акустоэлектронный способ определения перемещений объекта

Формула изобретения

1. АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА, заключающийся в том, что в неподвижной пьезоэлектрической пластине излучающим встречно-штыревым преобразователем возбуждают поверхностную акустическую волну, принимают ее приемным встречно-штыревым преобразователем, установленным на подвижной пьезоэлектрической пластине, предназначенной для связи с перемещаемым объектом, измеряют разность фаз между принятым и опорным сигналами и используют ее при определении перемещения объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измерение разности фаз осуществляют на частоте f₁ синхронизма встречно-штыревых преобразователей с задержкой <<<< 1/ f₁ опорного сигнала и без задержки опорного сигнала, изменяют частоту сигналов при втором измерении до частоты f₂, при которой разность фаз сигналов соответствует разности фаз при первом измерении, а перемещение объекта определяют с учетом частот f₁, f₂ возбуждаемых сигналов, выбранной задержки и скорости v распространения поверхностной акустической волны в пьезоэлектрической пластине.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что задержку опорного сигнала осуществляют путем приема поверхностной акустической волны на неподвижной пьезоэлектрической пластине дополнительным встречно-штыревым преобразователем, установленным от излучающего на расстоянии z_о = v , с учетом которого определяют искомый параметр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения положения объекта, перемещающегося в широком диапазоне значений перемещений.

Известен способ определения перемещений объекта [1], основанный на преобразовании электрических колебаний в ультразвуковые колебания на первой частоте f₁, излучении ультразвуковых колебаний в направлении контролируемого объекта, приеме отраженных ультразвуковых колебаний приемником с известной акустической базой по отношению к излучателю, измерении разности фаз между принятыми и излучаемыми колебаниями, изменении частоты колебаний до значения f_к, при котором разность фаз изменится на 2(К-1) , и определении перемещения объекта по формуле

L= где К-1 - изменение количества длин волн ультразвуковых колебаний, укладывающихся между излучателем и приемником, при изменении частоты колебаний от f₁ до f_к;

V - скорость распространения ультразвуковых колебаний;

- поправка, зависящая от расстояния между излучателем и приемником (акустической базы) и направленности излучения.

Если в процессе изменения частоты количество длин волн изменяется на одну длину волны, то разность фаз изменяется только на 2 и формула приобретает вид

^L= )

Наиболее близким к изобретению является известный акустоэлектронный способ определения перемещений объекта, заключающийся в том, что в неподвижной пьезоэлектрической пластине излучающим встречно-штыревым преобразователем возбуждают поверхностную акустическую волну (ПАВ), принимают ее приемным встречно-штыревым преобразователем, установленным на подвижной пьезоэлектрической пластине, предназначенной для связи с перемещаемым объектом, измеряют разность фаз между принятым и опорным сигналами и используют ее при определении перемещения объекта [2].

Недостатком известного способа является низкая точность определения перемещения ввиду невозможности обеспечения измерения целого числа фазовых циклов и зависимости результата от изменения скорости распространения ПАВ при изменении внешних условий.

Целью изобретения является повышение точности определения перемещений объекта.

Цель достигается тем, что по акустоэлектронному способу определения перемещений объекта, заключающемуся в том, что в неподвижной пьезоэлектрической пластине излучающим встречно-штыревым преобразователем возбуждают ПАВ, принимают ее приемным встречно-штыревым преобразователем, установленным на подвижной пьезоэлектрической пластине, предназначенной для связи с перемещаемым объектом, измеряют разность фаз между принятым и опорным сигналами и используют ее при определении перемещения объекта, измерение разности фаз осуществляют на частоте f₁ синхронизма встречно-штыревых преобразователей с задержкой << 1/f₁ опорного сигнала и без задержки опорного сигнала, изменяют частоту сигналов при втором измерении до частоты f₂, при которой разность фаз сигналов соответствует разности фаз при первом измерении, а перемещение объекта определяют с учетом частот f₁, f₂ возбуждаемых сигналов, выбранной задержки и скорости V распространения ПАВ.

Цель достигается также тем, что задержку опорного сигнала осуществляют путем приема ПАВ на неподвижной пьезоэлектрической пластине дополнительным встречно-штыревым преобразователем, установленным от излучающего на расстоянии Z_o = V, с учетом которого определяют искомый параметр.

На фиг. 1 и 2 представлены варианты устройства для измерения перемещений.

Устройство для измерения перемещений объекта содержит диэлектрическую пластину 1, на которой расположена пьезоэлектрическая пластина 2, установленные на ней излучающий встречно-штыревой преобразователь 3 и концевые поглотители 4, 5 ПАВ, подвижный встречно-штыревой преобразователь 6, размещенный над поверхностью пластины 2 на расстоянии, соизмеримом с длиной ПАВ, и предназначенный для соединения жесткой механической связью с контролируемым объектом (на фигурах не показан), и последовательно соединенные неподвижный емкостный токосъемник 7, расположенный над подвижным встречно-штыревым преобразователем 6 ПАВ, первый усилитель 8 и фазометр 9, второй вход которого через второй усилитель 10 соединен с выходом переключателя 11, первый вход которого через линию 12 задержки, а второй вход через аттенюатор 13 соединены с частотомером 14 и генератором 15 регулируемой частоты, и дополнительный неподвижный встречно-штыревой преобразователь 16 ПАВ, расположенный на пластине 2 на фиксированном расстоянии от излучающего встречно-штыревого преобразователя 3.

Способ осуществляется следующим образом.

Настраивают генератор 15 на частоту синхронизма f_овстречно-штыревых решеток излучателя и приемника ПАВ, которую измеряют частотомером 14. Электрический сигнал с частотой f₁ = f_о от генератора 15 (фиг.1) поступает на излучатель 3, посредством которого возбуждает в пластине 2 ПАВ. Электрическое поле, сопровождающее ПАВ и распространяющееся вдоль пластины 2, индицирует переменный сигнал той же частоты f₁ во встречно-штыревом преобразователе 6.

Выходной сигнал можно представить в виде

a = Ae^j(2f1^t+o⁺z⁾, (1) где А - амплитуда сигнала, зависящая от величины перемещения приемного преобразователя и его расстояния от поверхности пластины;

_о - начальная фаза сигнала, зависящая от контролируемых параметров, частотной расстройки и начального положения приемного преобразователя;

_z - приращение фазы выходного сигнала, обусловленное перемещением приемного преобразователя вдоль пластины.

При перемещении приемного преобразователя на расстояние Z от излучателя приращение фазы

_Z= Z= f₁Z= 2(k+n), (2) где - длина ПАВ на частоте f₁;

V - скорость распространения ПАВ;

К - целое число фазовых циклов в 2 ;

n - дробное число последнего фазового цикла.

Выходной сигнал преобразователя 6 передается на емкостный токосъемник 7, с которого через усилитель 8 поступает на один вход фазометра 9. На другой вход фазометра через усилитель 10, переключатель 11, вначале установленный в верхнее положение, и линию 12 задержки поступает опорный сигнал непосредственно от генератора 15. При этом опорный сигнал дополнительно задержан линией 12 относительно принятого с приемного преобразователя 6 сигнала, задержка которого определяется положением его относительно пластины 2.

В зависимости от перемещения Z приемного преобразователя 6 относительно излучающего преобразователя 3 разность фаз сравниваемых сигналов

_Z= _o+ f₁Z-2f₁ , (3) где - дополнительная задержка в цепи опорного сигнала.

Фазометром 9 измеряется дробная часть последнего фазового цикла, т.е.

= 2n=+ f₁Z-2f₁-2k , (4) где _о - начальная фаза сигнала на частоте f₁.

Дополнительную задержку выбирают из условия

<< 1/f₁ . (5)

Переключателем 11 исключают дополнительную задержку из опорного сигнала, вводя аттенюатор 13 с затуханием, равным затуханию линии 12 задержки. Так как выполняется условие (5), то целое число k фазовых циклов в соотношении (2) не нарушается. Поэтому фазометром 9 фиксируется вторая разность фаз в пределах одного фазового цикла

=2n=+ f₁Z-2k . (6)

Далее изменяют частоту генератора 15 до значения f₂, при котором восстанавливается первоначальная разность фаз принятого и опорного сигналов

, (7) где _o"" - начальная фаза сигнала на частоте f₂.

Значение частоты f₂ измеряют частотомером 14.

Приравнивая выражения (7) и (4), получают

+ f₁Z-2f₁=+ f₂Z. (8)

Поскольку дополнительная задержка << 1/f₁, то второе значение частоты f₂ мало отличается от первоначального значения частоты f₁, т.е.

f₁ - f₂ << f₁ . (9)

С учетом условия (9) можно считать, что _o" = _o"". Тогда уравнение (8) можно представить в более простом виде:

Z-f₁= Z (10)

Решив уравнение (10) относительно перемещения Z, получают

Z= V (11)

Таким образом, по двум значениям частоты f₁ и f₂, дополнительной задержке опорного сигнала и скорости V распространения ПАВ в звукопроводе можно определить перемещение объекта Z. Так как результат вычислений не зависит от количества фазовых циклов k (длин ПАВ) в определяемом перемещении, то положение объекта можно контролировать без реверсивного счета количества фазовых циклов от начального положения, т.е. исключается неоднозначность фазовых измерений.

По сравнению с прототипом достигнуто значительное уменьшение диапазона перестройки частоты. Так, по способу-прототипу минимальное изменение частоты при измерении перемещения Z определяется выражением

f₁= f₁-f₂= . (12) где f₁ - изменение частоты, вызывающее изменение разности фаз сравниваемых сигналов на 2 (360^о).

По предлагаемому способу для определения того же значения перемещения Z согласно выражению (11) достаточно изменение частоты:

f₂=f₁-f₂= V . (13)

Уменьшение диапазона перестройки частоты можно оценить коэффициентом сжатия частот

q= = = . (14) где =2f₁ - дополнительный фазовый сдвиг, вносимый элементом задержки на частоте f₁.

Из выражения (14) видно, что чем меньше вводимая в опорный сигнал задержкa , а следовательно, и соответствующий фазовый сдвиг , тем больше коэффициент сжатия q.

Минимальное значение задержки определяется возможностью регистрации малых перемещений, т.е. разрешающей способностью используемого фазометра. Современные цифровые фазометры (Ф2-28, Ф2-34 и др.) имеют разрешающую способность на уровне _о = 0,01-0,02^о. Если принять, что дополнительный фазовый сдвиг = 10 _о, то реальное значение коэффициента сжатия

q= = 3600....1800

Таким образом, по сравнению с прототипом минимальный диапазон изменения частоты за счет новых операций еще уменьшен по крайней мере в 1000 раз, что практически исключает влияние дополнительных фазовых сдвигов в цепи излучатель - приемник из-за частотной расстройки встречно-штыревых возбуждающих и принимающих преобразователей. Приведенный расчет подтверждает правомочность условия (9) и, как следствие, справедливость равенства начальных фаз сигнала "_o=""_o при столь малом изменении частоты ПАВ. Последнее обеспечивает повышение точности определения перемещений. При длине ПАВ = 20 мкм разрешающая способность по перемещению с учетом разрешающей способности цифровых фазометров составляет 0,001-0,002 мкм.

Для исключения влияния внешней среды на скорость распространения ПАВ в звукопроводе в качестве элемента дополнительной задержки используют тот же звукопровод 2 на участке Z_o (фиг.2), на котором ПАВ от излучающего преобразователя 3 распространяется в направлении поглотителя 4 и принимается дополнительным неподвижным приемным преобразователем 16. При фиксированном расстоянии Z_o = const время задержки ПАВ определяется соотношение

= Z_o/V. (15)

Подставив значение задержки из выражения (15) в выражение (11), получают

Z= Z_o= , (16)

где = (f₁ - f₂)/f₁ - относительная частотная расстройка, необходимая для исключения неоднозначности.

Из полученного выражения (16) видно, что измеряемое перемещение Z определяется фиксированным расстоянием Z_о, измеряемой частотной расстройкой и не зависит от скорости распространения ПАВ в звукопроводе.

Использование изобретения позволяет повысить точность измерения перемещений как за счет максимального сжатия диапазона перестройки частоты ПАВ, так и устранения влияния непостоянства скорости распространения ПАВ от изменения параметров окружающей среды.