АКСЕЛЕРОМЕТР 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 ускорений подвижных объектов.

Известен акселерометр с преобразователями поверхностных акустических волн, содержащий основание, чувствительный элемент (ЧЭ), выполненные на каждой основной поверхности ЧЭ линии задержки (ЛЗ) с входными и выходным встречно-штыревыми преобразователями (ВШП), ПАВ-автогенераторы на линиях задержки, образованные включением усилителя между входными и выходными ВШП, смеситель частот, частотомер [1].

В таком акселерометре не обеспечивается идентичность температурных условий для линий задержки на разных поверхностях ЧЭ, что вызывает температурную погрешность акселерометра.

Большая точность достигается в принятом за прототип акселерометре, содержащем основание, чувствительный элемент, не менее двух линий задержки, ПАВ-автогенераторы на линиях задержки, формирователи импульсов, соединенные с ПАВ-автогенераторами [2].

Однако в данном акселерометре также не обеспечивается температурная стабилизация, что снижает точность и надежность работы акселерометра.

Целью изобретения является повышение надежности и точности измерений акселерометра.

Поставленная цель достигается тем, что в акселерометр, выполненный на основе преобразователей ПАВ и содержащий основание, ЧЭ не менее двух линий задержки с входными и выходными ВШП, включением усилителей между которыми образованы ПАВ-автогенераторы, подключенные к соответствующим формирователям импульсов, введены электронный терморегулятор, резистивные обогреватели, подключенные к электронному терморегулятору, причем терморегулятор выполнен из регистра, последовательно соединенных сумматора кодов, блока вычитания кодов, реверсивного счетчика, электронного ключа, причем выход регистра соединен с вторым входом блока вычитания кодов, знаковый и кодовый выходы блока вычитания кодов соединены соответственно с разрешающим и информационными входами реверсивного счетчика, в акселерометр введены счетчики-регистры, каждый из которых включен между выходами соответствующего формирователя импульсов и одним из двух входов сумматора кодов, а также управляющий генератор, соединенный своими выходами с вторым и третьим входами счетчиков-регистров, с разрешающими входами сумматора кодов и блока вычитания кодов, с входом обнуления и счетным входом реверсивного счетчика.

Включение после формирователей импульсов счетчиков-регистров позволяет преобразовать сигналы ПАВ-автогенераторов в код и использовать в электронном терморегуляторе устройства цифровой обработки сигналов акселерометра: сумматор кодов, блок вычитания кодов, регистр и реверсивный счетчик. Регистр служит задатчиком уставки температуры термостатиро- вания, в котором заложен код суммарной частоты ПАВ-автогенераторов. Реверсивный счетчик вместе с электронным ключом служит для управления мощностью обогрева в зависимости от величины и знака рассогласования температуры термостатиро- вания от заданной.

Задание уставки температуры в регистре с помощью кода суммарной частоты ПАВ-автогенераторов повышает точность термостатирования, так как остается неизменным в отличие от частоты генератора тактовой частоты.

Зависимость мощности обогрева от величины и знака рассогласования позволяет повысить точность терморегулирования, так как повышается точность поддержания температуры вследствие устранения недорегулирования и перегулирования. Возмож- ность регулирования мощностью обогрева в зависимости от знака рассогласования повышает надежность акселерометра вследствие устранения выхода из строя элементов акселерометра из-за перегрева.

Повышение точности терморегулирования повышает точность измерений акселерометра в 2...5 и более раз.

На фиг.1 показана конструкция первого варианта акселерометра; на фиг.2 - чувствительный элемент; на фиг.3 - структурная схема акселерометра; на фиг. 4 и 5 - виды выполнения ЧЭ второго варианта исполнения акселерометра; на фиг.6 - его структурная схема.

Акселерометр имеет основание 1 и ЧЭ 2, закрепленный в основании 1 и выполненный из пьезоэлектрического материала. На верхней основной поверхности ЧЭ 2 образована первая линия задержки с входным ВШП 3 и выходным ВШП 4. На нижней основной поверхности ЧЭ 2 образована вторая линия задержки с входным ВШП 5 и выходным ВШП 6. Акселерометр закрыт крышкой 7.

На верхней и нижней основных поверхностях ЧЭ 2 расположены резистивные обогреватели 8.

На структурной схеме акселерометра в соответствии с конструкцией по фиг. 1 включением усилителя 9 между входным ВШП 3 и выходным ВШП 4 первой линии задержки образован первый ПАВ-автогенератор. Включением усилителя 9′ между входным ВШП 5 и выходным ВШП 6 второй линии задержки образован второй ПАВ-автогенератор.

К выходу усилителя 9 первого ПАВ-автогенератора подключена цепь из последовательно соединенных формирователя импульсов 10 и счетчика-регистра 11. К выходу усилителя 9′ второго ПАВ-автогенератора подключена цепь из последовательно соединенных формирователя импульсов 10′ и счетчика-регистра 11′.

Первые выходы счетчиков-регистров 11, 11′ соединены с двумя входами сумматора 12 кодов электронного терморегулятора, содержащего кроме того регистр 13 и последовательно соединенные блок 14 вычитания кодов, реверсивный счетчик 15, электронный ключ 16, к выходу которого подключены резистивные обогреватели 8. Выход первого регистра 13 соединен с вторым входом блока 14. Знаковый выход блока 14 соединен с разрешающим входом реверсивного счетчика 15, кодовый блока 14 соединен с информационным входом реверсивного счетчика 15. На электронный ключ 16 подается напряжение питания обогрева U_об. Для получения кода ускорения вторые выходы счетчиков-регистров 11, 11′ соединены с двумя входами второго блока 17 вычитания кодов, выход которого является выходным сигналом акселерометра.

Выход а управляющего генератора 18 связан с вторыми входами счетчиков-регистров 11, 11′, выход б - с третьими входами счетчиков-регистров 11, 11′ и с разрешающими входами сумматора 12 кодов, второго блока 17 вычитания кодов, выход в - с разрешающим входом блока 14 вычитания кодов, выход г - с входом обнуления реверсивного счетчика 15, выход д - со счетным входом реверсивного счетчика 15.

В варианте выполнения ЧЭ 2 (фиг.4) из пьезоэлектрического материала заодно с неподвижной частью 19 входной ВШП 3 и выходной ВШП 4 первой линии задержки выполнены на одной стороне неподвижной части 19. На такой же поверхности ЧЭ 2 выполнены входной ВШП 20 и выходной ВШП 21 первой ЛЗ на ЧЭ 2. Резистивные обогреватели 8 образованы на ЧЭ 2 и неподвижной части 19.

На второй поверхности неподвижной части 19 выполнена вторая линя задержки с входным ВШП 5 и выходным ШВП 6, на этой же поверхности ЧЭ 2 образованы входной ВШП 22 и выходной ВШП 23 второй линии задержки на ЧЭ 2 (фиг. 5).

На структурной схеме (фиг.6) второго варианта акселерометра включением усилителя 9′′ между ВШП 20 и ВШП 21 на ЧЭ 2 образован третий ПАВ-автогенератор, включением усилителя 9′′′ между ВШП 22 и ВШП 23 образован четвертый ПАВ-автогенератор. К выходу третьего ПАВ-автогенератора последовательно подсоединены формирователь 10′′ импульсов и счетчик-регистр 11′′. К выходу четвертого ПАВ-автогенератора подключены последовательно формирователь 10′′′ импульсов и счетчик-регистр 11′′′. Выходы счетчиков-регистров 11′′, 11′′′ подключены к двум входам сумматора 17 кодов, выход которого является выходом акселерометра.

Схема терморегулятора на фиг.6 выполнена аналогично схеме терморегулятора на фиг.3.

Формирователи импульсов могут быть выполнены в виде триггеров Шмитта, сумматор кодов и блоки вычитания кодов - в виде цифровых сумматоров. При суммировании на входы сумматора подаются сигналы в прямом коде. При вычитании на один из входов сумматора подается сигнал в обратном коде.

Акселерометр работает следующим образом.

При отсутствии ускорения на ЧЭ 2 не действует инерционная сила, поэтому нет деформации звукопровода линий задержки на обоих сторонах ЧЭ 2. Частота первого ПАВ-автогенератора с усилителем 9 и линией задержки с ВШП 3 и 4 равна номинальной частоте и частоте второго ПАВ-авто- генератора с усилителем 9′ и линией задержки с ВШП 5 и 6. Из синусоидального выходного сигнала ПАВ-автогенераторов в формирователях импульсов 10, 10′ образуются импульсные сигналы с частотой следования импульсов, равной частоте ПАВ-автогенераторов. В счетчиках-регистрах 11, 11′ из импульсных сигналов формирователей импульсов 10, 10′ формируются цифровые коды частот ПАВ-автогенераторов. Второй блок 17 вычитания кодов производит вычитание из кода, образованного в счетчике-регистре 11, кода, полученного в счетчике-регистре 11′. Так как частоты ПАВ-автогенераторов равны, то равны и их коды. Поэтому при отсутствии ускорения разность кодов на выходе блока 17 вычитания кодов равна нулю, что соответствует сигналу акселерометра об отсутствии ускорения.

При наличии ускорения происходит деформация ЧЭ 2, первая из линий задержки увеличивает свою длину, и в ней происходит деформация растяжения, вторая линия задержки уменьшает свою длину, и в ней происходит деформация сжатия. Частота первого ПАВ-автогенератора увеличивается, второго - уменьшается. На выходе блока 17 вычитания кодов получается разность кодов, равная сумме кодов изменений частот обоих ПАВ-автогенераторов.

Так как частоты ПАВ-автогенераторов равны при отсутствии ускорения а их изменение при наличии ускорения происходит на равные величины, то при одинаковой и постоянной температуре линий задержки на ЧЭ 2, равной температуре термостатирования, сумма частот ПАВ-автогенераторов постоянна и равна удвоенной номинальной частоте одного ПАВ-автогенератора. Поэтому в сумматоре 12 кодов образуется сумма кодов частот обоих ПАВ-автогенераторов, равная удвоенному номинальному коду частоты одного ПАВ-автогенератора.

Для того, чтобы измерять отклонение температуры линий задержки от термостатируемой, в первом регистре 13 записывается код, равный удвоенному коду номинальной частоты одного ПАВ-автогенератора.

Если температура линий задержки на ЧЭ 2 будет меньше температуры термостатирования, то, например, при отрицательном температурном коэффициенте частоты ПАВ-автогенератора частоты обоих ПАВ-автогенераторов увеличивается, их сумма становится больше удвоенной номинальной частоты одного ПАВ-автогенератора, и сумма кодов частот на выходе сумматора 12 кодов будет больше кода, записанного в регистре 13. Тогда в результате вычитания из кода сумматора 12 кодов кода регистра 13 в блоке 14 вычитания кодов на кодовом выходе блока 14 будет получена разность кодов сумматора 12 и регистра 13, на знаковом выходе блока 14 будет получен код знака кода сумматора 12 относительно кода регистра 13.

В том случае, когда температура линий задержки на ЧЭ 2 меньше температуры термостатирования, код знака, поступивший со знакового выхода блока 14 вычитания кодов на разрешающий вход реверсивного счетчика 15, открывает его, и на информационный вход реверсивного счетчика 15 происходит запись кода с выхода блока 14 вычитания кодов. При наличии на информационных входах реверсивного счетчика 15 цифрового кода с выхода блока 14 вычитания кодов на счетный вход по линии д от управляющего генератора подаются счетные импульсы, которыми реверсивный счетчик 15 обнуляется. Число счетных импульсов определяется цифровым кодом, записанным на информационных входах. Время, за которое реверсивный счетчик 15 обнуляется, следовательно, и длительность импульса на входе электронного ключа 16 определяется числом импульсов обнуления и периодом их следования.

Таким образом, в реверсивном счетчике 15 происходит преобразование кода, поступающего с выхода блока 14 вычитания кодов, в длительность импульса, подаваемого на вход электронного ключа 16. Чем больше величина разности кодов, полученной с выхода блока 14 вычитания кодов, тем больше длительность импульса, подаваемого с выхода реверсивного счетчика 15 на вход электронного ключа 16 и открывающего его. Чем больше время открытия электронного ключа 16, тем больше время напряжение питания обогрева поступает с электронного ключа 16 на резистивные обогреватели 8, тем большая мощность обогрева рассеивается на резистивных обогревателях 8.

В результате нагрева температура линий задержки на ЧЭ 2 становится равной температуре термостатирования, частоты ПАВ-автогенераторов уменьшаются, и их сумма становится равной удвоенной номинальной частоте одного ПАВ-автогенератора, сумма кодов на выходе сумматора 12 кодов становится равной коду, записанному в регистре 13. Тогда разность кодов на выходе блока 14 вычитания кодов равна нулю, электронный ключ 16 не открывается, и нагрев линий задержки прекращается.

При повышении температуры линий задержки относительно температуры термостатирования код знака блока 14 вычитания кодов закрывает информационные входы реверсивного счетчика 15, обратный счет реверсивного счета заперт, на вход электронного ключа 16 не поступает импульс на его открытие, и резистивные обогреватели 8 не получают мощности для обогрева линий задержки.

Таким образом в зависимости от знака и величины рассогласования температуры линий задержки на ЧЭ 2 от термостатируемой регулируется мощность обогрева и, температура линий задержки поддерживается постоянной.

Во втором варианте выполнения акселерометра для регулирования температуры используются первая линия задержки с ВШП 3 и 4 и вторая линия задержки с ВШП 5 и 6 на неподвижном основании 19. Работа терморегулятора с этими линиями задержки на неподвижном основании 19 в соответствии с структурной схемой фиг.6 аналогична работе терморегулятора по структурной схеме фиг.3.

Для измерения ускорения во втором варианте выполнения акселерометра используются линии задержки на ЧЭ 2 с ВШП 20-23. Сигнал с первого ПАВ-автогенератора с усилителем 9′′ и линией задержки на ВШП 20 и 21 преобразуется в импульсный с помощью формирователя 10′′ импульсов, затем формируется код частоты в счетчике-регистре 11′′, откуда сигнал поступает на первый вход второго блока 17 вычитания кодов. Сигнал с второго ПАВ-автогенератора с усилителем 9′′′ и линией задержки на ВШП 22 и 23 преобразуется в импульсный в формирователе импульсов 10′′′, в счетчике-регистре 11′′′ образуется код частоты, поступающий на второй вход блока 17 вычитания кодов. После вычитания кодов в блоке 17 вычитания кодов на его выходе получается сигнал об измеряемом ускорении.

С выходов управляющего генератора 18 поступают сигналы управления блоками акселерометра. По линии а поступает сигнал обнуления счетчиков-регистров 11, 11′...11′′′, по линии б - сигналы считывания счетчиков-регистров 11, 11′. . . 11′′′ и обнуления сумматора 12 кодов, блока 17 вычитания кодов. По линии в передается сигнал обнуления первого блока 14 вычитания кодов, по линии г - сигнал обнуления реверсивного счетчика 15, по линии д - счетные импульсы на реверсивный счетчик 15.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к акселерометрам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для измерений ускорений подвижных объектов. Сущность изобретения: в акселерометр, содержащий корпус 1, чувствительный элемент 2, линии задержки на поверхностных акустических волнах 3,4 и 5,6, автогенераторы, формирователи импульсов, введены электронный терморегулятор, резистивные обогреватели, счетчики-регистры, управляющий генератор, а терморегулятор выполнен из регистра, последовательно соединенных сумматора кодов, блока вычитания кодов, реверсивного счетчика, электронного ключа, причем выход регистра соединен с вторым входом блока вычитания кодов, знаковый и кодовый выходы блока вычитания кодов соединены соответственно с разрешающим и информационными входами реверсивного счетчика. 6 ил.

АКСЕЛЕРОМЕТР, выполненный на основе преобразователей поверхностно-акустических волн, содержащий основание, чувствительный элемент, не менее двух линий задержки с входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, включением усилителей между которыми образованы автогенераторы, подключенные к соответствующим формирователям импульсов, отличающийся тем, что в него введены резистивные обогреватели и подключенный к ним электронный терморегулятор, выполненный из регистра, последовательно соединенных сумматоров кодов, блока вычитания кодов, реверсивного счетчика, электронного ключа, причем выход регистра соединен с вторым входом блока вычитания кодов, знаковый и кодовый выходы блока вычитания кодов соединены соответственно с разрешающим и информационными входами реверсивного счетчика, в акселерометр введены счетчики-регистры, каждый из которых включен между выходом соответствующего формирователя импульсов и одним из двух входов сумматора кодов, а также управляющий генератор, соединенный своими выходами с вторым и третьим входами счетчиков-регистров, с разрешающими входами сумматора кодов и блока вычитания кодов, с входом обнуления и счетным входом реверсивного счетчика.