Устройство для измерения угла наклона Советский патент 1982 года по МПК G01C9/06 

1

Изобретение относится к иэмери- тельной технике и может .быть использовано для определения угла наклона в системах автоматического управления, а также в датчиках линейных ускорений, вибраций ,,-давлений и в сейсмических приемниках.

Известно устройство для определения положения объекта, содержащее сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырькомj источник и приемник излучения, расположенные.с разных сторон относительно сосуда.

При заданной ориентации сосуда сигнал на выходе приемника излучения имеет максимальную интенсивность, изменение углового положения tориентации) устройства приводит к изменению, например, тока фотодиода или сопротивления фоторезистора, а измерение угла наклона сводится к измерению тока или напряжения DJ.

Указанные устройства обладают низкой чувствительностью к малым изменениям угла наклона, так как в этом случае приходится измерять низкие напряжения, токи или их малые приращения.

Известны устройства для определения угла наклона, содержащие полупроводниковую подложку, нанесенную на ее рабочую грань тонкую пояупроаодникоаую пленку, имеющую противоположный по сравнению с материалом подложки тип проводимости примеси, два электрода, изготовленные на поверхности тонкой пленки, сосуд, уста новленный между двумя электродами и заполненный цветным раствором с воздушным пузырьком, перемещающимся в соответствии с наклоном сосуда, источник света. Полупроводниковая подложка и высокоомная полупроводниковая пленка образуют элемент со све20товой электродвижущей силой. При облучении устройства светом, благодаря воздушному пузырьку, у которого световая проницаемость больше,, чем у . раствора, образуется световое пятно, которое перемещается в соотеетстВИИ с наклоном подложки, электродами возникает разность потeнц iaлoв, которая изменяется в зависимости от положения светового пят на. Таким образом, измеряя межэлектродную разность потенцизлов судят о величине угла-наклона подлож--, . Недостаток данного устройства состоит в том, что ограничена точность и разрешающая способность измерителя, например вольтметра. На чувствительность и точность работы таюке оказывают влияние длина подложки. толщина пленки, степень светопроница емости раствора и интенсивность источника света. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для определения угла наклона, содержащее сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырьком, излучающие пьезопластины, .расположенные на концах звукопроводов различной высоты, размещенных на поверхности сосуда с одной его стороны, принимающую пьезо пластину, установленную с противопо ложНой стороны соруда, а также гене ратор, подключенный к излучающим пье зопластинам, преобразующим импульсы генератора а ультразауковые колебания, усилитель и регистрирующий прибор Гз. Цель изобретения - повышение чувс твительности к изменению угла наклона. Поставленная цель достигается тем что в устройстве для измерения угла наклона, содержащем звукопровод, входной и выходной преобразователи акустических еолн, сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырем, расположенный между преобразователями, усилитель, вход которого подключен к выходному преобразователю,звукопровод выполнен з виде пластины из пьезоэлектрического материала, входной, и выходной преобразователи выполнены в виде веерных встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн, нанесенны на одну из граней пьезопластины, при чем выход усилителя соединен, с входным встречно-штыревым веерным преоб ра-лов; гелем, ,а сосуд имеет форму noяуцилиндра, продольная ось ко.торого перпендикулярна направлению распространения поверхностных акустических волн. На фиг. 1 схематически изображено устройство для измерения угла наклона, вид на подложку сбоку; на фиг,2то же, зид на подложку устройства снизу. Устройство содержит пьезопластину 15 изготовленную, например, из ниобата лития У-среза,электроды 2, представляющие собой встречно-штыревые преобразователи (ВШП) веерной формы, сосуд - полый цилиндр 3, заполненный жидкостью k (например, спирт, вода или др.), воздушный пузырек 5;. усилитель 6. На широкую полированную (рабочую) грань пьезопластины 1 нанесены два 8ШП поверхностных акустических воли (ПАВ),имеющие форму веера 2, с апертурой W, равной ширине перекрытия штырей.Нежду ВШП укреплен,например, склейкой полый стеклянный полуцилиндр 3 так,что его продольная ось перпендикулярна направлению распрострг нения ПАВ, Внутренний диаметр поперечного сечений полуцилиндра меньше апертуры W преобразователей. Внутренняя полость полуцилиндра 3 образует с рабочей поверхностью пьезопластины 1 объем, заполненный жидкостью 4 с воздушным пузырем 5- Жидкость играет роль поглотителя ПАВ. Поперечный размер воздушного пузыря 5 равен внутреннему диаметру полуцилиндра 3, т.е. ширине внутренней полости полуцилиндра в направлении распространения ПА8. Размер пу зырька вдоль продольной оси пoлyjj илиндpa меньше апертуры ВШП, но больше максимальной длины волны генерируемых колебаний. Пьезопластины 1 с нанесенными на ее поверхности ВШП 2 представляет собой линию задержки поверхностных акустических волн, которая а совокупности с усилителем 6 образует автогенератор. При этом один из полюсов обоих электродов - Е5ШП 2 соединяется с общим проводом усилителя 6, а другой полюс - соответственно с клеммами ахода и выхода усилителя. Устройство работает следующим образом. В первоначальном положении устройство для измерения угла наклона сориентировано в пространстве согласно . 1 так, что угол между продольной осью полуцилиндра 3 направлением земной вертикали составляет ЭО. В этом случае воздушный пузырь 5 прижат к рабочей поверхности пьезопластины 1 и расположен в центре промежутка между веерным ВШП (согласие фиг, 2),образуя окно прозрачности для прохождения ПАВ. При этом обес печивается возможность возбуждения автогенератора, образованного линией задержки и усилителем 6, на частоте, соответствующей пространст.венному шагу штырей по средней линии веерных ВШП. При включении напряжений, питающих усилитель 6, в кольце автогенератора, образованном усилителем 6, входным ВШП 2, окном прозрачности, обусловленным наличием воздушного пузырька 5 в поглощающей ПАВ жидкости , м выходном ВШП 2, возникают колебания на частоте V/2dp , где V - скорость распространения ПАВ; dp- шаг штырей по сред ней линии веерных ВШП.Свойством веерного ВШП является способность к формированию узкого акустического луча при гармоническом зозбуждении. Этот луч при изменении частоты возбуждения перемещается вдоль апертуры ВШП, обеспечивая тем самым плоское сканирование. При этом ширина акустического луча MeHtjme апертуры преобразователя и зависит от угла, образозанного крайними штырями ВШП, При выборе размера воздушного пузырька, равного или большего ширины акустического луча, вся энергия возбужденных поверхностных волн достигает через окно прозрачности, образованное воздушным пузырьком 5, выходного ВШП. Это приводит к устойчивой генеоации колебаний автогенератора на частоте fo Возникновение генерации на другой частоте невозможно, поскольку акустический луч, излучаемый веерным ВШП, в этом случае сместился бы вдоль апертуры ВШП и демпфировался в жидком поглотителе .

При изменении угла наклона подложки воздушный пузырек 5 под действием сил выталкивания жидкости k смещается вдоль продольной оси полуцилиндра З.что соответствует смещению окна прозрачности для распространения ПАВ. При этом автогенератор изменяет частоту колебаний. В автогенераторе устанавливаются колебания с частотой, соответствующей пространг ственному шагу штырей веерного BUffl

по линии, перпендикулярной оси полу цилиндра 3 и проходящей через центр , воздушного пузырька. Следует подчер кнуть, что при изменении знака угла наклона частота автогенератора отклоняется от центральной частоты f в другую сторону.

Изменение пространственного шага штырей веерного ВШП вдоль его апертуры можно задать топологией преобраСзователя вплоть до нескольких процентов, МТС будет соответствовать изме.нению частоты в устройстве при изменении угла наклона пьезопластины в

S том же процентном отношении.

Чувствительность к изменению угла наклона устройства может быть вырэ кена как отношение изменения частоты колебаний автогенератора к измене™ нию угла между продольной осью полу0цилиндра 3 напразлением земной вертикали :

S .

Так, эксперименты показывают, что при центральной частоте колебаний аа тогенератора fg 20-10 Гц вариация частоты составляет 0,2lf или ±20-10 Гц при изменении угла наклона пьезопластины на ±5°. следует, что чувстви елькость устройства к изменению угла наклона равна .4Ю Гц/град. Если учесть, что отио сительная нестабильность частоты зв тогенератора с ПАВ-линией задержки порядка 1Q , что достигается дозоль но легко, то оказывается, что с помощью устройстаа можно измерять углы наклона и их приращения порядка 0,01° и выше (т.е. с разрешающей способностью не хуже 0,005).

Высокая чувстБИтельность устройства к положению воздушного пузырька позволяет использовать его не только как датчик угла наклона. Смещение .воздушного пузырька можно вызвать и воздействием линейных ускорений, вибраций, изменением давления на жидкость в полуцилиндре. Это указывает на возможность применения устройства в датчиках линейных ускореaний, низкочастотных вибраций-гидро .статического давления, системах азтоматического управления, а также в сейсмических приемниках.

Еще одним- преимуществом устройства

s является то, что информация о величине угла наклона содержится в частоте, т.е. в том параметре сигнала, который удобен для дальнейшей обработки, передачи его на расстояние, преобразования в цифровую форму.

Применение устройства позволяет благодаря его высокой чувствительности значительно снизить требования к точности устройств последующей обработки сигнала с его выхода, а сле довательно, и существенно уменьшить стоимость измерительных приборов угла наклона.

Формула изобретения

Устройство для измерения угла наклона, содержащее звукопровод, входной и выходной преобразователи акустических волн, сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырьком, расположенный между преобразователями, усилитель, вход которого подключен к выходному преобразователю, о тличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности к изменению угла наклона, звукопровод 8Ыполнен в виде пластины из пьезоэлектрического материала, входной и выходной преобразователи выполнены в виде веерных встречно-штыревых преобразователей поаерхностных акустических волн, нанесенных на одну из граней пьезоплаетины, причем выход усилителя соединен с входным встречно-штыревым веерным преобразо/зателем а сосуд имеет форму полуцилиндра, продольная ось которого перпендикулярна к направлению распространения поверхностных акустических волн.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Патент США tf 3863067, кл. 250-23Ь G 01 С 9/00, опублик. 28.01.75.

2,Заявка Японии Н , кл. 107 Е О, G 01 С 9/06, опублик, 13.12.73.

,3. Авторское свидетельство СССР ,№ , кл, G 01 С 9/06, 17.11.75 (прототип).