SU1451743A1 - Method and device for correcting readout signal frequency - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в устройствах измерени  координат объекта. Целью изобретени   вл етс  повышение точности способа, а также повышение точности и упрощение устройства за счет использовани  фазового метода коррекции частоты локационного сигнала. Поставленна  цель достигаетс  тем, что формируют зондирующий гармонический электрический сигнал, преобразуют его в гармоническую акустическую волну , формируют эталонную акустическую волну, прерывают зондирующий гармонический электрический сигнал, а эталонную акустическую волну преобразуют в периодический измерительный электрический сигнал, по которому непрерывно формируют акустическую гармоническую волну и последовательность счетных импульсов. Устройство содержит электроакустический излучатель, акустоэлектрический приемник, усилитель , переключатель и умножитель частоты . Использование фазового метода коррекции позвол ет не только достичь высокой точности, но и надежно в реализации. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. с (Л сThe invention relates to automation and computing and can be used in devices for measuring the coordinates of an object. The aim of the invention is to improve the accuracy of the method, as well as to increase the accuracy and simplify the device by using the phase method of correcting the location signal frequency. The goal is achieved by forming a probing harmonic electrical signal, converting it into a harmonic acoustic wave, forming a reference acoustic wave, interrupting the probing harmonic electrical signal, and converting the reference acoustic wave into a periodic measuring electrical signal, which is continuously generating an acoustic harmonic wave and a sequence counting pulses. The device contains an electroacoustic emitter, acoustoelectric receiver, amplifier, switch and frequency multiplier. Using the phase correction method allows not only to achieve high accuracy, but also reliably in implementation. 2 sec. f-ly, 2 ill. with (L with

Description

ел ate

4four

СОWITH

10ten

Изобретение относитс  к автоматике и вычислительной технике, в частности к методам и средствам измерени  координат объекта, основанным на измерении времени распространени  акустической волны, например, в воздушной среде.The invention relates to automation and computing, in particular, to methods and means of measuring object coordinates based on measuring the propagation time of an acoustic wave, for example, in air.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности способа, а также упрощение устройства и повышение точности за счет использовани  фазового метода коррекции.The aim of the invention is to improve the accuracy of the method, as well as simplify the device and increase the accuracy by using the phase correction method.

На фиг. 1 приведена структурна  схема устройства дл  осуществлени  15 способа (режим эхолокации) на фиг.2- временные диаграммы, по сн ющие работу устройства.FIG. Figure 1 shows a block diagram of a device for implementing 15 of the method (echolocation mode) in Fig. 2, time diagrams explaining the operation of the device.

В соответствии с предлагаемым способом коррекции вли ни  изменений 20 физических параметров звукопровод щей среды на точность считывани  координат акустическим методом формируют зондирующий гармонический электри1451743In accordance with the proposed method for correcting the effect of changes in 20 physical parameters of a sound-conducting medium on the accuracy of reading coordinates using an acoustic method, a probing harmonic electric is formed1451743

чатель 2, усилитель 3, электроакустический излучатель 4, акустоэлектри- ческий приемник 5, акустически через отражатель св занный с электроакустическим излучателем 4, а выходом соединенный с другим входом усилител  3, и умножитель 6 частоты, входом соединенный с выходом усилител  3, а.выходом - с выходом устройства.receiver 2, amplifier 3, electroacoustic emitter 4, acoustoelectric receiver 5, acoustically through a reflector associated with an electroacoustic emitter 4, and output connected to another input of amplifier 3, and frequency multiplier 6, input connected to output of amplifier 3, a. output - with the output of the device.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

При включении питани  начинает работать в автоколебательном режиме генератор 1 гармонического электрического сигнала. При включении в некоторый момент времени t, переключател  2 на один из входов усилител  3 начинает поступать гармонический электрический сигнал U,(t) частоты fj, с выхода генератора 1, который преобразуетс  с помощью усилител  3 и излучающего электроакустического преобразовател  4 в акустические волныWhen the power is turned on, the oscillator 1 of the harmonic electric signal starts operating in the self-oscillating mode. When switched on at some time t, switch 2 to one of the inputs of amplifier 3 begins to receive a harmonic electric signal U, (t) of frequency fj, from the output of generator 1, which is converted by amplifier 3 and radiating electro-acoustic transducer 4 into acoustic waves

ческий сигнал U,(t) (фиг.2), преобра-25 длиной , излучаемые в сторонуthe cue signal U, (t) (FIG. 2), the transform-25 length, emitted in the direction

эталонного отражател . Рассто ние между приемно-излучающим модулем (элементы 4 и 5) и эталонным отражателем выбрано равным , В результате отраженный сигнал, в момент времени t1 достигающий чувствительной поверхности акустоэлектрического приемника 5 и преобразованный последним в измерительный сигнал U-2.(t), на вход усилител  приходит синфазно с сигналом U(t). В цепи, образованной усилителем 3, электроакустическим из-- лучателем 4 и акустоэлектрическим приемником 5 и замкнутой по акустическому тракту через эталонный отражатель , начинаетс  автоколебательный процесс. Этот процесс обусловлен тем, что цепь охвачена положительной обратной св зью с выхода на вход (обеспечено условие баланса фаз), а также тем, что величина обратной св зи с помощью усилител  3 выбрана достаточной дл  поддержани  в схеме изменений напр жений и токов по закону, свойственному этой схеме, сколь угодно длительное врем  (выполнено условие баланса амплитуд). После захвата частоты fц, нав занной этой цепи генератором Г, переключатель 2 выключают. Частота ft, измерительного сигнала U,,(t) устанавливаетс  равной с// и посто нно мен етс  в соответствии с изменени ми скорости с распространени  акустических волн. Посколькуreference reflector. The distance between the receiving-emitting module (elements 4 and 5) and the reference reflector is chosen to be equal. As a result, the reflected signal, at time t1, reaches the sensitive surface of the acoustoelectric receiver 5 and converted last into the measuring signal U-2. (T), to the input the amplifier comes in phase with the U (t) signal. In the circuit formed by the amplifier 3, the electroacoustic transmitter 4 and the acoustoelectric receiver 5 and closed in the acoustic path through the reference reflector, the self-oscillatory process begins. This process is due to the fact that the circuit is covered by positive feedback from the output to the input (the condition of phase balance is ensured), and the fact that the feedback value using amplifier 3 is sufficient to maintain the voltage and current variations in the circuit, characteristic of this scheme for an arbitrarily long time (the amplitude balance condition is satisfied). After the frequency fc captured by this circuit by the generator G is captured, switch 2 is turned off. The frequency ft, of the measurement signal U ,, (t) is set equal to c // and constantly changes in accordance with changes in velocity with the propagation of acoustic waves. Insofar as

зуют его в акустические волны, излучают гармонические акустические волны в первой фиксированной точке до тех. пор, пока они не достигнут второй фиксированной точки или путем пр мого прохождени  от первой точки до второй (режим однонаправленного излучени ), или отразившись от эталонного отражател  (режим эхолокации , фиг. 1), преобразуют акустичес- кие волны, прин тые во второй фиксированной точке, в электрический измерительный сигнал Ui(t), непрерыв- . но преобразуют его в акустические гармонические волны, излучаемые в первой фиксированной точке, и последовательность счетных импульсов высокой частоты f, используемых дл  врем -импульсного преобразовани  при измерении координат, формируют путем умножени  частоты „ измерительного- сигнала U4(t) в п раз, причем рассто ние между первой и второй фиксированными точками в режиме однонаправленного излучени  устанавливаютThey enter it into acoustic waves, emit harmonic acoustic waves at the first fixed point before those. until they reach the second fixed point, either by direct passage from the first point to the second (unidirectional radiation mode), or reflected from the reference reflector (echolocation mode, Fig. 1), the acoustic waves received in the second fixed point, the electrical measuring signal Ui (t), is continuous-. but it is converted into acoustic harmonic waves emitted at the first fixed point, and a sequence of high-frequency counting pulses f used for time-pulse conversion when measuring coordinates is formed by multiplying the frequency of the measuring-signal U4 (t) by n times, and the distance between the first and second fixed points in the unidirectional radiation mode set

равным , а рассто ние между эталонным отражателем и фиксированными точками при эхолокации (фиг.1) устанавливают равным пА/2.equal, and the distance between the reference reflector and fixed points for echolocation (Fig. 1) is set equal to pA / 2.

Устройство (фиг.1) дл  осуществле ни  способа содержит последовательно соединенные генератор 1 гармонического электрического сигнала, переклюThe device (figure 1) for carrying out the method contains a series-connected generator 1 of a harmonic electric signal, switch

25 длиной , излучаемые в сторону25 long radiated to the side

30thirty

2 до 45 2 to 45

5050

5555

эталонного отражател . Рассто ние между приемно-излучающим модулем (элементы 4 и 5) и эталонным отражателем выбрано равным , В результате отраженный сигнал, в момент времени t1 достигающий чувствительной поверхности акустоэлектрического приемника 5 и преобразованный последним в измерительный сигнал U-2.(t), на вход усилител  приходит синфазно с сигналом U(t). В цепи, образованной усилителем 3, электроакустическим из-- лучателем 4 и акустоэлектрическим приемником 5 и замкнутой по акустическому тракту через эталонный отражатель , начинаетс  автоколебательный процесс. Этот процесс обусловлен тем, что цепь охвачена положительной обратной св зью с выхода на вход (обеспечено условие баланса фаз), а также тем, что величина обратной св зи с помощью усилител  3 выбрана достаточной дл  поддержани  в схеме изменений напр жений и токов по закону, свойственному этой схеме, сколь угодно длительное врем  (выполнено условие баланса амплитуд). После захвата частоты fц, нав занной этой цепи генератором Г, переключатель 2 выключают. Частота ft, измерительного сигнала U,,(t) устанавливаетс  равной с// и посто нно мен етс  в соответствии с изменени ми скорости с распространени  акустических волн. Посколькуreference reflector. The distance between the receiving-emitting module (elements 4 and 5) and the reference reflector is chosen to be equal. As a result, the reflected signal, at time t1, reaches the sensitive surface of the acoustoelectric receiver 5 and converted last into the measuring signal U-2. (T), to the input the amplifier comes in phase with the U (t) signal. In the circuit formed by the amplifier 3, the electroacoustic transmitter 4 and the acoustoelectric receiver 5 and closed in the acoustic path through the reference reflector, the self-oscillatory process begins. This process is due to the fact that the circuit is covered by positive feedback from the output to the input (the condition of phase balance is ensured), and the fact that the feedback value using amplifier 3 is sufficient to maintain the voltage and current variations in the circuit, characteristic of this scheme for an arbitrarily long time (the amplitude balance condition is satisfied). After the frequency fc captured by this circuit by the generator G is captured, switch 2 is turned off. The frequency ft, of the measurement signal U ,, (t) is set equal to c // and constantly changes in accordance with changes in velocity with the propagation of acoustic waves. Insofar as

длину вопны акустического сигнала не всегда можно выбрать такой, чтобы измерительный сигнал U(t) частотой „ обеспечивал заданную дискретность отсчета при измерении координат, в устройстве предусмотрено умножение частоты fp, в п раз с помощью умножител  6, на выходе которого формируетс  последовательность Uj(t) счетных им- пульсов. Так, при использовании в качестве звукопровод щей среды воздуха из-за большого затухани  ультразвуковых колебаний высокой частоты при локации рассто ний 0,5-1,0 м излучать частоту более высокую, чем 340 кГц, нецелесообразно. При этом длина акустической волны мм. Дл  получени  дискретности отсчета в 0,1 мм при работе измерител  координат в режиме однонаправленного излучени  частоту 340 кГц необходимо увеличить в 10 раз а при работе в режиме эхолокации - в 5 раз.the length of the acoustic signal is not always possible to choose such that the measuring signal U (t) with frequency „provides the specified sampling resolution when measuring the coordinates, the device provides for multiplication of frequency fp, n times with the help of multiplier 6, the output of which forms the sequence Uj (t ) counting pulses. So, when using air as a sound-conducting medium, due to the large attenuation of high-frequency ultrasonic oscillations, when radiating distances of 0.5–1.0 m, it is impractical to emit a frequency higher than 340 kHz. The length of the acoustic wave mm. To obtain a sampling resolution of 0.1 mm, when the coordinate meter is used in the unidirectional radiation mode, the frequency of 340 kHz must be increased by 10 times, and when operating in the echolocation mode, by 5 times.

нала, а ширина полосы пропускани  должна отвечать требованию, указанному выше.and the bandwidth must meet the requirement specified above.

Claims (2)

1. Способ коррекции частоты сигнала считывани , основанный на формировании зондирующего электрического сигнала, преобразовании его в акустическую волну, формировании и приеме эталонной акустической волны, фор мировании последовательности счетных импульсов с частотой, пропорциональной скорос и звука в используемой звукопровод щей среде, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, зондирующий элекрический сигнал формируют гармоническим и преобразуют его в гармоническую акустическую волну до момента приема эталонной акустической волны, после чего прерывают зондирующий1. A method for correcting the frequency of a readout signal, based on the formation of a probing electrical signal, converting it into an acoustic wave, forming and receiving a reference acoustic wave, forming a sequence of counting pulses with a frequency proportional to the velocity and sound in the used sound-conducting medium, characterized in In order to increase accuracy, the probing electric signal is formed harmonically and converted into a harmonic acoustic wave until the reference acoustic is received. after which the probe is interrupted В соответствии с предлагаемым спо- 25 электрический сигнал, а прин тую этасобом эталонный отражатель может нат родитьс  на любом из рассто ний , где п - целое число. Это делает устройство мобильным и пригодным дл  использовани  в измерител х координат с различными размерами ра- бочей зоны.In accordance with the proposed method, an electrical signal, and the reference reflector received by this method can be generated at any distance where n is an integer. This makes the device mobile and suitable for use in coordinate gauges with different working area sizes. Чтобы исключить возможность нарушени  условий баланса фаз и баланса амплитуд под воздействием электрических , акустических и иных помех, в устройстве предусмотрено выполнени усилител  полосовым. Ширина полосы пропускани  усилител  должна выбиратьс  из расчета возможных изменений 40 ты сигнала считывани , содержащееIn order to exclude the possibility of violation of the conditions of phase balance and amplitude balance under the influence of electrical, acoustic and other interference, the device is provided with a bandpass amplifier. The bandwidth of the amplifier should be selected on the basis of the possible changes in the 40 you read signal containing акустически св занные электроакуст ческий излучатель и акустоэлектрич кий приемник и усилитель, отличающее с  тем, что, с целью его упрощени  и повышени  точности за счет фазового метода к рекции, оно содержит генератор гар нического электрического сигнала, переключатель и умножитель частоты причем вход электроакустического и лучател  соединен с входом умножит л  частоты и выходом усилител , вх которого соединен с выходом перекл чател , первый вход которого соеди нен с выходом генератора гармониче кого электрического сигнала, а вто подключен к выходу акустоэлектриче кого приемника, причем усилитель в полнен полосовым.acoustically coupled electroacoustic emitter and acoustoelectric receiver and amplifier, characterized in that, in order to simplify it and improve accuracy due to the phase method of response, it contains a generator of an acoustic electric signal, a switch and a frequency multiplier with the input of electroacoustic and radiator It is connected to the input by multiplying the frequency and the output of the amplifier, which is connected to the switch output, the first input of which is connected to the output of the harmonic electrical signal generator, and The key to the exit akustoelektriche receiver who, with full power in the bandpass. скорости распространени  акустических волн в рабочем диапазоне изменений физических параметров звукопровод щей среды. Например, температурный коэффициент скорости распространени  акустических волн в воздухе равен 0,18% .град- . Это значит, что дл  обеспечени  работы устройства в диапазоне tlO°C ширина полосы пропускани  усилител  должна составл ть 2,6% от частоты fu измерительного сигнала.the propagation velocity of acoustic waves in the working range of changes in the physical parameters of the sound-conducting medium. For example, the temperature coefficient of the speed of propagation of acoustic waves in air is 0.18%. This means that in order to operate the device in the tlO ° C range, the bandwidth of the amplifier must be 2.6% of the fu frequency of the measurement signal. Такого же эффекта повьшени  помехоустойчивости можно достичь за счет использовани  электроакустических преобразователей с выраженными резонансными свойствами. При этом частота резонанса должна совпадать со средней частотой измерительного сиг0The same effect of increasing noise immunity can be achieved through the use of electroacoustic transducers with pronounced resonant properties. In this case, the resonance frequency should coincide with the average frequency of the measuring sig0 5five лонную акустическую волну преобразуют в периодический измерительный электрический сигнал, который непрерьшно преобразуют в акустическую гармоническую волну и последовательность счетных импульсов, причем последовательность счетных импульсов формируют путем умножени  частоты периодического измерительного электрического сигнала, а эталонную акустическую волну формируют на базе, кратной длине волны звука .в используемой звукопровод щей среде.The acoustic wave is converted into a periodic measuring electrical signal, which is continuously converted into an acoustic harmonic wave and a sequence of counting pulses, the sequence of counting pulses is generated by multiplying the frequency of the periodic measuring electrical signal, and the reference acoustic wave is formed at a base that is a multiple of the sound wavelength. sound conductive medium. 2. Устройство дл  коррекции частоты сигнала считывани , содержащее2. A device for correcting the frequency of the readout signal, comprising . i . i акустически св занные электроакустический излучатель и акустоэлектричес- кий приемник и усилитель, отличающее с  тем, что, с целью его упрощени  и повышени  точности за счет фазового метода коррекции , оно содержит генератор гармонического электрического сигнала, переключатель и умножитель частоты, причем вход электроакустического излучател  соединен с входом умножител  частоты и выходом усилител , вход которого соединен с выходом переключател , первый вход которого соединен с выходом генератора гармонического электрического сигнала, а второй подключен к выходу акустоэлектричес- кого приемника, причем усилитель выполнен полосовым.acoustically coupled electroacoustic emitter and acoustoelectric receiver and amplifier, distinguished by the fact that, in order to simplify it and improve accuracy due to the phase correction method, it contains a harmonic electric signal generator, a switch and a frequency multiplier, and the electroacoustic emitter input is connected to the input of the frequency multiplier and the output of the amplifier, the input of which is connected to the output of the switch, the first input of which is connected to the output of the harmonic electric signal generator and the second is connected to the output of an acoustoelectric receiver, with the amplifier made of a band pass. Фив. IThebes. I Фиг.11