ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
DISPLACEMENT SENSOR ON SURFACE ACOUSTIC WAVES

Изобретение относится пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для дистанционного контроля перемещения.
Известны датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащие корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) и акустопоглотитель на торцах. В одном из датчиков звукопровод с ВШП на рабочей поверхности представляет собой линию задержки, которая включается в цепь обратной связи усилителя и представляет собой генератор электрических колебаний, частота которого зависит от температуры или от величины деформации звукопровода (Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М., Энергоатомиздат, 1989, с.215) [1].
1
Сигнал от датчика с помощью передающей антенны, подсоединенной к генератору, передается на приемное устройство, которое и осуществляет дистанционный контроль. Один конец звукопровода неподвижен, а другой соединен со штоком, который при измерении расстояния изгибает подложку, что приводит к изменению частоты генератора, в цепи обратной связи которого находится деформируемая ЛЗ. Деформация подложки при перемещении не может быть более нескольких долей мм, чтобы подложка не разрушилась при изгибе. Поэтому такой датчик может измерять перемещения, величина которых не превышает 1 мм, что является существенным недостатком. Устранить этот недостаток можно с помощью датчика (RU 2344371, МПК G01B 17/00, G01D 3/028, опубл. 20.01.2009) [2], содержащего два пьезоэлектрических звукопровода, расположенных параллельно один над другим и обращенными рабочими поверхностями друг к другу, и закрепленными к разным, перемещающимся относительно друг друга поверхностям, образуя зазор, причем на рабочих поверхностях каждого звукопровода расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковым периодом, расстояние между которыми равняется 200-300 периодов ВШП, а края звукопроводов сполированы, и на них нанесен акустический поглотитель, таким образом, чтобы зазор между поглотителем и подложкой или поглотителем, находящимися над ним, не превышал зазора между звукопроводами, равного 0,5-1 периода ВШП, ВШП датчика перемещения включен в цепь обратной связи усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F. При перемещении поверхностей, к которым закреплены звукопроводы относительно друг друга, расстояние между ВШП изменяется. Это приводит к изменению частоты колебаний генератора, пропорционально изменению расстояния между ВШП, что позволяет судить о величине перемещения. В данном датчике величина измеряемых перемещений не зависит от деформации подложки, а определяется длиной звукопроводов, которая может быть сделана намного больше 1 мм. Можно также измерять время задержки отраженного от одного из ВШП ПАВ другим ВШП, который в данном случае будет приемопередающим. Недостатком данной конструкции является сложность изготовления такого датчика, поскольку расстояние между звукопроводами не должно превышать длину ПАВ, которое лежит в районе 5-50 мкм, и звукопроводы должны располагаться строго параллельно друг другу, чтобы частота генерации или задержка линейно зависела от перемещения.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании датчика на ПАВ, лишенного указанных недостатков. Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в упрощении конструкции за счет исключения необходимости выставления зазора между звукопроводами, что достигается введением прижимного отражателя (валика) на пути распространения ПАВ вместо одного из звукопроводов.
Это достигается тем, что в датчике, содержащем корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и акустопоглотитель на торцах, введен валик, прижимаемый к поверхности звукопровода вне зоны ВШП с возможностью перемещения вдоль поверхности звукопровода параллельно направлению распространения ПАВ в пределах апертуры ВШП под действием штока, проходящего через крышку в корпусе, а ось валика представляет собой верхушку П-образной пружины, упирающуюся своими ветвями в крышку, причем ветви пружины проходят через пластмассовую трубку, расположенную перпендикулярно направлению распространения ПАВ, и жестко закреплены в ней, трубка имеет длину, равную ширине крышки корпуса, через трубку проходит шток, перемещающий валик, жестко закрепленный с ней.
На фигуре показана топология датчика на поверхностных акустических волнах, где а - крышка, в - основание.
Датчик содержит звукопровод 1, на рабочей поверхности расположен приемопередающий ВШП2, корпус 3, на который приклеен звукопровод 1. ВШП с помощью золотых выводов 12 подсоединен к выводам корпуса 11. В крышке 5 расположен прижимной валик 6, который прижимается к звукопроводу 1 с помощью П-образной пружины 9. Концы П-образной пружины 9 проходят через пластмассовую трубку 7, через которую проходит шток 8, с помощью которого валик 6 может перемещаться по поверхности звукопровода 1, и упираются в крышку 5, что и обеспечивает необходимый прижим валика к поверхности звукопровода. Параллельность хода валика 6 обеспечивается штоком 8, который расположен параллельно направлению распространения ПАВ, а также тем, что длина трубки 7 равна ширине крышки 5 корпуса 3.
Датчик работает следующим образом. Перед проведением измерений валик устанавливается в положение с помощью штока 8, при котором задержка сигнала между ВШП2 и отраженным от валика сигналом минимальна, что обеспечивается конструкцией датчика. Считыватель посылает опрашивающий электромагнитный импульс, который преобразуется в поверхностные акустические волны (ПАВ) с помощью приемопередающего ВШП2. Эти ПАВ, встречая на своем пути валик 6, прижатый к поверхности звукопровода, частично от него отражаются, принимаются приемопередающим ВШП2 и снова преобразуются в электромагнитный сигнал, который принимается приемником считывателя.
изм
ПАВ
2
1
1
2
ПАВ
Задержка этого сигнала, очевидно, зависит от местоположения валика относительно приемопередающего ВШП2. Зная эту задержку и скорость ПАВ в данном звукопроводе, можно определить расстояние, на которое переместился валик относительно ВШП2. Тогда измеряемое расстояние можно определить как разность расстояний между первоначальным положением валика и положением валика после проведения измерения (валик перемещается с помощью штока 8), т.е. измеренное расстояние l=V·(τ-τ)/2, где τ - задержка сигнала, отраженного от валика, в первоначальном положении, τ - задержка сигнала, отраженного от валика, после проведения измерений, V - скорость ПАВ в звукопроводе. С помощью пластмассовой трубки 7, которая двигается штоком 8, который служит направляющей для ее движения, обеспечивается прямолинейное движение валика вдоль звукопровода, что и обеспечивает линейную зависимость задержки отраженного сигнала от расстояния между валиком и ВШП2. Постоянный прижим валика обеспечивается П-образной пружиной 9, которая упирается в дно крышки, параллельное звукопроводу. Таким образом, при движении валика вдоль звукопровода коэффициент отражения ПАВ от него постоянен, а задержка линейно зависит от расстояния между ВШП и валиком. Отраженные от торцов звукопровода ПАВ также попадают на ВШП 2 и вызывают появление паразитных откликов на импульсном отклике датчика, что может привести к ошибкам измерения перемещений. Для устранения этих отражений на торцы звукопровода нанесены акустопоглотители 13.
0
0
Пример выполнения. Датчик выполнен на звукопроводе 1 из YX/127 - среза ниобата лития размерами 28×5×0.5 мм. На торцы звукопровода нанесены акустопоглотители. Размеры корпуса 29×39 мм. ВШП2 с внутренними отражателями с периодом в две длины ПАВ на центральной частоте f=93 МГц и длиной в 33 длины ПАВ, что обеспечивает однонаправленный режим в 15 дБ. Коэффициент отражения от валика равен 0,011. Ход валика равен 14 мм.
Источники информации
1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики М., Энергоатомиздат, 1989, с.215.
2. RU 2344371, МПК G01B 17/00, G01D 3/028, опубл. 20.01.2009.