устройство для измерения размеров и линейных перемещений

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ И ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее герметичный звукопровод, жестко установленный в нем преобразователь колебаний и щуп, предназначенный для связи с измеряемым или перемещаемым объектом, отличающееся тем, что оно снабжено отражателем или преобразователем колебаний, установленным на щупе, жестко установленный преобразователь выполнен в виде преобразователя продольных волн и делит звукопровод на две ячейки с постоянной и переменной акустическими базами, а звукопровод заполнен жидкостью или газом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ячейки звукопровода выполнены сообщающимися.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что взаимодействующие поверхности щупа и звукопровода выполнены притертыми.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для прецизионных измерений размеров, длин и перемещений, включая микроперемещения.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Кроме того, размещение основных измерительных элементов в корпусе повышает надежность устройства при внешних воздействиях ударных, вибрационных и др.

Заполнение измерительной камеры эталонным флюидом также повышает точность, так как свойства его заранее известны.

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.

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.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 и 3 схема проведения измерений вертикального размера объекта.

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.

Устройство работает следующим образом.

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.

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.

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, и _o соответственно время прохождения сигнала в ячейках с переменной и постоянной базами.

Проведение измерений вертикального размера объекта поясняют фиг.2 и 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.

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.