Дифференциальный угловой пьезоэлектрический акселерометр Советский патент 1985 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения угловых ускорений, Известны дифференциальные угловые пьезозлектрические акселерометры, содержащие корпус, инерщюниую массу, два дискретных i-шк инге1.ральных пьезорезонатора и два автогенератора нагруженные на смеситель lj , Однако эти устройства обладйют невысокой точностью измерения из-за неидентичности параметров пьезорезо- наторев5 в первую очередь из-за невозможности обеспечешм одинаковых температурно-частотных характеристик последних. Кроме того такие акселерометры одновременно с угловыми восприниматот и линейные ускорения что вносит дополнительную погрешность J3 результаты измерений. Из известных дифференциальных угловьЕк пьезоэлектрических акселерометров наиболее близким по технической, сущности и достигаемому результа ту к предлагаемому устройству являет ся акселерометр, содержавщй корпус с установленньпчи в нем пьезорезона™ тором с тонкопленочнымк электродами включениьЕ ш в схему автогенератора, и консольно закрепленный инерционный элемент 2 . Недостаток известного устройства состоит в невысогт. точности измер.ения угловых ускорений, что обусловлено высокой температурной погрешностью из-за неидентнчности темпера.турно-частотных характеристик пьезорез.снатороВэ влиянием,на результаты измерений линейньсс составляюпщх ускорения а также неидрнтичностью характеристик, aBTorejaepaTopOB. Цепь изобретения - повышение точногти ггзмарения згловых ускорений, Поставленная цель достигается TBMj что в дифференциальном угловом пьезоэлектрическом акселерометре содержащем корпус с установленными Б нем пьезорезонатором с тонкопленоч ньаФг электродами, включенными в схе му автогенедзатора,, и консольно закрепленньй инерционный элемент i пьезорезонатор, выполнен в виде диска и жестко прикреплен к ,корпусу но линг-т вдоль диаметра с помощью прямоугольной балки, а инерид онный элемент вьтолнен гантелеобразной формы и жестко прикреплен своей пе- 1 41 ремычкой к поверхности диска перпендикулярно линии крапления, при этом тонкопленрчные электроды вьшолнены в виде секторов и расположены в четырех квадрантах, образованных пересечением лршии крепления к корпусу и перемычки инергрнонного элемента. На фиг. 1 представлена конструкция дифференциального углового пьезоэлектрического акселерометра5 на, фиг, 2 - схема втслючения электродов пьезорезонатора акселерометра в многочастотный автогенераторе Акселерометр содержит корпус 1, инерционные массы 2 и 3, закреплен- ные на концах консоле 4 и 5, причем ка ,этих массах установлены фиксаторы 6 и „ Кроме того, в корпусе установлен пьезорезонатор 8 с четы- рехсегментнь№,ш электродами 9 о Пьезорезонатор жестко прикреплен к корпусу вдоль своего диаметра в зоне, свободной от электродов, с помощью прямоугольной балки 10J снабженной прорезью 11J в которуто этот пьезорезонатор и вставлено КГ1Сол,й, также жестко гфикреплены к пьезорезонатору сш-даетрично по отношению одна к другйй вдоль оси сим гетрии корпуса, а также перпендикулярно и сим1 1етрично относительно оси закрепления пьезорезонатора к корпусу. Элементы закрепле-. НИН пьезорезонатора и консолей механичес1 сн не соприкасаются один с другим и находятся взонах;. свободных от электродов пьезорезонатора, прргчем все четыре сегмента .одного из электродов подключены к базовой цепи многочастотного автогенератора 12, а все,сегменты другого электрода соединены с корпусом. Предлагаемый дифференциальный угловой пьезоэлектрический акселерометр работает следующим образом. Спектры кварцевых пьезорезонаторОБ характеризуются наличием вблизи основпого колебания сдвига по толщйне ряда побочных резонаторов, которые объединяются под общим названием - ангармонические моды колебаний сдвига по толщине, В предлагаемом устройства для обеспече11ия условий для возбуждения в пьезорезонаторе 8 колебаний ангартда1,2 кажнических мод 1., 2, дый из электродов 9 пьазорезонатора выполнен четьгоехсегмектным (фиг, 1), 3 причем каждый из сегментов располаг ется в зоне максимальных деформаций пьезоэлемента, что обеспечивает зна чительный рост .активности, а значит и амплитуд колебаний этих мод не только по сравнению с другими модами, но и по отношению к основной частоте. В таких условиях, включив.пьезорезонатор 8 в схему многочастотного автогенератора 12 (фиг. 2) и.на-, ,строив нагрузочный С-контур в эмиттерной цепи этого автогенератора на разностную между модами 1, 2, 1 и 1, 1 2 частоту колебаний fр, нетрудно обеспечить двухчастотный режим колебаний, т.е. наличие в пьезо резонаторе 8 четьхрех зон деформаций пьезоэлемента (на фиг. 1 в подэлектродньк областях пунктиром обозначены эти области), две из которых, обозначенные а , соответствуют колебаниям моды .1,2, 1, а две другие, обозначенные Ь , - колебаниям моды 1, 1, 2. Как видно, зоны дефор мации колебаний этих двух мод не пе рекрываются, хотя и существуют в об щей пьезоэлектрической среде Кроме того, варьируя радиусом сферы и толщиной пьезоэлемента пьезорезонатора 8, удается создать такую конструкг г резонатора, в которой не только огсутствует акустическая связь между зонами деформации колебаний мод t, 2, 1 и 1, 1, 2, но и осуществляется полная акустическая .развязка зон колебаний с элементами крепления пьезорезонатора 8 к корпусу 1 с элементами крепления к этому пьезорезонатору консолей 4 и 5 с инерционными массами 2 и 3. Необходимым и достаточным условием для -этого является наличие между кр ем зоны деформации и элементами крепления расстояния, составляющего, 10-15 толщин пьезоэлемента. В результате, при отсутствии воздействующих на акселерометр угловых ускорений в пьезорезонаторе одновременно существуют колебания мод . 1, 2j t и Ij 1, 2, а на выходе устройства имеем разностнук частоту л которая несет информацию о нуле ха- рактеристики преобразования пред/iaгаемого устройства. При воздействии измеряемых угловых ускорений (действующих в плос4.4 кости фиг. 1) под действием инерционных масс 2 и 3 происходит противоположное по направле.нию смещение консолей 4 и 5, а значит и элементов креп-пения этих консолей к пьезорезонатору В.. Поскольку указанные элементы крепления жестко прикреплены к пьезорезонатору 8 вдоль его диаметра, а резонатор 8 жестко прикреплен в перпендикулярном направлении с помощью балки 10 в прорези 11 к корпусу 1,-то, например, при движении инерционных масс 2 и 3 по часовой стрелке, происходит растяжение зон деформации а , соответствующих колебаниям ангармонической-моды I, 2,, 1,и сжатие зон деформации b 5 соответствующих колебаниям ангармош1ческой моды 1,1,2. В результате для изменений частот f и f, соответствующих этим колебаниям, получим if, K,F ; uf , где F -усиление, прикладываемое к зонам а и Ь ; К,рИ -частотные коэффициенты силовой чувствительности для колебат-1йангармонических мод 1, 2, 1 и 1, 1, 2 соответственно. Поскольку.знаки приращений частот и f2 вследствие разнозначности усилий, прикладываемых к зонам Q и Ъ J противоположны, то для приращения информационной разности частоты р получим .: . р V При изменении знака углового ускорё ния крутизна характеристики преобразования угловое ускорения - частота не изменяется, изменяются лишь знаки приращения частот f и f . Фиксаторы 6 и 7, установленные на инерционных массах, с.лужат дггй предотвращения разрушения пьезорезонатора 8, если линейные или измеряемое угловое ускорения превышают предельно допустимые значения. Поскольку в предлагаемом устрой- стве колебания с частотами f и существуют в едином пьезорезонаторе 8, а не в отдельных пьезорезонаторах, как это имеет место Б известных устройствах, то при работе предлагаемого акселерометра в широком диапазон температур для обеих возбуждаемых мод толщинно-сЦвиговых колебаний обеспечиваются идентичные температурно-частотные характеристики, что позволяет благодаря дифференциальному принципу измерений полностью устранить температзфную погреагость

Важным преимуществом предлагаемо устройства по сравнению с базовым являетсй его нечувствительность ко всем составляющим ускорений, кроме углового. Это обусловлено тем, что воздействие всех неинформационных ускорений приводит к одинаковьм по величине и знаку деформациям как зон колебаний Q , соответствующих ангармонической моде 1, 2, 1, так и зон колебаний, соответствующих ангармонической моде 1, 1, 2, Это дает одинаковые по величине и знаку приращения частот f и а информационная разностная частота fpостается неизменной, что также приводит к значительному вьигрьшу по точности измерений. Кроме того, предлагаемый акселерометр значйтельнр проще в схемном плане, так как не требует применения двух автогенераторЬв и смесителя как известный акселерометр, а использует один простейший трехточечный автогенератор, работающий в двухчастотном режиме. Это обстоятельство обеспечивает устранение составлякицих .погрешностей, возникающих за счет

неидентичности характеристик автогенераторов, снижает уровень собственных шумов электронной схемы и существенно повьппает надежность предаагаемого устройства в целом.

В результате предложенных изменений конструкции и схемы дифференциалного углового пьезоэлектрического акселерометра, удается значительно повысить Точность измерений углового ускорения при одновременном существенном зтрощений схемы устройства. Это достигается путем полного устра°нения температурной погрешности измерений и независимостью выходной информационной разностной частоты fjj от неинформационных линейных составляющих ускорения. Упрощение схемы устройства обеспечивается вьшолнением автогенератора 12 акселерометра многочастотным, работающим в двухчастотном режиме, и использова- . нием в качестве рабочих частот двух соседних ангармонических мод колебаний сдвига rip толщине. При этом отпад,ет необходимость в использовании второго автогенератора и смесителя, что не только дает дополнительный выигрыш по точности и уменьшает уровень собственных шумов устройства, снижая его порог чувствительности, но и значительно повыша.ет надежность предложенного дифференциального акселерометра по сравнению с известным.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УГЛОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус с установленными в нем пкезорезонатором с тонкоплеВСЕСОЮЗНАЯ ПАТУ: тгго. « ТЕдйЙМШ:/,й Kimf mA ночными электродами, включенными в схему автогенератора, и консольно закрепленный инерционный элемент, отличающийся тем,, что, с целью повьшения точности измерения углевых ускорений, пьезорезонатор выполнен в виде диска и жестко прикреплен к корпусу по линии вдоль диаметра с помощью прямоугольной балки, а инерционный элемент выполнен гантелеобрйзной формы и жестко прикр плен своей перемычкой к поверхности диска перпендикулярно линии крепления, при этом тонкопленочные электроды выполнены в виде секторов и расположены в четырех квадрантах, образованных пересечением линии крепления к корпусу и перемычки инерционного элемента.