Устройство для определения угла наклона

О П И С А Н И Е (и)943525ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоциалистическикРеслублнн(22) Заявлено 05. 09,80 (21) 2976993/18" 1 Ос присоединением заявки М -(51) М. Кл. 1 01 С 9/12 3 Ъоударетюиый комитет СР па аеам изобретений и открытий(72) Автор изобрете Левченк дена Ленина институт кибернетик явитель ТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА НАКЛтение относит онтроль строистклона объ измерительнои технике ивам для измерения угловекта. Известно устроиство для определения углов наклона, содержащее кристалл (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, т.,е. углом наклона прибо.- ра, Возникающая в полупроводнике фото-ЭДС несет информацию об угле наклона. Информация выводится с помощью электродов, имеющихся на полупроводнике 13.Недостатком известного устройст" ва 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 недостат" ком 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,94352 10 а-з 35 50 что при одном и том же угле показания устройства будут различны в зависимости от температуры.Ближайшим к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения угла наклона, содержащее чувствительный элемент - маятник, грузок которого соединен с кристаллом, снабженным электродами, служащим 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 21.Цель изобретения - упрощение устройств, повышение надежности, уменьшение веса и габаритов устройства.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения угла наклона, содержащий чувствительный элемент, груз которого соединен с кристаллом, снабженным электродами, служащим преобразователем угла наклона в электрический сигнал, кристалл выполнен из матери ла типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик со связью сегнетоэлектрических и сегнетоэластических свойств. Материалом кристалла служит моно- кристалл В;, Т 0,1На фиг.1 показана схема устройст ва; на фиг.2 - петля диэлектрического гистерезиса; на Фиг.3-6 деформированные состояния бруска.Устройство содержит кристалл 1 типа сегнетоэлектрик " сегнетоэластик, на который нанесены электроды 2 и 3. К одной из граней кристалла, в данном случае грани, покрытой электродом 3, прикреплено массивное тело груз ) 4, Отметим, что тель 4 может быть прикреплено и к другим граням кристалла. Вге зависит от самого кристалла, от того, как он вырезан.Для уяснения сущности изобретения остановимся на физических свойствах материала типа сегнетоэлектрик - еегнетоэластик. Материал этого типа обладает одновременно сегнетоэлектрическими и эластическими свойствами. Сегнетоэлектрические свойства связаны с наличием в материале спонтанной поляризации поля" ризации Рнапряжение которой может быть изменено переключено )внешним электрическим напряжением,Зависимость поляризации Р от электрического поля Е имеет вид петлигистерезиса, поэтому если к элементу, выполненному из такого материала приложить переменное электрическое напряжение, то ток в цепиэлемента будет иметь Форму импульсов, временное положение которыхсоответствует моментам, когда происходит переключение спонтанной поляризации Р,Если к сегнетоэлектрическому элементу приложено переменное электрическое напряжение, например синусоидальное, то при достижении синусоидойуровня коэрцитивного напряжения + ЯК(точка с 1 на синусоиде фиг.2) происходит переключение спонтанной поляризации (скачок в верхнее по петлегистерезиса состояние). В этот моментчерез 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 - Мк и сегнетоэлектрик опять переключается скачок вниз по петле гистерезиса ).В этот момент через сегнетоэлектрикпроходит импульс тока Э отрицательной полярности (фиг.2). Таким образом, за один период синусоиды черезсегнетоэлектрик проходит два импульса тока Э., и 3, временной интервал промежду которыми будет равенполовине периода синусоиды, т,е. "==Т/2.Если к сегнетоэлектрику кромесинусоидального напряжения приложено некоторое постоянное напряжение 0 , то это приводит к смещениюпетли гистерезиса вдоль оси электрического поля, что проявляетсяв изменении величины коэрцитивныхнапряжений для положительной и отрицательной полуволн в синусоиде.На фиг.2 штриховой линией показанасмещенная петля гистерезиса. полученная в результате приложения к сегнетоэлектрику отрицательного напряжения - 0 , Для этой петли гистерезиса коэрцитивные напряженияимеют значения 1-М(1+9. В результате смещения петли гистерезиса5 943525 у 6фиг.2) смещаются и точки пересеце- к увеличению интервала времени межния синусоиды с уровнями коэрцитив- ду импульсами,ных напряженийэто точки д и б), Таким образом интервал временисТочкам а и 6 на синусоиде соответ- между разнополярными импульсами11 ствуют импульсы токаЭид, времен текущими через сегнетоэлектрик при нои интервал между которыми Г 0 поляризации, зависит от напряжения (фиг,2) . При изменении полярности 0- 0 , Эта зависимость при синусоипетля гистерезиса смещается в про- дальном переменном напряжении выративоположную сторону, что приводит жается соотношением Е, +Е (Ек-Е- коэрцитивное электрическое поле; коэрцитивное давление. где Е- коэрцитивное поле,напряженность поля,соответствующая максимальномуамплитудному) значениюсинусоиды;- частота синусоидальногонапряжения,Е - напряженность поля, создаваемая в сегнетоэлектрике- сегнетоэластике внешнимнапряжением 0Если переменное напряжение пилообразное, то зависимость выражается соотношением.т к+Е 1 ч9. Еп30Сегнетоэлектрический ;1 ементРкак видно из уравнений (1 и 2) моФжет преобразовывать напряж.ни Ов соответствующий интервал 7Рассмотрим теперь эластичныечсвоиства используемого в устройствематериала. Для объяснения сегнетоэлектричности обратимся к Фиг.3.Допустим, мы имеет брусок, вырезан 40ныи из сегнетоэластичного кристалла.Е спи к бруску приложить механическое давление +Х, то он деформируется. При этом после устранения давления +Х кристалл остается в деформированном состоянииО величине деформа 45ции можно судить по сдвигуь(фиг.4),Если изменить направление давления,т.е, приложить давление - Х, токристалл деформируется в противоположную сторону (Фиг,5) и остаетсяв этом состоянии после устранениядавления. В материале типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик можетсуществовать связь между сегнетоэлектрическими и эластичными свойствами, Эта связь проявляется в томУчто изменение деформации под возчдеиствием механических сил сопровождается изменением направления спонтанной поляризации. Одному деформированному состоянию бруска фиг.3-6) соответствует поляризация +Р (фиг.4) 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, относятсяв частности 84.Т;01,6(11 ОО 4)ЗСвязь сегнетоэлектрицеских и эластичных свойств в материалах типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик проявляется и во влиянии механи" цеских 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 - сегнетоэластикчдеиствие давления на петлю диэлектрического гистерезиса эквивалентно действию постоянного напряжения Ц . Для характеристики этой взаимосвязи вводим некоторую величину, которую назовем показатель эквивалентногодеиствия РэЬ7 П показывает, де электрического поля действие давление в том ( 3) уравнения 1 переписать как 9 йствию какого соответствует 1 кг/см, С уче) и 2 ) можно ЕП Х Ещ%ЛЯ Как виднс из уравнений 1,4 )и5 ) временной интервал ь между разнополярными импульсами тока, идущими через кристалл сегнетоэлектрика - сегнетоэластика, зависит от давления Х, прикладываемого к кристаллу. Именно это и положено в основу изобретения,Для объяснения работы устройства обратимся к фиг.4-б, Если укпономер расположен строго горизонталь но, то сила веса го массивного телагруза) 4 направлена вертикально фиг,4) и не имеет составляющих капри приложении к сегнетоэлектрику -сегнетоэластику синусоидальногопеременного напряжения, и соотношением т Ек+ Пз о пс"фг+при приложении пилообразного переменного наПряжения.Устройство значительно проще известного в конструктивном отношенииф 45 превосходит его и по надежности в работе, поскольку сегнетоэлектрики сегнетоэластики, составляющие основу устройства, являются термически стабильными материалами, Так например, устроиство на основе монокрис-а50 талла В;4 ТО стабильно работает в диапазоне температур 195-250 С, Кроме того, устройство имеет широкие функциональные возможности, в частности оно может использоваться как датчик ускорения 1,акселерометр ), На" конец конструктивная и технологическая простота обуславливает и высосательных к поверхности кристалла,В этом случае петля диэлектрического гистерезиса симметрична и интервал времени между импульсами тока,идущими через кристалл, равеноПри наклоне устройства на некоторыйугол д- фиг.51 появляется касательная составляющая Г. = Е Опс 1 создаю"щая сдвиговое давление М=СоЯпсЦ 5(Б-площадь),Под действием этого давления петля гистерезиса смещаетсяи интервал времени между импульсамиуменьшается на некоторую величину.При наклоне устройства в другуюсторону (фиг.б) петля гистерезисасмещается также в противоположнуюсторону, что приводит к увеличениюинтервала между импульсами подвоздействием силы Г.,Таким образом, устройство выполняет функцию преобразования угла наклона с в соответствующий временной интервал. Зависимость между углом уклона с и длительностью интервала Т между разнополярными импульсами, текущими через элемент выражается соотношением кую экономическую эффективность устройства. Опытный образец устройстваизготовлен на основе монокристаллов 1. Устройство для определения угла наклона, содержащее чувствительный элемент, груз которого соединен с кристаллом, снабженным электродами, служащим преобразователем угла наклона в электрический сигнал, о т л и ч а ю щ е е с я 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 и,1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что материало9кристалла служит монокристалл В;, 1 З 02 И сточ ни ки инфо рм ации,принятые во внимание при экспертизе943525 101. Заявка Японии Н 48-42511,сл. 6 01 С 9106, опублик, 3.12.73.2. 4 вторское свидетельство СССРМ 558148, кл, С 01 С 9/02, 12.11.795 (прототип ),9 ч 3525 Составитель Л. Колюбакиарфенова Техред Л,Пекарь К Редактор тор Г,тник Подписно илиал ППП "Патент , г, Ужгород, ул, Проектная,3 5092/ Тира ВНИИПИ Государственно по делам изобретени 113035, Москва, Ж"35, ж. 1го комитета СССРй и открытийРаушская наб., д