Акустоэлектронный способ определения перемещений объекта
Реферат
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения положения объекта, перемещающегося в широком диапазоне значений перемещений. Цель изобретения - повышение точности измерения перемещений объекта путем максимального сжатия диапазона перестройки частоты ультразвуковых колебаний и исключения влияния внешней среды на скорость распространения ультразвуковых колебаний. Это достигается тем, что опорный сигнал на исходной частоте задерживают на малую величину дополнительной задержки и фиксируют разность фаз принятого и опорного сигналов. Исключают дополнительную задержку опорного сигнала и фиксируют вторую разность фаз. Затем изменяют исходную частоту до значения, при котором восстанавливается первоначальная разность фаз принятого и опорного сигналов,а перемещение определяют с учетом частот f1, f2 , выбранной задержки и скорости V распространения ПАВ. Для исключения влияния внешней среды на скорость распространения ПАВ задержку опорного сигнала осуществляют путем приема ПАВ, распространяющейся по пьезоэлектрической пластине на фиксированном расстоянии от излучателя, с учетом которого определяют перемещение объекта. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения положения объекта, перемещающегося в широком диапазоне значений перемещений.
Известен способ определения перемещений объекта [1], основанный на преобразовании электрических колебаний в ультразвуковые колебания на первой частоте f1, излучении ультразвуковых колебаний в направлении контролируемого объекта, приеме отраженных ультразвуковых колебаний приемником с известной акустической базой по отношению к излучателю, измерении разности фаз между принятыми и излучаемыми колебаниями, изменении частоты колебаний до значения fк, при котором разность фаз изменится на 2(К-1) , и определении перемещения объекта по формуле L= где К-1 - изменение количества длин волн ультразвуковых колебаний, укладывающихся между излучателем и приемником, при изменении частоты колебаний от f1 до fк; V - скорость распространения ультразвуковых колебаний; - поправка, зависящая от расстояния между излучателем и приемником (акустической базы) и направленности излучения. Если в процессе изменения частоты количество длин волн изменяется на одну длину волны, то разность фаз изменяется только на 2 и формула приобретает вид L= ) Наиболее близким к изобретению является известный акустоэлектронный способ определения перемещений объекта, заключающийся в том, что в неподвижной пьезоэлектрической пластине излучающим встречно-штыревым преобразователем возбуждают поверхностную акустическую волну (ПАВ), принимают ее приемным встречно-штыревым преобразователем, установленным на подвижной пьезоэлектрической пластине, предназначенной для связи с перемещаемым объектом, измеряют разность фаз между принятым и опорным сигналами и используют ее при определении перемещения объекта [2]. Недостатком известного способа является низкая точность определения перемещения ввиду невозможности обеспечения измерения целого числа фазовых циклов и зависимости результата от изменения скорости распространения ПАВ при изменении внешних условий. Целью изобретения является повышение точности определения перемещений объекта. Цель достигается тем, что по акустоэлектронному способу определения перемещений объекта, заключающемуся в том, что в неподвижной пьезоэлектрической пластине излучающим встречно-штыревым преобразователем возбуждают ПАВ, принимают ее приемным встречно-штыревым преобразователем, установленным на подвижной пьезоэлектрической пластине, предназначенной для связи с перемещаемым объектом, измеряют разность фаз между принятым и опорным сигналами и используют ее при определении перемещения объекта, измерение разности фаз осуществляют на частоте f1 синхронизма встречно-штыревых преобразователей с задержкой << 1/f1 опорного сигнала и без задержки опорного сигнала, изменяют частоту сигналов при втором измерении до частоты f2, при которой разность фаз сигналов соответствует разности фаз при первом измерении, а перемещение объекта определяют с учетом частот f1, f2 возбуждаемых сигналов, выбранной задержки и скорости V распространения ПАВ. Цель достигается также тем, что задержку опорного сигнала осуществляют путем приема ПАВ на неподвижной пьезоэлектрической пластине дополнительным встречно-штыревым преобразователем, установленным от излучающего на расстоянии Zo = V, с учетом которого определяют искомый параметр. На фиг. 1 и 2 представлены варианты устройства для измерения перемещений. Устройство для измерения перемещений объекта содержит диэлектрическую пластину 1, на которой расположена пьезоэлектрическая пластина 2, установленные на ней излучающий встречно-штыревой преобразователь 3 и концевые поглотители 4, 5 ПАВ, подвижный встречно-штыревой преобразователь 6, размещенный над поверхностью пластины 2 на расстоянии, соизмеримом с длиной ПАВ, и предназначенный для соединения жесткой механической связью с контролируемым объектом (на фигурах не показан), и последовательно соединенные неподвижный емкостный токосъемник 7, расположенный над подвижным встречно-штыревым преобразователем 6 ПАВ, первый усилитель 8 и фазометр 9, второй вход которого через второй усилитель 10 соединен с выходом переключателя 11, первый вход которого через линию 12 задержки, а второй вход через аттенюатор 13 соединены с частотомером 14 и генератором 15 регулируемой частоты, и дополнительный неподвижный встречно-штыревой преобразователь 16 ПАВ, расположенный на пластине 2 на фиксированном расстоянии от излучающего встречно-штыревого преобразователя 3. Способ осуществляется следующим образом. Настраивают генератор 15 на частоту синхронизма fовстречно-штыревых решеток излучателя и приемника ПАВ, которую измеряют частотомером 14. Электрический сигнал с частотой f1 = fо от генератора 15 (фиг.1) поступает на излучатель 3, посредством которого возбуждает в пластине 2 ПАВ. Электрическое поле, сопровождающее ПАВ и распространяющееся вдоль пластины 2, индицирует переменный сигнал той же частоты f1 во встречно-штыревом преобразователе 6. Выходной сигнал можно представить в виде a = Aej(2f1t+o+z), (1) где А - амплитуда сигнала, зависящая от величины перемещения приемного преобразователя и его расстояния от поверхности пластины; о - начальная фаза сигнала, зависящая от контролируемых параметров, частотной расстройки и начального положения приемного преобразователя; z - приращение фазы выходного сигнала, обусловленное перемещением приемного преобразователя вдоль пластины. При перемещении приемного преобразователя на расстояние Z от излучателя приращение фазы Z= Z= f1Z= 2(k+n), (2) где - длина ПАВ на частоте f1; V - скорость распространения ПАВ; К - целое число фазовых циклов в 2 ; n - дробное число последнего фазового цикла. Выходной сигнал преобразователя 6 передается на емкостный токосъемник 7, с которого через усилитель 8 поступает на один вход фазометра 9. На другой вход фазометра через усилитель 10, переключатель 11, вначале установленный в верхнее положение, и линию 12 задержки поступает опорный сигнал непосредственно от генератора 15. При этом опорный сигнал дополнительно задержан линией 12 относительно принятого с приемного преобразователя 6 сигнала, задержка которого определяется положением его относительно пластины 2. В зависимости от перемещения Z приемного преобразователя 6 относительно излучающего преобразователя 3 разность фаз сравниваемых сигналов Z= o+ f1Z-2f1 , (3) где - дополнительная задержка в цепи опорного сигнала. Фазометром 9 измеряется дробная часть последнего фазового цикла, т.е. = 2n=+ f1Z-2f1-2k , (4) где о - начальная фаза сигнала на частоте f1. Дополнительную задержку выбирают из условия << 1/f1 . (5) Переключателем 11 исключают дополнительную задержку из опорного сигнала, вводя аттенюатор 13 с затуханием, равным затуханию линии 12 задержки. Так как выполняется условие (5), то целое число k фазовых циклов в соотношении (2) не нарушается. Поэтому фазометром 9 фиксируется вторая разность фаз в пределах одного фазового цикла =2n=+ f1Z-2k . (6) Далее изменяют частоту генератора 15 до значения f2, при котором восстанавливается первоначальная разность фаз принятого и опорного сигналов , (7) где o'' - начальная фаза сигнала на частоте f2. Значение частоты f2 измеряют частотомером 14. Приравнивая выражения (7) и (4), получают + f1Z-2f1=+ f2Z. (8) Поскольку дополнительная задержка << 1/f1, то второе значение частоты f2 мало отличается от первоначального значения частоты f1, т.е. f1 - f2 << f1 . (9) С учетом условия (9) можно считать, что o' = o''. Тогда уравнение (8) можно представить в более простом виде: Z-f1= Z (10) Решив уравнение (10) относительно перемещения Z, получают Z= V (11) Таким образом, по двум значениям частоты f1 и f2, дополнительной задержке опорного сигнала и скорости V распространения ПАВ в звукопроводе можно определить перемещение объекта Z. Так как результат вычислений не зависит от количества фазовых циклов k (длин ПАВ) в определяемом перемещении, то положение объекта можно контролировать без реверсивного счета количества фазовых циклов от начального положения, т.е. исключается неоднозначность фазовых измерений. По сравнению с прототипом достигнуто значительное уменьшение диапазона перестройки частоты. Так, по способу-прототипу минимальное изменение частоты при измерении перемещения Z определяется выражением f1= f1-f2= . (12) где f1 - изменение частоты, вызывающее изменение разности фаз сравниваемых сигналов на 2 (360о). По предлагаемому способу для определения того же значения перемещения Z согласно выражению (11) достаточно изменение частоты: f2=f1-f2= V . (13) Уменьшение диапазона перестройки частоты можно оценить коэффициентом сжатия частот q= = = . (14) где =2f1 - дополнительный фазовый сдвиг, вносимый элементом задержки на частоте f1. Из выражения (14) видно, что чем меньше вводимая в опорный сигнал задержкa , а следовательно, и соответствующий фазовый сдвиг , тем больше коэффициент сжатия q. Минимальное значение задержки определяется возможностью регистрации малых перемещений, т.е. разрешающей способностью используемого фазометра. Современные цифровые фазометры (Ф2-28, Ф2-34 и др.) имеют разрешающую способность на уровне о = 0,01-0,02о. Если принять, что дополнительный фазовый сдвиг = 10 о, то реальное значение коэффициента сжатия q= = 3600....1800 Таким образом, по сравнению с прототипом минимальный диапазон изменения частоты за счет новых операций еще уменьшен по крайней мере в 1000 раз, что практически исключает влияние дополнительных фазовых сдвигов в цепи излучатель - приемник из-за частотной расстройки встречно-штыревых возбуждающих и принимающих преобразователей. Приведенный расчет подтверждает правомочность условия (9) и, как следствие, справедливость равенства начальных фаз сигнала 'o=''o при столь малом изменении частоты ПАВ. Последнее обеспечивает повышение точности определения перемещений. При длине ПАВ = 20 мкм разрешающая способность по перемещению с учетом разрешающей способности цифровых фазометров составляет 0,001-0,002 мкм. Для исключения влияния внешней среды на скорость распространения ПАВ в звукопроводе в качестве элемента дополнительной задержки используют тот же звукопровод 2 на участке Zo (фиг.2), на котором ПАВ от излучающего преобразователя 3 распространяется в направлении поглотителя 4 и принимается дополнительным неподвижным приемным преобразователем 16. При фиксированном расстоянии Zo = const время задержки ПАВ определяется соотношение = Zo/V. (15) Подставив значение задержки из выражения (15) в выражение (11), получают Z= Zo= , (16) где = (f1 - f2)/f1 - относительная частотная расстройка, необходимая для исключения неоднозначности. Из полученного выражения (16) видно, что измеряемое перемещение Z определяется фиксированным расстоянием Zо, измеряемой частотной расстройкой и не зависит от скорости распространения ПАВ в звукопроводе. Использование изобретения позволяет повысить точность измерения перемещений как за счет максимального сжатия диапазона перестройки частоты ПАВ, так и устранения влияния непостоянства скорости распространения ПАВ от изменения параметров окружающей среды.Формула изобретения
1. АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА, заключающийся в том, что в неподвижной пьезоэлектрической пластине излучающим встречно-штыревым преобразователем возбуждают поверхностную акустическую волну, принимают ее приемным встречно-штыревым преобразователем, установленным на подвижной пьезоэлектрической пластине, предназначенной для связи с перемещаемым объектом, измеряют разность фаз между принятым и опорным сигналами и используют ее при определении перемещения объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измерение разности фаз осуществляют на частоте f1 синхронизма встречно-штыревых преобразователей с задержкой <<<< 1/ f1 опорного сигнала и без задержки опорного сигнала, изменяют частоту сигналов при втором измерении до частоты f2, при которой разность фаз сигналов соответствует разности фаз при первом измерении, а перемещение объекта определяют с учетом частот f1, f2 возбуждаемых сигналов, выбранной задержки и скорости v распространения поверхностной акустической волны в пьезоэлектрической пластине. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что задержку опорного сигнала осуществляют путем приема поверхностной акустической волны на неподвижной пьезоэлектрической пластине дополнительным встречно-штыревым преобразователем, установленным от излучающего на расстоянии zо = v , с учетом которого определяют искомый параметр.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2