Устройство для измерения угла наклона

(71) Заявитель Омский политехнический институт(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА Изобретение относится к измери тельной технике и может .быть исполь зовано для определения угла наклона в системах автоматического управления, а также в датчиках линейных ускорений, вибраций, давлений и в сей" смических приемниках.Известно устройство для определения положения объекта, содержащее сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырьком, источник и прием" ник излучения, расположенные с раз" ных сторон относительно сосуда.При заданной ориентации сосуда сиг нал на выходе приемника излучения имеет максимальную интенсивность, изменение углового положения (ориентации) устройства приводит к изменению, например, тока фотодиода или сопротивления фоторезистора, а изме" рение угла наклона сводится к измерению тока или напряженияУкаэанные устройства обладают низкой чувствительностью к малым изме 2нениям угла наклона, так как в этомслучае приходится измерять низкиенапряжения, токи или их малые приращея.Известны устройства для определения угла наклона, содержащие полупроводниковую подложку, нанесенную наее рабочую грань тонкую полупроводниковую пленку, имеющую противопо"ложный по сравнению с материаломподложки .тип проводимости примеси,два электрода, изготовленные на поверхности тонкой пленки, сосуд, установленный между двумя электродамии заполненный цветным раствором своздушным пузырьком, перемещающимсяв соответствии с наклоном сосуда, источник света, Полупроводниковая под"ложка и высокоомная полупроводнико" 2 Овая пленка образуют элемент со световой электродвижущей силой. При облучении устройства светом, благодарявоздушному пузырьку, у которого световая проницаемость больше, чем у3раствора, образуется световое пят"но,которое перемещается в соответстВии с наклоном подложки, Междуэлектродами возникает разность потенциалов, которая изменяется в заВисимости от положения светового пятна. Таким образом, измеряя межэлектродную разность потенциалов судят о величине угла наклона подложки 121,Недостаток данного устройства состоит в том, что ограничена точностьи разрешающая способность измерителя, например вольтметра, На чувствительность и точность работы такжеоказывают влияние длина подложки,толщина пленки, степень светопроницаемости раствора и интенсивность источника света.Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для определения угла наклона, содержащее сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырьком, излучающие пьеэопластинц, расположенные на концах звукопроводов различной высоты, размещенных на поверхности сосуда с Одной его стороны, принимающую пьезопластину, установленную с противоположной стороны сосуда, а также генератор,. подключенный к излуцающим пьезопластинам, преобразующим импульсы генератора в ультразвуковые колебания, усилитель и регистрирующий пои- бОР 131Цель изобретения - повышение чувствительности к изменению угла наклонаПоставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения угла наклона, содержащем звукопровод, входной и выходной преобразователи акустических волн, сосуд заполненныи жидкОстью с Воздушным пузцремр расположенный между преобразователями, усилитель, вход которого подключен к выходному преобразователю,зву" копровод выполнен в виде пластины иэ пьезоэлектрического материала, входной и выходной преобразователи выполнены в виде веерных встрецно-штыревых преобразователей поверхностных акустических Волн, нанесенных на одну из граней пьезопластины, причем выход усилите.пя соединен с входным встречно-штыревым веерным преобразователем, а сосуд имеет форму по" луцилиндра, продольная ось которогоперпендикулярна направлению распространения поверхностных акустицескихВОЛН.На фиг. 1 схематицески изображеноустройство для измерения угла наклона, вид на подложку сбоку; на фиг.2 то же, Вид на подложку устройстваснизу.16 Устройство содержит пьезопластину 1, изготовленную;. например, изниобата лития У-среза, электроды 2,представляющие собой встречно-штыревце преобразователи (ВШП) веернойФормы, сосуд - полыи цилиндР 3, заполненный жидкостью Ч (например,спирт, вода или др,), воздушный пузырексилительНа широкую полированную рабочую)грань пьезопластины 1 нанесены дВаВШП поверхностных акустических волиПАВ),имеющие Форму веера 2, с апертурой Ч, равной ширине перекрытияштырей,йежду ВШП укреплен, например,склейкой полый стеклянный полуцилиндр3 так,что его продольная ось перпендикулярна направлению распространенияПАВ, Внутренний диаметр поперечного се.чения полуцилиндра меньше апертурыУ преобразователей. Внутренняя полость полуцилиндра 3 образует с рабочей поверхностью пь 8 зопластины 1объем, заполненный жидкостью ч с воздушным пузырем 5. Жидкость играет 3роль поглотителя ПАВ. Поперечный размер воздушного пузыря 5 равен внутР 8 ннему диам 8 тру полуцилиндра Зрт,е. ширине внутренней полости полу"цилиндра в направлении распоостранения ПАВ, Размер пузырька вдоль продольной оси полуцилиндра меньше апертуры ВЙП, но больше максимальнойдлины волны генерируемых колебаний,Пьезопластины 1 с нанесенными на ее4 Яповерхности ВШП 2 представляет собойлинию задержки поверхностных акустических волн которая в соВокупностис усилителем 6 образует автогенератор. При этом один из полюсов обоихэлектродов - ВШП 2 соединяется с общим проводом усилителя 6, а другойполюс - соотВетственно с клеммамиВхода и Выхода усилитОляУстройство работает следующим обРазомЫВ первоначальном положении устройство для измерения угла наклона сориентировано в пространстве согласнофиг. 1 так, цто угол между продольной осью полуцклиндра 3 и направлением земной вертикали составляет 90". В этом случае воздушный пузырь 5 прижат к рабочей поверхности пьезопластины 1 и расположен в центре проме- В жутка между веерным ВШП (согласно фиг. 2),образуя окно прозрачности для прохождения ПАВ. Прк этом обеспечивается возможность возбуждения автогенератора, образованного лини- В ей задержки и усилителем 6 на частоте, соответствующей пространст.венному шагу штырей по средней линии веерных ВШП. При включении напряжений, питающих усилитель 6, в коль- И це автогенератора, образованном усилителем 6, входным ВШП 2, окном прозрачности, обусловленным наличием воздушного пузырька 5 в поглощающей ПАВ жидкости 4, и выходном ВШП 2, 2 О возникают колебания на частоте Го= Ф 2 аогде У - скорость распро- странения ПАВ; д - шаг штырей по средней линии веерных ВШП,Свойством веерного ВШП является способность к фор мированию узкого акустического луча при гармоническом возбуждении. Этот луч прк изменении частоты возбуждения перемещается вдоль апертуры ВШП обеспечивая .тем самым плоское скани- ур рование, Прк этом ширина акустичес" кого луча меньше апертуры преобразователя и зависит от угла, образованного крайними штырями ВШП, При выборе размера воздушного пузырька, равного или большего шкркны акустического луча, вся энергия возбужденных повер" хностных волн достигает через окно прозрачности, образованное воздушным пузырьком 5 выходного ВШП, Это прк- о водит к устойчивой генеоацки колебаний автогенератора на частоте ФВозникновение генерации на другой частоте невозможно, поскольку акустический луч излучаемый веерным ВШП, в этом случае сместился бы вдоль апертуры ВШП и демпфкровался в жидком поглотителе 4.При изменении угла наклона подложки воздушный пузырек 5 под дей 56 станем скл выталкивания жидкости 4 смещается вдоль продольной оси полу" цилиндра 3, что соответствует смещению окна прозрачности для распространения ПАВ, Прк этом автогенератор изменяет частоту колебаний. В автогеИ нераторе устанавливаются колебания с частотой соответствующей простран-. ственному шагу штырей веерного ВШП 22 бпо линии, перпендикулярной оси полуцилиндра 3 и проходящей через центр,воздушного пузырька. Следует подчер .кнуть, что при изменении знака угланаклона частота автогенератора отклоняется от центральной частоты Го вдругую сторону.Изменение пространственного шагаштырей веерного ВШП вдоль его апертуры можно задать топологией преобразователя вплоть до нескольких процентов, что будет соответствовать изме.нению частоты в устройстве прк изменении угла наклона пьеэопластины втом же процентном отношении.Чувствительность к изменению угланаклона устройства может быть выра".жена как отношение изменения частоты колебаний автогенератора к измене"нкю угла между продольной осью полуцилиндра 3 и направлением земной вертикали5 =аГ/а 8.Так, эксперименты показывают, чтопрк центральной частоте колебаний автогенератора 10 = 20 10 Гц вариацкя6частоты составляет 0,2 или120.10 Гц при изменении угла наклонапьеэопластины на 15 о, Отсюда следует, что чувстви"ельность устройствак изменению угла наклона равна4 0 Гц/град. Бсли учесть, что отно"3 сительная нестабильность частоты автогенератора с ПАВ-линией задержки-6порядка 10 , что достигается довольно легко, то окаэыьается, что с помощью устройства можно измерять углы наклона и их приращения порядка0,01 и выше (т.е. с разрешающейспособностью не хуже 0,00 ),Высокая чувствительность устройства к положению воздушного пузырькапозволяет испольэовать его не толькокак датчик угла наклона. Смещение,воздушного пузырька можно вызвать ивоздействием линейных ускорений,вибраций, изменением давления нажидкость в полуцклиндре, Это указывает на возможность применения устройства в датчиках линейных ускорений, низкочастотных вибраций. гидростатического давления, системах автоматического управления, а также всейсмических приемниках.Еще одним преимуществом устройстваявляется то, что информация о величине угла наклона содержится в частоте, т.е, в том параметре сигнала,который удобен для дальнейшей об7 Э 4822 8 работки передачи его на расстояние, полнен в виде пластины из пьезоэлектФ,м преобразования в циФровую Форму. рического материала, входнои и выПрименение устройства позволяет ходной преобразователи вцполнены в благодаря его высокой чувствитель- виде веерных встречно-штыревых прености значительно снизить требования з образователей поверхностных вкустик точности устройств последующей об- ческих волн, нанесенных яа одну иэ работки сигнала с его выхода, а сле- граней пьезопластины, причем вцход довательно, и существенно уменьшить усилителя соединен с входным встреч" стоимость измерительных приборов уг- но-штцревым веерным преобразователем,19 а сосуд имеет Форму полуцилиндра,продольная ось которого перпендикулярна к направлению распространенияповерхностнцх акустических волн,Формула изобретения ВНИИХИ Заказ 6413/4Тираж 614 Подписное Филиал ППП "Патент",.Ужгород,ул.Проектная,4 Устройство для измерения угла нак лона, содержащее эвукопровод, входной и выходной преобразователи акустических волн, сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырьком, расположенный между преобразователя- и ми, усилитель, вход которого подключен к выходному преобразователю, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения чувствительности к изменению угла наклона, звукопровод вцз Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США Ю 3863067,кл. 250-231, О О 1 С 9/00,опублик. 28.01,75.2. Заявка Японии Р 4842511,кл, 107 Е О С 01 С 9/06опублик, 13.12 73.3 Авторское свидетельство СССР