Акустоэлектронный способ определения перемещений объекта

 

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 τ 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 f_к, при котором разность фаз изменится на 2(К-1) π, 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 f_к; V - скорость распространения ультразвуковых колебаний; ε - 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 π 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 τ << 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 τ 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 Z_o = τ 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 f_овстречно-штыревых решеток излучателя и приемника ПАВ, которую измеряют частотомером 14. Электрический сигнал с частотой f₁ = f_о 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 = Ae^j(2π^f1^t+Ψo⁺Ψz⁾, (1) где А - амплитуда сигнала, зависящая от величины перемещения приемного преобразователя и его расстояния от поверхности пластины; Ψ_о - начальная фаза сигнала, зависящая от контролируемых параметров, частотной расстройки и начального положения приемного преобразователя; Ψ_z - приращение фазы выходного сигнала, обусловленное перемещением приемного преобразователя вдоль пластины.

При перемещении приемного преобразователя на расстояние Z от излучателя приращение фазы Ψ_Z= Z= f₁Z= 2Π(k+n), (2) где λ - длина ПАВ на частоте f₁;
V - скорость распространения ПАВ;
К - целое число фазовых циклов в 2 π;
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
ΔΨ_Z= Ψ_o+ f₁Z-2Πf₁τ , (3) где τ - дополнительная задержка в цепи опорного сигнала.

Фазометром 9 измеряется дробная часть последнего фазового цикла, т.е.

= 2Πnʹ=+ f₁Z-2Πf₁τ-2Πk , (4) где Ψ _о - начальная фаза сигнала на частоте f₁.

Дополнительную задержку τ выбирают из условия
τ << 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
=2Πnʺ=+ f₁Z-2Πk . (6)
Далее изменяют частоту генератора 15 до значения f₂, при котором восстанавливается первоначальная разность фаз принятого и опорного сигналов
, (7) где Ψ_o'' - начальная фаза сигнала на частоте f₂.

Значение частоты f₂ измеряют частотомером 14.

Приравнивая выражения (7) и (4), получают
+ f₁Z-2Πf₁τ=+ f₂Z. (8)
Поскольку дополнительная задержка τ << 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 Ψ_o' = Ψ_o''. Тогда уравнение (8) можно представить в более простом виде:
Z-f₁τ= Z (10)
Решив уравнение (10) относительно перемещения Z, получают
Z= V (11)
Таким образом, по двум значениям частоты f₁ и f₂, дополнительной задержке τ 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
Δf₁= f₁-f₂= . (12) где Δ f₁ - изменение частоты, вызывающее изменение разности фаз сравниваемых сигналов на 2 π (360^о).

По предлагаемому способу для определения того же значения перемещения Z согласно выражению (11) достаточно изменение частоты:
Δf₂=f₁-f₂= V . (13)
Уменьшение диапазона перестройки частоты можно оценить коэффициентом сжатия частот
q= = = . (14) где Δϕ=2πf₁τ - дополнительный фазовый сдвиг, вносимый элементом задержки на частоте f₁.

Из выражения (14) видно, что чем меньше вводимая в опорный сигнал задержкa τ, а следовательно, и соответствующий фазовый сдвиг Δτ , тем больше коэффициент сжатия q.

Минимальное значение задержки τ 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 Δϕ_о = 0,01-0,02^о. Если принять, что дополнительный фазовый сдвиг Δϕ = 10 Δϕ_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 Ψ'_o=Ψ''_o при столь малом изменении частоты ПАВ. Последнее обеспечивает повышение точности определения перемещений. При длине ПАВ λ = 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 Z_o (фиг.2), на котором ПАВ от излучающего преобразователя 3 распространяется в направлении поглотителя 4 и принимается дополнительным неподвижным приемным преобразователем 16. При фиксированном расстоянии Z_o = const время задержки ПАВ определяется соотношение
τ = Z_o/V. (15)
Подставив значение задержки из выражения (15) в выражение (11), получают
Z= Z_o= , (16)
где γ = (f₁ - f₂)/f₁ - относительная частотная расстройка, необходимая для исключения неоднозначности.

Из полученного выражения (16) видно, что измеряемое перемещение Z определяется фиксированным расстоянием Z_о, измеряемой частотной расстройкой γ 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 τ <<<< 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 τ 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 z_о = τ v , с учетом которого определяют искомый параметр.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2