ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2007 года по МПК G01K1/00 

Изобретение относится к методам измерения неэлектрических величин и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений объекта наблюдения.

Известны датчики линейных и угловых перемещений [1]. В зависимости от диапазона измеряемых величин и требований к конструкциям они могут быть построены на основе реостатных, емкостных, индуктивных, тензорезистивных, пьезоэлектрических преобразователей.

Указанные датчики применяются для измерения линейных перемещений в диапазоне 0.1-5 мм с точностью 0.1 мм и угловых перемещений в диапазоне 1-45° с точностью 10-0.5 угл. мин.

Когда решается задача об измерении значительных линейных (5-50 мм) и угловых (1-360°) перемещений с точностью, соответствующей 0.05 мм и 30-1 угл. с используются датчики линейных и угловых перемещений, которые имеют в своем составе подложку, выполненную из прозрачного или светонепроницаемого материала, покрытых большим количеством светонепроницаемых или поглощающих полосок, которые сканируются движущимся лучом источника, закрепленного на объекте наблюдения и светодетектора, с выхода которого импульсы поступают на реверсивный счетчик [2].

Недостатком датчиков является необходимость возвращения подложки в начальное положение для возможности проведения измерения перемещения другого объекта наблюдения. Устранение неоднозначности индицирования отсчетов указанных датчиков достигается путем включения двух преобразующих элементов на каждую полоску, при этом ведущий элемент расположен несколько впереди ведомого. Эти элементы вместе с внешней схемой управления определяют действительный выход датчика, при этом усложняют конструкцию, кроме того уменьшается величина разрешающей способности датчика.

Задачей данного изобретения является повышение вдвое разрешающей способности датчика угловых или линейных перемещений, устранение неоднозначности индицирования отсчетов указанных датчиков.

Поставленная задача достигается тем, что датчик перемещений, содержащий источник света, устанавливаемый на объекте наблюдения, подложку с прямолинейной или угловой шкалой, образованной поглощающими полосками, расположенными на подложке на расстоянии друг от друга, равным размеру полоски, полоски на подложке расположены с образованием первого и второго рядов полосок, разделенных общей проводящей шиной, причем полоски первого ряда смещены относительно полосок второго ряда на одну полоску, полоски выполнены из материала с гистерезисной зависимостью сопротивления от температуры и каждая полоска снабжена сигнальным выводом, на другой стороне подложки размещены пленочные нагреватель и термопара, термочувствительные полоски подключены к аналоговому коммутатору, входящему в интерфейс измерительной системы.

Предлагаемый датчик иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 - 6.

На фиг.1 приведена температурная зависимость удельного поверхностного сопротивления пленки VO₂ толщиной 100 нм. Как видно ширина петли температурной гистерезисной пленки VO₂ равна 18°С, при этом скачок электропроводности равен 20:1.

Путем термостатирования пленки VO₂ на уровне 70°С реализуется режим внутренней памяти. Плотность мощности источника излучения, обеспечивающая нагрев пленки VO₂ на 2-3°С относительно температуры термостатирования, равна (2-3)10^-2 Вт/см. Фазовый переход полупроводник-металл (ФППМ) в пленке VO₂ имеет гистерезисный характер и протекает в диапазоне 44-85°С. Ширина петли гистерезиса составляет 15-18°С при толщине пленки VO₂ в диапазоне 115-80 нм. Пленочный нагреватель обеспечивает нагрев пленки VO₂ до температуры, равной середине петли гистерезиса. Наличие внутренней памяти у термочувствительного слоя теплового датчика на основе пленки VO₂ обеспечивает абсолютную фиксацию объекта наблюдения и резко упрощает схему управления.

На фиг.2 приведена конструкция датчика линейных перемещений. На объекте наблюдения 1 установлен источник излучения 2, который сопряжен со световодом 3. При перемещении объекта 1 световое пятно облучает термочувствительные полоски 4, соединенные с контактными площадками 5. Термочувствительные полоски 4 расположены на поверхности подложки 6 в виде первого и второго рядов относительно общей шины 7. Полоски первого ряда смещены относительно второго ряда на одну термочувствительную полоску. Расстояние между полосками равно размеру полоски.

На фиг.3 приведен вид с обратной стороны подложки датчика линейных перемещений. На обратной стороне подожки 6 расположен пленочный нагреватель 8 в виде зигзагообразной ленты, выполненной из NiCr и пленочная термопара 9, выполненная из Cu-Ni.

При перемещении объекта наблюдения 1 закрепленный на нем источник света 2 сканирует термочувствительные полоски 4 датчика. При сканировании соответствующей термочувствительной полоски первого или второго рядов источником света, она нагревается и меняет свое сопротивление, и это изменение сопротивления хранится в памяти, так как термочувствительный слой на основе пленки VO₂ термостатируется в середине петли гистерезиса. Наличие внутренней памяти термочувствительного слоя датчика обеспечивает однозначность измерения величены перемещения объекта наблюдения.

На фиг.4 приведена конструкция датчика угловых перемещений. На объекте наблюдения 1 установлен источник излучения 2, который сопряжен со световодом 3. При перемещении объекта 1 световое пятно облучает термочувствительные полоски 4, соединенные с контактными площадками 5. Термочувствительные полоски 4 расположены на поверхности подложки 6 в виде первого и второго рядов относительно общей шины, выполненной в форме кольца 7. Полоски первого ряда смещены относительно полосок второго ряда на одну термочувствительную полоску. Общая шина 7 имеет металлизированный вывод на противоположной стороне подложки 6, выполненной в виде диска.

На фиг.5 приведен вид с обратной стороны подложки датчика угловых перемещений. На обратной стороне подложки 6 размещен пленочный нагреватель 8 из NiCr в виде зигзагообразной ленты, образующей кольцо и пленочная термопара 9 из Cu-Ni.

На фиг.6 представлена схема управления датчиком перемещений, снабженная светодиодным индикатором.

Схема управления фиксирует изменение сопротивления облучаемой в данный момент времени полоски 4 термочувствительного слоя датчика. Число полосок термочувствительного слоя датчика, изменивших свое сопротивление за время перемещения объекта наблюдения, индицируется на светодиодном табло.

Генератор 10 задает частоту опроса термочувствительных полосок датчика. Импульсы с генератора 10 подаются на соответствующие двоичные делители для дешифраторов выбора коммутатора 11 и десятичные делители для схемы индикации 14. Выходы аналогового коммутатора 11 соединены с компаратором 12. С выхода компаратора 12 сигнал подается на совокупность шестнадцатеричных счетчиков 13. С выхода счетчиков 13 сигнал подается на двухразрядный десятичный светодиодный индикатор 14. Схема управления фиксирует число полосок, изменивших величину сопротивления за время перемещения объекта, которая индицируется на светодиодном табло.

Приведена реализация схемы управления, которая представляет собой аналоговый коммутатор в виде совокупности м/с К651КП2, выходы которых соединены с компаратором на базе К554СА3. С выхода компаратора сигнал подается на совокупность шестнадцатеричных счетчиков, выполненных на базе К561ИЕ10. Входы счетчиков соединены с задающим генератором, выполненном на базе К561ЛА7. Генератор 10 задает частоту опроса полосок термочувствительного слоя датчика. Импульсы с генератора подаются на соответствующие двоичные делители для дешифраторов выбора м/с коммутатора 11 и десятичные делители для схемы индикации 14. Индикация осуществляется на двухразрядном десятичном светодиодном индикаторе АЛС314Б 14.

Точность контроля датчика линейных или угловых перемещений объекта наблюдения определяется размерами термочувствительной полоски 4 датчика.

Тепловые датчики линейных и угловых перемещений изготавливаются из керамики ВК-100 толщиной 0.5 мм. Форма подложки в виде прямоугольника или диска определяются типом датчика, а их размеры диапазоном линейных и угловых перемещений объекта излучения.

Выполнение измерительной шкалы в виде первого и второго рядов термочувствительных полосок со смещением одного ряда относительно другого на одну полоску обеспечивает точность контроля линейных или угловых перемещений, равный размеру термочувствительной полоски.

Размеры термочувствительных полосок 30×30 мкм², зазор между полосками 30 мкм. Второй ряд термочувствительных полосок смещен относительно первого ряда на 30 мкм. Это обычные возможности фотолитографии.

Если использовать метод размерной лазерной обработки тонких пленок VO₂, то размеры термочувствительных полосок можно довести до 1×1 мкм², таким образом, предельная разрешающая способность датчика линейных перемещений может составить 1 мкм на длине 50 мм.

Что касается датчика угловых перемещений, то его разрешающая способность при перемещении объекта наблюдения в диапазоне 360° составляет 8 угл. с при размере подложки 90×90 мм².

Таким образом, по сравнению с существующими датчиками линейных и угловых перемещений, предлагаемые датчики обладают вдвое большей величиной, разрешающей способности, и являются абсолютными датчиками линейных и угловых перемещений (сигнал их выхода однозначно индицирует положение объекта наблюдения).

Источники информации

1. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учебное пособие для технических вузов. - М.: Высшая школа, 1991, 384 с.

2. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Перевод с английского. - Энергоатомиздат, 1991, 144с. - прототип.

Изобретение относится к методам измерения неэлектрических величин и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений объекта наблюдения. Техническим результатом является повышение вдвое разрешающей способности датчика угловых или линейных перемещений, устранение неоднозначности индицирования отсчетов указанных датчиков. Датчик перемещений отличается наличием двух прямолинейных или угловых шкал в виде первого и второго рядов полосок, разделенных общей проводящей шиной, ряды полосок смещены относительно друг друга на одну полоску, каждая полоска имеет сигнальный вывод, полоски выполнены из материала с гистерезисной зависимостью сопротивления от температуры, например, из двуокиси ванадия, на другой стороне подложки размещены пленочные нагреватель и термопара, световая полоса излучения по ширине равна вертикальному размеру двойной шкалы из термочувствительных полосок 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Датчик перемещений, содержащий источник света, устанавливаемый на объекте наблюдения, подложку с прямолинейной или угловой шкалой, образованной поглощающими полосками, расположенными на подложке на расстоянии друг от друга, равном размеру полоски, и интерфейс измерительной системы, отличающийся тем, что полоски на подложке расположены с образованием первого и второго рядов полосок, разделенных общей проводящей шиной, причем полоски первого ряда смещены относительно полосок второго ряда на одну полоску, полоски выполнены из материала с гистерезисной зависимостью сопротивления от температуры и каждая полоска снабжена сигнальным выводом, на другой стороне подложки размещены пленочные нагреватель и термопара, термочувствительные полоски подключены к аналоговому коммутатору, входящему в интерфейс измерительной системы.2. Датчик перемещений по п.1, отличающийся тем, что термочувствительные полоски выполнены на основе пленки VO₂.