АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерительным преобразователям линейных ускорений на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с прямым преобразованием.

Известен акселерометр на ПАВ, содержащий корпус, установленный в нем чувствительный элемент (ЧЭ), линии задержки на двух сторонах чувствительного элемента, включающие входной и выходной встречно-штыревые преобразователи (ВШП), содержит автогенераторы на линиях задержки, образованные включением усилителя между входным и выходным ВШП, смеситель частот, частотомер [1]
Такой акселерометр имеет невысокую разрешающую способность вследствие малой величины изменения частот автогенераторов, лимитируемой допустимой величиной деформации чувствительного элемента.

Повышение разрешающей способности обеспечивает с помощью акселерометра, который принят за прототип. Он содержит корпус с закрепленным в нем чувствительным элементом, две расположенные по разные стороны от основных поверхностей чувствительного элемента неподвижные пластины с линиями задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) на них, автогенераторы на линиях задержки, образованные включением усилителя между входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями линий задержки, причем поверхности чувствительного элемента, расположенные над линиями задержки, выполнены металлизированными [2]
Недостатком такого акселерометра является погрешность измерений, вызванная изменением частот автогенераторов вследствие температурных деформаций чувствительного элемента и корпуса.

Целью изобретения является повышение точности измерения ускорений.

Цель достигается в акселерометре, содержащем корпус с закрепленным в нем чувствительным элементом, две неподвижные пластины на корпусе, расположенные по разные стороны от основных поверхностей ЧЭ с линиями задержки на поверхностных акустических волнах, автогенераторы на линиях задержки, образованные включением усилителя между входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями линий задержки, причем поверхности ЧЭ, расположенные над линиями задержки, выполнены металлизированными, введена пластина, в которой образованы внешние неподвижные части, заключенные между ними два чувствительных элемента, которые отделены по периферии от внешних неподвижных частей и соединены с ними упругой перемычкой, проходящей от одной внешней неподвижной части к другой и разделяющей чувствительные элементы, пластина установлена в корпусе с помощью внешних неподвижных частей с местами их крепления на продольной оcи упругой перемычки, на каждой неподвижной пластине образованы две линии задержки, расположенные симметрично относительно оси упругой перемычки, металлизированные участки, образованные на чувствительных элементах, расположены напротив каждой из линий задержки, расстояние d между близлежащими основными поверхностями чувствительных элементов и неподвижных пластин корпуса составляет около d (λ/4 f), где λ длина волны ПАВ; f максимальный прогиб каждого из чувствительных элементов в диапазоне измерений, образованы автогенераторы на новых линиях задержки, введены формирователи импульсов, вход каждого из которых подключен к выходу одного из автогенераторов, введены счетчики-регистры, вход каждого из которых подключен к выходу одного из формирователей импульсов, блоки вычитания кодов, блок суммирования кодов, генератор управляющих сигналов, причем к двум входам каждого блока вычитания кодов частот подключены выходы счетчиков-регистров, находящихся в цепи преобразования сигналов от двух линий задержки, расположенных на противоположных неподвижных пластинах корпуса по разные стороны от продольной оси перемычки, выходы блоков вычитания кодов подключены к двум входам блока суммирования кодов, выходы генератора управляющих сигналов соединены с вторыми и третьим входами счетчиков-регистров, с разрешающими входами блоков вычитания кодов и блока суммирования кодов.

В варианте выполнения акселерометра упругая перемычка образована двумя канавками, разделяющими чувствительные элементы на их двух противоположных основных поверхностях.

На фиг.1 показана пластина с чувствительными элементами; на фиг.2 акселерометр, общий вид; на фиг.3 неподвижная пластина корпуса с линиями задержки; на фиг.4 показан вариант выполнения упругой перемычки; на фиг.5 разрез А-А на фиг.1; на фиг.6 разрез Б-Б на фиг.4; на фиг.7 показана структурная схема акселерометра.

Во внутренней подвижной части пластины 1 образованы первый чувствительный элемент 2 и второй чувствительный элемент 3, соединенные между собой и двумя внешними неподвижными частями 4,5 упругой перемычкой 6, проходящей от внешней неподвижной части 4 к внешней неподвижной части 5 через внутреннюю подвижную часть пластины 1 и делящей ее так, что чувствительные элементы 2,3 расположены симметрично относительно продольной оси Х-Х упругой перемычки 6 (фиг.1). Внешние неподвижные части 4,5 отделены от периферии чувствительных элементов 2,3, за исключением мест соединения с упругой перемычкой 6. Таким образом чувствительные элементы 2,3 обладают маятниковостью и степенью свободы углового перемещения относительно оси Х-Х.

Акселерометр имеет корпус, состоящий из двух частей 7 и 7', между стойками 8,9 которых закреплена пластина 1 по поверхностям внешних неподвижных частей 4,5 так, что места крепления находятся на продольной оси Х-Х упругой перемычки 6. В первой части корпуса 7 размещена неподвижная пластина 10, на которой образованы первая линия задержки с входным ВШП 11 и выходным ВШП 12 и вторая линия задержки с входным ВШП 11' и выходным ВШП 12'. Первая и вторая линии задержки расположены симметрично относительно оси Х-Х упругой перемычки 6. Во второй части корпуса 7' установлена неподвижная пластина 13 с третьей линией задержки на входном ВШП 14, выходном ВШП 15 и с четвертой линией задержки с входным ВШП 14' и выходным ВШП 15'. Третья и четвертая линии задержки также расположены симметрично относительно оси Х-Х упругой перемычки 6. Неподвижные пластины 10, 13 находятся по разные стороны от основных поверхностей чувствительных элементов 2,3 и выполнены из пьезоэлектрического материала. Напротив линий задержки на корпусе на одной поверхности чувствительного элемента 2 расположен металлизированный участок 16, на второй поверхности металлизированный участок 16'. На чувствительном элементе 3 расположены металлизированные участки 17,17'.

Расстояние d между основными поверхностями чувствительных элементов 2,3 и поверхностями подвижных пластин 10,13 на частях 7,7' корпуса составляют около d= (λ/4 f), где λ длина волны ПАВ; f максимальный прогиб каждого из чувствительных элементов 2,3 в диапазоне измерений.

На примере неподвижной пластины 10 в части корпуса 7 показано выполнение входного ВШП 11 и выходного ВШП 12 первой линии задержки, входного ВШП 11' и выходного ВШП 12' второй линии задержки (фиг.3).

Во втором варианте выполнения упругой перемычки 6 она образована двумя канавками, разделяющими чувствительные элементы 2,3 на их двух противоположных основных поверхностях (фиг.4). На разрезе пластины 1 в плоскости по оси Х-Х упругой перемычки 6 в соответствии с фиг.2 упругая перемычка 6 проходит по нижним сторонам внешних неподвижных частей 4,5 и чувствительных элементов 2,3 (фиг.5).

На разрезе упругой перемычки 6 во втором варианте ее выполнения упругая перемычка 6 проходит посередине внешних неподвижных частей 4, 5 и чувствительных элементов 2,3 (фиг.6).

При включении усилителя 18 между входным 11 и выходным 12 ВШП первой линии задержки на пластине 10 образован первый автогенератор, к выходу которого подключен вход формирователя 19 импульсов (фиг.7). Включением усилителя 18' между ВШП 11' и 12' второй линии задержки, расположенной симметрично первой линии задержки относительно оси упругой перемычки 6, образован второй автогенератор с подключенным к его выходу входом формирователя 19' импульсов. Третий автогенератор образован включением усилителя 18'' к ВШП 14,15 третьей линии задержки на неподвижной пластине 13 части корпуса 7', и его выход соединен с входом формирователя 19'' импульсов. При включении усилителя 18''' между входным 14' и выходным 15' ВШП четвертой линии задержки на пластине 13 образован четвертый автогенератор, соединенный своим выходом с входом формирователя 19''' импульсов.

Последовательно с каждым из формирователей 19 импульсов, 19'',19''' соединен один из соответствующих счетчиков-регистров 20,20',20'''. Выход счетчика-регистра 20, включенного в цепь преобразования сигнала от первой линии задержки на неподвижной пластине 10, а также выход счетчика-регистра 20''', включенного в цепь преобразования сигнала от четвертой линии задержки, расположенной на пластине 13 по другую сторону от чувствительных элементов 2,3 и по другую сторону от оси Х-Х упругой перемычки 6 относительно первой линии задержки, подключены к входам блока 21 вычитания кодов.

Выходы счетчиков-регистров 20',20'', подключенных соответственно к цепям преобразования сигналов от второй и третьей линий задержки, расположенных по разные стороны от основных поверхностей чувствительных элементов 2,3 и от оси Х-Х упругой перемычки 6, соединены с двумя входами блока 21' вычитания кодов.

Кодовые выходы блоков 21, 21' вычитания кодов подключены к двум кодовым входам блока 22 суммирования кодов, знаковые выходы блоков 21,21' вычитания кодов к знаковым входам блока 22 суммирования кодов, со знакового и кодового выходов которого поступает выходной сигнал акселерометра.

Выход а генератора 23 управляющих сигналов соединен с вторыми выходами счетчиков-регистров 20,20',20''', выход б с третьими входами счетчиков-регистров 20,20',20''' и разрешающими входами блоков 21,21' вычитания кодов, выход в с разрешающим входом блока 22 суммирования кодов.

Акселерометр работает следующим образом. При отсутствии ускорения чувствительные элементы 2,3 на пластине 1 находятся в среднем положении относительно поверхностей пластин 10, 13 на частях корпуса 7 и 7'. Металлизированные участки 16,16', 17,17' на чувствительных элементах 2,3 пластины 1 находятся на одинаковом расстоянии от соответствующих ВШП 11,11', 12,12', 14,14', 15,15' линий задержки на неподвижных пластинах 10,13. Поэтому частоты всех четырех автогенераторов равны и на выходах четырех формирователей 19,19'.19''' импульсов после преобразования гармонических сигналов автогенераторов в импульсные сигналы частоты следования импульсов равны. После преобразования последовательности импульсов с выходов формирователей 19,19', 19''' импульсов в кодовый сигнал с помощью счетчиков-регистров 20,20',20''' на выходах счетчиков-регистров 20,20'.20''' получаются одинаковые номинальные коды частот автогенераторов. При вычитании одинаковых кодов в блоках 21,21' вычитания кодов на их выходах получаются сигналы, равные нулю, что дает на выходе блока 22 суммирования нулевой выходной сигнал акселерометра.

При наличии ускорения по измерительной оси акселерометра под действием инерционной силы вследствие наличия маятниковости и свободы углового перемещения относительно оси Х-Х упругой перемычки 6 чувствительные элементы 2,3 получают угловые перемещения в разные стороны относительно оси Х-Х. Пусть направление ускорения таково, что при угловом движении металлизированные участки 16,17 на чувствительных элементах 2,3 приближаются к ВШП 11,11', 12,12' на неподвижной пластине 10. Тогда металлизи- рованные участки 16', 17' на чувствительных элементах 2,3 отделяются от ВШП 14,14', 15,15' на неподвижной пластине 13.

Вследствие эффекта закорачивания металлизированным участком электрического поля, наводимого в пьезоэлектрике при прохождении ПАВ, при приближении металлизированного участка к ВШП линии задержки частота автогенератора увеличивается, а при удалении уменьшается. Поэтому увеличиваются по сравнению с номинальными частоты первого и второго автогенераторов, построенных на первой и второй линиях задержки соответственно на ВШП 11,12 и усилителе 18 и ВШП 11', 12' и усилителе 18'. Частоты третьего и четвертого автогенераторов, построенных на третьей и четвертой линиях задержи соответственно с ВШП 14,15 усилителем 18''и ВШП 14', 15' усилителем 18''', уменьшаются. В результате вычитания кодов частот первого и четвертого автогенераторов на выходе блока 21 вычитания кодов получается удвоенное значение кода разности между частотой одного автогенератора и номинальной частотой. При вычитании кодов частот второго и третьего автогенераторов в блоке 21' вычитания кодов с его выхода поступает также удвоенное значение кода разности между частотой одного генератора и номинальной частотой. Так как частоты первого и второго автогенераторов больше частот третьего и четвертого автогенераторов, то знаковые выходы блоков 21,22' вычитания кодов имеют код положительного знака. При суммировании в блоке 22 суммирования кодов, кодов с выходов блоков 21,22' вычитания кодов на выходе блока 22 суммирования кодов получается выходной сигнал, код которого равен четырехкратному значению кода разности между номинальной частотой и частотой одного автогенератора. Знаковый выход блока 22 суммирования кодов также имеет код положительного знака.

При изменении направления ускорения металлизированные участки 16', 17' приближаются к ВШП 14,14', 15,15' третьей и четвертой линии задержки, а металлизи- рованные участки 16, 17 удаляются от ВШП 11,11', 12,12' первой и второй линий задержки. При этом частоты первого и второго автогенераторов уменьшаются, а третьего и четвертого автогенераторов увеличиваются. Поэтому сигналы знаковых выходов блоков 21,21' вычитания кодов и блока 22 суммирования кодов имеют код отрицательного знака.

Таким образом, с помощью акселерометра определяются величина и направление ускорения. Значение кода на кодовом выходе блока 20 суммирования кодов пропорционально величине ускорения, а направление ускорения определяется кодом знака.

Генератор 23 управляющих сигналов обеспечивает работу устройств обработки сигналов акселерометра. По линии а с него поступает сигнал обнуления счетчиков-регистров 20,20',20''' и обнуления блоков 21,21' вычитания кодов, по линии в сигнал обнуления блока 22 суммирования кодов.

При температурных деформациях происходит угловое перемещение в одну сторону относительно оси Х-Х упругой перемычки 6 либо обоих чувствительных элементов 2,3, либо пластин 10,13. Пусть, например, чувствительные элементы 2,3 деформируются совместно так, что металлизированные участки 16,17' на чувствительных элементах 2,3 приближаются соответственно к ВШП 11,12 первой линии задержки и ВШП 14',15' четвертой от ВШП 11',12', 14,15 второй и третьей линий задержки. Тогда частоты первого и четвертого автогенераторов уменьшаются. Поэтому при вычитании в блоке 21 вычитания кодов, кодов частот первого и четвертого автогенераторов и в блоке 21' вычитания кодов, кодов частот второго и третьего автогенераторов в коде выходных сигналов этих блоков отсутствуют сигналы, обусловленные температурными деформациями элементов акселерометра. Соответственно отсутствует и сигнал на выходе блока 22 суммирования кодов. Таким образом устраняется температурная погрешность акселерометра.

Использование: изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерительным преобразователям линейных ускорений на поверхностных акустических волнах с прямым преобразованием. Сущность изобретения: акселерометр содержит корпус с закрепленным в нем чувствительным элементом с металлизированными участками, две неподвижные пластины на корпусе, каждая из котрых содержит пару линий задержки на поверхностных акустических волнах, автогенераторы на линиях задержки, формирователи импульсов, пластину, в которой образованы внешние неподвижные части, заключенные между ними два чувствительных элемента, разделенные между собой и соединенные с внешними неподвижными частями упругой перемычкой, счетчики регистры, блоки вычитания кодов, блок суммирования кодов, генератор управляющих сигналов. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус с закрепленным в нем чувствительным элементом, две расположенные по разные стороны от основных поверхностей чувствительного элемента неподвижные пластины с линиями задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) на них, автогенераторы на линиях задержки, образованные включением усилителя между входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями линий задержки, причем поверхности чувствительного элемента, расположенные над линиями задержки, выполнены металлизированными, отличающийся тем, что в него введена пластина, в которой образованы внешние неподвижные части, заключенные между ними два чувствительных элемента, которые отделены по периферии от внешних неподвижных частей и соединены с ними упругой перемычкой, проходящей от одной внешней неподвижной части к другой и разделяющей чувствительные элементы, пластина установлена в корпусе с помощью внешних неподвижных частей с местами их крепления на продольной оси упругой перемычки, на каждой неподвижной пластине образованы две линии задержки, расположенные симметрично относительно оси упругой перемычки, на каждом чувствительном элементе образованы металлизированные участки, расположенные напротив каждой из линии задержки, расстояние d между близлежащими основными поверхностями чувствительных элементов и неподвижных пластин на корпусе составляет около d=λ(4-f), где λ длина волны ПАВ, f максимальный прогиб каждого чувствительного элемента в диапазоне измерений, образованы автогенераторы на новых линиях задержки, введены формирователи импульсов, вход каждого из которых подключен к выходу одного из формирователей импульсов, блоки вычитания кодов, блок суммирования кодов, генератор управляющих сигналов, причем к двум входам каждого блока вычитания кодов подключены выходы счетчиков-регистров, находящихся в цепи преобразования сигналов от двух линий задержки, расположенных на противоположных неподвижных пластинах на корпусе по разные стороны от продольной оси перемычки, выходы блоков вычитания кодов подключены к двум входам блока суммирования кодов, выходы генератора управляющих сигналов соединены с вторым и третьим входами счетчиков-регистров, с разрешающими входами блоков вычитания кодов и блока суммирования кодов. 2. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что упругая перемычка образована двумя канавками, разделяющими чувствительные элементы на их двух противоположных основных поверхностях.