RU2016406C1 - Acoustoelectronic method of determining displacements of objects - Google Patents
Acoustoelectronic method of determining displacements of objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2016406C1 RU2016406C1 SU4897758A RU2016406C1 RU 2016406 C1 RU2016406 C1 RU 2016406C1 SU 4897758 A SU4897758 A SU 4897758A RU 2016406 C1 RU2016406 C1 RU 2016406C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- delay
- frequency
- reference signal
- phase difference
- surface acoustic
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения положения объекта, перемещающегося в широком диапазоне значений перемещений. The invention relates to measuring technique and can be used to determine the position of an object moving in a wide range of displacement values.
Известен способ определения перемещений объекта [1], основанный на преобразовании электрических колебаний в ультразвуковые колебания на первой частоте f1, излучении ультразвуковых колебаний в направлении контролируемого объекта, приеме отраженных ультразвуковых колебаний приемником с известной акустической базой по отношению к излучателю, измерении разности фаз между принятыми и излучаемыми колебаниями, изменении частоты колебаний до значения fк, при котором разность фаз изменится на 2(К-1) π, и определении перемещения объекта по формуле
L= где К-1 - изменение количества длин волн ультразвуковых колебаний, укладывающихся между излучателем и приемником, при изменении частоты колебаний от f1 до fк;
V - скорость распространения ультразвуковых колебаний;
ε - поправка, зависящая от расстояния между излучателем и приемником (акустической базы) и направленности излучения.A known method for determining the displacement of an object [1], based on the conversion of electrical vibrations to ultrasonic vibrations at the first frequency f 1 , the emission of ultrasonic vibrations in the direction of the controlled object, the reception of reflected ultrasonic vibrations by a receiver with a known acoustic base in relation to the emitter, measuring the phase difference between the received and radiated oscillations, oscillation frequency changes to f until the value at which the phase difference is changed to 2 (K-1) π, and determining displacement of an object Fur Ole
L = where K-1 is the change in the number of wavelengths of ultrasonic vibrations that fit between the emitter and the receiver, with a change in the oscillation frequency from f 1 to f k ;
V is the propagation velocity of ultrasonic vibrations;
ε is the correction depending on the distance between the emitter and receiver (acoustic base) and the directivity of the radiation.
Если в процессе изменения частоты количество длин волн изменяется на одну длину волны, то разность фаз изменяется только на 2 π и формула приобретает вид
L= )·
Наиболее близким к изобретению является известный акустоэлектронный способ определения перемещений объекта, заключающийся в том, что в неподвижной пьезоэлектрической пластине излучающим встречно-штыревым преобразователем возбуждают поверхностную акустическую волну (ПАВ), принимают ее приемным встречно-штыревым преобразователем, установленным на подвижной пьезоэлектрической пластине, предназначенной для связи с перемещаемым объектом, измеряют разность фаз между принятым и опорным сигналами и используют ее при определении перемещения объекта [2].If in the process of changing the frequency the number of wavelengths changes by one wavelength, then the phase difference changes only by 2 π and the formula takes the form
L = ) ·
Closest to the invention is a known acoustoelectronic method for determining object movements, which consists in the fact that a surface acoustic wave (SAW) is excited by a radiating interdigital transducer in a stationary piezoelectric plate, it is received by a receiving interdigital transducer mounted on a movable piezoelectric plate designed for communication with the moving object, measure the phase difference between the received and reference signals and use it when determining the displacement the object [2].
Недостатком известного способа является низкая точность определения перемещения ввиду невозможности обеспечения измерения целого числа фазовых циклов и зависимости результата от изменения скорости распространения ПАВ при изменении внешних условий. The disadvantage of this method is the low accuracy of determining displacement due to the impossibility of measuring an integer number of phase cycles and the dependence of the result on changes in the speed of propagation of surfactants when changing external conditions.
Целью изобретения является повышение точности определения перемещений объекта. The aim of the invention is to improve the accuracy of determining the movements of the object.
Цель достигается тем, что по акустоэлектронному способу определения перемещений объекта, заключающемуся в том, что в неподвижной пьезоэлектрической пластине излучающим встречно-штыревым преобразователем возбуждают ПАВ, принимают ее приемным встречно-штыревым преобразователем, установленным на подвижной пьезоэлектрической пластине, предназначенной для связи с перемещаемым объектом, измеряют разность фаз между принятым и опорным сигналами и используют ее при определении перемещения объекта, измерение разности фаз осуществляют на частоте f1 синхронизма встречно-штыревых преобразователей с задержкой τ << 1/f1 опорного сигнала и без задержки опорного сигнала, изменяют частоту сигналов при втором измерении до частоты f2, при которой разность фаз сигналов соответствует разности фаз при первом измерении, а перемещение объекта определяют с учетом частот f1, f2 возбуждаемых сигналов, выбранной задержки τ и скорости V распространения ПАВ.The goal is achieved by the fact that according to the acoustoelectronic method for determining the displacements of an object, consisting in the fact that surfactants are excited by a radiating interdigital transducer in a stationary piezoelectric plate, they are received by a receiving interdigital transducer mounted on a movable piezoelectric plate intended for communication with a moving object, measure the phase difference between the received and reference signals and use it to determine the movement of the object, the measurement of the phase difference is carried out at f 1 simplicity synchronism interdigital transducers with a delay τ << 1 / f 1 of the reference signal and the reference signal without delay, change signal at the second frequency measurement to a frequency f 2, at which the phase difference signal corresponding to a phase difference between the first measurement and displacement the object is determined taking into account the frequencies f 1 , f 2 of the excited signals, the selected delay τ and the propagation velocity V of the surfactant.
Цель достигается также тем, что задержку опорного сигнала осуществляют путем приема ПАВ на неподвижной пьезоэлектрической пластине дополнительным встречно-штыревым преобразователем, установленным от излучающего на расстоянии Zo = τ V, с учетом которого определяют искомый параметр.The goal is also achieved by the fact that the delay of the reference signal is carried out by receiving a surfactant on a stationary piezoelectric plate with an additional interdigital transducer installed from the radiating one at a distance of Z o = τ V, taking into account which the desired parameter is determined.
На фиг. 1 и 2 представлены варианты устройства для измерения перемещений. In FIG. 1 and 2 show variants of a device for measuring displacements.
Устройство для измерения перемещений объекта содержит диэлектрическую пластину 1, на которой расположена пьезоэлектрическая пластина 2, установленные на ней излучающий встречно-штыревой преобразователь 3 и концевые поглотители 4, 5 ПАВ, подвижный встречно-штыревой преобразователь 6, размещенный над поверхностью пластины 2 на расстоянии, соизмеримом с длиной ПАВ, и предназначенный для соединения жесткой механической связью с контролируемым объектом (на фигурах не показан), и последовательно соединенные неподвижный емкостный токосъемник 7, расположенный над подвижным встречно-штыревым преобразователем 6 ПАВ, первый усилитель 8 и фазометр 9, второй вход которого через второй усилитель 10 соединен с выходом переключателя 11, первый вход которого через линию 12 задержки, а второй вход через аттенюатор 13 соединены с частотомером 14 и генератором 15 регулируемой частоты, и дополнительный неподвижный встречно-штыревой преобразователь 16 ПАВ, расположенный на пластине 2 на фиксированном расстоянии от излучающего встречно-штыревого преобразователя 3. A device for measuring the displacements of an object comprises a
Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.
Настраивают генератор 15 на частоту синхронизма fовстречно-штыревых решеток излучателя и приемника ПАВ, которую измеряют частотомером 14. Электрический сигнал с частотой f1 = fо от генератора 15 (фиг.1) поступает на излучатель 3, посредством которого возбуждает в пластине 2 ПАВ. Электрическое поле, сопровождающее ПАВ и распространяющееся вдоль пластины 2, индицирует переменный сигнал той же частоты f1 во встречно-штыревом преобразователе 6.The
Выходной сигнал можно представить в виде
a = Aej(2πf1t+Ψo+Ψz), (1) где А - амплитуда сигнала, зависящая от величины перемещения приемного преобразователя и его расстояния от поверхности пластины;
Ψо - начальная фаза сигнала, зависящая от контролируемых параметров, частотной расстройки и начального положения приемного преобразователя;
Ψz - приращение фазы выходного сигнала, обусловленное перемещением приемного преобразователя вдоль пластины.The output signal can be represented as
a = Ae j (2πf 1 t + Ψ o + Ψ z ) , (1) where A is the signal amplitude, depending on the magnitude of the displacement of the receiving transducer and its distance from the plate surface;
Ψ o - the initial phase of the signal, depending on the monitored parameters, the frequency detuning and the initial position of the receiving transducer;
Ψ z is the phase increment of the output signal due to the movement of the receiving transducer along the plate.
При перемещении приемного преобразователя на расстояние Z от излучателя приращение фазы
ΨZ= Z= f1Z= 2Π(k+n), (2) где λ - длина ПАВ на частоте f1;
V - скорость распространения ПАВ;
К - целое число фазовых циклов в 2 π;
n - дробное число последнего фазового цикла.When the receiving transducer is moved a distance Z from the radiator, the phase increment
Ψ Z = Z = f 1 Z = 2Π (k + n), (2) where λ is the length of the surfactant at a frequency f 1 ;
V is the speed of propagation of surfactants;
K is the integer number of phase cycles in 2 π;
n is the fractional number of the last phase cycle.
Выходной сигнал преобразователя 6 передается на емкостный токосъемник 7, с которого через усилитель 8 поступает на один вход фазометра 9. На другой вход фазометра через усилитель 10, переключатель 11, вначале установленный в верхнее положение, и линию 12 задержки поступает опорный сигнал непосредственно от генератора 15. При этом опорный сигнал дополнительно задержан линией 12 относительно принятого с приемного преобразователя 6 сигнала, задержка которого определяется положением его относительно пластины 2. The output signal of the
В зависимости от перемещения Z приемного преобразователя 6 относительно излучающего преобразователя 3 разность фаз сравниваемых сигналов
ΔΨZ= Ψo+ f1Z-2Πf1τ , (3) где τ - дополнительная задержка в цепи опорного сигнала.Depending on the movement Z of the
ΔΨ Z = Ψ o + f 1 Z-2Πf 1 τ, (3) where τ is the additional delay in the reference signal circuit.
Фазометром 9 измеряется дробная часть последнего фазового цикла, т.е. The
= 2Πn′=+ f1Z-2Πf1τ-2Πk , (4) где Ψ о - начальная фаза сигнала на частоте f1. = 2Πn ′ = + f 1 Z-2Πf 1 τ-2Πk, (4) where Ψ о is the initial phase of the signal at a frequency f 1 .
Дополнительную задержку τ выбирают из условия
τ << 1/f1 . (5)
Переключателем 11 исключают дополнительную задержку из опорного сигнала, вводя аттенюатор 13 с затуханием, равным затуханию линии 12 задержки. Так как выполняется условие (5), то целое число k фазовых циклов в соотношении (2) не нарушается. Поэтому фазометром 9 фиксируется вторая разность фаз в пределах одного фазового цикла
=2Πn″=+ f1Z-2Πk . (6)
Далее изменяют частоту генератора 15 до значения f2, при котором восстанавливается первоначальная разность фаз принятого и опорного сигналов
, (7) где Ψo'' - начальная фаза сигнала на частоте f2.An additional delay τ is chosen from the condition
τ << 1 / f 1 . (5)
The
= 2Πn ″ = + f 1 Z-2Πk. (6)
Next, the frequency of the
, (7) where Ψ o '' is the initial phase of the signal at a frequency f 2 .
Значение частоты f2 измеряют частотомером 14.The frequency value f 2 is measured by a
Приравнивая выражения (7) и (4), получают
+ f1Z-2Πf1τ=+ f2Z. (8)
Поскольку дополнительная задержка τ << 1/f1, то второе значение частоты f2 мало отличается от первоначального значения частоты f1, т.е.Equating expressions (7) and (4), get
+ f 1 Z-2Πf 1 τ = + f 2 Z. (8)
Since the additional delay τ << 1 / f 1 , the second value of the frequency f 2 differs little from the initial value of the frequency f 1 , i.e.
f1 - f2 << f1 . (9)
С учетом условия (9) можно считать, что Ψo' = Ψo''. Тогда уравнение (8) можно представить в более простом виде:
Z-f1τ= Z (10)
Решив уравнение (10) относительно перемещения Z, получают
Z= V (11)
Таким образом, по двум значениям частоты f1 и f2, дополнительной задержке τ опорного сигнала и скорости V распространения ПАВ в звукопроводе можно определить перемещение объекта Z. Так как результат вычислений не зависит от количества фазовых циклов k (длин ПАВ) в определяемом перемещении, то положение объекта можно контролировать без реверсивного счета количества фазовых циклов от начального положения, т.е. исключается неоднозначность фазовых измерений.f 1 - f 2 << f 1 . (9)
In view of condition (9), we can assume that Ψ o '= Ψ o ''. Then equation (8) can be represented in a simpler form:
Zf 1 τ = Z (10)
Solving equation (10) regarding the displacement Z, get
Z = V (11)
Thus, according to two values of the frequency f 1 and f 2 , the additional delay τ of the reference signal and the propagation velocity V of the surfactant in the sound duct, the movement of the object Z can be determined. Since the calculation result does not depend on the number of phase cycles k (surfactant lengths) in the determined displacement, then the position of the object can be controlled without reversing the count of the number of phase cycles from the initial position, i.e. the ambiguity of phase measurements is eliminated.
По сравнению с прототипом достигнуто значительное уменьшение диапазона перестройки частоты. Так, по способу-прототипу минимальное изменение частоты при измерении перемещения Z определяется выражением
Δf1= f1-f2= . (12) где Δ f1 - изменение частоты, вызывающее изменение разности фаз сравниваемых сигналов на 2 π (360о).Compared with the prototype, a significant reduction in the frequency tuning range was achieved. So, according to the prototype method, the minimum frequency change when measuring the displacement Z is determined by the expression
Δf 1 = f 1 -f 2 = . (12) where Δ f 1 is the change in frequency, causing a change in the phase difference of the compared signals by 2 π (360 о ).
По предлагаемому способу для определения того же значения перемещения Z согласно выражению (11) достаточно изменение частоты:
Δf2=f1-f2= V . (13)
Уменьшение диапазона перестройки частоты можно оценить коэффициентом сжатия частот
q= = = . (14) где Δφ=2πf1τ - дополнительный фазовый сдвиг, вносимый элементом задержки на частоте f1.According to the proposed method, to determine the same value of displacement Z according to expression (11), a change in frequency is sufficient:
Δf 2 = f 1 -f 2 = V. (thirteen)
The decrease in the frequency tuning range can be estimated by the frequency compression coefficient
q = = = . (14) where Δφ = 2πf 1 τ is the additional phase shift introduced by the delay element at the frequency f 1 .
Из выражения (14) видно, что чем меньше вводимая в опорный сигнал задержкa τ, а следовательно, и соответствующий фазовый сдвиг Δτ , тем больше коэффициент сжатия q. It can be seen from expression (14) that the smaller the delay τ introduced into the reference signal and, consequently, the corresponding phase shift Δτ, the greater the compression coefficient q.
Минимальное значение задержки τ определяется возможностью регистрации малых перемещений, т.е. разрешающей способностью используемого фазометра. Современные цифровые фазометры (Ф2-28, Ф2-34 и др.) имеют разрешающую способность на уровне Δφо = 0,01-0,02о. Если принять, что дополнительный фазовый сдвиг Δφ = 10 Δφо, то реальное значение коэффициента сжатия
q= = 3600....1800
Таким образом, по сравнению с прототипом минимальный диапазон изменения частоты за счет новых операций еще уменьшен по крайней мере в 1000 раз, что практически исключает влияние дополнительных фазовых сдвигов в цепи излучатель - приемник из-за частотной расстройки встречно-штыревых возбуждающих и принимающих преобразователей. Приведенный расчет подтверждает правомочность условия (9) и, как следствие, справедливость равенства начальных фаз сигнала Ψ'o=Ψ''o при столь малом изменении частоты ПАВ. Последнее обеспечивает повышение точности определения перемещений. При длине ПАВ λ = 20 мкм разрешающая способность по перемещению с учетом разрешающей способности цифровых фазометров составляет 0,001-0,002 мкм.The minimum value of the delay τ is determined by the possibility of detecting small displacements, i.e. resolution of the used phase meter. Modern digital phase meters (F2-28, F2-34, etc.) have a resolution at the level of Δφ about = 0.01-0.02 about . If we assume that the additional phase shift Δφ = 10 Δφ о , then the real value of the compression ratio
q = = 3600 .... 1800
Thus, in comparison with the prototype, the minimum frequency range due to new operations is still reduced by at least 1000 times, which virtually eliminates the effect of additional phase shifts in the emitter-receiver circuit due to the frequency detuning of interdigital exciting and receiving transducers. The above calculation confirms the validity of condition (9) and, as a consequence, the equality of the initial phases of the signal Ψ ' o = Ψ'' o with such a small change in the frequency of the surfactant. The latter provides increased accuracy in determining movements. With a surfactant length of λ = 20 μm, the resolving power with respect to the resolution of digital phase meters is 0.001-0.002 μm.
Для исключения влияния внешней среды на скорость распространения ПАВ в звукопроводе в качестве элемента дополнительной задержки используют тот же звукопровод 2 на участке Zo (фиг.2), на котором ПАВ от излучающего преобразователя 3 распространяется в направлении поглотителя 4 и принимается дополнительным неподвижным приемным преобразователем 16. При фиксированном расстоянии Zo = const время задержки ПАВ определяется соотношение
τ = Zo/V. (15)
Подставив значение задержки из выражения (15) в выражение (11), получают
Z= Zo= , (16)
где γ = (f1 - f2)/f1 - относительная частотная расстройка, необходимая для исключения неоднозначности.To exclude the influence of the external environment on the speed of propagation of the surfactant in the sound duct, the
τ = Z o / V. (fifteen)
Substituting the delay value from expression (15) into expression (11), we obtain
Z = Z o = , (sixteen)
where γ = (f 1 - f 2 ) / f 1 is the relative frequency detuning necessary to eliminate ambiguity.
Из полученного выражения (16) видно, что измеряемое перемещение Z определяется фиксированным расстоянием Zо, измеряемой частотной расстройкой γ и не зависит от скорости распространения ПАВ в звукопроводе.From the obtained expression (16), it can be seen that the measured displacement Z is determined by a fixed distance Z о measured by the frequency detuning γ and does not depend on the propagation velocity of the surfactant in the sound duct.
Использование изобретения позволяет повысить точность измерения перемещений как за счет максимального сжатия диапазона перестройки частоты ПАВ, так и устранения влияния непостоянства скорости распространения ПАВ от изменения параметров окружающей среды. The use of the invention allows to increase the accuracy of measuring displacements both due to the maximum compression of the tuning range of the frequency of the surfactant, and to eliminate the influence of inconstancy in the speed of propagation of the surfactant from changing environmental parameters.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4897758 RU2016406C1 (en) | 1990-12-29 | 1990-12-29 | Acoustoelectronic method of determining displacements of objects |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4897758 RU2016406C1 (en) | 1990-12-29 | 1990-12-29 | Acoustoelectronic method of determining displacements of objects |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016406C1 true RU2016406C1 (en) | 1994-07-15 |
Family
ID=21552839
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4897758 RU2016406C1 (en) | 1990-12-29 | 1990-12-29 | Acoustoelectronic method of determining displacements of objects |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2016406C1 (en) |
-
1990
- 1990-12-29 RU SU4897758 patent/RU2016406C1/en active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. М.: Энергия, 1968, с.150-152. * |
2. Авторское свидетельство СССР N 1295221, кл. G 01B 17/00, 1985. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Seifert et al. | Mechanical sensors based on surface acoustic waves | |
US4231260A (en) | Position determining system | |
JP2002243849A (en) | Process and system for measuring distance of moving body from fixed part | |
US4126047A (en) | Surface acoustic wave rate sensor and position indicator | |
US4624142A (en) | Double reference pulsed phase locked loop | |
US2045071A (en) | Altimeter for aircraft | |
JPS6156450B2 (en) | ||
RU2016406C1 (en) | Acoustoelectronic method of determining displacements of objects | |
JP2011232053A (en) | Distance measuring device | |
Grossman et al. | Measurement of mechanical, quantities using quartz sensors | |
RU2629892C1 (en) | Method for measuring physical values using sensors on surface acoustic waves | |
US2923155A (en) | Ultrasonic flowmeter | |
RU2706453C1 (en) | Automatic tuning method for measuring a low level of a substance | |
RU2727267C1 (en) | Method of measuring range under water at arbitrary position in horizontal plane longitudinal axis of receiving frame magnetic antenna | |
SU1384959A1 (en) | Device for measuring ultrasound velocity | |
SU939956A1 (en) | Ultrasound vibration meter | |
Papageorgiou et al. | A method for remote measurements of velocity for vibration analysis | |
SU1354030A1 (en) | Device for measuring linear displacements | |
RU2048685C1 (en) | Method for determining error of radio range finder | |
SU1753296A1 (en) | Vibration measuring method | |
RU2236670C1 (en) | Method of determining vibration of object | |
SU913071A1 (en) | Method of measuring mechanical oscillation amplitude | |
SU717625A1 (en) | Vibration-type viscosity measuring transducer | |
RU2019825C1 (en) | Method of forming acoustic field with screw wave-front in medium | |
SU1520364A1 (en) | Method of measuring the torque |