Акселерометр Советский патент 1986 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерению параметров движения, в частности к линейным акселерометрам с консольным чувствительным элементом и преобразователем, использующим поверхностные акустические волны (ПАВ). Акселерометр предназначен для измерения ускорений объектов различного назначения I

Цель изобретения - повышение чучувствительности акселерометра.

На фиг. 1 показан акселерометр, фронтальньш разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг, 1; на фиг. 3 - акселерометр, вид сверху на элементы конструкции без крьшки и верхнего элемента держателя; на фиг. 4 и 5 топология выходных встречно-штыревых преобразователей (ВШП) и форма пластины (УЧЭ); на фиг. 6 - акселерометр, вид сверху, на фиг; 7 - разрез Б-Б на фиг. 1 (разрез упругого чувствительного элемента плоскостями перпендикулярно фронтальной проек(Ции).,

U Акселерометр состоит из консольно упругого чувствиГёльного элемента (УЧЭ) 1, выполненного монолитно с инерционной массой 2, на торцовой части которой нанесен поглотитель 3. Два выходных ВШП 4 и 5 размещены на верхней и нижней основных плоскостях УЧЭ между местом защемления и краем пластины. УЧЭ выполнен из пъезоэлектрика, например УХ-среза кварца, и жестко закреплен в деражателе между верхним 6 и нижним 7. его элементами, внутренние поверхности которых металлизированы и образуют экраны 8 и 9, расположенных от основных плоскостей УЧЭ на расстоянии, не превьшающем его максимального прогиба. На торцовых плоскостях держателя нанесены пьезоэлектрические пленки 10 и 11 и выходные ВШП 12 и 13, ориентированные параллельно внутренним торцовым плоскостям УЧЭ и расположены от них на расстоянии, не превышающем четверти периода решетки (ширины электродов) ВШП 4, 12 и 5, IS, образующих две линии задержки ПАВ. Ортогональные рабочие плоскости УЧЭ и инерционной массы сопряжены между собой цилиндрическими поверхностями. Элементы держателя и пластина УЧЭ соединены между собой и дном корпуса 14 слоем легкоплавкого .стекла 15. Герметизация и вакуумирование объема

в котором размещены УЧЭ и держатель, осуществляются с помощью крьшки 16 с патрубком. Сигнальные 17, 18 и общие 19, 20 электроды входных ВШП и экраны В и 9 соединеняются с внешними устройствами через гермовводы 21, 22 и 23, 24. Сигнальные 25, 26 и общие 27, 28 электроды выходных ВШП соединяются с внешними устройствами через гермовводы 29, 30 и 31, 32. Дл демпфирования отраженных акустических волн на краях пластины УЧЭ нанесен поглотитель 33 и 34.

Акселерометр работает следующим образом.

Входной ВШП 12 через воздушный зазор возбуждает в поверхностном слое УЧЭ первую ПАВ, которая распространяется по первой торцовой поверхности инерционной массы, переходит через цилиндрическую сопрягающую поверхность на вернюю главную плоскость УЧЭ и, проходя через зону защемления, достигает выходной ВШП 4 за некоторое время Т . При этом фаза ПАВ равна

,u3,Ti,

где u5iчастота акустического синхронизма первой пары ВШП 4, 12.

Аналогично с помощью второго входного ВШП 13 возбуждается через воз- йушньй зазор вторая ПАВ, которая рЯйпространяется по второй торцовой поверхности инерционной массы и далее по нижней плоскости УЧЭ достигает

5 за время Т. Фаза втовыходной ВШП рой ПАВ

,

Ч,

U), частота акустического сингдехронизма второй пары ВШП 5, 13.

При воздействии на инерционную массу 2 инерционных сил от измеряемого ускорения происходит смещение торцовых поверхностей инерционной массы относительно ВШП 12 и 13, растяжение верхнего и сжатие нижнего поверхностных слоев УЧЭ и изменение зазоров между верхней и нижней поверхностями УЧЭ и экранами 8 и 9 соответственно. Это приводит к увеличению времени задержки первой ПАВ за счет увеличения длины акустического

пути от прогиба консоли (т.е. от смещения входного ВШП 12 в направлении от нейтральной плоскости УЧЭ), растяжения,верхнего поверхностного слоя вдоль направления распространения . первой ПАВ и уменьшения скорости первой ПАВ за счет деформации растяжения, уменьшений степени экранирования при увеличении зазора между верхней поверхностью УЧЭ и экраном 8, Уо, +лу т J. л т - 04- 1 А TI + d TI- - --,- -г---г- + Vp-dV-AV где Хо1 - расстояние выходного ВШП 4 до края поверхности сопряж ния, dXj - деформация растяжения верх него поверхностного слоя, 3 - расстояние от входного ВШП 12 до края поверхности сопряжения;АУ - смещение консоли (центра инерционной массы) относительно входного ВШП 12; . Ч„ - скорость ПАВ на горизонтал ном участке УЧЭ, (,j - скорость ПАВ на вертикальном участке инерционной массы; uV - изменение скорости от деформации;AV - изменение скорости от экра нирования. Уменьшение времени задержки второй ПАВ происходит за счет уменьшения длины акустического пути от сме щения входного ВШП в направлении к нейтральной плоскости УЧЭ, сжатия нижнего поверхностного слоя УЧЭ и увеличения скорости второй ПАВ от д формации сжатия и увеличения степени экранирования при уменьшении зазора между нижней поверхностью УЧЭ и эк)рдном 9 m лт Ц. 2 ДУ Vo2 где введены обозначения, аналогичные обозначениям в предыдущей формуле. При воздействии градиента температур происходит увеличение времени задержки как первой, так и второй ПАВ. Это влияние температуры компенсируется при использовании дифференциальной схемы включения линий задер ки, т.е. вычитания фазы второй ПАВ

из фазы первой ПАВ. Полезные изменения фазы за счет воздействия инерционных сил при этом удваиваются.

При Хо1 Хо2 Хо, У01 У02 Уо,

дх 4X2 ; У;

Voi Vo2 Vg из предыдущих формул получают

2ДУ 2 Vo-AXKAV,ViV )Хо гт +П5- VФормула изобретения 1,-Акселерометр, содержащий установленную в держателе корпуса консоль с закрепленной на ее свободном конце инерционной массой, образующей с консолью Т-образный чувствительный элемент и две пары встречно-штыревых решетчатых преобразователей поверхностных акустических волн, выходные встречно-штыревые элементы которых размещены на плоскостях консольно чувствительному элементу, отличающийся тем, что, с целью повьшгения чувствительности, входные встречно-штьфевые элементы преобразователей размещены на верхней и нижней торцовых плоскостях держателя на расстоянии от параллельно расположенных внутренних торцовых плоскостей инерционной массы, не превьшающем четверти шага решетки преобразователя, причем внутренние участки поверхности держателя между встречно-щтьфевыми преобразователями каждой пары металлизированы и образуют зазор. 2.Акселерометр, по п. 1, отличающийся тем, что плоскости чувствительного элемента сопряжены с внутренними торцовыми плоскостями инерционной массы цилиндрическими поверхностями переменной кривизны, а на внешнем торце инерционной массы нанесены поглотители акустических волн. 3.Акселерометр, по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что металлизированные держатели повторяют форму срединной поверхности консоли при изгибе. 4.Акселерометр, по пп. 1-3, отичающийся тем, что элементы ержателя выполнены из кристалла

Изобретение относится к измерению параметров движения и позволя-ет повысить чувствительность акселерометра. Входные встречно-штыревые элементы (ВШЭ) 12 и 13 преобразователей размещены на верхней и нижней торцовых плоскостях держателя на расстоянии от торца инерционной массы 2, не превышающем четверти шага решетки преобразователя. Действие на инерционную массу 2 измеряемого ускорения приводит к измененик) .с разным знаком времени задержки двух поверхностных акустических волн, возбужденных в чувствительном элементе 1 с помощью ВШЭ 12 и 13. Влияние температуры на акселерометр компенсируется при использовании дифференциальной схемы включений линий задержки. Внутренние поверхности ВШЭ 12 и 13 металлизированы и образуют зкраны 8 и 9, а на внепшем торце инерционной массы 2 нанесены погло(Л тители 3 акустических волн. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.