Датчик линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике. Датчик линейных перемещений содержит закрепленный на корпусе стержневой пьезоэлемент 2 с нанесенными на его двух боковых поверхностях низкоомными токопроводящими покрытиями, из которых одно разделено на гальванически изолированные 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 чатсоте. 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 одна от другой, как и участки 7, будут практически одинаковыми, а потому сигнал на выходе усилителя 9 будет равным нулю. При изменении температуры окружающей среды скорость распространения волны в пьезоэлементе 2 изменится, а потому напряжения на секция 5 и 6 также станут различными. На выходе усилителя 9 появится корректирующий сигнал, который поступит на управляющий вход генератора 8, изменяя его частоту до тех пор, пока пучности стоячей ультразвуковой волны снова не разместятся в секциях 5 и 6. Таким образом, температурная погрешность измерения будет скорректирована. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 С 01 В 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM

ПРИ AEHT СССР

1 (21) 4358927/25-28 (22) 05.01.88 (46) 23.10.89. Вюл. и 39 (71) Одесский политехнический институт (72) P.Ã.Äæàãóïoâ, А.В.Рябцов и Г.В.Майко (53) 621.317.39:531 ° 717 (088.8) (56) Хомерили О.К. Применение гальваномагнитных датчиков в устройствах автоматики и измерений. - M.: Энергия, 1971, с. 96.

Авторское свидетельство СССР

N 1382110, кл. G О1 В 7/00, 1986. (54) ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Датчик линейных перемещений содержит закрепленный на .корпусе стержневой пьезоэлемент 2 с нанесенными на его двух боковых поверхностях низкоомными токопроводящими покрытиями, из которых одно разделено на .гальванически изолированные

„„SU„„1516749 А1

2 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 одна кУ

1516749 с и

2 ° 1 от другой, как и участки 7 будут практически одинаковыми, а потому сигнал на выходе усилителя 9 будет равным нулю. При изменении температу5 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.l 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- 4О ванные секции 4, 5 и Ь, 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 секции

4 подключен возбудитель колебаний пьезоэлемента 2, выполненный в виде генератора 8 напряжения переменного тока, управляемого по частоте. 6екции

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, пока пучности стоячей ультразвуковой волны снова 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 f 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;

n - мода колебаний (число полупериодов стоячей волны).

При этом длина волны установившихся колебаний

Л=, = 2d. (2)

На поверхности секции 4 покрытия, выполненного из ферромагнитного материала (например, никеля, кобальта, железа и т.п.), предварительно созданы дискретные намагниченные участки

7, которые можно представить в виде элементарных постоянных магнитов, линейные размеры которых определяются параметрами записывающего устройства, например шириной рабочего зазора записывающей магнитной головки (обычно

1-3 мкм) °

Расстояние между дискретными намагниченными участками равно й, и при этом каждый из них расположен в пучности стоячей волны, установившейся в пьезоэлементе 2.

Таким образом, каждый иэ элементарных постоянных магнитов 7 совершает го 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 to) близко к нулю вследствие равенства входных напряжений. При изменении температуры (tо) пучности стоячей волны смещаются и 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 4 °

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 генератора напряжения переменного тока, присоединенного к электропроводящим покрытиям, и индикатор колебаний в виде магниточувствительного элемента, установленного с возможностью линейного перемещения вдоль поверхности стержневого пьезоэлемента, отличающийся 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.

5 1516749 гармонические колебания в вертикальной плоскости с амплитудой, равной амплитуде стоячей волны в пьезоэлементе 2, которая определяется его размерами и материалом, а также частотой и напряжением генератора 8.

Перемещаясь вдоль поверхности секции 4, индикатор 10 колебаний периодически (период равен 4) попадает в области переменного магнитного поля, созданного дискретными намагниченными участками 7, расположенными на поверхности колеблющегося пьезоэлемента 2.

При этом в индикаторе 10 колебаний наводится переменная ЭДС в виде отдельных пачек импульсов (фиг.4), частота следования которых определяется скоростью перемещения индикатора 10 колебаний, а частота следования им- 20 пульсов в пачке зависит также от частоты переменного напряжения генератора 8.

В блоке 11 регистрации происходит подсчет числа пачек импульсов, соответствующих числу намагниченных участков 7, пройденных индикатором 10 колебаний при движении вдоль секции 4 пьезоэлемента 2. Таким образом реализуется дискретный датчик перемещений с разрешающей способностью, равной 4.

Известно, что изменение внешних факторов, в частности температуры, вызывает изменение скорости с распространения ультразвуковых колебаний в

35 в пьезокерамике. Следовательно, изменение температуры может вызвать нарушение условия резонанса (1), длина волны Л изменяется и дискретные намагниченные участки 7 уже не распола- 40 гаются в пучностях стоячей волны. В схеме возникает разбаланс, который приводит к появлению температурной погрешности.

Для повышения точности измерений 45 в датчик вводят дифференциальный усилитель 9, поддерживающий режим стоячей волны в пьезоэлементе 2 за счет изменения частоты генератора 8, пропорционального изменению температуры.

Для этого на внешней поверхности пьезоэлемента 2 выделяют две гальванически изолированные секции 5 и 6 в ьиде узких полос (фиг.2). Расстояние между ними равно 4 и обе секции при начальных условиях (например, при температуре t„) расположены в пучностях стоячей волны. Вследствие прямо1516749

Составитель Л.Гуськов

Редактор Н.Гунько Техред Л.Олшшык Корректор О,Ципле

Заказ 6371/37 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", r Ужгород, ул. Гагарина, 101