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.

Известны акселерометры, содержащие инерционный блок и резонаторы [1]
Недостаток таких конструкций заключается в том, что отдельно изготовленные резонаторы установлены в конструкции электромеханического узла акселерометра. Вследствие этого в местах соединения резонаторов с конструкцией возникают напряжения, величина которых после сборки акселерометров зависит от многих дестабилизирующих факторов и, в частности, от температуры. Как правило, эти напряжения у двух отдельно выполненных резонаторов неидентичны друг другу и, следовательно, их величина будет изменяться по-разному от влияния дестабилизирующих факторов, что приводит к изменению собственных частот резонаторов по разным зависимостям, т.е. к погрешностям в показаниях акселерометров.

Известен акселерометр, в котором чувствительный элемент состоит из двух пластин, изготовленных из плавленого кварца [2] Каждая пластина выполнена в виде маятника, подвешенного на плоских растяжках в базовом кольце. Между маятником и базовым кольцом установлен резонатор, смещенный к одному из торцов пластины. На поверхность резонатора нанесена токоведущая дорожка системы возбуждения и съема информации. Кварцевые пластины установлены таким образом, что реализуется дифференциальная измерительная схема: сигнал разностной частоты колебаний резонаторов пропорционален ускорению.

Недостатками такой конструкции являются низкая точность и большие габариты.

Низкая точность обусловлена температурной нестабильностью из-за большой потребляемой на возбуждение мощностью, различием механических свойств резонаторов, возникающим вследствие их отдельного изготовления, и наличием напряжений в местах соединения резонаторов с конструкцией.

Большие габариты обусловлены наличием магнитоэлектрической системы возбуждения колебаний и съема информации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является акселерометр, содержащий герметичный корпус, две идентичные инерционные массы в виде маятников, два стержневых резонатора, системы возбуждения и съема информации [3] Каждый маятник состоит из пробной массы, соединенной с корпусом через гибкий упругий элемент.

Стержни резонаторов выполнены из монокристаллического кварца. Каждый стержень одним концом соединен с корпусом, а другим с пробной массой. Маятники и резонаторы включены в дифференциальную схему.

Недостатком известного устройства является невысокая точность, обусловленная наличием погрешностей из-за применения отдельно изготовленных резонаторов и из-за возникновения переменных механических напряжений в местах заделки стержней резонаторов.

Известно [1] что пьезоэлектрические резонаторы (ПР) чувствительны к температуре окружающей среды. При этом величина температурного "ухода" частоты ПР зависит от ряда факторов и, в частности, от угла среза материала ПР. Поэтому применение в устройстве двух отдельно изготовленных ПР требует тщательного подбора их температурных коэффициентов, что возможно до известных пределов и тем самым ограничивает возможности улучшения точностных характеристик акселерометра. Кроме того, существенно ухудшает точность акселерометра влияние боковой составляющей ускорения.

Целью изобретения является повышение точности.

Цель достигается тем, что в известном акселерометре, содержащем герметичный корпус, две идентичные инерционные массы в виде маятников, два резонатора, системы возбуждения и съема информации, инерционные массы и резонаторы выполнены из цельного диска монокристаллического кварца таким образом, что резонаторы расположены между инерционными массами симметрично и параллельно друг другу, одна из поверхностей резонаторов совпадает с одним из противоположных торцов диска, а оси подвесов инерционных масс лежат в плоскости, параллельной торцам диска и равноудаленной от них.

Существенные отличия предлагаемого устройства заключаются в следующем.

Выполнение инерционных масс и резонаторов из цельного диска монокристаллического кварца обеспечивает значительное повышение точности устройства путем исключения в конструкции соединений из разнородных материалов, а также путем идентификации свойств материала резонаторов.

Выполнение двух идентичных инерционных масс соединенными друг с другом параллельными, симметрично расположенными резонаторами обеспечивает повышение точности путем исключения влияния на показатели устройства боковой составляющей ускорения.

Выполнение инерционных масс и резонаторов из диска монокристаллического кварца обусловлено тем, что процесс сборки круглых деталей более прост и обеспечивает большую точность устройства (обеспечение посадок, фиксации пакета и т.д.).

Выполнение поверхностей резонаторов, совпадающих с соответствующими торцами диска, реализует принцип действия акселерометра, основанный на выделении величины суммарной перестройки двух кварцевых автогенераторов (выделение разностной частоты).

На фиг. 1 представлен предлагаемый акселерометр; на фиг.2 показан диск; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2;
Акселерометр содержит герметичный корпус 1, внутри которого между двумя пластинами 2, 3 установлен диск 4 из монокристаллического кварца. Герметизацию акселерометра осуществляют с помощью крышки 5, закрепляемой посредством клея или диффузионной сварки. Все элементы конструкции выполнены из монокристаллического кварца.

Диск 4 установлен по отношению к пластинами 2, 3 с зазором 20-30 мкм для обеспечения оптимального демпфирования подвижных частей конструкции с помощью платиков 6 и соединен с ними в единый монолитный блок с помощью диффузионной сварки.

Кроме того, акселерометр содержит электронный блок 7, состоящий из двух автогенераторов (на фиг.1 не показаны).

В диске 4 выполнены две идентичные инерционные массы в виде маятников 8, 9, подвешенных на растяжках 10-13, а также два резонатора 14, 15, соединяющие маятники 8, 9 и расположенные параллельно друг другу и симметрично.

Причем резонаторы 14, 15 выполнены так, что одна из их поверхностей совпадает с одним из противоположных торцов диска 4.

На поверхности резонаторов 15, 14 нанесены напылением электроды 16, 17 системы возбуждения и съема информации. Упругие растяжки 10-13 расположены симметрично (например, с точностью 4 мкм) относительно плоскости N-N, проходящей через середину толщины диска 4 параллельно его торцам, а оси подвесов инерционных масс О₁-О₁ и О₂-О₂ лежат в одной плоскости, параллельной торцам диска и равноудаленной от них.

Предлагаемая конструкция выполнена так, что обеспечена малая угловая жесткость С₁ растяжек 10-13 по сравнению с жесткостью С₂ резонаторов 14, 15, т.е. С₁<<С₂.

Резонаторы 14, 15 выполняют функцию сдвигово-компланарных вибраторов и являются основными элементами двух кварцевых автогенераторов. Направление измеряемого ускорения W_o показано на фиг.1 стрелкой.

Перед измерением ускорения автогенераторы электронного блока 7 возбуждают колебания резонаторов 14, 15 через электроды 16, 17 с частотой f₁ и f₂ соответственно. Величины f₁ и f₂ выбраны расчетным путем в зависимости от имеющейся схемы обработки сигнала.

Устройство работает следующим образом.

При движении инерционных масс 8, 9 в направлении оси чувствительности, перпендикулярном плоскости торцов диска 4, с ускорение W_o маятники инерционных масс 8, 9 будут отклоняться вокруг осей подвесов (О₁-О₁ и О₂-О₂).

Инерционная сила F₁ будет скомпенсирована за счет силы упругости растяжек 10-13 и резонаторов 14, 15, один из которых при движении объекта с ускорением W_o будет сжиматься, а другой растягиваться, выполняя функцию сдвигово-компланарных вибраторов и являясь основным элементом кварцевых генераторов.

Нагружение резонаторов 14, 15 силами растяжения-сжатия приводит к изменению частот f₁ и f₂ генерирующих сигналов.

Выделяя сигнал разностной частоты, формируют информацию об ускорении W_o в направлении оси чувствительности. Величина ускорения W_o 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, величина ускорения W_o.

При появлении бокового ускорения W_б инерционная сила F₂ будет скомпенсирована за счет силы упругости растяжек 10-13 и резонаторов 14, 15 (фиг.4).

Таким образом, один из маятников будет увеличивать силу растяжения сжатия, а другой маятник уменьшать на одинаковую величину, т.е. суммарная величина растяжения сжатия резонаторов 14, 15 останется прежней, пропорциональной W_o, т. е. предлагаемая конструкция, практически, не чувствительна к влиянию боковых составляющих измеряемого ускорения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение повышает временную и температурную стабильность параметров акселерометра, определяемых стабильностью собственных частот резонаторов и конструкции в целом, а также обеспечивает, практически, нечувствительность одноосного акселерометра к влиянию боковой составляющей ускорения.

Как показали проведенные испытания, предлагаемое техническое решение позволило повысить точность акселерометра в 3-5 раз.

Использование: инерционная навигация, акселерометрия. Сущность изобретения: акселерометр содержит герметичный корпус, две идентичные инерционные массы в виде маятников, два резонатора, системы возбуждения и съема информации. Инерционные массы и резонаторы выполнены из цельного диска монокристаллического кварца таким образом, что резонаторы расположены массами симметрично и параллельно друг другу, одна из поверхностей резонаторов совпадает с одним из противоположных торцов диска, а оси подвесов инерционных масс лежат в плоскости, параллельной торцам диска и равноудаленной от них. 4 ил.

АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий герметичный корпус, две идентичные инерционные массы в виде маятников, два резонатора, системы возбуждения и съема информации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, инерционные массы и резонаторы выполнены из цельного диска монокристаллического кварца так, что резонаторы расположены между инерционными массами симметрично и параллельно друг другу, причем одна из поверхностей резонаторов совпадает с одним из противоположных торцов диска, а оси подвесов инерционных масс лежат в плоскости, параллельной торцам диска и равноудаленной от них.