АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01P15/08 

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

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является акселерометр, содержащий инерциальный блок, состоящий из двух акселерометрических элементов, установленных в герметичном корпусе, и системы возбуждения и съема информации [1] Каждый акселерометрический элемент состоит из пробной массы, установленной на корпусе через гибкий упругий элемент, и стержневого резонатора, стержни которого выполнены из многокристаллического кварца. Два акселерометрических элемента инерциального блока включены в дифференциальную схему.

Недостатком указанного устройства являются невысокая точность, вызванная наличием погрешности из-за возникновения переменных механических напряжений в местах заделки стержней, нетехнологичность из-за сложной пространственной конструкции, а наличие двух акселерометрических элементов инерционного блока затрудняет построение малогабаритной конструкции.

Целью изобретения является повышение точности и технологичности при одновременном уменьшении габаритов.

Цель достигается тем, что в акселерометре, состоящем из инерционного блока герметичного корпуса и систем возбуждения и съема информации, инерционный блок выполнен из цельного диска АТ-среза монокристаллического кварца таким образом, что одна из поверхностей балочки совпадает с противоположными торцами диска, а ось подвеса лежит в плоскости, параллельной торцам диска и равноудаленной от них, и скрещивается с балочками под прямым углом.

Выполнение двух акселерометрических элементов, составляющих инерционный блок, из цельного куска материала (АТ-среза кварца) позволяет устранить температурную погрешность, обусловленную температурными флюктуациями физико-механических свойств кварца, повышает технологичность за счет исключения из технологического цикла операции подбора вибраторов по величинам температурного коэффициента частоты, который в сильной степени зависит от угла среза. Кроме того, устраняется уход собственной частоты вибраторов, обусловленный напряжениями в стыках при их установке в прибор. Плоская конструкция инерционного элемента позволяет уменьшить габариты прибора.

Из изученной авторами технической и патентной литературы не обнаружено технических решений, подобных предлагаемому, поэтому данное техническое решение обладает новизной.

На фиг. 1 изображен прибор (структура, компоновка), общий вид; на фиг.2 чувствительный элемент; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.3.

Прибор состоит из чувствительного элемента 1, корпуса 2, усилителя 3 и крышки 4.

Чувствительный элемент состоит из соединенных диффузионной сваркой двух боковых пластин 5 и инерционного элемента 6, выполненного из АТ-среза кварца. Инерционный элемент 6 установлен по отношению к боковым пластинам с зазором 0,02-0,03 мм с целью обеспечения оптимального демпфирования подвижных частей инерционного элемента с помощью платиков 7 и соединен с ними в единый монолитный блок с помощью диффузионной сварки. Инерционный элемент 6 имеет форму диска с прорезями (см. фиг.2). Он состоит из маятника 8, подвешенного на растяжках 9 и 10 в баловом кольце 11. Маятник 8 соединен с базовым кольцом 11 двумя вибрирующими балочками 12 и 13, расположенными таким образом, что одна из торцовых поверхностей совпадает с одним из противоположных торцов диска. На торцовые поверхности балочек 12 и 13 нанесены электроды 14 и 15 системы возбуждения и съема информации.

Упругие растяжки 9 и 10 расположены симметрично (например, с точностью 0,004 мм) относительно плоскости, проходящей через середину толщины диска параллельно его торцам.

Устройство работает следующим образом.

При движении инерционного элемента 6 в направлении оси чувствительности, перпендикулярном плоскости торцов диска, с ускорением маятник 8 будет отклоняться вокруг оси подвеса, инерционная сила будет скомпенсирована за счет силы упругости растяжек 9 и 10 и балочек 12 и 13, одна из которых при движении объекта с ускорением будет сжиматься, а другая растягиваться, выполняя функцию сдвигово-компланарных вибраторов и являясь основным элементом кварцевых генераторов.

Нагружение балочек силами растяжения-сжатия приводит к изменению частоты генерируемых сигналов. Выделяя сигнал разностной частоты, формируем информацию о кажущемся ускорении в направлении оси чувствительности. Величина кажущегося ускорения будет пропорциональна разности собственных частот при этом ускорении.

При растяжении происходит увеличение частоты, а при сжатии уменьшение. Таким образом, изменение частоты автогенераторов будет пропорционально приложенной силе и, следовательно, величине ускорения в направлении оси чувствительности (ось I-I).

Принцип действия данного акселерометра основан на выделении величины суммарной перестройки двух кварцевых автогенераторов (выделение разностной частоты).

Разработка прибора на основе предлагаемого технического решения позволит уменьшить габариты в 3 раза по сравнению со струнными вибрационными акселерометрами, разрабатываемыми на предприятии, обеспечить стабильность масштабного коэффициента 5˙10^-6 и стабильность нулевого сигнала 10^-5.

Использование: приборы инерциальной навигации, акселерометрия. Сущность изобретения: акселерометр состоит из инерционного блока, герметичного корпуса, систем возбуждения и съема информации. В акселерометре инерционный блок выполнен из цельного диска таким образом, что одна из поверхностей балочек совпадает с одним из противоположных торцов диска, а ось подвеса лежит в плоскости, параллельной торцам диска и равноудаленной от них, и скрещивается с балочками под прямым углом. 4 ил.

АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий закрепленное в корпусе основание и установленную на основании посредством упругого подвеса инерционную массу и пьезорезонансный преобразователь смещения инерционной массы относительно корпуса, размещенный между инерционной массой и основанием, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, основания, инерционная масса, упругий подвес и пьезорезонансный преобразователь выполнены из единого диска АТ-среза монокристаллического кварца, причем пьезорезонансный преобразователь выполнен в виде двух параллельных балочек, смещенных друг от друга к торцам диска, а ось упругого подвеса перпендикулярна продольным осям балочек.