Устройство для определения угла наклона Советский патент 1982 года по МПК G01C9/12 

Изобретение относится к контрольн измерительной технике и к устройствам для измерения углов наклона объекта. Известно устройство для определения углов наклона, содержащее крис-. талл (полупроводник), на который нанесена тонкая полупроводниковая пленка, на поверхности которой установлен сосуд с цветным раствором. Внутри раствора имеется пузырек воздуха, перемещающийся вправо-влево в соответствии с наклоном сосуда. Полупроводниковый кристалл (подложка совместно с тонким полупроводниковым слоем образуют элемент со световой (.электродвижущей силой) ЭДС. При падении на устройство света на полупроводниковом слое образуется световое пятно, положение которого определяется положением пузырька воздуха в сосуде. Тов. углом наклона прибог ра. Возникающая в полупроводнике фото-ЭДС несет информацию об угле наклона. Информация выводится с помощью электродов, имеющихся на полупроводнике tl. Недостатком известного устройства является сложность, обусловленная прежде всего большим количеством элементов: полупроводниковый кристалл-подложка, тонкий полупроводниковый слой, сосуд с раствором. Кроме того для работы устройства необходим и источник света, причем;положение его должно быть строго фиксировано относительно сосуда. Другим недостатком его является малая надежность, обусловленная термической нестабильностью его составных частей. Так жидкость, находящаяся в сосуде может либо замерзнуть (при достаточном понижении температуры) , либо закипеть при соответствующем повышении температуры. В любом случае устройство будет неработоспособно. Параметры устройства сильно изменяются с температурой Это приводит к тому. 39 что при одном и том же угле показания устройства будут различны в зависимости от температуры. Ближайшим к изобретению по технимеской сущности и достигаемому результату является устройство для определения угла наклона, содержаще чувствительный элемент - маятник, грузок которого соединен с кристал лом, снабженным электродами, служа щим преобразователем угла наклона в электрический сигнал. В качестве кристаллов использованы- пьезоэлементы, каждый из которых снабжен двумя системами электродов, к. одной из которых подключен генератор электрических колебаний, к другой измерительный прибор Г2. Цель изобретения - упрощение устройств, повышение надежности, уменьшение веса и габаритов устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определе ния угла наклона, содержащий чувст витальный элемент,груз которого соединен с кристаллом, снабженным электродами, служащим преобразоват лем угла наклона в электрический сигнал, кристалл выполнен из матер ла типа -сегнетоэлектрик - сегнетоэластик со связью сегнетоэлектриче ких и сегнетоэластических свойств. Материалом кристалла служит монокристалл li 11 На фиг.1 показана схема устройс ва-, на фиг.2 - петля диэлектрического гистерезиса-, на фиг. деформированные состояния бруска. Устройство содержит кристалл 1 типа сегнетоэлектрик - сегнетоэлас тик, на который нанесены электроды 2 и 3. К одной из граней кристалла в данном случае грани, покрытой электродом 3, прикреплено массивно тело (груз) k. Отметим, что телЬ k может быть прикреплено и.к другим граням кристалла. Все зависит от самого кристалла, от того, как он вырезан. Для уяснения сущности изобретения остановимся на физических свойствах материала типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик. Материал этого типа обладает одновременно сегнетоэлектрическими и эластическ ми свойствами. Сегнетоэлектрические свойства связаны с наличием в мате риале спонтанной поляризации поляризации Р , напряжение которой может быть изменено (переключено) внешним электрическим напряжением. Зависимость поляризации Р от электрического поля Е имеет вид петли гистерезиса, поэтому если к элементу, выполненному из такого материала приложить переменное электрическое напряжение, то ток в цепи элемента будет иметь форму импульсов, временное положение которых соответствует моментам, когда происходит переключение спонтанной поляризации Р. Если к сегнетоэлектрическому элементу приложено переменное электрическое напряжение, например синусоидальное, топри достижении синусоидой уровня коэрцитивного напряжения + VK (точка d на синусоиде фиг.2) происходит переключение спонтанной поляризации (скачок в верхнее по петле гистерезиса состояние). В этот момент через сегнетоэлектрик проходит импульс тока 3 положительный полярности.Дальнейшее изменение синусоиды не приводит к существенным изменениям тока, до тех пор пока синусоида не достигнет точки о. В этой точке синусоида достигает уровня коэрцитивного напряжения V(;H сегнетоэлектрик опять переключается (скачок вниз по петле гистерезиса). В этот момент через сегнетоэлектрик проходит импульс тока )(j отрицательной полярности (фиг.2). Таким образом, за один период синусоиды через сегнетоэлектрик проходит два импульса тока 3 , и Зг| , временной интервал fp между которыми будет равен половине периода синусоиды, т.е. С Т/2. Если к сегнетоэлектрику кроме синусоидального напряжения приложено некоторое постоянное напряжение U , то это приводит к смещению петли гистерезиса вдоль оси электрического поля, что проявляется в изменении величины коэрцитивных напряжений для положительной и отрицательной полуволн в синусоиде. На фиг.2 штриховой линией показана смещенная петля гистерезиса, полученная в результате приложения к cei- нетоэле :трику отрицательного напряжения - и . Для этой петли гистерезиса коэрцитивные напряжения имеют значения f-Vf + . В результате смещения петли гистерезиса

(фиг.2) смещаются и точки пересечения синусоиды с уровнями коэрцититн.ых напряжений это точки cj и б . Точкам d и 6 на синусоиде соответствуют импульсы TOKaJ иоА , времен ной интервал между которыми Т Тц (фиг.2). При изменении полярности (J петля гистерезиса смещается в противоположную сторону, что приводит Jl + drcsin коэрцитивное поле-, напряженность поля,соответствующая максимальному (амплитудному) значению синусоиды-, t - частота синусоидального напряжения, Е - напряженность поля, создаваемая в сегнетоэлектрике- сегнетоэластике внешни напряжением U. Если переменное напряжение пилообразное, то зависимость выражается соотношением )- Сегнетоэлектрический ллемент .. как видно из уравнений (И и (2) м жет преобразовывать напряжсни, U в соответствующий интервал Т . Рассмотрим теперь эластичные свойства используемого в устройств материала. Для объяснения сегнетоэлектричности обратимся к фиг.З. Допустим, мы имеет брусок, вырезан ный из сегнетоэластичного кристалла Если к бруску приложить механическое давление +Х, то он деформируется. При этом после устранения давле ния 4-Х кристалл остается в деформир ванном состоянии. О величине деформ ции можно судить по сдвигулЧ(фиг.) Если изменить направление давления т.е. приложить давление - X, то кристалл деформируется в противоположную сторону (фиг.5) и остается в этом состоянии после устранения давления. В материале типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик может существовать связь между сегнетоэлектрическими и эластичными свойст вами. Эта связь проявляется в том, что изменение деформации под воздействием механических сил сопро 3525/6

к увеличению интервала времени между импульсами.

Таким образом интервал времени 1 между разнополярными импульсами, 5 текущими через сегнетоэлектрик при поляризации, зависит от напряжения и . Эта зависимость при синусоидальном переменном напряжении выражается соотношением ircsin вождается изменением направления спонтанной поляризации. Одному деформированному состоянию бруска (фиг.3-6/ соответствует поляризация +Р (фигЛ) и другому - Р (фиг.5). В то же время изменение направления спонтанной поляризации под воздействием внешних электрических напряжений сопровождается изменением деформации. К материалам, обладающим такими свойствами, относятся в частности в,.,( Связь сегнетоэлектрических и эластичных свойств в материалах типа сегнетоэлектрик - сегиетоэластик проявляется и во влиянии механических давлений на петлю диэлектрического гистерезиса. Так при отсутствии механических воздействий петля гистерезиса строго симметрична. Если к кристаллу типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик приложить механическую силу, создающую давление в соответствующем направлении, то это приводит к смещению петли гистерезиса вдоль оси электрического поля. При этом величина смещения определяется величиной давления, а направление смещения зависит от направления приложения давления. Таким образом в кристалле типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик действие давления на петлю диэлектрического гистерезиса эквивалентно действию постоянного напряжения U.. Для характеристики этой взаимосвязи вводим некоторую величину,которую назовем показатель эквивалентного действия ПэА (смк.6 где Е, --коэрцитивное электрическое поле-, X - коэрцитивное давление. Пдд показывает, действию какого электрического поля соответствует действие давление в 1 кг/см. С уч том ( 3) уравнения (1 ) и С 2 ) можно переписать как Как виднс) из уравнений ()и(5 временной интервал Т между разнополярными импульсамк тока, идущими че рез кристалл сегнетоэлектрика - сег нетоэластика, зависит от давления X, прикладываемого к кристаллу. Именно это и положено в основу изобретения. Для объяснения работы устройства обратимся к фиг.-6. Если уклоно мер расположен строго горизонтально, то сила веса FQ массивного тела (груза) направлена вертикально (фиг. и не имеет составляющих каЕ,- Пздв1П Jlfqrcs-tn при приложении к сегнетоэлектрику сегнетоэластику синусоидального переменного напряжения, и соотноше Э9 Р- sincL/s при приложении пилообразного переме ного напряжения. Устройство значительно проще известного в конструктивном отношении превосходит его и по надежности в работе, поскольку сегнетоэлектрики сегнетоэластики, составляющие основ устройства, являются термически стабильными материалами. Так например, устройство на основе монокристалла В| Tj О стабильно работает в диапазЬне температур 195-250 с. Кроме того, устройство имеет широки .функциональные возможности, в частности оно может использоваться как датчик ускорения (акселерометр). На конец конструктивная и технологичес кая простота обуславливает и высо58сательных к поверхности кристалла. В этом случае петля диэлектрического гистерезиса симмет.рична и интервал времени между импульсами тока, идущими через кристалл, равенTQ. При наклоне устройства на некоторый угол cL (.фиг.5) появляется касательная составляющая F, F Sinci, создающая сдвиговое давление )( (S-площадь).Под действием этого давления петля гистерезиса смещается , и интервал времени между импульсами уменьшается на некоторую величину. При наклоне устройства в другую сторону (фиГоб) петля гистерезиса смещается также в противоположную сторону, что приводит к увеличению интервала между импульсами под воздействием силы f. Таким образомf устройство выполняет функц ю преобразования угла наклона d в соответствующий временной интервал. Зависимость между углом уклона oL и длительностью интервала ТГ между разнополярными импульсами, текущими через элемент, выражается соотношением nggSind /S (V circsint кую экономическую эффективность устройства Опытный образец устройства изготовлен на основе монокристаллов Формула изобретения 1 о Устройство для определения угла наклона, содержащее чувствительный элемент, груз которого соединен с кристаллом, снабженным - . электродами, служащим преобразователем угла наклона в электрический сигнал, отличающееся тем, что, с целью .упрощения конструк Ции, повышения надежности, уменьшения веса и габаритов, кристалл выполнен из материала типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик со связью сегнетоэлектрических и сегнетоэластичных свойств. 2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что материало5 9 3525-10

кристалла служит монокристалл В,. Заявка Японии № i 8-425l1

G 01 С 9/06, опублик. 13.t2.73.

..2. Авторское свидетельство СССР

Источники информации,№ 558Н8, кл. Q 01 С 9/02 12 11 79

принятые во внимание при экспертизе s (прототип).

т

фиг. 1

-Xi

Фиг.5