4.2. Магнитострикционные преобразователи перемещения

К одному из перспективных направлений относится ультразвуковой метод преобразования, основанный на представлении перемещений временным интер­валом, образованным переменной задержкой упругих колебаний в магнитострик-ционном акустическом волноводе.

Суть ультразвукового метода позволяет отнести реализованные на его основе магнитострикционные преобразователи перемещений к устройствам цик­лического типа, поскольку в каждом цикле на первом этапе преобразования осуществляется отождествление входной угловой или линейной величины вре­менным интервалом, который на втором этапе отображают требуемым цифро­вым или аналоговым эквивалентом.

Одним из основных узлов любого магнитострикцнонного преобразователя, существенно влияющих на его параметры, является магннтострикционный пер­вичный преобразователь перемещений (МПП). Рассмотрим более подробно его характеристики.

МПП является параметрическим устройством, где величине перемещения соответствует эквивалентное значение параметра — положение электрического сигнала на временной оси. При этом электрическому сигналу отводится роль несущего колебания.

Основой построения МПП служит акустическая система (рис. 4.2,а), глав­ными элементами которой являются входной 2 и выходной 3 электроакустичес­кие преобразователи (ЭАП), связанные общим акустическим волноводом /. Со­вокупность перечисленных элементов образует ультразвуковой тракт (УТ),

который служит каналом передачи несущего сигнала датчика. Под действием перемещения несущий сигнал появляется на выходе УТ с временной задержкой

(4.4)

где L — обобщенное (угловое, линейное) перемещение; р — коэффициент чувст­вительности, определяемый способом образования временного интервала; С — скорость распространения акустического сигнала по волноводу.

Так как формула (4.4) устанавливает количественную связь между входной и выходной величинами МПП, то она выражает его функцию преобразования. При постоянстве скорости распространения ультразвуковых колебаний по вол­новоду функция преобразования является линейной зависимостью, что соответ­ствует функциональному требованию, предъявляемому к большинству измери­тельных преобразователей. При этом коэффициент преобразования не зависит от величины перемещения и определяет чувствительность МПП, выра­женную в микросекундах на миллиметр или в наносекундах на микрометр, в виде

Кроме основных элементов (преобразователей и волновода) в состав УТ включены (рис. 4.2,а): демпферы 4, осуществляющие рассеяние энергии акусти­ческой волны на краях волновода и препятствующие отражению от его торце­вой поверхности, и постоянные магниты 5, которые создают подмагничиванне области волновода в зоне входного и выходного ЭАП для повышения эффек­тивности магнитомеханического преобразования.

Организовать канал передачи несущего сигнала МПП можно различными путями, для систематизации которых проведена классификация (табл. 4.1), где в качестве признаков приняты: тип волнового движения, вид ЭАП, характер несущего сигнала, геометрия волновода, способ образования первичного вре­менного интервала.

В зависимости от используемого в качестве переносчика несущего сигнала типа волнового движения возможны УТ на объемных и поверхностных акусти­ческих волнах (ПАВ). Широко используемые при построении различных уст­ройств обработки н преобразования информации ПАВ пока не нашли своего воплощения в измерительных преобразователях перемещений, так как ПАВ практически не допускают бесконтактного возбуждения и считывания ультра­звуковых колебаний (затухание порядка 80 дБ), т. е. не позволяют построить механически плавно регулируемую линию задержки, служащую основой МПП. В отличие от ПАВ возбуждение и считывание объемных волн - продольных, крутильных (сдвиговых) — возможно при наличии воздушного зазора между волноводом и ЭАП, что делает их использование в тракте МПП предпочтитель­ным. Среди объемных наибольшее распространение получили продольные вол­ны, которые несмотря на подверженность частотной дисперсии скорости рас­пространения обеспечивают высокую технологичность и простоту конструктив­ных построений МПП.

Возможные типы ЭАП позволяют создать пьезомагнитострнкционный и магнитострикционный УТ. В первой случае используется сочетание двух типов ЭАП — пьезоэлектрического и магнитострикцнонного, во втором — только маг-нитострнкцнонного. Оба тракта являются базовыми для МПП.

Несущий сигнал МПП может быть двух видов: импульсным (видеоимпульс­ным и радиоимпульсным} и непрерывным. С точки зрения эффективности пред­ставления перемещений в виде кода целесообразнее применение импульсного несущего сигнала.

По геометрии волновода различают: ленточный, цилиндрический, трубочный УТ. Ленточный рекомендуется в том случае, когда условиями эксплуатации определен металлический волновод, а в качестве одного ЭАП используется пьезоэлектрический. Цилиндрический стержневой профиль обеспечивает высокие массогабаритные показатели и наиболее приемлем при изготовлении волновода из магнитодиэлектрика. Трубочный волновод позволяет возбудить крутильные колебания, но его изготовление сопровождается существенными технологичес­ кими трудностями.

В зависимости от способа образования первичного временного интервала основными структурами УТ являются: МПП прямого хода (рис. 4.2,а) [а. с. 359681, 385305 (СССР)], одностороннего (рис 4.2,6) {85] н двустороннего от­ражения (рис. 4.2,в).

Если с входным механическим звеном, задающим исходное перемещение, связан один из ЭАП, то при наличии перемещений будет изменяться длина пути распространения упругих колебаний и соответственно изменится времен-ная задержка В этом случае функция преобразования описывается выраже­нием (4.4), где значение коэффициента р=1 и имеет вид, изображенный на рис 4.3 (прямая /). Недостатком данной структуры является необходимость применения токосъемника в цепи, связывающей датчик с электронной схемой, что усложняет конструкцию преобразователя и снижает ее надежность в целом.

В основу другого пути построения МПП (рис 4,2,6) положено свойство упругих колебаний отражаться от свободной торцевой поверхности волновода практически без потерь. Если при этом функции входного и выходного ЭАП объединить в одной магнитной головке (МГ), а подвижным, связанным с источ­ником перемещений, выполнить акустический волновод, то отпадает необходи­мость в токосъемнике, поскольку волновод не требует питания электрическим

током, а МГ установлена неподвижно. Чувствительность рассматриваемой схе­мы увеличена в 2 раза, поскольку путь, который проходит акустический им­пульс от зоны возбуждения (магнитной головки) до торцевой поверхности и обратно, вдвое больше пути пробега импульса УТ датчика прямого хода при равном для обеих схем перемещении. Следовательно, в выражении функции преобразования УТ коэффициент чувствительности принимает значение р=2; график этой зависимости изображен на рис. 4.3 (прямая 2).

Несмотря на очевидные преимущества МПП одностороннего отражения широкого использования не нашел в связи с необходимостью выполнения слож­ной технологической операции — демпфирования конца волновода.

Свободным от данного недостатка является МПП двустороннего отраже­ния, у которого акустическое демпфирование полностью исключено и волновод содержит две отражающие поверхности (рис. 4.2,в). В этом случае упругая волна, распространяясь в обе стороны от места вобдуждения, совершает мно­гократные отражения от свободных концов волновода, вызывая на выходе ЭАП последовательность импульсов считывания (рис. 4.4). Его функция преобразо­вания содержит коэффициент р=4 и выражается прямой 3 на рис. 4.3.

Сравнивая функции преобразования трех рассмотренных структур УТ, можно отметить, что МПП двустороннего отражения обеспечивает высокую чувствительность, технологичность и простоту технической реализации, что по­зволяет рекомендовать его в качестве базовой структуры МПП даже несмотря на сужение диапазона преобразования, вызванное неоднозначностью отобра­жения считываемым сигналом одной из двух рабочих зон. Последняя неопре­деленность легко устраняется введением дополнительной магнитной головки.

Из многообразия возможных вариантов построения УТ (табл. 4.1) к насто­ящему времени в качестве основы для МПП наибольшее распространение по­лучили: пьезомагнитострикционный, импульсный, ленточный УТ прямого хода на продольных волнах н магнитострикционный, импульсный, цилиндрический УТ одно- и двустороннего отражений на продольных волнах.

Если базовыми структурами аналоговой стадии преобразования перемеще­ний приняты пьезомагнитострикционный (ПМУТ) и магнитострикционный (УМТ) ультразвуковые тракты, то построение аналого-цифровой части схемы МПП можно осуществить на принципах однократного или многократного от­счета.

В схеме однократного отсчета (рис 4.5) использован алгоритм АЦП по­следовательного счета, согласно которому преобразование первичного времен­ного интервала в цифровой код осуществляется путем подсчета счетчиком С числа импульсов эталонной последовательности генератора счетных импульсов ГСИ, пропущенных через элемент И за времяУправляет элементомИ триг­гер Т, запуск которого производится импульсом генератора ГИ, задающим пе­риодичность циклов преобразования, а срыв — сформированным формировате­лем Ф в усиленным усилителем считывания УС импульсом, считываемым маг­нитной головкой 2 с магнитострикционного волновода /. Цепь генератора ГИ— усилитель записи УЗ — токосъемник 4 — пьезокерамический преобразователь 3 служит для возбуждения очереднего акустического импульса в волноводе /. Количество импульсов, поступивших с выхода/элемента И на счетчик С и за­фиксированных им в виде кода, с точностью до погрешности квантования определяет значение входной угловой величины б.

Рассмотрим работу МПП многократного отсчета по схеме, представленной на рис. 4.6. Задержанный на время т по отношению к импульсу генератора ГИ, импульс с выхода магнитной головки 2 усиливается усилителем считывания УС и нормируется по длительности формирователем Ф. Затем через элементы И1 в ИЛИ этот импульс проходит на схему усилителя записи УЗ для возбуждения

очередного акустического импульса в волноводе 1. В результате по цепи уси­литель записи УЗ — токосъемник 4 — пьезокерамический преобразователь 3 — волновод 1 — магнитная головка 2 — усилитель считывания УС —формирова­тель Ф — элемент И1—элемент ИЛИ — усилитель записи УЗ при условии, что элемент И1 открыт, будут циркулировать импульсы с периодом повторения, пропорциональным перемещению 6. Состоянием элемента И1 управляет послед­ний разряд счетчика С1, который принимает разрешенное положение под дей­ствием начального импульса цикла преобразования с генератора ГИ. Когда количество циркулирующих импульсов достигнет числа К, равного принятому коэффициенту пересчета счетчика С1, с его последнего разряда к элементу И1 приложится запирающий потенциал и цепь циркуляции разорвется. Отрезок вре­мени, в течение которого последний разряд счетчика С1 находился в «разре­шенном» состоянии, больше первичного времени интервалараз. Расши­ренный временной интервал управляет работой элемента И2, через который на вход выходного счетчика С2 проходят счетные импульсы генератора ГСИ.

В сравнении с методом однократного отсчета при одинаковом с ним шаге квантования относительная погрешность квантования в данном случае будет снижена враз, т, е. равна

Кроме уменьшения погрешности квантования метод многократного отсчета обеспечивает снижение враз случайной составляющей погрешности фиксациивременного положения импульса считывания. Это справедливо при условии, что интервал корреляции помехи, вызывающей флуктуацию момента фиксации им­пульса считывания УМТ, меньше периода повторения импульсов циркуляции. Требуемое условие на всегда выполнимо, особенно в случае преобразования малых перемещений, когда период циркуляции минимален.

Конкретные технические характеристики некоторых реализаций МПП пред­ставлены в табл. 4.2, где приняты следующие сокращения: ПМПП—МПП на основе пьезомагнитострикционного тракта, МПП-0 — на основе однократного отражения, МПП-20 — на основе двустороннего отражения.