Ультразвуковое устройство для измерения углов наклона

Авторы патента:

Союз Советскнк

Соцналнст ические

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВ ЕТЕЛЬСТВУ р) 881522 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 180280 (21) 2883545/18-10 с присоединением заявки Но (23) ПриоритетвЂ”

Опубликовано 1511,81. Бюллетень Й9 42

Дата опубликования описания 15.1181 (я)м. к.з

G 01 С 9/06

G 01 С 9/24

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (53) УДК 528. 541 (08В.8) (72) Авторы изобретения, A.A. Шпак и A.Ë. Немов (71) Заявитель (54 ) УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

УГЛОВ .НАКЛОНА ка (21.

Изобретение относится к аппаратуре для наклономерных измерений, конкретно к ультразвуковым устройствам измерения углов наклона, построенным на основе жидкостных уровней с воздушным пузырьком.

Развитйе методики дистанционного измерения углов наклона привело к разработке разнообразных систем регистрации положения пузырька (1J .

Наряду с фотоэлектрическимн,электрическими и емкостными системами регистрации известны и ультразвуковые устройства. 15

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее ампулу со сферической верхней поверхностью, запол- 20 ненную жидкостью с образованием воздушного пузырька, и систему возбуждения и приема колебаний со звукопроводами, подведенными к верхней поверхности ампулы. Работа известного 25 устройства основана на регистрации колебаний, прошедших через толщину жидкости от звукопроводов, находящихся при данном наклоне вне пузырь-.

Однако построение и принцип действия известного устройства не позволяют достичь требуемой высокой точности измерений, зависящей в значительной степени от геометрии пузырька, ослабления сигнала. Расширение диапазона измерений также наталкивается на серьезные технологические трудности, обусловленные структурой звукопроводов.

Цель изобретения вЂ” повышение точности измерений в сравнительно широком диапазоне углов наклона.

Цель достигается тем, что систе-. ма возбуждения и приема колебаний выполнена на встречно-штыревых преобразователях поверхностных волн,излучающие пластины которых с электродами на пьезоэлектрической подложке размещены в центральной верхней части сферической поверхности ампулы на концах звукопроводов, сформированных в виде, симметрично радиальных полос на сферической поверхности, разделенных звукоотражающим заполнителем, при этом противоположные периферийные концы эвукопроводов заглублены в ампуле до погружения в жидкость °

881522

1 2. о ч

О Ыо 24о

50 0 При этом расстояния от встречноштыревых преобразователей до границы пузырек вЂ” жидкость. равны

L =L +ь!

1 О б5 р о

На фиг.1 схематически изображен датчик углов наклона, разрез, на фиг. 2 вЂ” то же, вид сверху, на фиг. 3 вЂ” встречно-штыревой преобразователь поверхностных акустических волн, на фиг. 4 - эвукопровод, разрез, на фиг. 5 -. схема подключения двух эвукопроводов одного канала измерения .углов наклона.

Датчик углов наклона содержит ампулу, верхняя поверхность 1 которой имеет сферическую форму и выполнена, например иэ плавленного кварца. Нижняя часть 2 ампулы выполнена, например в виде цилиндра из металла. Изнутри ампулы на ее верхней сферической поверхности 1 радиально и симметрично от ее центра выделены полосы-звукопроводы 3 с помощью канавок 4, заполненных звукоотражающим материалом. На концах звукопроводов

3, находящихся в центральной части сферической поверхности 1 ампулы, нанесены излучающие пластины встречно-штыревых преобразователей 5 с электродами на пьезоэлектрической подложкЕ. Встречно-штыревые преобразователи 5 снабжены выводами б, выходящими из ампулы и выполненными в виде платиновых нитей, впаянных в амплитуду. Ампула заполнена жидкостью 7 с пузырьком 8, прилегающим к верхней сферической поверхности 1. Периферийные концы звукопроводов 3 остаются погруженными в жидкость 7 во всем диапазоне углов наклона датчика. Выводы б подключены к электронной части преобразователя, состоящей из генератора импульсов 9 наносекундного диапазона, формирующе-переключающего устройства 10, связанного с встречно-штыревым.преобразователем

5 через усилитель 11 и цифровым вычислительным устройством 12. Угол наклона объекта по каждому иэ каналов определяется в цифровом вычислительном устройстве 12 по информации, получаемой от двух звукопроводов 3, расположенных в одной диаметральной плоскости, совпадающей с плоскостью измеряемых углов наклона.

Работа датчика по каждому из каналов измерения углов наклона осуществляется следующим образом.

С цифрового вычислительного устройства 12 на входы генераторов импульсов 9 данного канала подаются запускающие импульсы, вызывающие на выходе генераторов импульсов 9 появление импульсов наносекундного диапазона; Импульсы наносекундного диапазона через формирующе-переключающее устройство 10.поступают на вход цифрового вычислительного устройства 12 и на встречно-штыревые преобразователи 5, возбуждающие в результате обратного пьезоэффекта в пьезоэлектрической подложке и на поверхности эвукопроводов 3 импульсы поверхностной акустической волны, распространяющиеся от встречно-штыревых преобразователей 5 к периферийным концам эвукопроводов 3. На границе пузырек 8 вЂ” жидкость 7 акустический импульс отражается назад к встречноштыревому преобразователю 4, в котором в результате прямого пьезоэффекта преобразуется в электрический импульс отраженного сигнала. Электрический импульс отраженного сигнала через формирующе-переключающее устройство 10 и усилитель 11 снова запускает генератор импульсов 9, нахоI дящийся в ждущем режиме, после чего весь процесс циклически повторяется. В результате циклического повторения процесса на входы цифрового > вычислительного устройства 12 подаются импульсы с частотами, зависящими от положения пузырька 8 относиЩ тельно звукопроводов 3.

При горизонтальном положении датчика, когда пузырек 8 находится в центре верхней сферической поверхности ампулы, расстояния от встречноштыревых преобразователей,5 до границы пузырек 8 вЂ” жидкость 7 в звукопроводах 3, составляющих канал измерения угла наклона о -, равны друг другу

Поэтому время распространения акустических импульсов от встречноштыревого преобразователя до границы пузырек-жидкость и обратно в обоих эвукопроводах равно а1 =

2 о

О V где Ч вЂ” скорость распространения

40 поверхностной акустической волны в матернале звукопровода.

Следовательно, от каждого эвукопровода в этом случае на вход цифрового вычислительного устройства 12

45 поступают импульсы с частотой г .

При наклоне датчика на угол o(. в плоскости, в которой расположены звукопроводы, пузырек, сохраняя наивысшее положение, переместится на величину Дб Rс в сторону, противоположную наклону (Й- радиус верхней сферической поверхности 1 ампулы (см. фиг. 1 ).

881522

Соответственно и частоты имПульсов, поступающих на вход цифрового вычислительного устройства равны

f = ч/2L1;

) . = Ч /2 Ь . ч

Откуда следует м4, Практически цифровое вычислительное устройство замеряет не частоту, а, например количество N импульсов от задающего высокостабильного генератора частоты fq за время поступления п импульсов от датчика.

N =En вЂ”, N = 1èвЂ” откуда (@ g

4Иyl г

Параметры, входящие в расчетную формулу, характеризуются высокой стабильностью.

Изменение скорости звука для плавленного кварца практически равно нулю, температурный коэффициент для величины R равен 0,5 10, стабильность заполняющей частоты f для опорного генератора даже среднего качества выше 10

Приманенный диапазон ультразвуковых волн позволяет соединить высокий темп выдачи информации со значительной степенью осреднения промежуточных измерений. При Lg = 12 мм и V

3000 м/с для плавленного кварца

10 = 125 кГц. Таким образом может быть реализован динамический диапазон 10 : 1 при темпе выдачи информации один отсчет в секунду.

Дискретный выход датчика позволяет осуществить непосредственный ввод информации в цифровые вычислительные устройства беэ дополнительных ступеней преобразования информации.

Относительная точность предложенного датчика может быть оценена величиной 0,001%, что позволяет измерять углы наклона точнее О",01 в диапазоне измеряемых углов +15 при темпе выдачи измеряемых углов один отсчет в секунду, либо измерять углы наклона точнее 1" в диапазоне углов отсчета 1 при темпе выдачи иэмеряе мых углов 30 отсчетов в секунду.Эти характеристики превосходят характеристики известных датчиков и являются предельными характеристиками для предложенных датчиков углов нак.лона.

Формула изобретения

15 Ультразвуковое устройство для измерения углов наклона, содержащее ампулу со сферической верхней поверхностью, заполненную жидкостью с образованием воздушного пузырька, и сисЩ тему возбуждения и приема акустических колебаний со эвукопроводами, подведенными к верхней поверхности ампулы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения a сравнительно широком диапа зоне углов. наклона, система возбуждения .и приема колебаний выполнена на встречно-штыревых преобразователях поверхностных волн, излучающие пластины которых с электродами на пьезоэлектрической подложке размещены в центральной верхней части сферической поверхности ампулы на концах эвукопроводов, сформированных в виде симметрично радиальных полос на сферической поверхности, разделенных звукоотражающим заполнителем, при этом противоположные периферийные концы звукопроводов заглублены в ампуле до погружения в жидкость.

40 источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Высокоточные жидкостные датчи. ки горизонта. вЂ” "Обзор состояния

"Поиск", ОНТИ i9 б 1974.

2. Авторское свидетельство ССС19 545862, кл. G 01 С 9/06, 1975.

881522 !

Составитель Ю.Ферштман

Редактор Q.Ïåòðóøêî Техред А.Бабинец Корректор С; Шекмар

Заказ 9938/62 Тираж 645 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4