АКСЕЛЕРОМЕТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 1994 года по МПК G01P15/08 G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к акселерометрам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для измерения ускорения подвижных объектов.

Известен акселерометр с преобразователями ПАВ, имеющий основание и закрепленный в нем консольный чувствительный элемент (ЧЭ), две линии задержки, выходные встречно-штыревые преобразователи (ВШП) которых расположены на основных поверхностях ЧЭ, входные ВШП - на торцовых плоскостях основания, имеющий ПАВ-автогенераторы на линиях задержки, полученные включением усилителя между входным и выходным ВШП, смеситель частот [1].

Такой акселерометр имеет низкую разрушающую способность, ограниченную предельно допустимой деформацией ЧЭ.

Большей разрушающей способностью обладает принятый за прототип акселерометр, содержащий консольный чувствительный элемент, закрепленный на основании, линии задержки с входными и выходными ВШП на каждой поверхности основания, обращенной к основным поверхностям ЧЭ, дополнительный измерительный ВШП на каждой основной поверхности ЧЭ, ПАВ-автогенераторы, каждый из которых образован усилителем, включенным между входным и выходным ВШП линии задержки, электронное устройство преобразования сигналов дополнительных измерительных ВШП, дифференциальный обратный преобразователь, элементы которого размещены на ЧЭ и основании [2].

Недостатками такого акселерометра являются температурная погрешность, вызванная неидентичностью температурных условий линии задержки на основании, наличие зоны нечувствительности на нижнем пределе измерений вследствие технологических допусков на изготовление элементов акселеромтера. Кроме того, увеличиваются габариты акселерометра вследствие того, что необходимо увеличивать длину линий задержки, чтобы разместить в ее пределах дополнительный измерительный ВШП.

Целью изобретения является повышение точности измерений и миниатюризация конструкции акселерометра.

Данная цель достигается в акселерометре на ПАВ, содержащем консольный чувствительный элемент, закрепленный на основании, линии задержки с входными и выходными ВШП преобразователями, дополнительные измерительные ВШП, ПАВ-автогенераторы, каждый из которых образован усилителем, включенным между входным и выходным ВШП линии задержки, электронное устройство цепи прямого преобразования сигналов дополнительных измерительных ВШП, подключенный к выходу электронного устройства дифференциальный обратный преобразователь, элементы которого размещены на ЧЭ и основании, тем, что линии задержки выполнены на обеих основных поверхностях ЧЭ на расстоянии не более четверти длины волны ПАВ от ВШП ЧЭ на каждой поверхности основания, обращенной к основной поверхности ЧЭ, образован дополнительный измерительный ВШП, при этом апертура выходного ВШП составляет не менее суммарной апертуры дополнительного измерительного ВШП и входного ВШП, дополнительный измерительный ВШП и входной ВШП расположены по разные стороны относительно оси пучка волн выходного ВШП в пределах его апертуры.

Дополнительный и входной ВШП расположены по одну сторону от выходного ВШП.

При расположении линий задержки на ЧЭ они находятся в более идентичных температурных условиях, так как разделены тонкой пластиной ЧЭ, что обеспечивает малое температурное сопротивление для температур линий задержки. Расположение линий задержки на ЧЭ обеспечивает изменение частот ПАВ-автогенераторов при малых деформациях на нижнем пределе измеряемых ускорений, что выражается в изменении выходного сигнала акселерометра.

При апертуре выходного ВШП большей суммарной апертуры и дополнительного ВШП, расположении входного и дополнительного измерительного ШВП по обе стороны относительно оси пучка волн выходного ВШП в пределах его апертуры обеспечивается получение сигнала с ПАВ-автогенераторов на дополнительных измерительных ВШП по каналу распространения волн, не совпадающему с каналом распространения волн от выходного ВШП к входному ВШП.

Выполнение расстояния между линиями задержки на ЧЭ и дополнительными измерительными ВШП на основании, не большего четверти длины волны ПАВ, обеспечивает передачу сигналов ПАВ-автогенераторов с ЧЭ на дополнительные измерительные ВШП на основании и стопроцентную частотную модуляцию выходного сигнала акселерометра.

Разделение каналов распространения волн путем выполнения апертуры выходного ВШП, не меньшей суммарной апертуры входного ВШП и дополнительного измерительного ВШП расположение входного и дополнительного измерительного ВШП по обе стороны относительно пучка волн выходного ВШП в пределах его апертуры позволяет выполнить входной ВШП и дополнительный измерительный ВШП по одну сторону от выходного ВШП. Разделением каналов распространения волн, выполнением входного ВШП и дополнительного измерительного ВШП по одну сторону от выходного ВШП, расположением дополнительных измерительных ВШП на основании достигается то, что отпадает необходимость в выполнении линии задержки большой длины для размещения между входным и выходным ВШП дополнительного измерительного ВШП.

Обеспечение идентичных температурных условий для линий задержки приводит к уменьшению температурной погрешности акселерометра. Изменение выходного сигнала акселерометра за счет изменения частот ПАВ-автогенераторов при малых деформациях на нижнем пределе измерения вызывает увеличение порога чувствительности акселерометра. Стопроцентная частотная модуляция выходного сигнала акселерометра приводит к повышению его разрешающей способности. Уменьшение температурной погрешности, увеличение разрешающей способности и порога чувствительности обеспечивают повышение точности измерений акселерометра.

Выполнением входного и дополнительного измерительного ВШП по одну сторону от выходного ВШП, размещением дополнительного измерительного ВШП вне пределов габаритов ЧЭ, уменьшением длин линий задержки достигается уменьшение габаритов ЧЭ и акселерометра.

На фиг.1 приведен предлагаемый акселерометр; на фиг.2 - ЧЭ; на фиг.3 - основание акселерометра; на фиг.4 - структурная схема акселерометра.

Акселерометр имеет основание 1 и закрепленный в нем консольный УЭ 2. На одной основной поверхности ЧЭ 2 расположены входной ВШП 3, выходной ВШП 4 и компенсационная катушка 5 первой половины дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразова- теля. На второй основной поверхности ЧЭ 2 расположены входной ВШП 6, выходной ВШП 7 и компенсационная катушка 8 второй половины дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразова- теля.

На первой поверхности основания 1, обращенной к основной поверхности ЧЭ 2 с ВШП 3 и 4, образован дополнительный измерительный ВШП 9 и расположена магнитная система 10 первой половины дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразователя. На второй поверхности основания 1, обращенной к второй основной поверхности ЧЭ 2, образован дополнительный измерительный ВШП 11 и расположена магнитная система 12 второй половины дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразова- теля. Расстояние d между дополнительным измерительным ВШП 9 на первой поверхности основания 1 и ВШП 3 и 4 на первой поверхности ЧЭ 2 составляет не более четверти длины волны ПАВ. Такое же расстояние d между дополнительным измери- тельным ВШП 11 на второй поверхности основания 1 и ВШП 6 и 7 на второй основной поверхности ЧЭ 2. Акселерометр закрыт крышкой 13. Выходной ВШП 4 на первой основной поверхности ЧЭ 2 имеет апертуру W₁, ось его пучка волн направлена по Х-Х. Входной ВШП 3 имеет апертуру W₂ и расположен в пределах апертуры W₁ выходного ВШП 4 по одну из сторон относительно оси Х-Х пучка волн выходного ВШП 4.

Дополнительный измерительный ВШП 9 на первой поверхности основания 1, обращенной к первой основной поверхности ЧЭ 2 с ВШП 3 и 4, имеет апертуру W₃, расположен в пределах апертуры W₁ выходного ВШП 4 на ЧЭ 2 по другую сторону относительно оси Х-Х пучка волн выходного ВШП 4. Таким образом, апертура W₁ выходного ВШП 4 составляет не менее суммарной апертуры W₂ входного ВШП 3 и апертуры W₃ дополнительного измерительного ВШП 9, дополнительный измерительный ВШП 9 и входной ВШП 3 лежат в пределах апертуры W₁ выходного ВШП 4 по разные стороны относительно оси пучка волн выходного ВШП 4.

Аналогичным образом выполнены входной ВШП 6, выходной ВШП 7 на второй основной поверхности ЧЭ 2, а также дополнительный измерительный ВШП 11 на второй поверхности основания 1. Для осуществления ПАВ-преобразований либо ЧЭ 2 выполняется из пьезоэлектрического материала, либо методом напыления в области расположения ВШП 3, 4, 6, 7, 9 и 11 образуется пленка из пьезоэлектрического материала, например окиси цинка.

В акселерометре включением усилителя 14 между входным ВШП 3 и выходным ВШП 4 образован первый ПАВ-автогенератор, включением усилителя 15 между входным ВШП 6 и выходным ВШП 7 - второй ПАВ-автогенератор. Дополнительный измерительный ВШП 9 подключен к усилителю 16 высокой частоты, соединенному с частотно-импульсным модулятором 17, к выходу которого подключена компенсационная катушка 5 первой половины дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразователя. К дополнительному измерительному ВШП 11 подключен усилитель 18 высокой частоты, выход которого соединен с входом частотно-импульсного модулятора 19, подключенного своим выходом к компенсационной катушке 8 второй половины дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразователя. К выходам частотно-импульсных модуляторов 17 и 19 подключены два входа реверсивного счетчика 20.

Акселерометр работает следующим образом.

Первый ПАВ-автогенератор с входным ВШП 3, выходным ВШП 4 и усилителем 14 генерирует сигнал с основной частотой f_о. Второй ПАВ-автогенератор с входным ВШП 6, выходным ВШП 7 и усилителем 15 также генерирует сигнал с основной частотой f_о. В это время при отсутствии ускорения ЧЭ 2 находится в среднем положении относительно поверхностей основания 1, противолежащих основным поверхностям ЧЭ 2. При этом расстояние между ВШП 3 и 4 на ЧЭ 2 и дополнительным измерительным ВШП 9 на основании 1, а также между ВШП 6 и 7 на ЧЭ 2 и дополнительным измерительным ВШП 11 на основании 1 составляют не более четверти длины волны ПАВ. В результате электрические поля в пьезоэлектрике в местах расположения ВШП 3, 4, 6 и 7, возбуждаемые при прохождении ПАВ во время работы ПАВ-автогенераторов, наводят в дополнительных измерительных ВШП 9 и 11 электрические сигналы с основной частотой f_о, соответствующей основной частоте обоих ПАВ-автогенераторов. Сигнал с частотой f_о от ВШП 9 поступает на усилитель 16 высокой частоты, усиленный сигнал преобразуется в частотно-импульсном модуляторе 17 в импульсный с частотой f_о следования импульсов, амплитудой U_о и длительностью импульса τ. С выхода частотно-импульсного модулятора 17 импульсы подаются в компенсационную катушку 5 первой половины дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразователя. В результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита магнитной системы 10 с магнитным полем, создаваемым током компенсационной катушки 5 возникает сила, направленная в сторону ЧЭ 2. Аналогично сигнал с ВШП 11 после усиления в усилителе 18 высокой частоты и преобразования в частотно-импульсном модуляторе 19 поступает в компенсационную катушку 8 второй половины дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразователя, и во второй половине дифферен- циального магнитоэлектрического преобразователя создается сила, направленная также в сторону ЧЭ 2. Так как частоты, амплитуды и длительности импульсов в компенсационных катушках 5 и 10 равны, то равны и создаваемые ими силы. А вследствие того, что обе силы направлены в сторону ЧЭ 2, то их равнодействующая равна нулю. Поэтому ЧЭ 2 остается в нейтральном положении, и в результате вычитания в реверсивном счетчике 20 сигналов одинаковых частот f_о с частотно-импульсных модуляторов 17 и 19 на выходе реверсивного счетчика 20 получается разность импульсов, равная нулю, что свидетельствует об отсутствии ускорения. При наличии ускорения, направленного перпендикулярно основным поверхностям ЧЭ 2, например, так, что ЧЭ 2 перемещается в сторону основания 1 с ВШП 11, происходит деформация ЧЭ 2. При этом при небольших ускорениях, когда расстояния d между ВШП 3, 4 и 9, а также между ВШП 6, 7 и 11 составляют около четверти длины волны ПАВ, частота первого ПАВ-автогенератора увеличивается, электрические поля пьезоэлектрика возбуждают в ВШП 9 сигнал уменьшенной частоты первого ПАВ-автогенератора и в ВШП 11 сигнал увеличенной частоты второго ПАВ-автогенератора. В результате с выхода частотно-импульсного модулятора 17 на компенсационную катушку 5 следуют импульсы меньшей частоты, с выхода частотно-импульсного модулятора 19 на компенсационную катушку 8 поступают импульсы большей частоты, первая половина дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразователя с компенсационной катушкой 5 и магнитной системой 10 создает меньшую силу, вторая половина обратного преобразователя с компенсационной катушкой 8 и магнитной системой 12 создает большую силу, и возникает разность сил, возвращающая ЧЭ 2 в нейтральное положение. На выходе реверсивного счетчика 20 получается разность импульсов, отличная от нуля и показывающая величину измеряемого ускорения.

При большем ускорении, когда расстояние d между ВШП 3, 4 и 9 становится более четверти длины волны, а расстояние между ВШП 6, 7 и 11 остается меньшим четверти длины волны ПАВ, электрические поля в пьезоэлектрике ЧЭ 2 возбуждают электрический сигнал еще более увеличенной частоты второго ПАВ-автогенератора в ВШП 11, но уже не возбуждают сигнал первого ПАВ-автогенератора в ВШП 9. В результате создается сила большей величины, обуслов- ленная большей частотой импульсов с выхода частотно-импульсного модулятора 19, только второй половиной дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразователя, образованной компенса- ционной катушкой 8 и магнитной системой 12. Эта сила возвращает ЧЭ 2 в исходное положение. На выходе реверсивного счетчика 20 получается разность импульсов большой величины, обусловленная частотой второго ПАВ-автогенератора и характеризующая большую величину ускорения.

При ускорении противоположного знака ЧЭ 2 смещается в сторону поверхности основания 1 с ВШП 9, и большая сила создается первой половиной дифференциального магнитоэлектрического обратного преобразователя, состоящей из компенсационной катушки 5 и магнитной системы 10. Поэтому и в этом случае при балансе инерционных и компенсационных сил ЧЭ 2 возвращается в нейтральное положение.

При больших ускорениях расстояние d между ВШП 6 и 7 на ЧЭ 2 и ВШП 11 на основании 1 становится большем четверти длины волны ПАВ, и электрическое поле пьезоэлектрика не возбуждает сигнал второго ПАВ-автогенератора в ВШП 11. Зато расстояние между ВШП 3 и 4 на ЧЭ 2 и ВШП 9 на основании 1 остается меньшим четверти длины волны, что обеспечивает передачу сигнала первого ПАВ-автогенератора на ВШП 9.

Величина ускорения получается с кодового выхода, а знак ускорения - с знакового выхода реверсивного счетчика 20.

Измеряемое ускорение "а" пропорционально количеству импульсов N, получаемых с выход реверсивного счетчика 20,
a = K N, где К - коэффициент преобразования акселерометра.

Использование: изобретение относится к измерительной технике, а именно к акселерометрам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для измерения ускорений подвижных объектов. Сущность изобретения: в акселерометре, содержащем основание 1 с консольным чувствительным элементом 2, линии задержки с входными 3 и 6 и выходными 4 и 7 встречно - штыревыми преобразователями (ВШП), дополнительные измерительные ВШП 9 и 11, ПАВ-автогенераторы на линиях задержки, электронное устройство преобразования сигналов ВШП 9 и 11, дифференциальный обратный преобразователь, линии задержки выполнены на основных поверхностях чувствительных элементов. На расстоянии не более четверти длины волны ПАВ от ВШП 3,4 и 5,6 на двух поверхностях основания образованы дополнительные измерительные ВШП 9 и 11, при этом апертура выходного ВШП составляет не менее суммарной апертуры выходного и дополнительного измерительного ВШП. Дополнительный измерительный ВШП и входной ВШП на каждой стороне чувствительного элемента расположены по разные стороны от оси пучка волн выходного ВШП. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. АКСЕЛЕРОМЕТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ, содержащий консольный чувствительный элемент, закрепленный на основании, линии задержки с входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, дополнительные измерительными встречно-штыревые преобразователи, автогенераторы, каждый из которых образован усилителем, включенным между входным и выходным встречно-штыревым преобразователем линии задержки, электронное устройство цепи прямого преобразования сигналов дополнительных измерительных встречно-штыревых преобразователей, подключенный к выходу электронного устройства дифференциальный обратный преобразователь, элементы которого размещены на чувствительном элементе и основании, отличающийся тем, что линии задержки выполнены на обеих основных поверхностях чувствительного элемента, дополнительный измерительный встречно-штыревой преобразователь образован на расстоянии не более четверти длины волны от встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента на каждой поверхности основания, обращенной к основной поверхности чувствительного элемента, при этом апертура выходного встречно-штыревого преобразователя составляет не менее суммарной апертуры дополнительного измерительного встречно-штыревого преобразователя и входного встречно-штыревого преобразователя, дополнительный встречно-штыревой преобразователь и входной встречно-штыревой преобразователь расположены по разные стороны относительно оси пучка волн выходного встречно-штыревого преобразователя в пределах его апертуры. 2. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что дополнительный встречно-штыревой преобразователь и входной встречно-штыревой преобразователь расположены по одну сторону от выходного встречно-штыревого преобразователя.