МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ В КОД

- Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к магнитострикционным преобразователям перемещений.
- Уровень техники
Из известных магнитострикционных преобразователей перемещений в код наиболее близким по технической сущности является преобразователь, описанный в патенте РФ №2175754; МПК G 01 B 17/00, G 01 D 5/48 Микропроцессорный магнитострикционный преобразователь положения в код / А.И.Надеев, С.В.Кононенко, Р.О.Кузнецов - №99109445/28. Заявл. 1999.04.27; опубл. 10.11.2001 и его аналоги. В данном устройстве также используются магнитострикционный волноводный тракт, усилитель сигнала считывания, усилитель тока записи и микропроцессорное устройство. Однако в этом устройстве, как и в его аналогах, используются формирователи измерительных интервалов. Последние либо обрабатывают сигналы с катушек считывания, формируя оба фронта по этим сигналам, либо первый фронт формируется сигналом, поступающим на формирователь импульса тока записи, а второй уже с катушки считывания. Измерительный интервал заполняется импульсами генератора образцовой частоты, которые впоследствии считаются счетчиками. Код, снимаемый со счетчиков, несет информацию о положении позиционируемого объекта. Однако при обработке сигнала с катушки считывания усилители считывания формируют фронты интервала с случайной погрешностью, обусловленной некоторой зашумленностью самого сигнала и собственных шумов операционных усилителей и пороговых элементов. Кроме того, при последовательном соединении счетчиков, которое используется для простого наращивания их разрядности, возможны сбои приводящие к промахам. Эти факторы приводят к необходимости использовать несколько измерений с дальнейшим усреднением результатов, а так же к использованию специальных алгоритмов идентификации промахов и, как следствие, снижаются динамические и точностные характеристики преобразователей.
- Раскрытие полезной модели
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве отсутствуют какие либо формирователи считывания и внешние счетчики. Сигнал с катушки считывания усиленный по амплитуде подается на измерительный вход быстродействующего АЦП. Выход АЦП подается непосредственно на порт ввода-вывода микроконтроллера, который так же управляет запуском формирователя тока записи.
Техническими результатами полезной модели являются:
1. уменьшение случайной погрешности обусловленной высокочастотными наводками на полезный сигнал, исключение промахов в измерении в результате непосредственной оцифровки сигнала быстродействующим АЦП, применение которого в совокупности с микроконтроллером дает широкие возможности цифровой фильтрации сигнала и его обработки. В то же время код положения формируется из двух составляющих:
- состоянием внутреннего счетчика микроконтроллера, старт которого осуществляется одновременно с выдачей сигнала запуска формирователя тока
записи, а выборка по приходу с АЦП кода соответствующего некоторому пороговому значению сигнала;
- кода интервала времени от момента выборки счетчика до момента времени, при котором программно отфильтрованный сигнал имеет максимальное значение. 2. повышение динамических качеств устройства за счет работы в режиме однократного измерения.
- Краткое описание чертежей
Фигура 1. Структурная схема микропроцессорного магнитострикционного преобразователя положения в код. Описание элементов схемы:
1 - магнитострикционный проволочный волновод;
2 - демпфер;
3 - подвижный магнит;
4 - опорный магнит;
5 - катушка считывания;
6 - формирователь тока записи;
7 - усилитель сигнала считывания;
8 - быстродействующий АЦП;
9 - микроконтроллер;
CLK - тактовый вход АЦП;
L - опорное расстояние;
Х - измеряемое расстояние.
Фигура 2. Временные диаграммы работы микропроцессорного магнитострикционного преобразователя положения в код.
1 - Сигнал на формирователь тока записи;
2 - диаграмма работы внутреннего счетчика;
3 - сигнал, поступающий на вход АЦП;
4 - программно отфильтрованный сигнал;
сч
N - код накопленный во внутреннем счетчике;
пор
U - пороговое значение сигнала;
max
N - максимальное значение программно отфильтрованного сигнала;
prog
N - код интервала времени от выборки счетчика до момента при котором программно отфильтрованный сигнал имеет максимальное значение.
- Осуществление полезной модели
На фигуре 1 представлена структурная схема предлагаемого микропроцессорного магнитострикционного преобразователя положения в код.
В качестве волноводного тракта используется конструкция тракта для логометрического преобразователя. Магнитострикционный волновод 1 с обоих концов закреплен в демпферы 2. Вдоль волновода перемещается подвижный магнит 3, жестко связанный с объектом позиционирования. Опорный магнит 4 закреплен в конце волновода 1, на другом конце находится катушка считывания 5.
Волновод является нагрузкой для формирователя тока записи 6, вход которого связан с портом вывода микроконтроллера 9. С катушки считывания 5 сигнал усиливается усилителем сигнала считывания 7 и подается на вход быстродействующего АЦП 8, параллельный выход которого подается на порт ввода микроконтроллера 9, а его тактовый вход тактируется также сигналом с порта вывода микроконтроллера 9.
Устройство работает следующим образом:
При подаче питания микроконтроллер 9 согласно алгоритму своей программы формирует сигнал на запуск формирователя тока записи 6 как это показано на диаграмме 1 фигуры 2, одновременно микроконтроллер 9 запускает свой внутренний счетчик (диаграмма 2 на фигуре 2). Формирователь тока записи 6 выдает импульс тока в магнитострикционный волновод 1. В результате эффекта Видемана под подвижным 3 и опорным 4 магнитами возбуждаются две крутильных ультразвуковых волны, которые распространяются в обе стороны от магнитов 3 и 4 со скоростью около 3000 м/с и гасятся в демпферах 2. В катушке считывания 5, вследствие обратного магнитострикционного эффекта (эффекта Виллари) последовательно индуцируются два импульса (от подвижного и опорного магнитов соответственно), которые усиливаются усилителем сигнала считывания 7. Усиленные сигналы поступают на вход быстродействующего АЦП 8, который непрерывно тактируется микроконтроллером 9. Каждый такт в микроконтроллер 9 поступает код текущего уровня сигнала. Таким образом, аналоговый сигнал с усилителя считывания 7 преобразуется в дискретный, квантованный по уровню и времени. Число уровней квантования определяется разрядностью быстродействующего АЦП 8. Период дискретизации по времени определится частотой тактирования быстродействующего АЦП 8 микроконтроллером 9.
Далее обработка данных и расчет результата измерения происходит согласно следующего алгоритма программы микроконтроллера 9:
пор
сч
prog
С каждым тактом быстродействующего АЦП 8 проверяется условие превышения величины уровня первого сигнала порогового значения U (диаграмма 3 фигуры 2). При выполнении этого условия сохраняется текущее состояние внутреннего счетчика Н (диаграмма 2 фигуры 2). После прохождении всего сигнала (его длительность известна априори и составляет около 50 мкс) производится его программная фильтрация и вычисление кода интервала времени от выборки счетчика до момента при котором программно отфильтрованный сигнал имеет максимальное значение N (диаграмма 4 фигуры 2). Аналогично обрабатывается второй сигнал.
Результатом обработки первого импульса будет сумма:
X
сч
prog
N=N+N
L
Аналогично рассчитывается N - результат обработки второго импульса.
Результатом измерения будет являться логометрическое преобразование:
X=L*Nx/NL
Для корректной работы устройства необходимо, чтобы два сигнала от подвижного 3 и опорного 4 магнитов не накладывались друг на друга. Для этого требуется, чтобы подвижный магнит 3 в крайнем нижнем положении не приближался к опорному 4 менее, чем на 30 см. Это определит крайнюю нижнюю «мертвую» зону. Кроме того, при прохождении импульса тока по магнитострикционному волноводу 1 в катушке считывания 5 индуцируется паразитная наводка длительностью около 80 мкс. Для избежания наложения паразитной наводки на сигнал от подвижного магнита, максимально возможное расстояние между катушкой считывания 5 и подвижным магнитом 3 должно быть не менее 39 см. Таким образом формируется требование к наличию крайней верхней «мертвой» зоны.
Результат измерения может быть выведен либо по некоторому протоколу связи (большинство современных микроконтроллеров содержат в своей структуре модули обеспечивающие различные протоколы и интерфейсы связи) в систему управления, в которую интегрируется преобразователь, либо на некоторое устройство индикации. В последнем случае должно быть предусмотрено устройство индикации обеспечено подключение порта вывода микроконтроллера 9 к нему.