Устройство для непрерывного измерения угловых перемещений

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содер жащее генератор колебаний, ультразву ковой преобразователь, дуговой эвуко провод из пьезоэлектрического материала , расположенный на диэлектрической подложке концентрично оси вращения контролируемого объекта, приемник поверхностных акустических волн, жестко соединенный с объектом, и токосъемник , отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерения, приемник вьтолнен в виде замкнутой кольцевой металлической встречно-штыревой решетки, размещенной на диэлектрической подложке концентрично оси вращения контролируемого объекта образующей со звукопроводом зазор, величина которого соизмерима с длиной поверхностной акустической волны.

1 pal СОЮЗ СОВЕТСКИХ

COUWI

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABT0PCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3574194/18-28 (22) 06.04.83 (46) 23.06.84. Бюл. К 23 (72) A.С.Бондарев, Н.Ф.Жовнир, В.Ю.Мещерский, Ю.П.Кожарский и П.У.Костюченко (53) 531.745(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

11 697814, кл. G 01 В 17/00, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 847031, кл. С 01 В 17/00, 1981 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО

ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее генератор колебаний, ультразвуковой преобразователь, дуговой звуко..SU„„1099101 А

3(59 G О1 В 17/00; С 01 В 21/22, Н 03 Н 9/25 провод из пьезоэлектрического материала, расположенный на диэлектрической подложке концентрично оси вращения контролируемого объекта, приемник поверхностных акустических волн, жестко соединенный с объектом, и токосъемник, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измерения, приемник выполнен в виде замкнутой кольцевой металлической встречно-штыревой решетки, размещенной на диэлектрической подложке концентрично оси вращения контролируемого объекта образующей со звукопроводом зазор, величина которого соизмерима с длиной поверхностной акустической волны. I 099101

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь: овано в системах измерения параметр>вв движения, например для непрерывного измерения углов поворота, угловых скоростей и ускорений вращающихся объектов.

Известно устройство для непрерывного измерения угловых величин, содер- жащее генератор электрических колебаний, ультразвуковой преобразователь, кольцевой звукопровод, установленный концентрично с осью вращения контролируемого объекта, приемник ультразвуковых колебаний, жестко соединенный с контролируемым объектом, и измерительное устройство Г1 1.

Недостатками такого устройства являются узкий диапазон измерения углов, низкая точность измерения, обусловленная дестабилизирующими факторами (например, температурой, давлением, нестабильностью частоты генератора и пр.), неоднородностью звукопровода и технологическими неточ25 ностями изготовления устройства.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для непрерывного измерения угловых перемещений, содержащее генератор колебаний, ультразвуковой прАбразователь, дуговой звукопровод из пьезоэлектрического материала, расположенный на диэлектрической подложке 35 концентричнс оси вращения контролируемого объекта, приемник поверхностных акустических волн, жестко соединенный с объектом, и токосъемник P2).

Недостатками этого устройства яв- 4О ляется то, что измеряемый угол поворота меньше 360, так как кольцевой звукопровод разомкнут, а основной приемник является незамкнутым сосредоточенным элементом, вследствие че- <5 го приемник не выдает информацию при повороте контролируемого объекта на 360 и более.

Кроме того, ограниченна точность измерения, обусловленная неоднород- 5G ностью звукопровода, технологическими неточностями изготовления устройства влияние которых не может быть скомпенсировано и устранено, так как приемник ультразвуковых колебаний является незамкнутым сосредоточенным элементом.

Целью изобретения является расширение диапазона измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для непрерывного измерения угловых перемещений, содержащем генератор колебаний, ультразвуковой преобразователь, дуговой звукопровод из пьезоэлектрического материала, расположенный на диэлектрической подложке концентрично оси вращения контролируемого объекта, приемник поверхностных акустических волн, жестко соединяемый с объектом, и токосъемник, приемник выполнен в виде замкнутой кольцевой металлической встречно-штыревой решетки, размещенной на диэлектрической подложке концентрично оси вращения контролируемого объекта, образующей с звукопроводом зазор, величина которого соизмерима с длиной поверхностной акустической волны.

На фиг.1 приведена схема устройства; на фиг.2 — сечение А — А на фиг.1, на фиг.3 — сечение Б-Б на фиг.1.

Устройство содержит генератор 1 колебаний, соединенный с его выходом ультразвуковой преобразователь 2, выход которого контактирует с дуговым звукопроводом 3, взаимодействующим с преобразователем 4 поверхностной акустической волны. Преобразователь 4 сое", динен с фазовым детектором 5, второй вход которогс подключен к выходу генератора 1, а выход детектора 5 включен на второй выход генератора i колебаний. Над дуговым звукопроводом 3 расположен приемник 6 поверхностных акустических волн, состоящий из диэлектрического диска 7, жестко соединяемого с валом контролируемого объекта 8, и металлических токосъемных колец 9 и 10„ между которыми расположена жестко соединенная с ними диэлектрическая шайба 11. На поверхности шайбы 11, обращенной к звукопроводу 3, расположена концентрично с осью вращения контролируемого объекта замкнутая кольцевая металлическая встречно-штыревая решетка с внутренними штырями 12 и с внешними штырями 13, шины которых соединены с кольцами 9 и 10 соответственно, а поверхность решетки образует с поверхностью звукопровода зазор о", величина которого соизмерима с длиной поверхностной акустической волны

Период встречно-штыревой решетки ранен длине дуги ь, определяемой из соотношения

1099101 ьь2» R /М где Р р — средний радиус встречноштыревой решетки, равный среднему радиусу звукопро- 5 вода зв, т е. р= 5ь

М вЂ” чис о периодов (пар: электродов) в решетке.

Оптимальное взаимодействие приемника с поверхностной акустической 10 волной обеспечивается при равенстве периода Т длине поверхностной акустической волны, Й, т. е. = М . Длина поверхностной акустической волны определяется соотношением: 3 Ч(1, 15 где V — скорость поверхностной акустической волны, зависящая от свойств материала звукопровода; — рабочая частота электрических колебаний, поступающих от генератора. 20

Степень связи приемника с поверхностной акустической волной пропорциональна Д вЂ” — —, где с — коэффици-ЫЖБ ент, зависящий от геометрии встречноштыревой решетки приемника. 25

Над приемником 6 расположен (фиг.1) неподвижный емкостный токосъемник 14, состоящий из диэлектрической шайбы 15, жестко соединенной с металлическими кольцами 16 и 17, 30 которые соединены с входом усилителя 18.

Устройство работает следующим об" разом.

Генератор 1 электрических колеба- З5 ний возбуждает посредством преобразователя 2 бегущую поверхностную акустическую волну в звукопроводе 3 из пьезоэлектрического материала . Электрическое поле бегущей поверхностной акустической волны индуцирует переменные электрические сигналы на тех. штырях 12 и 13 кольцевой встречноштыревой решетки приемника 6, которые находятся над звукопроводом.

Электрические сигналы, возбуждаемые в штырях встречно-штыревой решетки, суммируются на шинах решетки, при этом происходит увеличение амплитуды выходного сигнала и уменьшение по-50 грешностей измерения, возникающих вследствие неоднородности звукопровода и технологических неточностей изготовления устройства, так как взаимодействие поверхностной акусти- 55 ческой волны с приемником 6 происходит на протяженном участке звукопровода 3 с участием большого числа штырей встречно-штыревой решетки. Съем выходного сигнала осуществляется емкостным токосъемником 14, металлические кольца 16 и. 17 которого образуют с металлическими кольцами 9 и 10 приемника 6 емкость. Выходной сигнал с колец 16 и 17 емкостного токосъемника 14 поступает в усилитель !8. Выходной сигнал приемника 6 можно представить в виде:

j 2%56-Ч вЂ” — z

2TI

0 Л

I 5 вых rn

Ф где А. — амплитуда выходного сигнала зависящая от d Л и o(, Уо — начальная фаза выходного сигнала; — текущее время;

2 — длина дуги относительного перемещения встречно-штыревой решетки 11 приемника 6 и звукопровода 3, определяемая соотношением Z = < Ч, где Ч вЂ” относительное угловое йеремещение приемника 6, жестко соединенного с контролируемым объектом 8, и эвукопровода 3 в радианах.

Сдвиг фазы выходного сигнала при относительном угловом перемещении приемника и звукопровода на угол Ч определяется соотношением:

Л ЗЬ

Откуда видно, что сдвиг Ч фазы выходного сигнала прямо пропорционален относительному угловому перемещению

Ч, что позволяет свести измерение угловых перемещений к измерению фазового сдвига выходного сигнала приемника 6, а изменение радиуса звукопровода 3 R и длины поверхностной акустической волны позволяет регулировать чувствительность устройства. При вращении приемника 6 относительно звукопровода 3 фазовый сдвиг выходного сигнала непрерывно меняет"я, что поз- . воляет непрерывно измерять угловые перемещения от 0 до 360 и более, ис0 пользуя соотношение

Л

2 и зв

Обработка снимаемого сигнала может осуществляться известными способами.

Например, выходной сигнал с выхода усилителя 18 сравнивается в фазовом

1099101

А-A детекторе 5 с сигналом генератора.

Число фазовых циклов, соответствующих перемещению, равному целому числу поьерхносгных акустических полуволн (волн), регистрируется счетчиком, а величина, лежащая внутри этого интервала, — стрелочным прибором.

Поверхностные акустические волны, прошедшие звукопровод 3, поступают на

l0 вход выходного преобразователя 4, который преобразует их в электрический сигнал той же частоты. С выхода вы" ходного преобразователя 4 сигнал, несущий информацию о фазе (следовательно, о длине звукопровода между вход11 ным и выходным преобразователями), поступает на вход детектора, на второй вход которого поступает сигнал от генератора 1 электрических колебаний. В детекторе 6 формируется сигнал

2п коррекции, изменяющий частоту колебаний генератора таким образом, чтобы обеспечивалось постоянство разности фаз между опорными колебаниями генератора 1 и колебаниями, распространяющимися по эвукопроводу 3, благодаря чему уменьшаются погрешности измерения угловых перемещений, обусловленные действием дестабилизирующих факторов (температура, давление нестабильность частоты генератора и пр.), причем степень уменьшения погрешностей прямо пропорциональна длине звукопровода между входным и выходным преобразователями.

Использование изобретения позволит расширить диапазон измеряемых угловых перемещений до 360 и уменьшить

О погрешности измерения, возникающие вследствие неоднородности звукопровода и технологических неточностей изготовления устройства.

1099101

b-5

Составитель Ю.Богданов

Редактор С.Патрушева Техред Л.Коцюбняк

Корректор О.Тигор

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4

Заказ 4340/29 Тираж 587 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5