 22 частоты и второй фильтр 25 низких частот, вход которого соединен с выходом второго смесителя 24, а выход соединен со входом "Сигнал скорости" однокристального микроконтроллера 9.The ultrasonic transducer of movement and speed of movement contains a primary magnetostrictive transducer 1 of the displacement, which consists of a linear magnetostrictive waveguide 2 with the first and secondacoustic dampers 3 and 4 at the ends, the input electro-acoustic transducer 5, fixedly installed near the firstacoustic damper 3, the output electro-acoustic transducer 6, made with the ability to move along a linear magnetostrictive waveguide 2 and designed for kin a mathematical connection with a controlled object, an excitation current generator 7, the output of which is connected to the input of the input electro-acoustic transducer 5, a single vibrator 8, a single-chip microcontroller 9, the "Start" output of which is connected to the input of a single-vibrator 8, communication interface 10, a sinusoidal voltage generator 11, an amplitude modulator 12, the first input of which is connected to the output of the single-shot 8, the second input is connected to the output of the sinusoidal voltage generator 11, and the output is connected to the input of the excitation current generator 7 , an active band-pass filter 13, the input of which is connected to the output of the output electro-acoustic transducer 6, an amplitude detector 14, whose input is connected to the output of the active band-pass filter 13, a reference voltage source 15, an analog comparator 16, the non-inverting input of which is connected to the output of the amplitude detector 14, inverting the input is connected to the output of the reference voltage source 15, and the output is connected to the “Stop” input of the single-chip microcontroller 9, a developing code generator 17, the start input of which is connected with the “Start” output of the single-chip microcontroller 9, register 18, the gating input of which is connected to the output of the analog comparator 16, the information inputs are connected to the n-bit bus of the developing code generator 17, and the information outputs are connected to the n-bit bus of the single-chip controller 9, the first multiplier 19 of the frequency, the input of which is connected to the output of the sinusoidal voltage generator 11, the first mixer 20, the first input of which is connected to the output of the first frequency multiplier 19, and the second input is connected to the output a third-pass filter 13, a first low-pass filter 21, the input of which is connected to the output of the first mixer 20, a second frequency multiplier 22, the input of which is connected to the output of the first low-pass filter 21, a third frequency multiplier 23, the input of which is connected to the output of the sinusoidal voltage generator 11 the second mixer 24, the first input of which is connected to the output of the third frequency multiplier 23, and the second input is connected to the output of the second frequency multiplier 22 and the second low-pass filter 25, the input of which is connected to the output of the second mix la 24, and the output is connected to the input "Speed signal" single-chip microcontroller 9.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Цикл преобразования начинается с приходом импульса с выхода "Старт" однокристального микроконтроллера 9 (фиг.2, б). По этому импульсу генератор 17 развертывающего кода приводится в исходное состояние и на его n-разрядной шине появляется двоичный код 00...000, который с периодичностью Т_КВ начинает увеличиваться на единицу (фиг.2, в), образуя шкалу временного отсчета. Одновременно по импульсу с выхода "Старт" однокристального микроконтроллера 9 одновибратор 8 вырабатывает импульс напряжения длительностью τ_ОВ (фиг.2, г), который модулируется с помощью амплитудного модулятора 12 синусоидальным напряжением с частотой f₀, непрерывно поступающим с выхода генератора 11 синусоидального напряжения (фиг.2, а). На выходе амплитудного модулятора 12 формируется радиоимпульс длительностью τ_ОВ (фиг.2, д), который преобразуется с помощью генератора 7 тока возбуждения в радиоимпульс тока с той же длительностью и частотой. Этот радиоимпульс тока поступает во входной ЭАП 5 ПМПП 1, и в магнитострикционном волноводе 2 возбуждаются две ультразвуковые волны с частотой fo, распространяющиеся вдоль волновода в обе стороны со скоростью V_УЗ. Ультразвуковая волна, распространяющаяся влево, рассеивается на акустическом демпфере 3. Ультразвуковая волна, распространяющаяся вправо, через время задержкиThe conversion cycle begins with the arrival of a pulse from the "Start" output of a single-chip microcontroller 9 (Fig.2, b). According to this pulse, the generator of the developing code 17 is brought to its initial state and the binary code 00 ... 000 appears on its n-bit bus, which begins to increase by one at a frequency T_КВ (Fig. 2, c), forming a time scale. At the same time, from a pulse from the “Start” output of a single-chip microcontroller 9, a single-vibrator 8 generates a voltage pulse of duration τ_OV (FIG. 2, d), which is modulated by an amplitude modulator 12 with a sinusoidal voltage with a frequency f₀ continuously supplied from the output of the sinusoidal voltage generator 11 ( figure 2, a). At the output of the amplitude modulator 12, a radio pulse is generated with a duration of τ_ОВ (Fig. 2, e), which is converted using a generator 7 of the excitation current into a radio current pulse with the same duration and frequency. This current radio pulse arrives at the input EAA 5 of the PMPP 1, and two ultrasonic waves with a frequency fo propagating along the waveguide in both directions with a velocity V_{ultrasound are} excited in the magnetostrictive waveguide 2. An ultrasonic wave propagating to the left is scattered by theacoustic damper 3. An ultrasonic wave propagating to the right after a delay time

где х - расстояние между входным ЭАП 5 и выходным ЭАП 6, достигает места расположения выходного ЭАП 6, движущегося со скоростью V, и наводит в нем импульс ЭДС, спектральный состав которого содержит основную гармоническую составляющую с частотойwhere x is the distance between the input EAP 5 and theoutput EAP 6, reaches the location of theoutput EAP 6 moving at a speed of V, and induces an EMF pulse in it, the spectral composition of which contains the main harmonic component with frequency

и высшие гармонические составляющие с частотами 2f_вых, 3f_вых, 4f_вых и т.д. Далее ультразвуковая волна рассеивается на акустическом демпфере 4.and higher harmonic components with frequencies 2f_out , 3f_out , 4f_out , etc. Next, the ultrasonic wave is scattered on the acoustic damper 4.

Гармонические составляющие сигнала с выходного ЭАП 6 с частотами, отличными от nf_вых, подавляются, а гармоническая составляющая с частотой nf_вых=n(f₀+f_Д) усиливается в активном полосовом фильтре 13 (фиг.2, е) и поступает далее на амплитудный детектор 14, выходное напряжение которого сравнивается с помощью аналогового компаратора 16 с опорным напряжением, вырабатываемым источником 15 опорного напряжения (фиг.2, ж). Прямоугольный импульс с выхода аналогового компаратора 16 (фиг.2, з) поступает на вход стробирования регистра 18 и в последний записывается двоичный код (фиг.2, и)The harmonic components of the signal from theoutput EAP 6 with frequencies other than nf_out are suppressed, and the harmonic component with a frequency nf_out = n (f₀ + f_D ) is amplified in the active bandpass filter 13 (Fig.2, f) and then goes to an amplitude detector 14, the output voltage of which is compared using an analog comparator 16 with the reference voltage generated by the reference voltage source 15 (FIG. 2, g). A rectangular pulse from the output of the analog comparator 16 (figure 2, h) is fed to the input of the gating register 18 and the last binary code is written (figure 2, and)

присутствующий в этот момент на n-разрядной шине генератора 17 развертывающего кода. Код N_X несет информацию о текущем перемещении х. Одновременно импульс с выхода аналогового компаратора поступает на вход "Стоп" однокристального микроконтроллера 9, который считывает цифровой код N_X и вычисляет текущее перемещение контролируемого объекта по выражениюpresent at this moment on the n-bit bus of the generator 17 of the deployment code. Code N_X carries information about the current move x. At the same time, the pulse from the output of the analog comparator is fed to the “Stop” input of the single-chip microcontroller 9, which reads the digital code N_X and calculates the current movement of the controlled object by the expression

x=N_x·T_КВ·V_УЗ.x = N_x · T_KV · V_ultrasound .

Выходное напряжение активного полосового фильтра 13 с частотой f_АПФ=n(f₀+f_Д) поступает одновременно на второй вход первого смесителя 20. Напряжение с выхода генератора 11 синусоидального сигнала с частотой f₀ поступает на вход первого умножителя 19 частоты, выходное напряжение которого с частотой f_УЧ1=(n-1)f₀ поступает на первый вход первого смесителя 20. Выходное напряжение первого смесителя 20 содержит две спектральные составляющие с суммарной частотойThe output voltage of the active bandpass filter 13 with a frequency f_ACF = n (f₀ + f_D ) is supplied simultaneously to the second input of the first mixer 20. The voltage from the output of the generator 11 of a sinusoidal signal with a frequency f_{0 is} supplied to the input of the first frequency multiplier 19, the output voltage of which with a frequency f_UCH1 = (n-1) f_{0 is} supplied to the first input of the first mixer 20. The output voltage of the first mixer 20 contains two spectral components with a total frequency

=f_АПФ+f_УЧ1=n·(f₀+f_Д)+(n-1)·f₀=(2n-1)·f₀+n·f_Д

= f_ACE + f_UCH1 = n · (f₀ + f_D ) + (n-1) · f₀ = (2n-1) · f₀ + n · f_D

и с разностной частотойand with difference frequency

Спектральная составляющая с частотой

подавляется, а спектральная составляющая с частотой

свободно пропускается первым фильтром 21 низких частот. Выходное напряжение первого фильтра 21 низких частот с частотой f_ФНЧ1=f₀+n·f_Д поступает на вход второго умножителя 22 частоты, выходное напряжение которого имеет частотуSpectral component with frequency

suppressed, and the spectral component with frequency

freely passed by the first low-pass filter 21. The output voltage of the first low-pass filter 21 with a frequency f_LPF1 = f₀ + n · f_{D is} fed to the input of the second frequency multiplier 22, the output voltage of which has a frequency

f_ФНЧ1=m·f^- _УЧ1=m·(f₀+n·f_Д),f_LPF1 = m · f^-_УЧ1 = m · (f₀ + n · f_Д ),

где m - коэффициент умножения частоты второго умножителя 22 частоты. Выходное напряжение второго умножителя 22 частоты поступает на второй вход второго смесителя 24. Одновременно напряжение с выхода генератора 11 синусоидального сигнала поступает на вход третьего умножителя 23 частоты, выходной сигнал которого имеет частотуwhere m is the frequency multiplier of the second frequency multiplier 22. The output voltage of the second frequency multiplier 22 is supplied to the second input of the second mixer 24. At the same time, the voltage from the output of the sinusoidal signal generator 11 is supplied to the input of the third frequency multiplier 23, the output of which has a frequency

f_УЧ3=(m-1)·f₀.f_UCH3 = (m-1) f₀ .

Выходное напряжение третьего умножителя 23 частоты поступает на первый вход второго смесителя 24, выходное напряжение которого содержит две спектральные составляющие с суммарной частотойThe output voltage of the third frequency multiplier 23 is supplied to the first input of the second mixer 24, the output voltage of which contains two spectral components with a total frequency

f⁺ _C2=f_УЧ2+f_УЧ3=m·(f₀+n·f_Д)+(m-1)·f₀=(2m-1)·f₀+m·n·f_Дf⁺_C2 = f_UCH2 + f_UCH3 = m · (f₀ + n · f_D ) + (m-1) · f₀ = (2m-1) · f₀ + m · n · f_D

и с разностной частотойand with difference frequency

f^- _C2=f_УЧ2-f_УЧ3=m·(f₀+n·f_Д)-(m-1)·f₀=f₀+m·n·f_Д.f^-_C2 = f_UCH2 -f_UCH3 = m · (f₀ + n · f_D ) - (m-1) · f₀ = f₀ + m · n · f_D.

Спектральная составляющая с суммарной частотой подавляется вторым фильтром 25 низких частот, а спектральная составляющая с разностной частотой свободно пропускается им и поступает на вход "Сигнал скорости" однокристального микроконтроллера 9. Частота f_ФНЧ2=f₀+m·n·f_Д выходного напряжения второго фильтра 25 низких частот несет информацию о скорости V движения контролируемого объекта. В течение времени, когда напряжение на выходе аналогового компаратора 16 имеет высокий уровень, выходное напряжение второго фильтра 25 низких частот преобразуется с помощью однокристального микроконтроллера 9 в цифровую форму. Далее однокристальный микроконтроллер 9 выполняет дискретное быстрое преобразование Фурье, определяет значение частоты f_ФНЧ2 и вычисляет текущую скорость движения контролируемого объекта по выражению.The spectral component with the total frequency is suppressed by the second low-pass filter 25, and the spectral component with the difference frequency is freely passed by it and fed to the input "Speed signal" of the single-chip microcontroller 9. Frequency f_{Low-pass filter 2} = f₀ + m · n · f_{D of the} output voltage of the second filter 25 low frequencies carries information about the speed V of the movement of the controlled object. During the time when the voltage at the output of the analog comparator 16 is high, the output voltage of the second low-pass filter 25 is converted using a single-chip microcontroller 9 into digital form. Next, the single-chip microcontroller 9 performs a discrete fast Fourier transform, determines the frequency f of the_{low-pass filter 2} and calculates the current speed of the controlled object by expression.

Результаты преобразования текущего положения х и текущей скорости движения V контролируемого объекта передаются через интерфейс 10 связи. На этом цикл преобразования завершатся.The results of the conversion of the current position x and the current speed V of the controlled object are transmitted via the communication interface 10. This completes the conversion cycle.

Таким образом, благодаря тому скорость V контролируемого объекта преобразуется в доплеровскую частоту f_Д сигнала выходного ЭАП 6, для измерения которой выполняется ряд спектральных преобразований одной из высших гармоник этого сигнала и применяется дискретное быстрое преобразование Фурье, разрешающая способность V_разр преобразования скорости V с использованием эффекта Доплера лучше, чем разрешающая способность преобразования методом простого дискретного дифференцирования.Thus, due to this, the speed V of the controlled object is converted to the Doppler frequency f_{D of} theoutput EAP signal 6, for the measurement of which a series of spectral transformations of one of the higher harmonics of this signal are performed and a discrete fast Fourier transform is used, the resolving power V_{bit of} the velocity transform V using the effect Doppler is better than the resolution of a transform using simple discrete differentiation.

Итак, заявленное изобретение позволяет повысить разрешающую способность преобразования скорости движения.So, the claimed invention allows to increase the resolution of the conversion of speed.

Claims (1)

Translated fromRussian

Ультразвуковой преобразователь перемещения и скорости движения, содержащий первичный магнитострикционный преобразователь перемещения, состоящий из линейного магнитострикционного волновода с первым и вторым акустическими демпферами на концах, входного электроакустического преобразователя, неподвижно установленного возле первого демпфера, выходного электроакустического преобразователя, выполненного с возможностью перемещения вдоль волновода и предназначенного для кинематического соединения с контролируемым объектом, генератор тока возбуждения, выход которого соединен со входом входного электроакустического преобразователя, и одновибратор, отличающийся тем, что в него также введены однокристальный микроконтроллер, выход "Старт" которого соединен со входом одновибратора, интерфейс связи, генератор синусоидального напряжения, амплитудный модулятор, первый вход которого соединен с выходом одновибратора, второй вход соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, а выход соединен со входом генератора тока возбуждения, активный полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом выходного электроакустического преобразователя, амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом активного полосового фильтра, источник опорного напряжения, аналоговый компаратор, неинвертирующий вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, инвертирующий вход соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход соединен со входом "Стоп" однокристального микроконтроллера, генератор развертывающего кода, вход запуска которого соединен с выходом "Старт" однокристального микроконтроллера, регистр, вход стробирования которого соединен с выходом аналогового компаратора, информационные входы соединены с n-разрядной шиной генератора развертывающего кода, а информационные выходы соединены с n-разрядной шиной однокристального контроллера, первый умножитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, первый смеситель, первый вход которого соединен с выходом первого умножителя частоты, а второй вход соединен с выходом активного полосового фильтра, первый фильтр низких частот, вход которого соединен с выходом первого смесителя, второй умножитель частоты, вход которого соединен с выходом первого фильтра низких частот, третий умножитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, второй смеситель, первый вход которого соединен с выходом третьего умножителя частоты, а второй вход соединен с выходом второго умножителя частоты, и второй фильтр низких частот, вход которого соединен с выходом второго смесителя, а выход соединен со входом "Сигнал скорости" однокристального микроконтроллера.An ultrasonic transducer of displacement and speed of motion, comprising a primary magnetostrictive transducer of displacement, consisting of a linear magnetostrictive waveguide with first and second acoustic dampers at the ends, an input electro-acoustic transducer fixedly installed near the first damper, and an output electro-acoustic transducer configured to move along the waveguide and intended for kinematic connection with a controlled object, generator excitation current r, the output of which is connected to the input of the input electro-acoustic transducer, and a single-vibrator, characterized in that it also includes a single-chip microcontroller, the "Start" output of which is connected to the input of the single-vibrator, a communication interface, a sinusoidal voltage generator, an amplitude modulator, the first input of which connected to the output of a single-shot, the second input connected to the output of the sinusoidal voltage generator, and the output connected to the input of the excitation current generator, active bandpass filter, input for which is connected to the output of the output electro-acoustic transducer, an amplitude detector, the input of which is connected to the output of the active bandpass filter, a reference voltage source, an analog comparator whose non-inverting input is connected to the output of the amplitude detector, the inverting input is connected to the output of the reference voltage source, and the output is connected to “Stop” input of a single-chip microcontroller, a developing code generator, the launch input of which is connected to the “Start” output of a single-chip microcontroller an oller, a register whose gating input is connected to the output of the analog comparator, information inputs are connected to the n-bit bus of the developing code generator, and information outputs are connected to the n-bit bus of the single-chip controller, the first frequency multiplier, the input of which is connected to the output of the sinusoidal voltage generator, the first mixer, the first input of which is connected to the output of the first frequency multiplier, and the second input is connected to the output of the active bandpass filter, the first low-pass filter, input otorogo connected to the output of the first mixer, the second frequency multiplier, the input of which is connected to the output of the first low-pass filter, the third frequency multiplier, the input of which is connected to the output of the sinusoidal voltage generator, the second mixer, the first input of which is connected to the output of the third frequency multiplier, and the second input connected to the output of the second frequency multiplier, and a second low-pass filter, the input of which is connected to the output of the second mixer, and the output is connected to the input "Speed signal" single-chip microcontrol Llera.

Images