SU954822A1

SU954822A1 - Device for measuring angle of tilt

Info

Publication number: SU954822A1
Application number: SU802949977A
Authority: SU
Inventors: Александр Николаевич Рождественский; Виталий Иванович Теаро; Игорь Валентинович Никонов
Original assignee: Омский политехнический институт
Priority date: 1980-07-03
Filing date: 1980-07-03
Publication date: 1982-08-30

Description

1one

Изобретение относитс к иэмери- тельной технике и может .быть использовано дл определени угла наклона в системах автоматического управлени , а также в датчиках линейных ускорений , вибраций ,,-давлений и в сейсмических приемниках.The invention relates to experimental techniques and can be used to determine the angle of inclination in automatic control systems, as well as in sensors of linear accelerations, vibrations, pressure, and in seismic receivers.

Известно устройство дл определени положени объекта, содержащее сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырькомj источник и приемник излучени , расположенные.с разных сторон относительно сосуда.A device for determining the position of an object is known, which contains a vessel filled with a liquid with an air bubble and a source and a radiation receiver located on different sides relative to the vessel.

При заданной ориентации сосуда сигнал на выходе приемника излучени имеет максимальную интенсивность, изменение углового положени tориентации ) устройства приводит к изменению , например, тока фотодиода или сопротивлени фоторезистора, а измерение угла наклона сводитс к измерению тока или напр жени DJ.For a given vessel orientation, the signal at the output of the radiation receiver has a maximum intensity, a change in the angular position of the orientation of the device changes, for example, the photodiode current or photoresistor resistance, and the measurement of the angle of inclination reduces to measuring the current or voltage DJ.

Указанные устройства обладают низкой чувствительностью к малым изменени м угла наклона, так как в этом случае приходитс измер ть низкие напр жени , токи или их малые приращени .These devices have low sensitivity to small changes in the angle of inclination, since in this case one has to measure low voltages, currents or their small increments.

Известны устройства дл определени угла наклона, содержащие полупроводниковую подложку, нанесенную на ее рабочую грань тонкую по упроаодникоаую пленку, имеющую противоположный по сравнению с материалом подложки тип проводимости примеси, два электрода, изготовленные на поверхности тонкой пленки, сосуд, уста новленный между двум электродами и заполненный цветным раствором с воздушным пузырьком, перемещающимс в соответствии с наклоном сосуда, источник света. Полупроводникова подложка и высокоомна полупроводникова пленка образуют элемент со све20 товой электродвижущей силой. При облучении устройства светом, благодар воздушному пузырьку, у которого светова проницаемость больше,, чем у . раствора, образуетс световое п тно , которое перемещаетс в соотеетстВИИ с наклоном подложки, электродами возникает разность потeнц iaлoв , котора измен етс в зависимости от положени светового п т на. Таким образом, измер межэлектродную разность потенцизлов суд т о величине угла-наклона подлож--, . Недостаток данного устройства состоит в том, что ограничена точность и разрешающа способность измерител , например вольтметра. На чувствительность и точность работы таюке оказывают вли ние длина подложки. толщина пленки, степень светопроница емости раствора и интенсивность источника света. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому вл етс устройство дл определени угла наклона, содержащее сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырьком, излучающие пьезопластины, .расположенные на концах звукопроводов различной высоты, размещенных на поверхности сосуда с одной его стороны, принимающую пьезо пластину, установленную с противопо ложНой стороны соруда, а также гене ратор, подключенный к излучающим пье зопластинам, преобразующим импульсы генератора а ультразауковые колебани , усилитель и регистрирующий прибор Гз. Цель изобретени - повышение чувс твительности к изменению угла наклона . Поставленна цель достигаетс тем что в устройстве дл измерени угла наклона, содержащем звукопровод, входной и выходной преобразователи акустических еолн, сосуд, заполненный жидкостью с воздушным пузырем, расположенный между преобразовател ми , усилитель, вход которого подключен к выходному преобразователю,звукопровод выполнен з виде пластины из пьезоэлектрического материала, входной, и выходной преобразователи выполнены в виде веерных встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн, нанесенны на одну из граней пьезопластины, при чем выход усилител соединен, с входным встречно-штыревым веерным преоб ра-лов; гелем, ,а сосуд имеет форму no уцилиндра , продольна ось ко.торого перпендикул рна направлению распространени поверхностных акустических волн. На фиг. 1 схематически изображено устройство дл измерени угла наклона , вид на подложку сбоку; на фиг,2то же, зид на подложку устройства снизу. Устройство содержит пьезопластину 15 изготовленную, например, из ниобата лити У-среза,электроды 2, представл ющие собой встречно-штыревые преобразователи (ВШП) веерной формы, сосуд - полый цилиндр 3, заполненный жидкостью k (например, спирт, вода или др.), воздушный пузырек 5;. усилитель 6. На широкую полированную (рабочую) грань пьезопластины 1 нанесены два 8ШП поверхностных акустических воли (ПАВ),имеющие форму веера 2, с апертурой W, равной ширине перекрыти штырей.Нежду ВШП укреплен,например, склейкой полый стекл нный полуцилиндр 3 так,что его продольна ось перпендикул рна направлению распрострг нени ПАВ, Внутренний диаметр поперечного сечений полуцилиндра меньше апертуры W преобразователей. Внутренн полость полуцилиндра 3 образует с рабочей поверхностью пьезопластины 1 объем, заполненный жидкостью 4 с воздушным пузырем 5- Жидкость играет роль поглотител ПАВ. Поперечный размер воздушного пузыр 5 равен внутреннему диаметру полуцилиндра 3, т.е. ширине внутренней полости полуцилиндра в направлении распространени ПА8. Размер пу зырька вдоль продольной оси пoлyjj илиндpa меньше апертуры ВШП, но больше максимальной длины волны генерируемых колебаний. Пьезопластины 1 с нанесенными на ее поверхности ВШП 2 представл ет собой линию задержки поверхностных акустических волн, котора а совокупности с усилителем 6 образует автогенератор . При этом один из полюсов обоих электродов - Е5ШП 2 соедин етс с общим проводом усилител 6, а другой полюс - соответственно с клеммами ахода и выхода усилител . Устройство работает следующим образом . В первоначальном положении устройство дл измерени угла наклона сориентировано в пространстве согласно . 1 так, что угол между продольной осью полуцилиндра 3 направлением земной вертикали составл ет ЭО. В этом случае воздушный пузырь 5 прижат к рабочей поверхности пьезопластины 1 и расположен в центре промежутка между веерным ВШП (согласие фиг, 2),образу окно прозрачности дл прохождени ПАВ. При этом обес печиваетс возможность возбуждени автогенератора, образованного линией задержки и усилителем 6, на частоте , соответствующей пространст .венному шагу штырей по средней линии веерных ВШП. При включении напр жений , питающих усилитель 6, в кольце автогенератора, образованном усилителем 6, входным ВШП 2, окном прозрачности , обусловленным наличием воздушного пузырька 5 в поглощающей ПАВ жидкости , м выходном ВШП 2, возникают колебани на частоте V/2dp , где V - скорость распространени ПАВ; dp- шаг штырей по сред ней линии веерных ВШП.Свойством веерного ВШП вл етс способность к формированию узкого акустического луча при гармоническом зозбуждении. Этот луч при изменении частоты возбуждени перемещаетс вдоль апертуры ВШП, обеспечива тем самым плоское сканирование . При этом ширина акустического луча MeHtjme апертуры преобразовател и зависит от угла, образозанного крайними штыр ми ВШП, При выборе размера воздушного пузырька, равного или большего ширины акустического луча, вс энерги возбужденных поверхностных волн достигает через окно прозрачности, образованное воздушным пузырьком 5, выходного ВШП. Это приводит к устойчивой генеоации колебаний автогенератора на частоте fo Возникновение генерации на другой частоте невозможно, поскольку акустический луч, излучаемый веерным ВШП, в этом случае сместилс бы вдоль апертуры ВШП и демпфировалс в жидком поглотителе .Devices for determining the angle of inclination are known, which contain a semiconductor substrate, a thin one-sided film deposited on its working face, having an impurity conductivity type opposite to the base material, two electrodes made on the surface of the thin film, a vessel mounted between the two electrodes and filled a color solution with an air bubble moving in accordance with the inclination of the vessel; a light source. A semiconductor substrate and a high-resistance semiconductor film form an element with a light electromotive force. When the device is irradiated with light, due to the air bubble, which has more light permeability than that of. of the solution, a light spot is formed, which moves according to the inclination of the substrate, and the electrodes create a difference in the intensity of the ion, which varies depending on the position of the spot. Thus, measuring the interelectrode potential difference is judged on the value of the angle-inclination of the substrate--,. The disadvantage of this device is that the accuracy and resolution of a meter, such as a voltmeter, is limited. The sensitivity and accuracy of operation are influenced by the length of the substrate. film thickness, the degree of translucency of the solution and the intensity of the light source. The closest in technical essence and the achieved result to the proposed is a device for determining the angle of inclination, containing a vessel filled with a liquid with an air bubble, radiating piezoplates, located at the ends of the acoustic ducts of different heights placed on the surface of the vessel on one side, receiving the piezo plate installed on the opposite side of the structure, as well as a generator connected to the radiating piezoplates, which transform the generator pulses and ultrasonic oscillations, amplifier and recording device Gz. The purpose of the invention is to increase the sensitivity to changes in the angle of inclination. The goal is achieved by the fact that in a device for measuring the angle of inclination containing the sump, the input and output transducers of acoustic waves, a vessel filled with a liquid with an air bubble, located between the transducers, an amplifier whose input is connected to the output transducer, is made of a conduit Piezoelectric material, input, and output transducers are made in the form of fan-type interdigitated transducers of surface acoustic waves, applied to one of the gr It piezoceramic plate, than at the output of the amplifier is connected, on the input interdigital transformations fan-ra-catch; gel, and the vessel has the shape no cylinder, the longitudinal axis is co-second and perpendicular to the direction of propagation of surface acoustic waves. FIG. 1 shows schematically a device for measuring the angle of inclination, side view of the substrate; FIG. 2, however, zid onto the substrate of the device from below. The device contains a piezoplate 15 made, for example, from a lithium niobate Y-cut, electrodes 2, which are counter-pin converters (IDT) of fan-shaped form, the vessel is a hollow cylinder 3 filled with liquid k (for example, alcohol, water or others) , air bubble 5 ;. amplifier 6. On a wide polished (working) face of piezoplate 1, there are two 8SP super acoustic waves (SAWs), fan-shaped 2, with an aperture W equal to the width of the overlap of the pins. that its longitudinal axis is perpendicular to the direction of propagation of surfactant. The internal diameter of the cross-section of the half-cylinder is less than the aperture W of the transducers. The internal cavity of the half-cylinder 3 forms with the working surface of the piezoplates 1 volume filled with liquid 4 with an air bubble 5- The liquid plays the role of a surfactant absorber. The transverse size of the air bubble 5 is equal to the inner diameter of the half-cylinder 3, i.e. the width of the internal cavity of the semi-cylinder in the direction of propagation of the PA8. The size of the bubble along the longitudinal axis of the jay orndpa is smaller than the aperture of the IDT, but larger than the maximum wavelength of the oscillations generated. The piezoplates 1 with the IDT 2 deposited on its surface represent a delay line of surface acoustic waves, which, together with the amplifier 6, forms an autogenerator. In this case, one of the poles of both electrodes - E5ShP 2 is connected to the common wire of amplifier 6, and the other pole - respectively to the terminals of the input and output of the amplifier. The device works as follows. In the initial position, the device for measuring the angle of inclination is oriented in space according to. 1 so that the angle between the longitudinal axis of the half-cylinder 3 and the direction of the Earth’s vertical is EO. In this case, the air bubble 5 is pressed against the working surface of the piezoplate 1 and is located in the center of the gap between the fan IDT (agreement with FIG. 2), forming a transparency window for passing the surfactant. In this case, it is possible to excite the autogenerator formed by the delay line and the amplifier 6 at a frequency corresponding to the spatial pitch of the pins along the middle line of the fan IDT. When the voltages supplying the amplifier 6 are switched on, in the ring of the autogenerator formed by the amplifier 6, the input transducer 2, the transparency window caused by the presence of an air bubble 5 in the absorbing surfactant fluid, the output transducer 2, oscillations occur at the frequency V / 2dp, where V is surfactant propagation rate; dp is the pitch of the pins along the middle line of the fan IDT. The property of the fan IDT is the ability to form a narrow acoustic beam during harmonic excitation. When the excitation frequency is changed, this beam moves along the IDT aperture, thereby providing a flat scan. At the same time, the width of the acoustic beam MeHtjme of the transducer aperture depends on the angle posed by the extreme pins of the IDT. When choosing an air bubble size equal to or greater than the width of the acoustic beam, the entire energy of the excited surface waves reaches through the transparency window formed by the air bubble 5, the output IDP. This leads to a steady geneoration of oscillations of the oscillator at a frequency fo The occurrence of generation at another frequency is impossible, since the acoustic beam emitted by the fan-shaped transducer would in this case be displaced along the transducer aperture and damped in the liquid absorber.

При изменении угла наклона подложки воздушный пузырек 5 под действием сил выталкивани жидкости k смещаетс вдоль продольной оси полуцилиндра З.что соответствует смещению окна прозрачности дл распространени ПАВ. При этом автогенератор измен ет частоту колебаний. В автогенераторе устанавливаютс колебани с частотой, соответствующей пространг ственному шагу штырей веерного BUfflWhen the angle of inclination of the substrate changes, the air bubble 5 is displaced along the longitudinal axis of the half cylinder Z. under the action of the forces of ejection of the liquid k. At the same time, the oscillator changes the oscillation frequency. Oscillations are set in the oscillator with a frequency corresponding to the spatial pitch of the fan BUffl pins.

по линии, перпендикул рной оси полу цилиндра 3 и проход щей через центр , воздушного пузырька. Следует подчер кнуть, что при изменении знака угла наклона частота автогенератора отклон етс от центральной частоты f в другую сторону.along a line perpendicular to the axis of the floor of the cylinder 3 and the air bubble passing through the center. It should be emphasized that when the sign of the tilt angle changes, the frequency of the oscillator deviates from the center frequency f to the other side.

Изменение пространственного шага штырей веерного ВШП вдоль его апертуры можно задать топологией преобраС зовател вплоть до нескольких процентов , МТС будет соответствовать изме .нению частоты в устройстве при изменении угла наклона пьезопластины в The change in the spatial pitch of the pins of the fan IDT along the aperture can be specified by the converter topology up to a few percent, the MTS will correspond to the change in the frequency in the device when the angle of inclination of the piezoplate changes

S том же процентном отношении.S same percentage.

Чувствительность к изменению угла наклона устройства может быть вырэ кена как отношение изменени частоты колебаний автогенератора к измене™ нию угла между продольной осью полу0 цилиндра 3 напразлением земной вертикали :Sensitivity to a change in the angle of inclination of a device can be expressed as the ratio of the change in the oscillation frequency of the oscillator to the change in the angle between the longitudinal axis of the semi0 cylinder 3 by the pressure of the earth vertical:

S .S.

Так, эксперименты показывают, что при центральной частоте колебаний аа тогенератора fg 20-10 Гц вариаци частоты составл ет 0,2lf или ±20-10 Гц при изменении угла наклона пьезопластины на ±5°. следует , что чувстви елькость устройства к изменению угла наклона равна .4Ю Гц/град. Если учесть, что отио сительна нестабильность частоты зв тогенератора с ПАВ-линией задержки пор дка 1Q , что достигаетс дозоль но легко, то оказываетс , что с помощью устройстаа можно измер ть углы наклона и их приращени пор дка 0,01° и выше (т.е. с разрешающей способностью не хуже 0,005).Thus, experiments show that at the center oscillation frequency of the generator fg 20–10 Hz, the frequency variation is 0.2 lf or ± 20–10 Hz when the angle of inclination of the piezoplate is changed by ± 5 °. It follows that the sensitivity of the device to a change in the angle of inclination is equal to .4 U Hz / deg. If we take into account that the instability of the frequency of the oscillator with an SAW line of delay 1Q, which is achieved as lightly as easy, is found, then it turns out that with the aid of a device it is possible to measure the angles of inclination and their increment of 0.01 ° or more (t with the resolution not worse than 0.005).

Высока чувстБИтельность устройства к положению воздушного пузырька позвол ет использовать его не только как датчик угла наклона. Смещение .воздушного пузырька можно вызвать и воздействием линейных ускорений, вибраций, изменением давлени на жидкость в полуцилиндре. Это указывает на возможность применени устройства в датчиках линейных ускореa ний, низкочастотных вибраций-гидро .статического давлени , системах азтоматического управлени , а также в сейсмических приемниках.The high sensitivity of the device to the position of the air bubble makes it possible to use it not only as a tilt angle sensor. The displacement of the air bubble can also be caused by the action of linear accelerations, vibrations, and a change in pressure on the fluid in the semicylinder. This indicates the possibility of using the device in sensors of linear accelerations, low-frequency vibrations-hydrostatic pressure, automatic control systems, as well as in seismic receivers.

Еще одним- преимуществом устройства Another advantage of the device

s вл етс то, что информаци о величине угла наклона содержитс в частоте , т.е. в том параметре сигнала, который удобен дл дальнейшей обработки , передачи его на рассто ние, преобразовани в цифровую форму.s is that the information about the slope is contained in the frequency, i.e. in the parameter of the signal, which is convenient for further processing, its transmission over a distance, conversion into digital form.

Применение устройства позвол ет благодар его высокой чувствительности значительно снизить требовани к точности устройств последующей обработки сигнала с его выхода, а сле довательно , и существенно уменьшить стоимость измерительных приборов угла наклона.The use of the device makes it possible, due to its high sensitivity, to significantly reduce the accuracy requirements of the post-processing devices from its output, and consequently, significantly reduce the cost of the tilt angle gauges.

Claims

Invention Formula

A device for measuring the angle of inclination, containing a duct, input and output transducers of acoustic waves, a vessel filled with a liquid with an air bubble, located between the transducers, an amplifier whose input is connected to the output transducer, in order to increase the sensitivity to change the slope angle, the sound duct 8 is made in the form of a plate made of a piezoelectric material, the input and output transducers are made in the form of fan counter-pin transducers Other acoustic waves are deposited on one of the faces of the piezoplatiines, the amplifier output being connected to an input counter-pin fan transducer and the vessel has a half-cylinder shape, the longitudinal axis of which is perpendicular to the direction of propagation of surface acoustic waves.

Sources of information taken into account in the examination

1, US Patent tf 3863067, cl. 250-23b G 01 C 9/00, published. 01.27.75.

2, Japan's H, Cl. 107 Е О, G 01 С 9/06, published 13.12.73.

3 USSR author's certificate, No., class, G 01 C 9/06, 11/17/75 (prototype).