Устройство для измерения угла наклона

Устройство для измерения угла наклона

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Соцнапнстнчесинх республик

<и 954822

* ф

1 .r (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву(22) Заявлено 03. 07. 80 (21)2949977/18-10 с присоелинениен заявки М (23) Приоритет (51)М. Кд.

С 01 С 9/06

Веударствснвы1 канитат

СССР ио лалаи изааретаякх и открытия (53) УДК 528,541 (088.8) Опубликовано 30.08.82. Бюллетень РЖ 32

Дата опубликования описания 30. 08. 82

А. Н. Рождественский, B. И. Теаро и И. В. Никонов

1 (72) - Авторы изобретения (71) Заявитель

Омский политехнический институт (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА

Изобретение относится к измери тельной технике и может .быть исполь. зовано для определения угла наклона в системах автоматического управления, а также в датчиках линейных ускорений, вибраций,.давлений и в сей" смических приемниках.

Известно устройство для определения положения объекта, содержащее сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырьком, источник и приемник излучения, расположенные с раз" ных сторон относительно сосуда.

При заданной ориентации сосуда сиг нал на выходе приемника излучения имеет максимальную интенсивность, изменение углового положения (ориентации) устройства приводит к изменению, например, тока фотодиода или сопротивления фоторезистора, а изме" рение угла наклона сводится к измерению тока или напряжения klj.

Укаэанные устройства обладают низкой чувствительностью к малым изме2 нениям угла наклона, так как в этом случае приходится измерять низкие напряжения, токи или их малые приращения.

Известны ус — ðîéñòâà для определения угла наклона, содержащие полупроводниковую подложку, нанесенную на ее ра" î÷óþ грань тонкую полупроводниковую пленку, имеющую противоположный по сравнению с материалом подложки .тип проводимости примеси, два электрода, изготовленные на поверхности тонкой пленки, сосуд, установленный между двумя электродами и заполненный цветным раствором с воздушным пузырьколт, перемещающимся в соответствии с наклоном сосуда, источник света, Полупроводниковая под" ложка и высокоомная полупроводнико2О вая пленка образуют элемент со световой электродвижущей силой. При облучении устройства светом, благодаря воздушному пузырьку, у которого световая проницаемость больше,. чем у

3 раствора, образуется световое пят" но,которое перемещается в сооТВВТсТВии с наклОнОм ПОдлОжки. Г>ежду электродами возникает разность потенциалов, которая изменяется в заВисимости от положения светового пятна. Таким образом, измеряя межэлектродную разность потенциалов судят О Величине угла HGKfloHB подлОж ки (2).

Недостаток данного устройства состоит в том, что ограничена точность и разрешающая способность измерителя, например вольтметра. На чувствительность и точность работы так>не оказывают Влияние длина подложки. толщина пленки, степень светопроницаемости раствора и интенсивность источника света.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для определения угла наклона, содержащее сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырьком, излучающие пьеэопластины, расположенные на концах звукопроводов различной высоты, размещенных на поверхности сосуда с одной его стороны, принимающую пьезопластину, установленную с противоположной стороны сосуда, а также генератор,. подключенный к излучающим пьезопластинам, преобразующим имг>ульсь> генератора в ультразвуковые колебания, усилитель и регистрирующий приGOP

Цель изобретения - повышение чувс.твительности к изменению угла накло.HB °

Поставленная цель достигается тем, что B устройстве для измерения угла наклона, содержащем звукопровод, входной и выходной преобразователи акустических волн, сосуд„ заполненныи жидкОстью с ВОэдушным пузырем, расположенный между преобразователями, усилитель, Вход которого подключен к выходному преобразователю,зву" копровод выполнен в виде пластины иэ пьезоэлектрического материала, входной и выходной преобразователи выполнены в виде веерных встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических Bo>lH нанесенных на одну из граней пьезопластины, причем выход усилите.пя соединен с входным встречно-штыревым Веерным преобразователем, а сосуд имеет форму по" луцилиндра, продольная ось которого перпендикулярна направлению распространения поверхностных акустических волн

На фиг. 1 схематически изображено устройство для измерения угла наклона, вид на подложку сбоку; на риг.2то же, вид на подложку устройства снизу.

36 Устройство содержит пьезопластину 1, изготовленную, например, из ниобата лития У-среза, электроды 2, представляющие собой встречно-штыревые преобразователи (ВШП) веерной

1$ формыр сОсуд пОлый цилиндр З за полненный жидкостью ч {например, спирт, вода или др,), воздушный пузь>рек силителg

На широкую полированную (рабочую) грань пьезог>ластины 1 нанесены дВа

ВШП поверхностных акустических воли (ПАВ),имеюшие форму веера 2, с апертурой Д, равнОЙ ширине перекрытия штырей Ие>нду ВШП укреплен, например, склейкой полый стеклянный полуцилиндр

3 так,что его продольная ось перпендикулярна направлению распространения

ПАВ. Внутренний диаметр поперечного сечения полуцилиндра меньше апертуры

Р преобразователей. Внутренняя полость полуцилиндра 3 образует с рабОчей поверхнОстью пьеэОпластины 1 объем, заполненный жидкостью 4 с воздушным пузырем 5. Жидкость играет

3$ роль погло>ителя ПАВ. Поперечный размер воздушного пузыря 5 равен внутpBннему диаметру полуцилиндра Зр

-.å. ширине внутренней полости полу" цилиндра в направлении распространения ПАВ. Размер пустырька вдоль продольной оси полуцилиндра меньше апертуры ВШП, но больше максимальной длины волны генерируемых колебаний.

Пьезопластины 1 с нанесенными на ее

g$ поверхности ВШП 2 представляет собой линию задержки поверхностных акустических волн, которая в совокупности с усилителем 6 образует автогенератор. При этом один из полюсов обоих электродов - ВШП 2 соединяется с об$6 щим проводом усилителя 6, а другой полюс " сООтВетст Венно с клеммами входа и ВыхОда усили тОля .

Устройство работает следующим об. разом.

$$

В первоначальном положении устройство для измерения угла наклона сориентировано в пространстве согласно фиг. 1 так, что угол ме>нду продольной осью полуцклиндра 3 и направлением земной вертикали составляет 90.

В этом случае воздушный пузырь 5 прижат к рабочей поверхности пьезопластины 1 и расположен в центре промежутка между веерным ВШП (согласно фиг. 2),образуя окно прозрачности для прохождения ПАВ. Прк этом обеспечивается возможность возбуждения автогенератора, образованного лини- В ей задержки и усилителем 6„ на частоте, соответствующей пространст.венному шагу штырей по средней линии веерных ВШП. При включении напряжений, питающих усилитель 6, в коль- И це автогенератора, образованном усилителем 6, входным ВШП 2, окном прозрачности, обусловленным наличием воздушного пузырька 5 в поглощающей

ПАВ жидкости 4, и выходном ВШП 2, 26 возникают колебания на частоте то= l/2 ао, где 4 - скорость распро" странения ПАВ; d - шаг штырей по средней линии веерных ВШП.Свойством веерного ВШП является способность к фор- 2Я мированию узкого акустического луча при гармоническом возбуждении. Этот луч прк изменении частоты возбуждения перемещается вдоль апертуры ВИП„ обеспечивая тем самым плоское скани- уу рование. Прк этом ширина акустичес" кого луча меньше апертуры преобразователя и зависит от угла, образованного крайними штырями ВШП, При выборе размера воздушного пузырька, равного или большего шкркны акустического луча, вся энергия возбужденных повер" хностных волн достигает через окно прозрачности, образованное воздушным пузырьком 5„ выходного ВШП. Это прк- о водит к устойчивой генеоацки колебаний автогенератора на частоте 1о °

Возникновение генерации на другой частоте невозможно, поскольку акустический луч, излучаемый веерным

ВШП, в этом случае сместился бы вдоль апертуры ВШП и демпфкровался в жидком поглотителе 4.

При изменении угла наклона подложки воздушный пузырек 5 под дей$6 ствием скл выталкивания жидкости 4 смещается вдоль продольной оси полуцилиндра 3, что соответствует смещению окна прозр — ÷íîñòè для распространения ПАВ, Прк этом автогенератор изменяет частоту колебаний. В автогеИ нераторе устанавливаются колебания с частотой, соответствующей простран-. ственному шагу штырей веерного ВШП

22 б по линии, перпендикулярной оси полу цилиндра 3 и проходящей через центр, воздушного пузырька. Следует подчер» кнуть, что при изменении знака угла наклона частота автогенератора отклоняется от центральной частоты fo в другую сторону.

Изменение пространственного шага штырей веерного ВШП вдоль его àïåðтуры можно задать топологией преобразователя вплоть до нескольких процентов, что будет соответствовать изме.нению частоты в устройстве прк изменении угла наклона пьеэопластины в том же процентном отношении.

Чувствительность к изменению угла наклона устройства может быть выра жена как отношение изменения частоты колебаний автогенератора к изменению угла между продольной осью полуцилиндра 3 и направленк м земной Вер тикали

5 =И/а8.

Так, эксперименты показывают, что прк центральной частоте колебаний автогенератора f< = 20 10 Гц вариацкя

6 частоты составляет 0,2, илк 20-10 Гц при изменении угла наклона пьеэопластины на 15о. Отсюда следует, что чувстви"„ельность устройства к изменению угла наклона равна .4 -.0- Гц/град. Если учесть, что отно1. сительная нестабильность частоты автогенератора с ПАВ-линией задержки

-6 порядка 10, что достигается довольно легко, то окаэыьается, что с ".омощью устройства можно измерять уг= лы наклона и их приращения порядка

0,01 и выше (т.е. с разрешающей спосооностью не хуже 0,00 о).

Высокая чувствительность устройства к положению воздушного пузырька позволяет испольэова".ü его не только как датчик угла наклона. Смещение ,воздушного пузырька можно вызвать и воздействием линейных ускорений, вибраций, изменением давления на жидкость в полуцклиндре, Это указывает на возможность применения устройства в датчиках линейных ускорений, низкочастотных вибраций-гидростатического давления, системах автоматического управления, а также в сейсмических приемниках. .Еще одним преимуществом устройства является то, что информация о величине угла наклона содержится в частоте, т.е. в том параметре сигнала, который удобен для дальнейшей об7 Э54822 8 работки передачи его на расстояние, полнен в виде пластины из пьезоэлектУ, > преобразования в цифровую форму. рического материала, входнои и выПрименение устройства позволяет ходной преобразователи выполнены в благодаря его высокой чувствитель- виде веерных встречно-штыревых прености значительно снизить требования s образователей поверхностных вкустик точности устройств последующей об- ческих волн, нанесенных яа одну иэ работки сигнала с его выхода, а сле- граней пьезопластины, причем выход

:довательно, и существенно уменьшить усилителя соединен с входным встречстоимость измерительных приборов уг- но-штыревым веерным преобразователем, 39 а сосуд имеет форму полуцилиндра, продольная ось которого перпендикулярна к направлению распространения поверхностных акустических волн.

Формула изобретения

ВНИИХИ Заказ 6413/42

Тираж 614 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä,óë.ÏðîåêòHàë,4

Устройство для измерения угла нак- 35 лона, содержащее эвукопровод, входной и выходной преобразователи акустических волн, сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырьком, расположенный между преобразователя- 2g ми, усилитель, вход которого подключен к выходному преобразователю, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения чувствительности к изменению угла наклона, звукопровод вы-2S

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Патент США У 3863067, кл. 250"231, G 01 С 9/00, опублик. 28 ° 01.75.

2. Заявка Японии Р 4842511, кл. 107 Е О, С 01 С g/06 опублик, l3.12.73.

3. ABTopcKQ8 свидетельство СССР ,Ь 545862, кл, Q 01 С 9/06, 17.11.75 (прототип).