Устройство для определения угла наклона

 

О П И С А Н И Е (1И943525

ИЗОВЕИтВНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалнстичесник

Реслублнн (61) Дополнительное н авт, свил-ву— (22)Заявлено 05.09.80 (21) 2976993/18-10 с присоединением заявки М— (23) Приоритет (51)М. Кл.

4 01 С 9/12

9кударетееииый комитет

СССР па аеаам изобретений и открытий (53) УД K 528. 541 (088. 8) Опубликовано 15. 07. 82. Бюллетень № 26

Дата опубликования описания 17.07 ° 82 (72) Автор изобретения

О. И. Левченко

Ордена Ленина институт кибернетик (7I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА!

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и к устройствам для измерения углов наклона объекта.

Известно устройство для определения углов наклона, содержащее кристалл (полупроводник), на который нанесена тонкая полупроводниковая пленка, на поверхности которой установлен сосуд с цветным раствором.

Внутри раствора имеется пузырек воздуха, перемещающийся вправо-влево в соответствии с наклоном сосуда.

Полупроводниковый кристалл (подложка) совместно с тонким полупроводниковым 5 слоем образуют элемент со световой электродвижущей силой) ЭДС. При падении на устройство света на полупроводниковом слое образуется световое пятно, положение которого опре- зо деляется положением пузырька воздуха в сосуде, т., е. углом наклона прибо.ра. Возникающая в полупроводнике фото-ЭДС несет информацию об угле

2 наклона. Информация выводится с помощью электродов, имеющихся на полупроводнике f1).

Недостатком известного устройства является сложность, обусловленная прежде всего большим количеством элементов: полупроводниковый кристалл-подложка, тонкий полупроводниковый слой, сосуд с раствором. Кроме того для работы устройства необходим и источник света, причем; положение его должно быть строго фиксировано относительно сосуда. Другим недостатком его является малая надежность, обусловленная термической нестабильностью его составных частей. Так жидкость, находящаяся в сосуде может либо замерзнуть (при достаточном понижении температуры), либо закипеть при соответствующем повышении температуры. В любом случае устройство будет неработоспособно. Параметры устройства сильно изменяются с температурой. Это приводит к тому, 94352

10 а-З0

50 что при одном и том же угле показания устройства будут различны в зависимости от температуры.

Ближайшим к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения угла наклона, содержащее чувсTåèòåëbный элемент - маятник, грузок которого соединен с кристаллом, снабженным электродами, служащим преобразователем угла наклона в электрический сигнал. 8 качестве кристаллов использованы пьезоэлементы, каждый из которых снабжен двумя системами электродов, к одной из которых подключен генератор электрических колебаний, к другой измерительный прибор (2).

Цель изобретения — упрощение устройств, повышение надежности, уменьшение веса и габаритов устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения угла наклона, содержащий чувствительный элемент, груз которого соединен с кристаллом, снабженным электродами, служащим преобразователем угла наклона в электрический сигнал, кристалл выполнен из матери ла типа сегнетоэлектрик — сегнетоэластик со связью сегнетоэлектрических и сегнетоэластических свойств.

Материалом кристалла служит монокристалл B" Т„- О„

На фиг.1 показана схема устройст ва; на фиг.2 — петля диэлектрического гистерезиса; на фиг.3-6 деформированные состояния бруска.

Устройство содержит кристалл 1 типа сегнетоэлектрик " сегнетоэластик, на который нанесены электроды

2 и 3. К одной из граней кристалла, в данном случае грани, покрытой электродом 3, прикреплено массивное тело (груз ) 4. Отметим, что тель 4 может быть прикреплено и к другим граням кристалла. Вге зависит от самого кристалла, от того, как он вырезан.

Для уяснения сущности изобретения остановимся на физических свойствах материала типа сегнетоэлектрик — сегнетоэластик. Материал этого типа обладает одновременно сегнетоэлектрическими и эластическими свойствами. Сегнетоэлектрические свойства связаны с наличием в материале спонтанной поляризации поляризации Р „ напряжение которой может быть изменено (переключено ) внешним электрическим напряжением.

Зависимость поляризации P от электрического поля E имеет вид петли гистерезиса, поэтому если к элементу, выполненному из такого материала приложить переменное электрическое напряжение, то ток в цепи элемента будет иметь форму импульсов, временное положение которых соответствует моментам, когда происходит переключение спонтанной поляризации P.

Если к сегнетоэлектрическому элементу приложено переменное электрическое напряжение, например синусоидальное, то при достижении синусоидой уровня коэрцитивного напряжения + 1/К (точка ct на синусоиде фиг.2) происходит переключение спонтанной поляризации (скачок в верхнее по петле гистерезиса состояние). В этот момент через сегнетоэлектрик проходит импульс тока 3„ положительный полярности. Дальнейшее изменение синусоиды не приводит к существенным изменениям тока, до тех пор пока синусоида не достигнет точки о . В этой точке синусоида достигает уровня коэрцитивного напряжения - 1/к и сегнетоэлектрик опять переключается (ска чок вниз по петле гистерезиса ).

B этот момент через сегнетоэлектрик проходит импульс тока 3q отрицательной полярности (фиг.2). Таким образом, за один период синусоиды через сегнетоэлектрик проходит два импульса тока 3. и 3, временной интервал С между которыми будет равен половине периода синусоиды, т.е. " =

=Т/2.

Если к сегнетоэлектрику кроме синусоидального напряжения приложено некоторое постоянное напряжение U, то это приводит к смещению петли гистерезиса вдоль оси электрического поля, что проявляется в изменении величины коэрцитивных напряжений для положительной и отрицательной полуволн в синусоиде.

На фиг.2 штриховой линией показана смещенная петля гистерезиса. полученная в результате приложения к сегнетоэлектрику отрицательного напряжения - U . Для этой петли гистерезиса коэрцитивные напряжения имеют значения f-1/, i C1+V<1. В результате смещения петли гистерезиса

5 943525 у6 (фиг.2) смещаются и точки пересече- к увеличению интервала времени межния синусоиды с уровнями коэрцитив- ду импульсами, ных напряжений (это точки д и 5 ). Таким образом интервал времени сt

Точкам а и 6 на синусоиде соответ- между разнополярными импульсами (f ствуют импульсы токаЭ„ид, времен- 5 текущими через сегнетоэлектрик при нои интервал между которыми Г < 0 поляризации, зависит от напряжения (фиг.2) . При изменении полярности 0- U . Эта зависимость при синусоипетля гистерезиса смещается в про- дальном переменном напряжении выративоположную сторону, что приводит жается соотношением

Е„+Е», (Е1с Е

3l+ drGSin - 4l С91П

Ю rn

Ь (1 ) 15

35 где Е„- коэрцитивное поле;

Е„„ — напряженность поля,соответствующая максимальному (амплитудному) значению синусоиды; — частота синусоидального напряжения, Š— напряженность поля, создаваемая в сегнетоэлектрике- сегнетоэластике внешним напряжением 0

Если переменное напряжение пилообразное, то зависимость выражается соотношением

Т Ек+Е

C g ° (ч

E.rn

Сегнетоэлектрический . емент

t как видно из уравнений (i I и (2) мо/ жет преобразовывать напряж.ни» () в соответствующий интервал

Рассмотрим теперь эластичные своиства используемого в устройстве материала. Для объяснения сегнетоэлектричности обратимся к фиг.3.

Допустим, мы имеет брусок, вырезан40 ныи из сегнетоэластичного кристалла.

Е спи к бруску приложить механическое давление +Х, то он деформируется. При этом после устранения давле.ния +Х кристалл остается в деформированном состоянии..О величине деформа45 ции можно судить по сдвигуь((фиг.4).

Если изменить направление давления, т.е. приложить давление - Х, то кристалл деформируется в противоположную сторону (фиг.5) и остается в этом состоянии после устранения давления. В материале типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик может существовать связь между сегнетоэлектрическими и эластичными свойствами. Эта связь проявляется в том

У ч то изменен ие дефо рм а ц ии под воздеиствием механических сил сопровождается изменением направления спонтанной поляризации. Одному деформированному состоянию бруска (фиг.3-6) соответствует поляризация +Р (фиг.4) и другому - Р (фиг.5), В то же время изменение направления спонтанной поляризации под воздействием внешних электрических напряжений сопровождается изменением деформации. К материалам, обладающим такими свойствами, относятся в частности 9; Т; ().1,ЯВ, (М,О ) .

Связь сегнетоэлектрических и эластичных свойств в материалах типа сегнетоэлектрик — сегнетоэластик проявляется и во влиянии механи" ческих давлений на петлю диэлектрического гистерезиса. Так при отсутствии механических воздействий петля гистерезиса строго симметрична.

Если к кристаллу типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик приложить механическую силу, создающую давление в соответствующем направлении, то это приводит к смещению петли гистерезиса вдоль оси электрического поля. При этом величина смещения определяется величиной давления, а направление смещения зависит от направления приложения давления.

Таким образом в кристалле типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик деиствие давления на петлю диэлектрического гистерезиса эквивалентно действию постоянного напряжения U .

Для характеристики этой взаимосвязи вводим некоторую величину, которую назовем показатель эквивалентного действия рз, где Е к --коэрцитивное электрическое поле;

Хк - коэрцитивное давление.

П показывает, де электрического поля действие давление в том (3) уравнения (1 переписать как

43525

9 йствию какого соответствует

1 кг/см . С уче) и (2 ) можно

Е„ П 2 E m

Е +П па ® Ек+ 51пс ./5 ,)1 Нпгс ваап СМ C5 é

П Щ (6) Формула изобретения

Е„+,9Х . Е,-П Х

Хм сыт -dt csin Э9

Е

%ЛЯ

Как виднс из уравнений (4 ) и (5 ) временной интервал ь между разнополярными импульсами тока, идущими через кристалл сегнетоэлектрика - сегнетоэластика, зависит от давления

Х, прикладываемого к кристаллу.

Именно это и положено в основу изобретения.

Для объяснения работы устройства обратимся к фиг.4-6. Если укпономер расположен строго горизонтально, то сила веса Fo массивного тела (груза) 4 направлена вертикально (фиг.4) и не имеет составляющих капри приложении к сегнетоэлектрикусегнетоэластику синусоидального переменного напряжения, и соотношением

Т Ек ПЭЭ Ро 81псцб

7 (+ при приложении пилообразного переменного наПряжения.

Устройство значительно проще известного в конструктивном отношении

45 превосходит его и по надежности в работе, поскольку сегнетоэлектрики сегнетоэластики, составляющие основу устройства, являются термически стабильными материалами. Так например, устроиство на основе монокрис-а

50 талла В;4 Т„-> О„стабильно работает в диапазоне температур 195-250 С.

Кроме того, устройство имеет широкие функциональные возможности, в частности оно может использоваться как датчик ускорения (акселерометр ). На" конец конструктивная и технологическая простота обуславливает и высосательных к поверхности кристалла.

В этом случае петля диэлектрического гистерезиса симметрична и интервал времени между импульсами тока, идущими через кристалл, равен 0

При наклоне устройства на некоторый угол aL (фиг.5) появляется касательная составляющая F< = г 5 пс, создающая сдвиговое давление Х„=СоЯпс(./5 (S-площадь).Под действием этого давления петля гистерезиса смещается и интервал времени между импульсами уменьшается на некоторую величину.

При наклоне устройства в другую сторону (фиг.б) петля гистерезиса смещается также в противоположную сторону, что приводит к увеличению интервала между импульсами под воздействием силы F °

Таким образом, устройство выполняет функцию преобразования угла наклона с(. в cooTâåòñòo÷þöèé временной интервал. Зависимость между углом уклона с . и длительностью интервала Т между разнополярными импульсами, текущими через элемент,. выражается соотношением кую экономическую эффективность устройства. Опытный образец устройства изготовлен на основе монокристаллов

В; ТgO i1

1. Устройство для определения угла наклона, содержащее чувствительный элемент, груз которого соединен с кристаллом, снабженным электродами, служащим преобразователем угла наклона в электрический сигнал, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью, упрощения конструк ции, повышения надежности, уменьшения веса и габаритов, кристалл выполнен из материала типа сегнетоэлектрик - сегнетоэластик со связью сегнетоэлектрических и сегнетоэластичных свойств.

2. Устройство по и.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что материало

9 кристалла служит монокристалл B. т1 3 012.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 . Заявка Японии и 48-42511, сл. 6 01 С 9106, опублик. 13.12.73.

2. 4вторское свидетельство СССР

М 558148, кл. С 01 С 9/02, 12.11.79

5 (прототип J

F Рог Я

Составитель Л. Колюбакина

Редактор Т. Парфенова Техред Л.Пекарь Корректор Г. Решетник

Заказ 5092/ Тираж. 1 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/55 филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,.