Ультразвуковое устройство для измерения углов наклона Советский патент 1981 года по МПК G01C9/06 G01C9/24 

1

Изобретение относится к аппаратуре для наклономерных измерений, конкретно к ультразвуковым устройствам измерения углов наклона, построенным на основе жидкостных уровней с воздушным пузырьком.

Развитие.методики дистанционного измерения углов наклона привело к разработке разнообразных систем регистрации положения пузырька f1.

Наряду с фотоэлектрическими,электрическими и емкостными системами регистрации известны и ультразвуковые устройства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее ампулу со сферической верхней, поверхностью, заполненную жидкостью с образованием воздушного пузырька, и систему розбуящения и приема колебаний со звукопроводами, подведенными к верхней поверхности ампулы. Работа известного устройства основана на регистрации колебаний, прошедших через толщину жидкости от звукопроводов, находящихся при данном наклоне вне пузырь .

построение и принцип действия известного устройства не позволяют достичь требуемой высокой точности измерений, зависящей в значительной степени от геометрии пузырька, ослабления сигнала. Расширение диапазона измерений также наталкивается на серьезные технологические трудности, обусловленные структурой

to звукопроводов.

Цель изобретения - повышение точности измерений в сравнительно широком диапазоне углов наклона.

15 Цель достигается тем, что систе-;ма возбуждения и приема колебаний выполнена на вст ечно-штыревых преобразователях поверхностных волн,излучающие пластины котоЕялх с электродами на пьезоэлектрической подложке

размещены в центральной верхней части сферической поверхности ампулы на концах звукопроводов, сформирован ных в виде симметрично радигшькых

25 полос на сферической поверхности, разделенных звукоотражающим заполнителем, при этом противоположные периферийные концы звукопроводов заглублены в ампуле до погружения в жидкость.

На фиг.1 схематически изображен датчик углов наклона, разрез; на фиг. 2 - то же, вид сверху, на фиг. 3 - встречно-штыревой преобразователь поверхностных акустических волн, на фиг. 4 - звукопровод, разрез; нафиг. 5 - схема подключения двух звукопроводов одного канала измерения углов наклона.

Датчик углов наклона содержит ампулу, верхняя поверхность 1 которой имеет сферическую форму и выполнена, например из плавленного кварца. Нижняя часть 2 ампулы выполнена, например в виде цилиндра из металла. Изнутри ампулы на ее верхней сферической поверхности 1 радиально и симметрично от ее центра выделены полосы-звукопроводы 3 с помощью канавок 4, заполненных звукоотражающим материалом. На концах звукопроводов 3, находящихся в центральной части, сферической поверхности 1 ампулы, нанесены излучающие пластины встречно-штыревых преобразователей 5 с электродами на пьезоэлектрической подложке. Встречно-штыревые преобразователи 5 снабжены выводами б, выходящими из с1мпулы и выполненными в виде платиновых нитей, впаянных в амплитуду .Ампула заполнена жидкостью 7 с пузырьком 8, прилегающим к верхней сферической поверхности 1. Периферийные концы звукопрюводов 3 остаются погруженными в жидкость 7 во всем диапазоне углов наклона датчика. Выводы б подключены к электррнной части преобразователя, состоящей из генератора импульсов 9 наносекундного диапазона, формирующё-переключающего устройства 10, связанн9го с встречно-штыревым преобразователем 5 через усилитель 11 и цифровым вычислительным устройством 12. Угол наклона объекта по каждому из каналов определяется в цифровом вычислительном устройстве 12 по информации получаемой от двух звукопроводов 3, расположенных в одной диаметральной плоскости, совпадакедей с плоскостью измеряемых углов наклона.

Работа датчика по каждому из каналов измерения углов наклона осуществляется следующим образом.

С цифрового вычислительного устройства 12 на входы генераторов импульсов 9 данного канала подгиотся запускающие импульсы, вызывающие на выходе генераторов импульсов 9 появление импульсов наносекундного диапазона-. Импульсы наносекундного диапазона через формирукяце-переключсцощее устройство 10 поступают на вход цифрового вычислительного устройства 12 и на встречно-штыревые преобразователи 5, воэбуждакядие в результате обратного пьезоэффекта в пьезоэлектрической подложке и на поверхности звукопроводов 3 импульсы поверхностной акустической волны, рас-, пространяющиеся от встречно-штыревых преобразователей 5 к периферийным концам звукопроводов 3. На границе пузырек 8 - жидкость 7 акустический импульс отражается назад к встречноштыревому преобразователю 4, в котором в результате прямого пьезоэффекта преобразуется в электрический импульс отраженного сигнала. Электрический импульс отраженного сигнала

через формирукяце-переключакидее устройство 10 и усилитель 11 снова запускает генератор импульсов 9, находящийся в ждущем режиме, после чего весь процесс циклически повторяется. в результате циклического повторения процесса на входы цифрового вычислительного устройства 12 подаются импульсы с частотами, зависящими от положения пузырька 8 относительно звукопроводов 3.

При горизонтальном положении датчика, когда пузырек 8 находится в центре верхней сферической поверхности ампулы, расстояния от встречно5 штыревых преобразователей .5 до границы пузырек 8 - жидкость 7 в звукопроводах 3, составляющих канал измерения угла наклона oL, равны друг другу

Ц--Ч--Ьо- .

Поэтому время распространения акустических импульсов от встречноштыревого преобразователя до границы пузырек-жидкость и обратно в обоих звукопроводах равно

где V - скорость распространения поверхностной акустической волны в материале звукопровода.

Следовательно, от каждого звукопровода в этом случае на вход цифрового вычислительного устройства 12 поступают импульсы с частотой

f .. 4.J

Л 2Uo

При наклоне датчика на угол cL в плоскости, в которой расположены звукопроводы, пузырек, сохраняя наивысшее положение, переместится на величину AL « Roi.B сторону, противоположную наклону { радиус верхней сферической поверхности 1 (см, фиг. 1)..

W При этом расстояния от встречноштыревых преобразователей до границы пузырек --жидкость, равны

.

Соответственно и частоты импульсов, поступающих на вход цифрового вычислительного устройства, равны

V/2L,;

2.--V/2L2.

Г1 d

следует и, {J

4R

Практически цифровое вычислительное устройство замеряет не частоту, а, например количество N импульсов от задающего высокостабильного генератора частоты f за время поступления п импульсов от датчика.

N,-fM- ; Ма.--Ь 1

(M-i-N,

откуда р(

Параметры, входящие в расчетную формулу, характеризуются высокой стабильностью.

Изменение скорости звука для плав.ленного кварца практически равно нулю, температурный коэффициент для величины R равен 0,5 10, стабильность заполняющей частоты f для опорного генератора даже среднего качества выше 10.

Примененный диапазон ультразвуковых волн позволяет соединить высокий темп выдачи информации со значительной степенью осреднения промежуточных измерений. При LO 12 ммиУ 3000 м/с для плавленного кварца fQ 125 кГц. Таким образом может быть реализован динамический диапазон 10 : 1 при темпе выщачи информации один отсчет в секунду.

Дискретный выход датчика позволяет осуществить непосредственный ввод информации в цифровые вычислительные устройства без дополнительных ступеней преобразования информации.

Относительная точность предложенного датчика может быть оценена величиной 0,001%, что позволяет измерять углы наклона точнее 0,01 в диапазоне измеряемых углов ±15при темпе вьвдачи измеряемых углов один отсчет в секунду, либо измерять углы наклона точнее l в диапазоне углов отсчета il при темпе вьвдачи измеряе мых углов 30 отсчетов в секунду.Эти характеристики превосходят характеристики известных датчиков и являются предельными характеристиками дЛя предложенных датчиков углов наклона.

Формула изобретения

5

Ультразвуковое устройство для измерения углов наклона, содержащее ампулу со сферической верхней поверхностью, заполненную жидкостью с образованием воздушного пузырька, и систему возбуждения и приема акустичес0ких колебаний со звукопроводами, подведенными к верхней поверхности ампулы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения в сравнительно широком диапа5зоне углов-наклона, система возбуждения .и приема колебаний выполнена на встречно-штыревых преобразователях поверхностных волн, излучающие пластины которых с электродами на пьезо0электрической подложке размещены в центральной верхней части сферической поверхности ампулы на концах звукопроводов, сформированных в виде симметрично радиальных полос на

5 сферической поверхности, разделенных звукоотражающим заполнителем, при этом противоположные периферийные концы звукопроводов заглублены в ампуле до погружения в жидкость.

0

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Высокоточные жидкостные датчи Обзор состояния

ки горизонта.

отдельных вопросов автоматики и при45боростроения. Вып. 56, М., ЦПТИ Поиск, ОНТИ 1 6. 1974.

2. Авторское свидетельство CCCt 545862, кл. G 01 С 9/06, 1975. сриг.1 фигМ

/