Устройство для непрерывного измерения угловых перемещений Советский патент 1984 года по МПК G01B17/00 H03H9/25 G01B21/22 

Изобретение относится к измерительной тех)1ике и может быть использовано в системах измерения параметров двих.ения, например для непрерывного измерения углов поворота, угловых скоростей и ускорений вращающихся объектов.

Известно устройство для непрерывного измерения угловых величин, содежащее генератор электрических колебаний, ультразвуковой преобразователь, кольцевой звукопровод, установленный концентрично с осью вращения контролируемого объекта, приемник ультразвковых колебаний, жестко соединенный с контролируемьм объектом, и измерительное устройство 1 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 неточностями изготовления устройства.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для непрерывного измерения угловых перемещений, содержащее генератор колебаний, ультразвуковой пре бразователь, дуговой звукопровод из пье зоэлектрического материала, расположенный на диэлектрической подложке концентрично оси вращения контролируемого объекта, приемник поверхностных акустических волн, жестко соединенный с объектом, и токосъемник С2.

Недостатками этого устройства является то, что измеряемый угол поззорота меньше 360°, так как кольцевой звукопровод разомкнут, а основной приемник является незамкнутым сосредоточенным элементом, вследствие чего приемник не выдает информацию при повороте контролируемого объекта на 360 ° и более..

Кроме того, ограниченна точность измерения, обусловленная неоднородностью 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 расщирение 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-штьфевой 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 j на фиг.2 - сечение А-А на фиг.15 на фиг.З - сечение Б-Б на фиг.1.

Устройство содержит генератор 1 колебаний, соединенный с его выходом ультразвуковой преобразователь 2, выход которого контактирует с дуговы звукопроводом 3, взаимодействующим с преобразователем 4 поверхностной акутической волны. Преобразователь 4 содинен с фазовым детектором 5, второй вход которого подключен к выходу генратора 1, а выход детектора 5 включе на второй выход генератора 1 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 рещетка с внутренними штырями 12 и с внещними щтырями 13, шины которых соединены с кольцами 9 и 10 соответственно, а поверхность решетки образует с поверхностью звукопровода зазор сЛ , величина которого соизмерима с длиной поверхностной акустической волны Д .

Период встречно-штьфевой решетки равен длине дуги Т , определяемой из соотношения rb2FRp/N ,. где Ro средний радиус встречноштыревой решетки, равный среднему радиусу звукопроT.e.Rp R3b вода Rjg периодов (пар: электродов) в решетке. Оптимальное взаимодействие приемника с поверхностной акустической волной обеспечивается при равенстве периода Т длине поверхностной акусти ческой волны, А , т.е. С Д . Дли на поверхностной акустической волны определяется соотношением: V/f где V - скорость поверхностной акустической волны, зависящая от свойств материала звукопровода; f - рабоча частота электрических колебаний, поступающих от генератора. Степень связи приемника с поверхностной акустической волной пропорци / -91Ж где 61 - коэффициональна- Л ент, зависящий от геометрии встречно штыревой решетки приемника. Над приемником 6 расположен (фиг.1) неподвижный емкостный токосъемник 14, состоящий из диэлектрической шайбы 15, жестко соединенной с металлическими кольцами 16 и 17, которые соединены с входом усилителя 18. Устройство работает следующим образом. Генератор 1 электрических колебаНИИ возбуждает посредством преобразо вателя 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, возбуткдаемые в щтырях встречно-штьфевой решетки, суммируются на шинах решетки, при этом происходит увеличение амплиту-. ды выходного сигнала и уменьшение по грешностей измерения, возникающих вследствие неоднородности звукопровода и технологических неточностей изготовления устройства, так как взаимодействие поверхностной акустической волны с приемником 6 происходит на протяженном участке звукопровода 3 с участием большого числа шты ей встречно-штыревой решетки. Съем ыходного сигнала осуществляется мкостным токосъемником 14, металлиеские кольца 16 и 17 которого обазуют с металлическими кольцами 9 10 приемника 6 емкость. Выходной игнал с колец 16 и 17 емкостного окосъемника 14 поступает в усилиель 18. Выходной сигнал приемника 6 ожно представить в виде: i(,-f г) где А амплитуда выходного сигнала, зависящая от сЛ, Л и od ; начальная фаза выходного сигнала-, текущее время-, длина дуги относительного перемещения встречно-штьфевой решетки 11 приемника 6 и звукопровода 3, определяемая соотношением 2 до где Ч - относительное угловое перемещение приемника 6, жестко соединенного с контролируемым объектом В, и звукопровода 3 в радианах. Сдвиг t/ фазы выходного сигнала при относительном угловом перемещении приемника и звукопровода на угол V определяется соотношением: .-.f. Откуда видно, что сдвиг Y 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 Rjg и длины поверхностной акустической волны Д позволяет регулировать чувствительность устройства. При вращении приемника 6 относительно звукопровода 3 фазовый сдвиг выходного сигнала непрерьшно меняется, что поз-воляет непрерывно измерять угловые перемещения от О до 360° и более, используя соотношение V-Обработка снимаемого сигнала может осуществляться известными способами. Например, выходной сигнал с выхода ; усилителя 18 сравнивается в фазовом

детекторе 5 с сигналом 1енератора. Число фазовых циклов, соответствующих перемещению, равному целому числу поиерхносгных акустических полуволн (волн), регистрируется счетчиком, а величина, лежащая внутри этого интервала, - стрелочным прибором.

Поверхностные акустические волны, прошедшие звукопровод 3, поступают на вход выходного преобразователя 4, который преобразует их в электрический сигнал той же частоты. С выхода выходного преобразователя 4 сигнал, несущий информацию о фазе (следовательно, о длине звукопровода между входным и выходным преобразователями), поступает на вход детектора, на второй вход которого поступает сигнал от генератора 1 электрических колебаний. В детекторе 6 формируется сигнал коррекции, изменяющий частоту колебаний генератора таким образом, чтобы обеспечивалось постоянство разности фаз между опорными колебаниями генератора 1 и колебаниями, распространяющимися по звукопроводу 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 позволи расширить диапазон измеряемых угловых перемещений до 360 и уменьшить погрешности измерения, возникающие вследствие неоднородности звукопровода и технологических неточностей изготовления устройства.

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.

6

/3

.5