АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1994 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к приборостроению, а более конкретно к системам измерения параметров движения подвижных объектов, и может быть использовано в приборах, измеряющих ускорение объектов.

Известен акселерометр [1], содержащий пъезоэлектрическую подложку, на которой расположены автогенераторы с линиями задержки на поверхностно-акустических волнах (ПАВ).

Это устройство измеряет обусловленные ускорением силы, действующие на подложку в направлении, перпендикулярном к ее поверхности. Величину действующих сил определяют по разности частот двух автогенераторов на ПАВ.

Известен также акселерометр [2], содержащий инерционную массу, закрепленную на подложке из пьезоэлектрического материала, на которой расположены автогенераторы на ПАВ. Подложка установлена в опорной детали, с которой посредством упругих пластин соединена инерционная масса. В этом акселерометре подложка работает на растяжение - сжатие под действием сил, обусловленных ускорением.

Однако установка подложки в опорной детали приводит к возникновению в местах заделки переменных (во времени и от температуры) механических напряжений, приводящих к понижению точности устройства. Жесткость подложки при работе на растяжение-сжатие существенно выше, чем ее жесткость при работе на изгиб, что обуславливает низкую чувствительность устройства. Высокая добротность акселерометра на частоте собственных колебаний (10⁴ Гц), может привести к явлению автозахвата и, следовательно, к недостоверности показаний акселерометра. Кроме того, такой акселерометр сложен в изготовлении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является акселерометр [3], содержащий установленную в корпусе опорную деталь и закрепленную в ней пьезоэлектрическую подложку, на противоположных поверхностях которой расположены два автогенератора на ПАВ. Подложка выполняет функцию инерционной массы и работает на изгиб под действием сил, обусловленных ускорением.

Недостатками известного устройства являются переменные напряжения в местах заделки, приводящие к понижению точности акселерометра, а также неоднородность напряжений в подложке вдоль траектории распространения упругих волн, возникающих под воздействием ускорения, что приводит к понижению стабильности сигналов автогенераторов на ПАВ. Кроме того, низкая точность обусловлена зависимостью масштабного коэффициента акселерометра от длины подложки.

Целью изобретения является повышение точности с сохранением высокой чувствительности при малых габаритах.

Это достигается тем, что в акселерометре, содержащем опорную деталь и подложку, на противоположных поверхностях которой расположены два автогенератора на ПАВ, подложка выполнена с двумя идентичными маятниками на ее противоположных концах, маятники подвешены в опорной детали, их оси подвеса параллельны и расположены друг от друга на расстоянии меньшем, чем расстояние между центрами тяжести маятников, при этом опорная деталь и подложка с маятниками выполнены из одной пластины АТ - среза монокристаллического кварца.

Существенное отличие данного акселерометра заключается в том, что предлагаемая конструкция обеспечивает работу подложки на изгиб под действием момента, обусловленного ускорением, посредством двух идентичных маятников, выполненных на противоположных концах подложки и подвешенных в опорной детали указанным выше образом. Это обеспечивает равномерность напряжений вдоль траектории распространения ПАВ и, следовательно, повышает стабильность сигналов с автогенераторов, а значит повышает точность и обеспечивает высокую чувствительность устройства.

Выполнение опорной детали, подложки и маятников из одной пластины АТ - среза монокристаллического кварца исключает переменные напряжения в местах заделки и, следовательно, также повышает точность устройства.

На фиг.1 и 2 изображен предлагаемый акселерометр.

Он имеет герметичный корпус 1, внутри которого установлена опорная деталь 2. Подложка 3 выполнена с двумя идентичными маятниками 4 на ее противоположных концах, подвешенными в опорной детали 2 так, что оси 5 их подвеса параллельны. Кроме того с целью обеспечения маятниковости расстояние между центрами тяжести L_цт двух маятников 4 больше расстояния между осями 5 подвеса.

Опорная деталь 2, подложка 3, маятники 4 и их оси 5 выполнены из одной пластины АТ - среза монокристаллического кварца, что устраняет проблему заделки. Опорная деталь 2 установлена в корпусе 1 посредством двух кварцевых пластин 6 и четырех прокладок 7. Корпус 1 закрыт крышкой 8.

Опорную деталь 2 с подложкой 3 и маятниками 4 устанавливают в корпусе 1 между пластинами 6 с зазором 30-40 мкм. Величина этого зазора определяется размерами прокладок 7. Таким образом, при заполнении корпуса 1 газом образуется газовый демпфер, гасящий собственные колебания системы маятников 4 с подложкой 3, подвешенных на осях 5 в опорной детали 2.

На фиг.3 изображена подложка.

На противоположных поверхностях подложки 3 расположены два автогенератора на поверхностно-акустических волнах, включенных в дифференциальную схему съема информации.

Каждый автогенератор состоит из усилителя обратной связи 9 и акустической линии задержки 10. Акустические линии задержки 10 расположены на противоположных поверхностях подложки 3 (одна из линий задержки 10 на фиг.2 не показана).

Ось чувствительности предлагаемого акселерометра перпендикулярна плоскости подложки 3 и маятников 4.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.4).

При появлении ускорения W за счет выполнения подложки 3 с идентичными маятниками на концах, подвешенных в опорной детали, на подложку 3 действует момент М сил инерции, обусловленных этим ускорением, а именно
M = ml W_z, (1) где m - масса маятника 4;
l - плечо маятника 4;
W_z - проекция ускорения W на ось чувствительности.

Под воздействием момента М подложка 3 изгибается. При этом длина нейтральной плоскости изгиба остается постоянной, верхние волокна растягиваются, а нижние сжимаются. Вследствие этого частота одного автогенератора уменьшается, а другого увеличивается по сравнению с исходным значением.

Изменение частоты автогенераторов прямо пропорционально возникающим напряжениям в подложке 3, а следовательно, и величине M:
Δ f = KM, (2) где Δ f - изменение частоты автогенератора;
К - коэффициент пропорциональности.

Тогда частота одного автогенератора будет равна
f₁ = f₀₁ - Δ f, (3) где f₀₁ - частота генератора в исходном состоянии (при отсутствии ускорения);
f₁ - текущая частота автогенератора.

Частота другого автогенератора равна
f₂ = f₀₂ + Δ f, (4)
где f₀₂ - частота автогенератора 10 в исходном состоянии (при отсутствии ускорения);
f₂ - текущая частота автогенератора 10.

Таким образом на выходе смесителя, осуществляющего вычитание частот, появляется сигнал, соответствующий следующему соотношению:
f_вых = f₂ - f₁ = (f₀₂ + Δ f) -
- (f₀₁ - Δ f) = f₀₂ - f₀₁ + 2 Δ f. (5)
Величина частоты (f₀₂ - f₀₁) значительно меньше величины f₀₁ или f₀₂
(f₀₁ и f₀₂ ≈ 10⁷ Гц, а f₀₂ - f₀₁ ≈ 10⁴ Гц)
Ее величину выбирают исходя из диапазона измерений и крутизны характеристики, так чтобы (f₀₂ - f₀₁) >2 Δ f. Это существенно облегчает учет знака проекции ускорения на ось чувствительности прибора при обработке информации.

Исходя из формул (1), (2), (5)
f_вых = (f₀₂ - f₀₁) + 2Kml ˙ W_z (6) или, так как (f₀₂ - f₀₁) = const то
Δ f = 2Kml ˙ W_z . (7)
Формула (7) определяет характеристику предлагаемого устройства.

Благодаря тому, что при нагружении подложки 3 чистым моментом М напряжения в ней равномерны вдоль по ее длине (а следовательно, они равномерны и вдоль траектории распространения ПАВ), стабильность сигналов с автогенераторов улучшается. Это приводит к уменьшению дрейфа нуля на выходе смесителя.

Таким образом предлагаемая конструкция акселерометра обеспечивает высокую стабильность сигналов с автогенераторов на ПАВ, что обуславливает высокую чувствительность акселерометра и, следовательно, существенно повышает его точность.

Предлагаемый акселерометр, выполненный в габаритах прототипа, будет иметь примерно на порядок большую точность и существенно большую чувствительность.

Кроме того, наличие в конструкции акселерометра двух маятников, работающих в малом рабочем зазоре, существенно увеличивает виброустойчивость прибора за счет значительного демпфирования, созданного малым зазором.

Использование: в авиационном приборостроении, в частности в акселерометрах. Сущность изобретения: акселерометр содержит опорную деталь, подложку, два автогенератора на поверхностно-акустических волнах. Подложка выполнена с двумя идентичными маятниками на ее противоположных концах. Маятники подвешены в опорной детали. Их оси параллельны и расположены друг от друга на расстоянии, меньшем расстояния между центрами тяжести маятников. При этом опорная деталь и подложка с маятниками выполнены из одной пластины АТ-среза монокристаллического кварца. 4 ил.

АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий установленные внутри корпуса опорную деталь и подложку, на поверхностях которой расположены по одному генератору на поврехностных акустических волнах, отличающийся тем, что, с целью повышения точности с сохранением высокой чувствительности при малых габаритах, подложка выполнена в виде двух идентичных маятников на ее противоположных концах, маятники подвешены на торсионах в опорной детали и соединены между собой упругой перемычкой, причем оси подвеса маятников параллельны друг другу и расположены друг от друга на расстоянии меньшем, чем расстояние между центрами тяжести маятников, а опорная деталь и подложка с маятниками выполнены из одной пластины АТ-среза монокристаллического кварца.