Измерительные преобразователи микроперемещений и давления на поверхностных акустических волнах

В даній статті приведені результати теоретичних та експериментальних досліджень вимірювальних перетворювачів (ВП) мікропереміщень та тиску на основі збурення електричного поля поверхневих акустичних хвиль (ПАХ), що поширюються на поверхні п'єзоелектричного звукопроводу. Обгрунтовано частотний метод вимірювання на основі диференціального ВП із застосуванням метода конкуренції мод коливань в ПАХ-генераторах, що забезпечує можливість збурення електричного поля ПАХ на більшій ділянці звукопроводу при збереженні одномодового режиму роботи генераторів.The results of theoretic and experimental researches of measurement transformers of micromoving and pressure, based on disturbance of surface acoustic wave, which expanded on the surface of piezoelectric acoustic line in the electric field, are presented. Frequency method of measurement based on the measurement transformers with using the method of modes competition of oscillations in the surface acoustic wave generator, that provided the possibility of disturbance of electric field on the largest length of acoustic line with maintaining one-mode regime of generator operation.В данной статье приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований измерительных преобразователей (ИП) микроперемещений и давления на основе возмущения электрического поля поверхностных акустических волн (ПАВ), которые распространяються на поверхности пьезоэлектрического звукопровода. Обоснован частотный метод измерения на основе дифференциального ИП с использованием метода конкуренции мод колебаний в ПАВ-генераторах, что позволяет осуществлять возмущение электрического поля ПАВ при сохранении одномодового режима работы генераторов

Вимірювальний перетворювач кутових переміщень з використанням фазових набігань електричного поля поверхневих акустичних хвиль

Запропонований і теоретично обгрунтований метод однозначного вимірювання кутових переміщень з використанням фазових набігань на поверхні п’єзоелектричного хвилеводу електричного поля кількох поверхневих акустичних хвиль (ПАХ), що приймаються рухомим ПАХ-приймачем. Приведена оцінка потенційних метрологічних параметрів 3-х частотного перетворювача кутових переміщень в діапазоні 0…360 кут. град. з формуванням точної, проміжної та грубої вимірювальних шкал. Результати випробувань макету на базі п’єзоелектричного хвилеводу з структурою оксид цинку-плавлений кварц підтверджують можливість створення високочутливого вимірювального перетворювача кутових переміщень з роздільною здатністю та точністю, які близькі до параметрів індуктосинів, фотоелектричних перетворювачів та лазерних інтерферометрів, але можуть мати значно менші  масогабаритні показники, вартість та складність конструкції. Бібл. 20, рис. 6

ПЕРЕТВОРЮВАЧ ПЕРЕМІЩЕНЬ З ВИКОРИСТАННЯМ ФАЗОВИХ НАБІГАНЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ ПОВЕРХНЕВИХ АКУСТИЧНИХ ХВИЛЬ

The method for unambiguous measurement displacements is proposed and theoretically justified. The phase incursion on the surface of the piezoelectric sound-conductor electric field of several surface acoustic waves (SAW) is taken by moving SAW receiver.The rating of potential metrological parameters of the three-frequency transducer measuring linear displacement in the range of up to 100 mm with the formation of precise, intermediate and rough measurement scales is carried out.The test results of model of such device, based on piezoelectric sound-conductor of lithium niobate YZ-cut, confirm the possibility of creating highly sensitive displacement transducers. They have a resolution and accuracy properties, that are close to the parameters inductosyns and photoelectric converters based on interferometers, but can be much smaller mass and dimensional indexes, cost and complexity of construction.Ref. 19, fig. 6Предложен и теоретически обоснован метод однозначного измерения перемещений с использованием фазовых набегов на поверхности пьезоэлектрического звукопровода электрического поля нескольких поверхностных акустических волн (ПАВ), принимаемых подвижным ПАВ-приемником.Приведена оценка потенциальных метрологических параметров 3-х частотного преобразователя линейных перемещений в диапазоне до 100 мм с формированием точной, промежуточной и грубой измерительных шкал.Результаты испытаний макета преобразователя линейных перемещений на базе пьезоэлектрического звукопровода из ниобат лития YZ-зреза подверждають возможность создания високочувствительных преобразователей перемещения з разрешением и точностью, которые сравнимые с параметрами индуктосинов, фотоэлектрических преобразователей и систем на базе интерферометров, но могут иметь значительно меньшие массогабаритные показатели, стоимость и сложность конструкции.Библ. 19, рис. 6Запропонований і теоретично обгрунтований метод однозначного вимірювання переміщень з використанням фазових набігань на поверхні п’єзоелектричного звукопроводу електричного поля кількох поверхневих акустичних хвиль (ПАХ), що приймаються рухомим ПАХ-приймачем.Приведена оцінка потенційних метрологічних параметрів 3-х частотного перетворювача лінійних переміщень в діапазоні до 100 мм з формуванням точної, проміжної та грубої вимірювальних шкал.Результати випробувань макету перетворювача лінійних переміщень на базі п’єзоелектричного звукопроводу із ніобат літію YZ-зрізу підтверджують можливість створення високочутливих перетворювачів переміщення з роздільною здатністю та точністю, які близькі до параметрів індуктосинів, фотоелектричних перетворювачів та пристроїв на основі інтерферометрів, але можуть мати значно менші  масогабаритні показники, вартість та складність конструкції.Бібл. 19, рис.

Акустоелектронний перетворювач кутової швидкості

The comparative characteristics of angular velocity transducer of object is carried out. It includes the comparison of direct and alternating current tachogenerators, photoelectric transducers, fiber optic transducers based on the Sagnac effect, magnetic and electromagnetic transducers using the Hall effect.The method for measuring the angular velocity of the object using the Doppler effect propagating in a circular piezoelectric waveguide of surface acoustic waves (SAW) received by a SAW receiver moving in electric field is proposed and theoretically grounded. The functional diagram of the acousto-electronic angular velocity transducer that can contain a circular waveguide based on the piezoelectric film zinc oxide (aluminum nitride), a topographic waveguide based on piezoelectric ceramics or a slit waveguide based on the same materials is carried out. A circular SAW receiver moves above circular piezoelectric waveguide in the electric field. The SAW receiver’s distributed construction allows receiving signal with compensation of errors arising as a result of frontal and radial beats of transducer relative to the circular waveguide.The mathematical model of the acousto-electronic angular velocity transducer allows to determine the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics depending on the SAW-module construction parameters and set oscillator electrical parameters.An estimation of transducer potential metrological parameters using Doppler effect propagating SAW in a circular waveguide demonstrates the advantages over traditional transducers.It is shown that at a set oscillator frequency of 30 MHz and circular piezoelectric waveguide radius of 10 mm, the potential resolution of acousto-electronic velocity transducer is less than 1 rpm in the dynamic range up to 30,000 rpm and more.Signal phase gain measurement of the control interdigital transducer of the surface acoustic waves allows taking into account the temperature influence on the measurement error.The theoretical interrelation and the results of numerical calculation allow substantiating the structural and electrical parameters depending on the set metrological characteristics of angular velocity transducer.The proposed acousto-electronic angular velocity converter can be applied in high-precision information measuring complexes for angular displacement, speed and acceleration measurement.Ref. 24, fig. 4.Предложен и теоретически обоснован метод измерения угловой скорости объекта с использованием эффекта Доплера при распространении в кольцевом пьезоэлектрическом волноводе поверхностных акустических волн (ПАВ), что принимаються подвижным в электрическом поле ПАВ – приемником.Приведены функциональная схема и оценка потенциальных метрологических параметров акустоэлектронного преобразователя угловой скорости, что показывает его преимущества по сравнению с традиционными преобразователями (тахогенераторами, магнитоэлектрическими, электромагнитными та фотоэлектрическими преобразователями, волоконно-оптическими преобразователями на основе эффекта Саньяка, преобразователями на основе эффекта Холла).При частоте задающего генератора 30 МГц и радиусе кольцевого пьезоэлектрического волновода 10 мм потенциальная разрешающая способность акустоэлектронного преобразователя угловой скорости меньше 1 об/мин. в динамическом диапазоне до 30000 об/мин. и больше.Теоретические соотношения и результаты численных расчетов позволяют обосновывать конструктивные и электрические параметры в зависимости от заданных метрологических характеристик преобразователя угловой скорости.Библ. 24, рис.4.Запропонований і теоретично обгрунтований метод вимірювання кутової швидкості об’єкта  з використанням ефекту Доплера при поширенні в кільцевому п’єзоелектричному хвилеводі поверхневих акустичних хвиль (ПАХ), що приймаються рухомим в електричному полі ПАХ – приймачем.Приведені функціональна схема та оцінка потенційних метрологічних параметрів акустоелектронного перетворювача кутової швидкості, яка показує його переваги у порівнянні з традиційними перетворювачами (тахогенераторами, магнітоелектричними, електромагнітними та фотоелектричними перетворювачами, волоконно-оптичними перетворювачами на основі ефекту Саньяка, перетворювачами на основі ефекту Холла).При частоті задавального генератора  30 МГц та радіусі кільцевого п’єзоелектричного хвилеводу 10 мм потенційна роздільна здатність  акустоелектронного перетворювача швидкості менше 1 об/хв. в динамічному діапазоні до 30000 об/хв. і більше.Теоретичні співвідношення та результати чисельних розрахунків дозволяють обгрунтовувати конструктивні та електричні параметри в залежності від заданих метрологічних характеристик перетворювача кутової швидкості.Бібл. 24, рис.4

Вимірювальні перетворювачі мікропереміщень та тиску на поверхневих акустичних хвиль

The results of theoretic and experimental researches of measurement transformers of micromoving and pressure, based on disturbance of surface acoustic wave, which expanded on the surface of piezoelectric acoustic line in the electric field, are presented. Frequency method of measurement based on the measurement transformers with using the method of modes competition of oscillations in the surface acoustic wave generator, that provided the possibility of disturbance of electric field on the largest length of acoustic line with maintaining one-mode regime of generator operation.Ref. 11, Fig. 7.В данной статье приведены результаты теоретических и экспериментальных  исследований измерительных преобразователей (ИП) микроперемещений и давления на основе возмущения электрического поля поверхностных акустических волн (ПАВ), которые распространяються на поверхности пьезоэлектрического звукопровода. Обоснован частотный метод измерения на основе дифференциального ИП с использованием метода конкуренции мод колебаний в ПАВ-генераторах, что позволяет осуществлять возмущение электрического поля  ПАВ при сохранении одномодового режима работы генераторов.Бібл.11, рис.7.В даній статті приведені результати теоретичних та експериментальних досліджень вимірювальних перетворювачів (ВП) мікропереміщень та тиску на основі збурення електричного поля поверхневих акустичних хвиль (ПАХ), що поширюються на поверхні п'єзоелектричного звукопроводу. Обгрунтовано частотний метод вимірювання на основі диференціального ВП із застосуванням метода конкуренції мод коливань в ПАХ-генераторах, що забезпечує можливість збурення електричного поля ПАХ на більшій ділянці звукопроводу при збереженні одномодового режиму роботи генераторів.Бібл. 11, рис.7

Преобразователь перемещений с использованием фазовых набегов электрического поля поверхностных акустических волн

Запропонований і теоретично обгрунтований метод однозначного вимірювання переміщень з використанням фазових набігань на поверхні п’єзоелектричного звукопроводу електричного поля кількох поверхневих акустичних хвиль (ПАХ), що приймаються рухомим ПАХ-приймачем. Приведена оцінка потенційних метрологічних параметрів 3-х частотного перетворювача лінійних переміщень в діапазоні до100 мм з формуванням точної, проміжної та грубої вимірювальних шкал. Результати випробувань макету перетворювача лінійних переміщень на базі п’єзоелектричного звукопроводу із ніобат літію YZ-зрізу підтверджують можливість створення високочутливих перетворювачів переміщення з роздільною здатністю та точністю, які близькі до параметрів індуктосинів, фотоелектричних перетворювачів та пристроїв на основі інтерферометрів, але можуть мати значно менші масогабаритні показники, вартість та складність конструкції.The method for unambiguous measurement displacements is proposed and theoretically justified. The phase incursion on the surface of the piezoelectric sound-conductor electric field of several surface acoustic waves (SAW) is taken by moving SAW receiver. The rating of potential metrological parameters of the three-frequency transducer measuring linear displacement in the range of up to 100 mm with the formation of precise, intermediate and rough measurement scales is carried out. The test results of model of such device, based on piezoelectric sound-conductor of lithium niobate YZ-cut, confirm the possibility of creating highly sensitive displacement transducers. They have a resolution and accuracy properties, that are close to the parameters inductosyns and photoelectric converters based on interferometers, but can be much smaller mass and dimensional indexes, cost and complexity of construction.Предложен и теоретически обоснован метод однозначного измерения перемещений с использованием фазовых набегов на поверхности пьезоэлектрического звукопровода электрического поля нескольких поверхностных акустических волн (ПАВ), принимаемых подвижным ПАВ-приемником. Приведена оценка потенциальных метрологических параметров 3-х частотного преобразователя линейных перемещений в диапазоне до 100 мм с формированием точной, промежуточной и грубой измерительных шкал. Результаты испытаний макета преобразователя линейных перемещений на базе пьезоэлектрического звукопровода из ниобат лития YZ-зреза подверждають возможность создания високочувствительных преобразователей перемещения з разрешением и точностью, которые сравнимые с параметрами индуктосинов, фотоэлектрических преобразователей и систем на базе интерферометров, но могут иметь значительно меньшие массогабаритные показатели, стоимость и сложность конструкции

Акустоэлектронный преобразователь угловой скорости

Запропонований і теоретично обгрунтований метод вимірювання кутової швидкості об’єкта з використанням ефекту Доплера при поширенні в кільцевому п’єзоелектричному хвилеводі поверхневих акустичних хвиль (ПАХ), що приймаються рухомим в електричному полі ПАХ – приймачем. Приведені функціональна схема та оцінка потенційних метрологічних параметрів акустоелектронного перетворювача кутової швидкості, яка показує його переваги у порівнянні з традиційними перетворювачами (тахогенераторами, магнітоелектричними, електромагнітними та фотоелектричними перетворювачами, волоконно-оптичними перетворювачами на основі ефекту Саньяка, перетворювачами на основі ефекту Холла). При частоті задавального генератора 30 МГц та радіусі кільцевого п’єзоелектричного хвилеводу 10 мм потенційна роздільна здатність акустоелектронного перетворювача швидкості менше 1 об/хв. в динамічному діапазоні до 30000 об/хв. і більше. Теоретичні співвідношення та результати чисельних розрахунків дозволяють обгрунтовувати конструктивні та електричні параметри в залежності від заданих метрологічних характеристик перетворювача кутової швидкості.The comparative characteristics of angular velocity transducer of object is carried out. It includes the comparison of direct and alternating current tachogenerators, photoelectric transducers, fiber optic transducers based on the Sagnac effect, magnetic and electromagnetic transducers using the Hall effect. The method for measuring the angular velocity of the object using the Doppler effect propagating in a circular piezoelectric waveguide of surface acoustic waves (SAW) received by a SAW receiver moving in electric field is proposed and theoretically grounded. The functional diagram of the acousto-electronic angular velocity transducer that can contain a circular waveguide based on the piezoelectric film zinc oxide (aluminum nitride), a topographic waveguide based on piezoelectric ceramics or a slit waveguide based on the same materials is carried out. A circular SAW receiver moves above circular piezoelectric waveguide in the electric field. The SAW receiver’s distributed construction allows receiving signal with compensation of errors arising as a result of frontal and radial beats of transducer relative to the circular waveguide. The mathematical model of the acousto-electronic angular velocity transducer allows to determine the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics depending on the SAW-module construction parameters and set oscillator electrical parameters. An estimation of transducer potential metrological parameters using Doppler effect propagating SAW in a circular waveguide demonstrates the advantages over traditional transducers. It is shown that at a set oscillator frequency of 30 MHz and circular piezoelectric waveguide radius of 10 mm, the potential resolution of acousto-electronic velocity transducer is less than 1 rpm in the dynamic range up to 30,000 rpm and more. Signal phase gain measurement of the control interdigital transducer of the surface acoustic waves allows taking into account the temperature influence on the measurement error. The theoretical interrelation and the results of numerical calculation allow substantiating the structural and electrical parameters depending on the set metrological characteristics of angular velocity transducer. The proposed acousto-electronic angular velocity converter can be applied in high-precision information measuring complexes for angular displacement, speed and acceleration measurement.Предложен и теоретически обоснован метод измерения угловой скорости объекта с использованием эффекта Доплера при распространении в кольцевом пьезоэлектрическом волноводе поверхностных акустических волн (ПАВ), что принимаються подвижным в электрическом поле ПАВ – приемником. Приведены функциональная схема и оценка потенциальных метрологических параметров акустоэлектронного преобразователя угловой скорости, что показывает его преимущества по сравнению с традиционными преобразователями (тахогенераторами, магнитоэлектрическими, электромагнитными та фотоэлектрическими преобразователями, волоконно-оптическими преобразователями на основе эффекта Саньяка, преобразователями на основе эффекта Холла). При частоте задающего генератора 30 МГц и радиусе кольцевого пьезоэлектрического волновода 10 мм потенциальная разрешающая способность акустоэлектронного преобразователя угловой скорости меньше 1 об/мин. в динамическом диапазоне до 30000 об/мин. и больше. Теоретические соотношения и результаты численных расчетов позволяют обосновывать конструктивные и электрические параметры в зависимости от заданных метрологических характеристик преобразователя угловой скорости