Датчик микроперемещений на поверхностных акустических волнах

 

Изобретение относится к технике, связанной с измерением линейныхперемещений в промьшшенных установках, робототехнике, контролю линейных размеров , деталей, проверке инструмента. Цель изобретения - повышение точности измерения микроперемещений и уменьшение габаритов датчика. Датчик микроперемещенйй содержит подвижную пьезопластину 10, жестко соединенную с кареткой 6, которая перемещается; по направляющим в корпусе 1. ПьезоА А л пластин которые поверхн пьезопл ем от ц входных вателя ковых г паралле пуса ус В одной мещены а на ко нитного и 26, 1 ПАВ. Вну тиной 10 отделена Электрич ется чер . Изменени относите приводит ты элект задержки 1 з.п. ф S 1 й- 1 - 2 25 2 / / / ш -фпластина имеет четыре рабочие грани, которые попарно сопряжены плавной поверхностью. Над щирокими гранями пьезопластины установлены со смещением от центра к боковым граням два входных встречно-щтыревых преобразователя (ВШП) 25 и 26 ПАВ, а на боковых гранях - выходные ВШП 13 и 14, параллельно которым на стенках корпуса установлены с зазором экраны. В одной плоскости с ВШП 25 и 26 размещены плоские катушки индуктивности, а на корпусе - экраны из ферромагнитного материала. Пары ВШП 25, 13 и 26, 14 образуют две линии задержки ПАВ. Внутренняя полость с пьезопластиной 10 и БОШ 25, 26 и 13, 14 ПАВ отделена от внешней среды крышками. Электрическое соединение осуществляется через группы гермовводов 2 и 3. . Изменение положения пьезопластины 10 относительно ВШП 25 и 26 и экранов приводит к изменению фазы или частоты электрического сигнала в линиях задержки с противоположным знаком. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 2 25 2 1 12 / / // , м 4 а Х) со ел

QQIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„14693И А 1 (5g 4 С 01 В 17/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4295717/25-28 (22) 07.08.87 (46) 30.03.89. Бюл. ¹ 12 (71) Рязанский радиотехнический институт (72) И.Е.Сырмолотнов (53) 620. 179. 16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 11.79106, кл. G 01 В 17/00, 1985.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1260680, кл. С 01 В 17/00, 1986. (54) ДАТЧИК МИКРОПЕРЕИЕШЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ (57) Изобретение относится к технике, связанной с измерением линейных. перемещений в промьппленных установках, робототехнике, контролю линейных размеров, деталей, проверке инструмента.

Цель изобретения — повышение точности измерения микроперемещений и уменьшение габаритов датчика. Датчик микроперемещений содержит подвижную пьезопластину 10, жестко соединенную с кареткой 6, которая перемещается по направляющим в корпусе 1. Пьезопластина имеет четыре рабочие грани, которые попарно сопряжены плавной поверхностью. Над широкими гранями пьезопластины установлены со смещени» ем от центра к боковым граням два входных встречно-штыревых преобразователя (ВШП) 25 и 26 ПАВ, а íà боковых гранях — выходные ВШП 13 и 14, параллельно которым на стенках корпуса установлены с зазором экраны.

В одной плоскости с ВШП 25 и 26 размещены плоские катушки индуктивности, а на корпусе — экраны из ферромагнитного материала. Пары ВШП 25, 13 и 26, 14 образуют две линии задержки

ПАВ. Внутренняя полость с пьезопластиной 10 и ВШП 25 26 и 13, 14 ПАВ отделена от внешней среды крьппками.

Электрическое соединение осуществляется через группы гермовводов 2 и 3.

Изменение положения пьезопластины 10 относительно ВШП 25 и 26 и экранов приводит к изменению фазы или частоты электрического сигнала в линиях задержки с противоположным знаком.

1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1469351

Изобретение относится к технике, связанной с точным измерением перемещений при контроле положения обра-. батывающего инструмента относительно детали, и может быть использовано в робототехнике, технологии микроэлектроники, графопостроителях, прецизионной обработке, например, оптических дисков, головок видеомагнито- 10 фоков.

Целью изобретения является повышение точности измерения микроперемещений и уменьшение габаритов датчика.

На фиг.1 приведено предлагаемое 15 устройство со снятой крышкой, разрез А-А на фиг.2; фиг.2 — разрез Б-Б на фиг.1;,на фиг.3 — разрез В-В на фиг.1; на фиг.4 — встречно-штыревой преобразователь (ВШП) с направлением 20 силовых линий электрического поля.

Устройство состоит из корпуса 1 с группами гермоввода 2 и 3 в верхней и нижней стенках и крышек 4 и 5.

Вдоль торцовых стенок корпуса 1 вы- 2 полнены калиброванные направляющие, по которым перемещается каретка 6, выполненная в виде рамы, в которой

Ф запрессован контактный штифт 7 с насадкой из твердого сплава или рубина, 30 который находится в соприкосновении с обрабатываемой поверхностью детали или режущей частью инструмекта. Между кареткой 6 и корпусом 1 помещена в углублении пружина 8. В полости корпуса 1 между боковыми элементами каретки 6 в фиксированном положении с помощью 3 пар упоров 9 установлена пьезоэлектрическая пластина 10, выполненная в виде призмы, два диагональных ребра которой образуют плавный переход, а на двух других помещены поглотители 11 и 12. Призма может быть выполнена из ниобата лития.

На узких гранях призмы сформированы выходные ВШП 13 и 14 с согласующими плоскими спиральными катушками 15, 16 и 17, 18 индуктивности. На расстоянии, составляющем не менее длины волны поверхностной акустической волны (ПАВ) и определяющем рабочий ход каретки 6, перпендикулярно направляющим установлены на боковых стенках корпуса 1 электростатические 19 и 20 и ферромагнитные 21, 22 и 23, 24 экраны. На противоположных краях верхней и нижней стенок корпуса 1 с фиксированным зазором h, не превышающим ширины электродов ВШП, установлены контактные входные ВШП 25 и 26. Входной ВШП 25 состоит из диэлектрической пластины 27 с канавками и электродами 28 треугольного сечения, обращенными вершинами к пьезопластине (призме} 10. ВШП 25 и.26 параллельны друг другу и широким граням пьеэопластины 10, которая находится от вершин электродов на расстоянии h (не более ширины электродов ВШП).

Диэлектрическая пластина 27 может быть изготовлена из плавленного кварца, а канавки в ней выполнены методом ионоплазменного травления. Входной ВШП 26 состоит из пластины 29 и электродов 30 аналогичных деталям

27 и 28 конструкции. Указанные формы электродов и канавки выбраны для повышения эффективности преобразования ПАВ.

Устройство работает следующим образом, В среднем положении каретки 6 и пьезопластины 10 входной ВШП 25 sosбуждает через воздушный зазор первую

ПАВ, которая распространяется вдоль поверхностного слоя верхней грани (фиг.1) пьезопластины 10, проходит через сопрягающую поверхность на левую грань и достигает выходной ВШП 13 за время !

Т

У где Ь, — расстояние между ВШП 25 и 13 по поверхности пьезопластины 10

V — - скорость ПАВ.

Аналогичным образом вторая ПАВ возбуждается входным контактным ВШП

26, распространяется вдоль поверхностного слоя нижней грани пьезопластины 10, проходит через сопрягающую поверхность на правую грань и дости-. гает выходной ВШП 14 за время

Lg

Т

y ° t где L — расстояние между ВШП 26 и

14 по поверхности пьезопластины 10.

Первая ПАВ преобразуется в элек-. трический сигнал с помощью ВШП 13, вторая ПА — с помощью ВШП 14. Фаза первого электрического сигнала равна

Т(Ч ф 9 где д Т,: — набег фаз в линии задержки, 4е, и hq - изменение фазы сигнала в согласующих цепях и ВШП

13 и 25 соответственно.

1469351

Аналогично для второго электрического сигнала фаза равна

<Р = Т + Zq, -д

При смещении пьезоэлектрической пластины 10 вправо (увеличены координаты Х) изменяется длина пути, проходимого ПАВ, и величина емкости

ВШП 13 и 14 и согласующих индуктивностей 15, 16 и 17, 18 вследствие смещений ВШП 13 и 14 относительно

ВШП 25, 26 и экранов 19, 20, 21-24.

Фаза первого электрического сигнала

P при этом равна

Я, =И(Т, + ДТ, ) +6 1 +ДЧ < + 15

+ДЧ + ДЧ., где (я — приращение фазы сигнала во входном ВШП 25 вследствие изменения зазора от температуры, 20

Дс(, — приращение фазы сигнала в выходном ВШП 13 вследствие увеличения расстояния до экрана и уменьшения емкости

ВШП 14 индуктивности ка- 25 тушек

ДТ вЂ” дополнительный интервал времени, обусловленный смещением пьезопластины 10, Фаза второго электрического сиг- 30 нала изменяется с противоположным знаком из-за уменьшения расстояния между ВШП 26 и 14 и уменьшения рас— стояния до экрана

Яг ((2 b >z) + дЧ + V 35

11 Ч2Ф

При разностной обработке и для условий Т, =Т;ДТ, =ЬТ =ДТ дч

= 6» V« =ДЧ, " ДЧ =Мт ь ДЧ Юг 40 получаем

hg = 2(Q $Т + Q, );

Температурное изменение фазы во всех элементах первой и второй линий задержки одинаковое по знаку и в зна-45 чительной степени компенсируется в дифференциальной схеме обработки сигналов.

Техническими преимуществами пред— лагаемого устройства являются высокая5

50 точность измерения микроперемещений— до 20 нм и разрешающая способность до 1 нм, широкий диапазон температур (при введении поправки на точность измерения или использовании специаль55 ных материалов с мялым ТКЛР и ТК скорости ПЛВ), малые габаритные размеры датчика 50 х 25 х 15 ммэ, полученные за счет использования всех четырех граней пьеэопластины в качестве рабочих.

Формула иэ обретения

1. Датчик микроперемещений на поверхностных акустических волнах, содержащий корпус, подвижную пластину с двумя встречно-штыревыми преобразователями и поглотителем поверхностных акустических волн, предназначенную для контактирования с контролируемым объектом, и неподвижный— встречно-штыревой преобразователь, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерения микроперемещений и уменьшения габаритов, он снабжен дополнительным неподвижным встречно-штыревым преобразователем, электростатическими и ферромагнитными экранами и согласующими индуктивностями, расположенными на подвижной пьезопластине, над которыми на расстоянии не менее длины волны поверхностных акустических волн размещены электростатические и ферромагнитные экраны, два диагональ" но расположенных ребра подвижной пьезопластины образуют плавные переходы между узкими и широкими гранями, неподвижные встречно-штыревые преобразователи расположены на корпусе вдоль оси подвижной пьеэопластины со стороны ее широких граней со смещением в противоположные стороны относительно середины граней, их электроды имеют в поперечном сечении форму треугольника с вершиной, обращенной к подвижной пьезопластине, и с канавками между ними, а зазор между неподвижными встречно-штыревыми преобразбвателями и подвижной пьезопластиной не превышает половины периода электродов этих преобразователей.

2. Датчик по и. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что согласующие индуктивности выполнены в виде плоских спиралей.

1469351

9 1723

fg

Щце. 2

Составитель В.Кольцов

Техред Л.Сердюкова Корректор ИД1ароши

Редактор T.Ïàðôåíîâà

Заказ 1349/47 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж- 35, Раушская наб. ° д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

6

27

28

f5 б фце.З

13

12 27 f