Датчик линейных перемещений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А 1 с 5 И 4 С 01 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНА 8 ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 88,8)ние гальстройствахМ,: ЭнерГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯПРИ ПЮТ СССР(71) Одесский политехнический институт(53) 621.317.39:531.717 (О (56) Хомерили О,К. Примене ваномагнитных датчиков в у автоматики и измерений.гия, 1971, с. 96.Авторское свидетельство СССР й 1382110, кл. С О 1 В 7/00, 1986.(54) ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к измерительной технике. Датчик линейных перемещений содержит закрепленный накорпусе стержневой пьезоэлемент 2с нанесенными на его двух боковых поверхностях низкоомными токопроводящими покрытиями, из которых одно разделено на гальванически изолированные, Я 01516749 секции 4, 5 и 6. Секция 4 выполнена из ферромагнитного материала и дискретно намагничена по длине на участках 7, представляющих элементарные постоянные магниты. Покрытие 3 и секция 4 подключены к выходу генератора 8 напряжения постоянного тока, управляемого по частоте. Частота генератора 8 выбирается такой, чтобы в пьезоэлементе 2 устанавливалась стоячая ультразвуковая волна, пучности которой располагались бы на участках 7. При перемещении индикатора вдоль поверхности пьезоэлемента 2 на его выходе периодически появляются пачки импульсов, которые пересчитываются и регистрируются. Для коррекции температурной погрешности секции 5 и 6 подключены к входам дифференциального усилителя 9, выход которого соединен с управляющим входом генератора 8. При нормальной температуре величины напряжений на секциях 5 и 6, размещенных на таком же расстоянии однакУ1516749 с и21 от другой, как и участки 7, будут практически одинаковыми, а потому сигнал на выходе усилителя 9 будет равным нулю. При изменении температу 5 ры окружающеи среды скорость распространения волны в пьезоэлементе 2 изменится, а потому напряжения на секциях 5 и 6 также станут различными. На выходе усилителя 9 появится Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений объектов,Цель изобретения - повышение точности за счет цифровой формы представления выходного сигнала и коррекции температурной погрешности.На фиг.1 представлена функциональная схема датчика линейных перемещений; на фиг.2 - конструкция пьезоэлемента; на фиг,3 - характер колебаний участков электропроводящего ферромагнитного покрытия, дискретно намагниченного по длине; на фиг.4 - диаграммы напряжения на выходе индикатора колебаний.Датчик линейных перемещений содержит корпус 1 и закрепленный на нем стержневой пьезоэлемент 2. На двух боковых поверхностях пьезоэлемента 2 нанесены низкоомные токопроводящие покрытия: на одной поверхности покрытие 3, а на другой - покрытие, разделенное на три гальванически изолиро ванные секции 4, 5 и 6, из которых екция 4 выполнена из ферромагнитного материала и дискретно намагничена по длине на участках 7, отстоящих один от другого на одинаковых расстояниях й. Расстояние между секциями 5 и 6 также равно д. К покрытию 3 и секцииподключен возбудитель колебаний пьезоэлемента 2, выполненный в виде генератора 8 напряжения переменного тока, управляемого по частоте, Секции 5 и 6 подключены к входам дифференциального усилителя 9, выход которого соединен с управляющим входом генератора 8. Над пьезоэлементом 2 с возможностью перемещения вдоль его поверхности установлен индикатор 10 колебаний в виде магниточувствительного элемента, подключенного к блоку 11 корректирующий сигнал, который поступит на управляющий вход генератора 8,изменяя его частоту до тех пор, покапучности стоячей ультразвуковой волныснова не разместятся в секциях 5 и 6.Таким образом, температурная погрешность измерения будет скорректирована. 4 ил. регистрации амплитуды колебаний пьезоэлемента 2.Датчик линейных перемещений работает следующим образом.Под действием переменного напряжения генератора 8 вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта в пьезоэлементе 2 возбуждаются упругие поперечные колебания. Частота 2 генератора 8 выбирается таким образом, что в пьезоэлементе 2 устанавливается стоячая ультразвуковая волна. Это выполняется при условии где с - скорость распространения колебаний в пьезокерамике; 1 - длина пьезоэлемента; и - мода колебаний (число полупериодов стоячей волны). При этом длина волны установившихся колебанийЛ= =2 а. (2)На поверхности секции 4 покрытия,выполненного из ферромагнитного материала (например, никеля, кобальта,железа и т.п.), предварительно созданы дискретные намагниченные участки7, которые можно представить в видеэлементарных постоянных магнитов,линейные размеры которых определяютсяпараметрами записывающего устройства,например шириной рабочего зазора записывающей магнитной головки (обычно1-3 мкм),Расстояние между дискретными намагниченными участками равно й, и приэтом каждый из них расположен в пучности стоячей волны, установившейся впьезоэлементе 2.Таким образом, каждый из элементарных постоянных магнитов 7 совершает749 5 1516гармонические колебания в вертикальной плоскости с амплитудой, равнойамплитуде стоячей волны в пьезоэлементе 2, которая определяется егоразмерами и материалом, а также частотой и напряжением генератора 8.Перемещаясь вдоль поверхности секции 4, индикатор 1 О колебаний периодически (период равен д) попадает вобласти переменного магнитного поля,созданного дискретными намагниченнымиучастками 7, расположенными на поверхности колеблющегося пьезоэлемента 2.При этом в индикаторе 10 колебанийнаводится переменная ЭДС в виде отдельных пачек импульсов (фиг.4), частота следования которых определяетсяскоростью перемещения индикатора 1 Околебаний, а частота следования импульсов в пачке зависит также от частоты переменного напряжения генератора 8,В блоке 11 регистрации происходитподсчет числа пачек импульсов, соответствующих числу намагниченных участков 7, пройденных индикатором 10колебаний при движении вдоль секции 4пьезоэлемента 2. Таким образом реализуется дискретный датчик перемещенийс разрешающей способностью, равной Д.Известно, что изменение внешнихфакторов, в частности температуры,вызывает изменение скорости с Распространения ультразвуковых колебаний в35в пьезокерамике. Следовательно, изменение температуры может вызвать нарушение условия резонанса (1), длинаволны Л изменяется и дискретные намагниченные участки 7 уже не располагаются в пучностях стоячей волны. Всхеме возникает разбаланс, которыйприводит к появлению температурнойпогрешности.Для повышения точности измерений 45в датчик вводят дифференциальный усилитель 9, поддерживающий режим стоячей волны в пьезоэлементе 2 за счетизменения частоты генератора 8, пропорционального изменению температуры.Для этого на внешней поверхностипьезоэлемента 2 выделяют две гальванически изолированные секции 5 и 6 вьиде узких полос (фиг.2). Расстояниемежду ними равно л и обе секции приначальных условиях (например, притемпературе с) расположены в пучностях стоячей волны. Вследствие прямого пьезоэффекта в секциях 5 и 6 наводится одинаковое по величине напряжение, частота которого равна частоте колебаний пьезоэлемента 2,Секции 5 и Ь подключены к входам дифференциального усилителя 9, напряжение на выходе которого в исходном состоянии (при Со) близко к нулю вследствие равенства входных напряжений, При изменении температуры ( ) пучности стоячей волны смещаются й возникает неравенство напряжений секций 5 и 6. Это напряжение, усиленное усилителем 9, поступает на управляющий вход генератора 8 и изменяет его частоту таким образом, что в пьезоэлементе вновь устанавливается стоячая волна длиной Л =2 а.Таким образом, устраняется температурная погрешность датчика, что повышает точность измерения перемещений. формула и з о б р е т е н и я Датчик линейных перемещений, содержащий корпус, закрепленный на нем стержневой пьезоэлемент, на двух боковых поверхностях которого нанесены низкоомные электропроводящие покрытия, возбудитель колебаний пьезоэлемента в виде генератооа напряжения переменного тока, присоединеного к электропроводящим покрытиям, и индикатор колебаний в виде магниточувствительного элемента, установленного с возможностью линейного перемещения вдоль поверхности стержневого пьезоэлемента, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен блоком регистрации амплитуды колебаний пьезоэлемента, подключенным к магниточувствительному элементу, и дифференциальным усилителем, возбудитель колебаний выполнен управляемым по частоте, а электропроводящее покрытие на одной из боковых поверхностей пьезоэлемента разделено на три гальванически изолированные секции, одна из которых подключена к возбудителю, выполнена из ферромагнитного материала и дискретно намагничена по длине, а две другие подключены к соответствующим входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с управляющим входом возбудителя колебаний пьезоэлемента.15167 ч 9 Составитель Л.Гусьактор Н.Гунько Техред Л,Олшшык Корректор 0.ци Подписно КНТ СССР открытиям д, 4/5