RU2054623C1

RU2054623C1 - Device for metering dimensions and linear motion

Info

Publication number: RU2054623C1
Authority: RU
Inventors: А.П. Сарвазян; В.Н. Белоненко
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Биотехинвест"
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: instrumentation. SUBSTANCE: device for metering dimensions and linear motion has a probe installed in a case with metering chamber filled with fluid with transducer of lengthwise acoustic oscillation placed in it. Metering cells with constant and changeable acoustic references are formed. EFFECT: high accuracy. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для прецизионных измерений размеров, длин и перемещений, включая микроперемещения. The invention relates to instrumentation and can be used for precision measurements of sizes, lengths and displacements, including micromotion.

Известен пьезорезонансный измеритель микроперемещений виброконтактного типа, содержащий колеблющийся пьезоэлемент, поверхность которого находится в контакте с перемещаемым относительно резонатора объектом [1]
Недостатком его является узкий диапазон возможных измерений от 10 до 1 мкм.A known piezoresonance micrometer displacement vibrocontact type containing an oscillating piezoelectric element, the surface of which is in contact with the object moving relative to the resonator [1]
Its disadvantage is the narrow range of possible measurements from 10 to 1 μm.

Наиболее близким по сути к изобретению является устройство для измерения перемещений на основе преобразователей поверхностных акустических волн [2]
Устройство содержит зонд, находящийся в контакте с перемещаемым объектом и установленный с возможностью перемещения вблизи преобразователя колебаний.The closest in fact to the invention is a device for measuring displacements based on transducers of surface acoustic waves [2]
The device comprises a probe in contact with the moving object and installed with the possibility of movement near the transducer of oscillations.

Недостатки устройства связаны с трудностями его реализации и эксплуатации, которые обусловлены: быстрым спадом электрического поля по мере удаления от поверхности звукопровода, повышенно жесткими требованиями к размеру зазора между преобразователем и зондом, проблемами, возникающими при взаимном позиционировании зонда и преобразователя, что особенно усугубляется в условиях измерения параметров окружающей среды, в первую очередь температуры. Это ведет к ненадежности устройства, нестабильности его показаний. Кроме того, устройство имеет ограниченный диапазон измеряемых длин. The disadvantages of the device are associated with difficulties in its implementation and operation, which are caused by: a rapid decline in the electric field as it moves away from the surface of the sound duct, increased stringent requirements for the size of the gap between the transducer and the probe, problems arising from the mutual positioning of the probe and transducer, which is especially aggravated under conditions measuring environmental parameters, primarily temperature. This leads to the unreliability of the device, the instability of its readings. In addition, the device has a limited range of measured lengths.

Задача, на решение которой направлено изобретение, повышение точности, надежности и стабильности показаний, а также разрешающей способности устройства, в том числе в условиях изменения температуры окружающей среды. The problem to which the invention is directed, increasing the accuracy, reliability and stability of readings, as well as the resolution of the device, including in conditions of changing ambient temperature.

Это достигается тем, что в устройстве, содержащем зонд, находящийся в контакте с перемещаемым или измеряемым объектом, преобразователь акустических колебаний, средства возбуждения, съема, регистрации и обработки сигналов, зонд выполнен содержащим отражатель или преобразователь акустических сигналов и установлен в корпусе с измерительной камерой, заполненной флюидом (жидкостью или газом), причем в камере установлен также преобразователь продольных акустических колебаний и/или отражатель. This is achieved by the fact that in a device containing a probe in contact with a moving or measured object, an acoustic oscillation transducer, means of excitation, removal, recording and signal processing, the probe is made containing an acoustic signal reflector or transducer and is installed in a housing with a measuring chamber, filled with fluid (liquid or gas), and a transducer of longitudinal acoustic vibrations and / or a reflector is also installed in the chamber.

Во всех случаях использования изобретения названной совокупности существенных признаков достаточно, так как выполнение зонда содержащим отражатель (или преобразователь колебаний продольного типа) и размещение его в измерительной камере, заполненной флюидом и содержащей преобразователь продольных акустических колебаний, включает недостатки прототипа, позволяет одновременно повысить точность и стабильность показаний при существенном увеличении диапазона измеряемых величин, по крайней мере от доли мкм до десятков см. Это достигается тем, что во флюиде, которым заполняют измерительную камеру, с помощью преобразователя колебаний возбуждают упругие волны продольного типа, а расстояние от отражателя (или второго преобразователя), которое изменяется при перемещении щупа, определяют или по времени прохождения сигнала, или по длине волны и частоте и/или, считая число полуволн, укладывающееся в расстояние от преобразователя до отражателя. Такая конструкция устройства, работающего на продольных волнах, позволяет снизить требования к позиционированию зонда с отражателем и преобразователем и в то же время более надежно добиться необходимого позиционирования, обусловленного только параллельностью излучающей поверхности преобразователя и отражателя, подбирая соответствующий флюид, например жидкость с малым коэффициентом поглощения, а также частоты колебаний, расширить интервал измеряемых величин при одновременном повышении точности измерений на всем интервале. In all cases of using the invention, the above-mentioned set of essential features is sufficient, since the implementation of the probe containing a reflector (or a transducer of longitudinal vibrations) and placing it in a measuring chamber filled with a fluid and containing a transducer of longitudinal acoustic vibrations includes the disadvantages of the prototype, while simultaneously improving accuracy and stability readings with a significant increase in the range of measured values, at least from a fraction of microns to tens of cm. This is achieved the fact that in the fluid with which the measuring chamber is filled, with the help of a vibration transducer, longitudinal type elastic waves are excited, and the distance from the reflector (or the second transducer), which changes when the probe is moved, is determined either by the signal propagation time, or by the wavelength and frequency and / or, counting the number of half-waves falling within the distance from the transducer to the reflector. This design of a device operating on longitudinal waves can reduce the requirements for positioning a probe with a reflector and a transducer and at the same time more reliably achieve the necessary positioning, due only to the parallelism of the radiating surface of the transducer and the reflector, selecting the appropriate fluid, for example, a liquid with a low absorption coefficient, as well as oscillation frequencies, expand the range of measured values while increasing the accuracy of measurements over the entire interval.

Установление преобразователя колебаний в камере таким образом, что он образует две измерительные ячейки с постоянной и переменной акустическими базами, повышает точность, стабильность показаний и надежность устройства. При этом показания устройства практически не зависят от изменений внешних факторов температуры, влажности, давления и др. так как показания, полученные с помощью ячейки переменной базы, соотносят и поверяют с показаниями ячейки постоянной базы, т.е. например, по отношению к температуре устройство является термокомпенсационным. The installation of the oscillation transducer in the chamber in such a way that it forms two measuring cells with constant and variable acoustic bases, increases the accuracy, stability of readings and reliability of the device. Moreover, the readings of the device are practically independent of changes in external factors of temperature, humidity, pressure, etc., since the readings obtained using the variable base cell are correlated and verified with the readings of the constant base cell, i.e. for example, with respect to temperature, the device is thermally compensated.

Кроме того, размещение основных измерительных элементов в корпусе повышает надежность устройства при внешних воздействиях ударных, вибрационных и др. In addition, the placement of the main measuring elements in the housing increases the reliability of the device under external influences of shock, vibration, etc.

Заполнение измерительной камеры эталонным флюидом также повышает точность, так как свойства его заранее известны. Filling the measuring chamber with a reference fluid also improves accuracy, since its properties are known in advance.

Выполнение ячеек с переменной и постоянной базами сообщающимися, исключает возможности возникновения в них перепада давления, различных неоднородностей параметров, что повышает надежность устройства и точность показаний. The implementation of cells with variable and constant communicating databases eliminates the possibility of pressure drop and various inhomogeneities of parameters in them, which increases the reliability of the device and the accuracy of the readings.

Выполнение по крайней мере части зонда, находящейся в подвижном контакте с корпусом, с поверхностью, притертой к поверхности корпуса, позволяет повысить точность и стабильность показаний, надежность устройства, так как сводит к минимуму возможность перекосов, обеспечивает плавность хода щупа, параллельность преобразователя и отражателя колебаний. Performing at least a portion of the probe in movable contact with the housing with the surface rubbed against the surface of the housing allows to increase the accuracy and stability of readings, the reliability of the device, since it minimizes the possibility of distortions, ensures a smooth probe, parallel transducer and vibration reflector .

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 и 3 схема проведения измерений вертикального размера объекта. In FIG. 1 shows the proposed device; in FIG. 2 and 3 diagram of measurements of the vertical size of the object.

Устройство содержит корпус 1, щуп 2, выполненный с отражателем 3, который может быть выполнен с отверстиями 4, или преобразователем колебаний (не показаны), преобразователь 5 колебаний, уплотнение 6, заполняющее измерительную камеру, флюид 7, электронный блок 8 возбуждения колебаний, съема, регистрации и обработки сигналов с индикацией показаний 9. The device comprises a housing 1, a probe 2, made with a reflector 3, which can be made with holes 4, or an oscillation transducer (not shown), an oscillation transducer 5, a seal 6, which fills the measuring chamber, fluid 7, an electronic unit 8 for exciting vibrations, removal , registration and processing of signals with indication of indications 9.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В корпусе установлен пьезокристалл ниобата лития Y 36, разделяющий измерительную камеру на ячейку с постоянной базой, содержащей отражающую поверхность 1, и переменной акустической базой, заполненные эталонным флюидом дважды дистиллированной водой, щуп 2 выполнен с отражателем 3, содержащим отверстия 4. Вся поверхность зонда выполнена притертой к поверхности корпуса и обеспечена прецизионная посадка. A lithium niobate piezocrystal Y 36 is installed in the housing, dividing the measuring chamber into a cell with a constant base containing a reflecting surface 1 and a variable acoustic base filled with a reference fluid with twice distilled water, the probe 2 is made with a reflector 3 containing holes 4. The entire probe surface is made ground to the surface of the housing and a precision fit is ensured.

Измерения проводят следующим образом. Обеспечивают контакт зонда с перемещаемым объектом 10, например элементом металлорежущего станка. Возбуждают синусоидальные колебания пьезокристалла на частоте 5 МГц. Перемещение объекта вызывает перемещение зонда 2 и изменение длины акустического пути в ячейке с переменной базой. The measurements are carried out as follows. Provide contact of the probe with the moving object 10, for example, an element of a metal cutting machine. Sine waves of a piezocrystal at a frequency of 5 MHz are excited. Moving the object causes the probe 2 to move and the length of the acoustic path in the cell with a variable base to change.

Из соотношения

или l

l_o находят величину перемещения объекта 10, где f частота колебаний; l длина акустического пути, l₀ длина акустического пути для ячейки с постоянной базой, λ и λ_o соответственно время прохождения сигнала в ячейках с переменной и постоянной базами.From the relation

or l

l _o find the magnitude of the displacement of the object 10, where f is the oscillation frequency; l is the length of the acoustic path, l _{0 is the} length of the acoustic path for a cell with a constant base, λ and λ _o, respectively, the signal transit time in cells with a variable and constant base.

Проведение измерений вертикального размера объекта поясняют фиг.2 и 3. The measurement of the vertical size of the object is illustrated in figure 2 and 3.

Выдвижением щупа 2 из корпуса 1 определяют расстояние до стола 11. Затем возвращают зонд в первоначальное положение, устанавливают на стол объект 10, вновь выдвигают щуп до поверхности объекта и по разности показаний определяют вертикальный размер объекта. By extending the probe 2 from the housing 1, the distance to the table 11 is determined. Then the probe is returned to its original position, the object 10 is placed on the table, the probe is again extended to the surface of the object, and the vertical size of the object is determined by the difference in readings.

Таким образом, устройство обладает высокими чувствительностью, точностью, стабильностью показаний, надежностью, способно компенсировать и исключать влияние внешних факторов на показания, например, температуры и может быть использовано для измерений размеров, длин, перемещений, включая микроперемещения, в широком диапазоне их изменения, вплоть до задач эхолокации. Thus, the device has high sensitivity, accuracy, stability of readings, reliability, is able to compensate and exclude the influence of external factors on readings, for example, temperature, and can be used to measure sizes, lengths, displacements, including micromovements, in a wide range of their changes, up to to echolocation tasks.

Claims

1. DEVICE FOR MEASURING DIMENSIONS AND LINEAR MOVEMENTS, containing a sealed sound duct, a vibration transducer and a probe rigidly mounted in it, designed to communicate with a measured or moved object, characterized in that it is equipped with a reflector or vibration transducer mounted on the probe, a rigidly mounted transducer It is made in the form of a longitudinal wave transducer and divides the sound duct into two cells with constant and variable acoustic bases, and the sound duct is filled with liquid or gas.

2. The device according to claim 1, characterized in that the sound duct cells are made communicating.

3. The device according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the interacting surfaces of the probe and sound duct are ground.