Акустоэлектронный датчик угла поворота Советский патент 1989 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к технике, связанным с определением углового положения объекта с одной степенью свободы, а также взаимной ориентации детали и инструмента, и может быть использовано в робототехнике, обрабатывающих центрах, системах управления

Цель изобретения - расширение диапазона измерений.

На фиг 1 представлен датчик для значения измеряемого угла поворота, равного 90°, вертикальный резрез, на фиг 2 - разрез Б-Б на фиг. 1, на фиг 3 - вид А на фиг 1

Акустоэлектронный датчик угла поворота содержит корпус 1 цилиндрической формы с калиброванным отверстием, в котором установлен первый неподвижный пьезоэлектрический цилиндр 2. Толщина стенок цилиндра 2 не превышает двух периодов решетки встречно-штыревых преобразователей (ВШП) 3, 4 и 5, 6, которые образуют две линии задержки акустических волн и размещены на внешней поверхности цилиндра 2 вдоль диаметрально противоположных образующих Вблизи от места крепления расположены группы контактных площадок 7, которые соединены с конJSb

00 СО IsD СЛ

тактными штырями 8 и гермовводами 9, расположенными в центральной области крышки 10 корпуса 1. С тыльной стороны ВШП 3, 4 и 5, б выполнены сквозные прорези, на кромках которых нанесен звукопоглотитель 11 и 12. Прорези ориентированы вдоль оси цилиндра 2 и параллельно Электродам ВШП, но по разные стороны относительно входных ВШП 3 и 5.

Внутри и снаружи неподвижного цилиндра 2 коаксиально с ним размещены второй и третий тонкостенные пьезоэлектрические цилиндры, состоящие из двух полуцилиндров 13, 14 и 15, 16 соответственно, разделенных до половины зазора- ми, в которых помещен акустический демпфер. Полуцилиндры выполнены из пьезо- электриков, в которых скорости акустических волн неодинаковы: в полуцилиндрах

13,15 - меньше, а в полуцилиндрах

14,16 - больше, чем скорость одно- типной волны, например поверхностной, в неподвижном цилиндре 2. Полуцилиндры собраны в единый узел на фланце 17. Внешняя поверхность второго и внутренняя поверхность третьего цилиндров раз- делены с соседними поверхностями неподвижного цилиндра 2 фиксированным воздушным зазором, величина которого не превышает четверти периода решетки ВШП. Фланец 17 поворачивается относительно корпуса 1 без люфта. Прокладка 18 предо- храняет сопряженные поверхности корпуса 1 и фланца 17, а также внутреннюю полость устройства, от влияния внешней среды. Со стороны внешней поверхности фланца 17 выполнены калиброванные отверстия для контактных штиф- тов.

Неподвижный цилиндр может быть изготовлен из пьезокварца, ось 7. кристалла направлена вдоль оси цилиндра. Левые половины подвижных цилиндров могут быть изготовлены из ниобата лития, а правые - из парателлурита, оптические оси которых ориентированы параллельно оси вращения.

Датчик работает следующим образом.

Входной преобразователь 3 возбуждает первую акустическую волну во втором и третьем цилиндрах, которая распространяется по часовой стрелке и достигает выходного ВШП 4. Одновременно второй входной ВШП 5 возбуждают вторую акустическую волну, которая распространяется во втором и третьеим цилиндрах против часовой стрелки и достигает выходного ВШП 6. Время задержки первой акустической волны: Т LI , L-LI

V- V -VT (1)

где LI -длина траектории первой волны в полуцилиндрах 13 и 15; L - длина траектории волн, рассчитанная по длине

0

0 5 0 5

полуокружности среднего цилиндра между ВШП 3 и 4; L-LI - длина траектории первой волны в полуцилиндрах 14 и 16; Vi, Ґ2 - скорости акустических волн в материале полуцилиндров 13, 15 и 14, 16 соответственно.

Время задержки второй акустической волны определяется аналогично:

T VT+V2 (2)

где L-Li - длина траектории второй акустической волны в полуцилиндрах 13, 15; LI - длина траектории второй волны в полуцилиндрах 14, 16.

Волны, которые возбуждаются ВШП 3 и 5 в противоположных направлениях, не проходят через воздушный зазор и рассеиваются насечками.

Для положения подвижных цилиндров, когда угол поворота равен нулю для первой волны и для второй волны:

,Ј и , v,v2.

i г.

Время задержки первой акустической волны - минимально, а второй - максимально. Для угла поворота, равного 180° Т| - максимально и Т2 - минимально по величине. Промежуточным значениям угла поворота соответствуют значения времени задержки

L

При дифференциальном включении линий задержки отношение разности фаз Аф принятых сигналов к рабочей частоте ш составит:

(3)

,-Т2 .

Подставив (1) и (2) в (3), получим:

(L-2L, )Ј-Ј-.

У./,

Температурные изменения фазы в первой и второй линиях задержки одинаковы по знаку и близки по величине, следовательно, в значительной степени компенсируются в дифференциальной схеме.

Техническими преимуществами датчика являются высокая точность измерения углов (до 0,001 градуса) в диапазоне от 0 до 180° и широкий диапазон рабочих температур.

Формула изобретения

1. Акустоэлектронный датчик угла поворота, содержащий корпус, установленные в нем три пьезоструктуры, одна из которых подвижная, а другая - неподвижная, и две пары встречно-штыревых преобразователей, одна из которых расположена на

неподвижной пьезоструктуре, пьезострукту- ры расположены на фиксированном расстоянии между ними, не превышающем четверти периода решетки встречно-штыревых преобразователей, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, третья пьезоструктура выполнена подвижной, пьезоструктуры выполнены в виде концентрических цилиндров, встречно-штыревые преобразователи размещены попарно вдоль диаметрально противоположных образующих на внешней поверхности неподвижной пьезоструктуры, толщина стенки которой не превышает двух периодов решетки встречно-штыревых преобразователей, каждая из подвижных пьезоструктур выполнена из двух полуцилиндров и имеет в месте стыков по два зазора длиной до половины ее высоты, зазоры расположены на противоположных стыках полу0

цилиндров у их противоположных торцовых поверхностей одна пара полуцилиндров подвижных пьезоструктур выполнена из материала, в котором скорость поверхностной акустической волны больше скорости поверхностной акустической волны в материале неподвижной пьезоструктуры, а другая пара - из материала, в котором скорость меньше.

2.Датчик по п. , отличающийся тем, что в неподвижной пьезоструктуре параллельно ее оси выполнены пазы, равные по длине апертуре встречно-штыревых преобразователей и расположенные по разные стороны от них, а на кромки пазов нанесен звукопоглотитель.

3.Датчик по п. 1, отличающийся тем, что зазоры в подвижных пьезоструктурах выполнены с насечкой на кромках и заполнены звукопоглотителем.

Изобретение относится к контрольно - измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения угла поворота объекта в робототехнике, гибких производственных модулях и системах управления. Целью изобретения является расширение диапазона измерений. Акустоэлектронный датчик угла поворота содержит три коаксиально расположенных пьезоэлектрических цилиндра, разделенных воздушным зазором, величина которого не превышает четверти периодов решетки встречно - штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на внешней поверхности неподвижного среднего цилиндра. Второй и третий цилиндры состоят из двух разнородных полуцилиндров, собранных на фланце, и имеют возможность поворачиваться относительно неподвижного цилиндра, закрепленного в основании корпуса. Толщина стенок неподвижного цилиндра не превышает двух периодов решетки ВШП. В стенках цилиндров выполнены прорези вдоль оси вращения. Одна пара полуцилиндров выполнена из материала, в котором скорость ПАВ больше, а другая пара - из материала со скоростью ПАВ меньше, чем в материале неподвижного цилиндра. ВШП образуют две линии задержки со звукопроводами, образованными подвижными цилиндрами, при повороте которых изменяется время задержки за счет увеличения или уменьшения длины участков полуцилиндров с разной скоростью акустической волны. 2 з.п. ф - лы, 3 ил.

8v

М V Ч 77 77 72 5 16

6

Фиг.1

6 12у „

17

5-Б

75

/2