Акустоэлектронный датчик угла поворота

 

Изобретение относится к контрольно - измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения угла поворота объекта в робототехнике, гибких производственных модулях и системах управления. Целью изобретения является расширение диапазона измерений. Акустоэлектронный датчик угла поворота содержит три коаксиально расположенных пьезоэлектрических цилиндра, разделенных воздушным зазором, величина которого не превышает четверти периодов решетки встречно - штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на внешней поверхности неподвижного среднего цилиндра. Второй и третий цилиндры состоят из двух разнородных полуцилиндров, собранных на фланце, и имеют возможность поворачиваться относительно неподвижного цилиндра, закрепленного в основании корпуса. Толщина стенок неподвижного цилиндра не превышает двух периодов решетки ВШП. В стенках цилиндров выполнены прорези вдоль оси вращения. Одна пара полуцилиндров выполнена из материала, в котором скорость ПАВ больше, а другая пара - из материала со скоростью ПАВ меньше, чем в материале неподвижного цилиндра. ВШП образуют две линии задержки со звукопроводами, образованными подвижными цилиндрами, при повороте которых изменяется время задержки за счет увеличения или уменьшения длины участков полуцилиндров с разной скоростью акустической волны. 2 з.п. ф - лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1483250 А1 (51) 4 G 01 В 17/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К Д BTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4316734/25-28 (22) 15.10.87 (46) 30.05.89. Бюл. № 20 (71) Рязанский радиотехнический институт (72) И. E. Сырмолотнов (53) 534.232 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1093891, кл. G 01 В 17/00, 1984.

Авторское свидетельство СССР № 1104656, кл. G 01 В 17/00, 1984. (54) АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК

УГЛА ПОВОРОТА (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения угла поворота объекта в робототехнике, гибких производственных модулях и системах управления. Целью является расширение диапазона измерений. Акустоэлектронный датчик угла поворота содержит три коаксиально расположенных пьезоэлектрических цилиндра, разделенных воздушным зазором, величина которого не превышает четверти

Изобретение относится к технике, связанным с определением углового положения объекта с одной степенью свободы, а также взаимной ориентации детали и инструмента, и может быть использовано в робототехнике, обрабатывающих центрах, системах управления.

Цель изобретения — расширение диапазона измерений.

На фиг. представлен датчик для значения измеряемого угла поворота, равного

90, вертикальный резрез; на фиг. 2 разрез Б — Б на фиг. 1; на фиг. 3 вид А на фиг. 1.

2 периодов решетки встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на внешней поверхности неподвижного среднего цилиндра. Второй и третий цилиндры состоят из двух разнородных полуцилиндров, собранных на фланце, и имеют возможность поворачиваться относительно неподвижного цилиндра, закрепленного в основании корпуса. Толщина стенок неподвижного цилиндра не превышает двух периодов решетки ВШП. В стенках цилиндров выполнены прорези вдоль оси вращения.

Одна пара полуцилиндров выполнена из материала, в котором скорость ПАВ больше, а другая пара — из материала со скоростью ПАВ меньше, чем в материале неподвижного цилиндра. ВШП образуют две линии задержки со звукопроводами, образованными подвижными цилиндрами, при повороте которых изменяется время задержки за счет увеличения или уменьшения длины участков полуцилиндров с разной скоростью акустической волны. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Акустоэлектронный датчик угла поворота содержит корпус 1 цилиндрической формы с калиброванным отверстием, в котором установлен первый неподвижный пьезоэлектрический цилиндр 2. Толщина стенок цилиндра 2 не превышает двух периодов решетки встречно-штыревых преобразователей (ВШП) 3, 4 и 5, 6, которые образуют две линии задержки акустических волн и размещены на внешней поверхности цилиндра 2 вдоль диаметрально IIpoтивоположных образующих. Вблизи от места крепления расположены группы контактных площадок 7, которые соединены с кон1483250 тактными штырями 8 и гермовводами 9, расположенными в центральной области крышки 10 корпуса 1. С тыльной стороны ВШП 3, 4 и 5, 6 выполнены сквозные прорези, на кромках которых нанесен звукопоглотитель 11 и 12. Прорези ориентированы вдоль оси цилиндра 2 и параллельно электродам ВШП, но по разные стороны относительно входных ВШП 3 и 5.

Внутри и снаружи неподвижного цилиндра 2 коаксиально с ним размещены второй и третий тонкостенные пьезоэлектрические цилиндры, состоящие из двух полуцилиндров 13, 14 и 15, 16 соответственно, разделенных до половины зазорами, в которых помещен акустический демпфер. Полуцилиндры выполнены из пьезоэлектриков, в которых скорости акустических волн неодинаковы: в полуцилиндрах

13, 15 — меньше, а в полуцилиндрах

14, 16 — больше, чем скорость однотипной волны, например поверхностной, в неподвижном цилиндре 2. Полуцилиндры собраны в единый узел на фланце 17.

Внешняя поверхность второго и внутренняя поверхность третьего цилиндров разделены с соседними поверхностями неподвижного цилиндра 2 фиксированным воздушным зазором, величина которого не превышает четверти периода решетки ВШП.

Фланец 17 поворачивается относительно корпуса 1 без люфта. Прокладка 18 предохраняет сопряженные поверхности корпуса 1 и фланца 17, а также внутреннюю полость устройства, от влияния внешней среды. Со стороны внешней поверхности фланца 17 выполнены калиброванные отверстия для контактных штифтов.

Неподвижный цилиндр может быть изготовлен из пьезокварца, ось Z кристалла направлена вдоль оси цилиндра. Левые половины подвижных цилиндров могут быть изготовлены из ниобата лития, а правые — из парателлурита, оптические оси которых ориентированы параллельно оси. вращения.

Датчик работает следующим образом.

Входной преобразователь 3 возбуждает первую акустическую волну во втором и третьем цилиндрах, которая распространяется по часовой стрелке и достигает выходного ВШП 4. Одновременно второй входной ВШП 5 возбуждают вторую акустическую волну, которая распространяется во втором и третьеим цилиндрах против часовой стрелки и достигает выходного

ВШП 6. Время задержки первой акустической волны: т Li L — Li

Ч1 Vg (1) где Li — длина траектории первой волны в полу цилиндрах 13 и 15; L — длина траектории волн, рассчитанная по длине полуокружности среднего цилиндра между

ВШП 3 и 4; L — Li — длина траектории первой волны в полуцилиндрах 14 и 16;

Vz — скорости акустических волн в материале полуцилиндров 13, 15 и 14, 16 соответственно.

Время задержки второй акустической волны определяется аналогично:

Т= т,= (2) где L — Li — длина траектории второй акустической волны в полуцилиндрах 13, 15; Li — длина траектории второй волны в полуцилиндрах 14, 16.

Волны, которые возбуждаются ВШП 3 и 5 в противоположных направлениях, не проходят через воздушный зазор и рассеиваются насечками.

Для положения подвижных цилиндров, когда угол поворота равен нулю для первой волны и L =L для второй волны:

1О

30 — аТ(—.

V V, При дифференциальном включении линий задержки отношение разности фаз Лгр принятых сигналов к рабочей частоте со составит: — — =ЛТ=Т вЂ” Т . (3) Подставив (i) и (2) в (3), получим:

Лир=со(1 — 21 ) ™ г

Температурные изменения фазы в первой и второй линиях задержки одинаковы по знаку и близки по величине, следовательно, в значительной степени компенсируются в дифференциальной схеме.

Техническими преимуществами датчика являются высокая точность измерения углов (до 0,001 градуса) в диапазоне от 0 до

180 и широкий диапазон рабочих температур.

50

Форлгула изобретения

l. Акустоэлектронный датчик угла поворота, содержащий корпус, установленные

55 в нем три пьезоструктуры, одна из которых .подвижная, а другая — неподвижная, и две пары встречно-штыревых преобразователей, одна из которых расположена на

T =" "и Т, Vi)Vq.

Время задержки первой акустической

25 волны — минимально, а второй — максимально. Для угла поворота, равного 180

Ti — максимально и Т вЂ” минимально по величине. Промежуточным значениям угла поворота 0(q(180 соответствуют значения времени задержки

1483250 неподвижной пьезоструктуре, пьезоструктуры расположены на фиксированном расстоянии между ними, не превышающем четверти периода решетки встречно-штыревых преобразователей, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, третья пьезоструктура выполнена подвижной, пьезоструктуры выполнены в виде концентрических цилиндров, встречно-штыревые преобразователи размещены попарно вдоль диаметрально противоположных образующих на внешней поверхности неподвижной пьезоструктуры, толщина стенки которой не превышает двух периодов решетки встречно-штыревых преобразователей, каждая из подвижных пьезоструктур выполнена из двух полуцилиндров и имеет в месте стыков по два зазора длиной до половины ее высоты, зазоры расположены на противоположных стыках полуцилиндров у их противоположных торцовых поверхностей одна пара полуцилиндров подвижных пьезоструктур выполнена из материала, в котором скорость поверхностной

5 акустической волны больше скорости поверхностной акустической волны в материале неподвижной пьезоструктуры, а другая пара — из материала, в котором скорость меньше.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в неподвижной пьезоструктуре параллельно ее оси выполнены пазы, равные по длине апертуре встречно-штыревых преобразователей и расположен ные по разные стороны от них а на кромки пазов наi5 несен звукопоглотитель.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что зазоры в подвижных пьезоструктурах выполнены с насечкой на кромках и запоя нены звукопогл от и тел ем.

Фи Z

7Z

7

77

Составитель В. Кольцов

Редактор И. Сегляник Техред И: Верес Корректор А. Обручар

Заказ 2814/36 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1!3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Г1роизводственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101