Пьезоакселерометр Советский патент 1989 года по МПК G01P15/09 

ел

00 00

со

ю

р - резонансная частота k-ro

резонатора.

В этом случае автогенераторы 1 и 2 вырабатывают сигналы:

15

Изобретение относится к технике измерения параметров движения, в частности к пьезорезонансным акселерометрам, предназначенным для j рения низкочастотных линейных ускорений различных движущихся объектов.

Цель изобретения - повышение чувствительности устройства.

На фиг. 1 представлена структур- Ю ная схема пьезоакселерометра; на фиг.2 - упрощенная конструктивная схема чувствительного элемента, воспринимающего инерционную нагрузку при измерении. .

Пьезракселерометр содержит высокостабильные кварцевые автогенераторы

Iи 2, в частотозадающие цепи которых включены пьезорезонаторы 3 и 4. Выходы автогенераторов 1 и 2 через бу- 20 ферные усилители 5 и 6 подключены

к входам пьезореэистивных делителей

7 и 8 напряжения, которые содержат

пьезорезонаторы 9 и 10. ПьеЗорезона- сигналов,; поступающих на блоки

торы 3 и 9, а также 4 и 10 идентичны, -, п -„-...

частота настройки соответствует СО и Ого- Входы однополюсного смесителя

IIподключены к выходам пьезореэистивных делителей 7 и 8 напряжения. Выходы автогенераторов 1 и 2 соеди- 30 нены также с входами второго однополюсного смесителя 12. Выходы смесителей 1 1 и 12 подключены к входам авто- генераторного фазочастотного преобразователя 13, который представляет 35 где tfg, - сдвиг фаз, получаемый сиг- собой включенные в кольцевое соеди- налом при прохождении че- нение однополюсные смесители 14 и 15рез буферные усилители

и широкополосный усилитель 16. Вто-5 И 6.

рой выход широкополосного усилителя С выхода пьезорезистивных делите- 16 подключен к входу частотомера 17.40 лей 7 и 8 сигналы Uj(t) и ) по- Выходы однополюсных смесителей 11-и ступают соответственно на первый и 12 подключены к вторым входам однополосных смесителей 14 и 15..Выделение одной полосы на выходе смесителей 11, 12, 14 и 15 осуществляется фильт-45 тотойСО-.

рами нижних частот. Пьезорезонаторы Sj(t)SiCOs(,-Cfi) . 3,9 и 4,10 закреплены между основанием 18 корпуса 19 и подвижным элементом (инерционными массами) 20. преобразователя (ФЧП) 13,

Устройство работает следующим об- jO характеризующегося тем, что частота ,Q сигнала, снимаемого с выхода усиПри отсутствии инерционного уси- величины сдви- лия F (перпендикулярно широкой сторо- и I между сигналами, поступающими на его входы.

и, (t)-U, co8(0,ot-bCp.), Uj(t)(o,ot+Cfj).

Эти колебания поступают с одной стороны на первый и второй входы однополосного смесителя 12, а с другой - на пьезореэистивные делители 7 и 8 напряжения, пройдя предвари- тельно через буферные усилители 5 и 6. При этом на выходе смесителя 12 появляется сигнал с разностной частотой С0 Q,o - СОго (допускается, что

О,)

s,(t)-s, cosCco.t+q .-qjj).

Пвезорезистивные делители 7 и 8 представляют собой резонансные фильтры с резонансными частотами соответственно С0,о и иЗад . TdK как час то7 и 8, совпадают с их резонансньми частотами, следовательно, при прохождении через эти фильтры колебания поЛучают нулевой сдвиг фаз. Поэтому сигналы на выходах блоков 7 и 8 имеют вид:

U,(t)-U,cos(co,(,,+4 ev i

U(t)U4COS(Wiot+4 l 6D)

второй входы смесителя 11. В резуль тате этого, на выходе смесителя 11 вьщеляется сигнал с-разностной часКолебания с выходов смесителей 11 и 12 поступают .на входы фазочас )

не пьезорезонаторов), воздействующего на резонаторы, их резонансные

частоты

COpj СОрч W,o ;

55

При отсутствии инерционного усилия сдвиг фаз между сигналами S, (t) и S2(t) равен Hyjno, а ФЧП 13 вырабатывает сигнал с частотой (ОдWpt ,«

cot

р - резонансная частота k-ro

резонатора.

В этом случае автогенераторы 1 и 2 вырабатывают сигналы:

5

j

20

сигналов,; поступающих на блоки

-, п -„-...

30 35 где tfg, - сдвиг фаз, получаемый сиг- налом при прохождении че- рез буферные усилители

и, (t)-U, co8(0,ot-bCp.), Uj(t)(o,ot+Cfj).

Эти колебания поступают с одной стороны на первый и второй входы однополосного смесителя 12, а с другой - на пьезореэистивные делители 7 и 8 напряжения, пройдя предвари- тельно через буферные усилители 5 и 6. При этом на выходе смесителя 12 появляется сигнал с разностной частотой С0 Q,o - СОго (допускается, что

О,)

s,(t)-s, cosCco.t+q .-qjj).

Пвезорезистивные делители 7 и 8 представляют собой резонансные фильтры с резонансными частотами соответственно С0,о и иЗад . TdK как час то7 и 8, совпадают с их резонансньми частотами, следовательно, при прохождении через эти фильтры колебания по. Лучают нулевой сдвиг фаз. Поэтому сигналы на выходах блоков 7 и 8 имеют вид:

U,(t)-U,cos(co,(,,+4 ev i

U(t)U4COS(Wiot+4 l 6D)

С выхода пьезорезистивных делите- лей 7 и 8 сигналы Uj(t) и ) по- ступают соответственно на первый и тотойСО-.

второй входы смесителя 11. В резуль тате этого, на выходе смесителя 11 вьщеляется сигнал с-разностной час Sj(t)SiCOs(,-Cfi) . преобразователя (ФЧП) 13,

Колебания с выходов смесителей 11 и 12 поступают .на входы фазочас )

щими на его входы.

При отсутствии инерционного усилия сдвиг фаз между сигналами S, (t) и S2(t) равен Hyjno, а ФЧП 13 вырабатывает сигнал с частотой (Од31458832

При наличии инерционного усилия F,ДК -/45ц,ЗР,

15

20

оздействующего на резонаторы, резоансные частоты резонаторов 3,9 и , 10:5

СЗрз СО,о+йО;.

СОрч Wio-iO);

Wp4 cjio-s ;

Wp.o ,

деЛйЗ 8Р;,Ю

S - коэффициент силочувствительности резонаторов. Следовательно, автогенераторы 1 2 вырабатывают сигналы

U(t)(co,5+bco)t+q ,; U(t)U2COs(Wj6-UU)t+Cfi.

При этом на выходе смесителя 12 оявляется сигнал

S(t)(Ojt+2(iOt+Cf,-Cpj),

В то же время на выходах пьезоре- истивных делителей 7 и 8 присутстуют колебания25

ut (t)utcos(ca,o+uo3)t+c,+cf6.,+, ;

uJ(t)(Q4o-UW)t+4 z- 6y fi де , -2SCCucO сдвиг фаз, обуслов- ленный тем, что резо- 30 нансные частоты резонаторов 3 и 9 не совпадают ,. 2 (i) - сдвиг фаз, обусловленный различием ре- 35 зонансных частот резонаторов 4 и 10; 5(0 - крутизна фазочастот- ных характеристик резонаторов.40 Таким образом, сигнал на выходе месителя 11 будет иметь вид:

Sj (t)S cos (u.t+2uut+Cf, -(ft+2. ) Сдвиг фаз между сигналами S(t) 45 S(t)

следовательно, п &СОд сигнала, ген

ua)a -A4Si SF.

Измеряя величи частотомера 17, с меряемого ускорен

Формула и

Пьезоакселером установленных в к торных чувствител занных с инерцион тогенератора, в ч которых включены первый однополосн которого соединен нераторов, о тл тем, что, с целью тельности, в него дены второй допол два буферных усил зистивных делител рых состоит из по диненных дополнит натора и резистор фазочастотный пре входа которого по однополосных смес ды второго однопо подключены к выхо ных делителей, а второго автогенер входами соответст второго буферных которьгх в свою оч соответственно с второго пьезорези причем дополнител торы имеют ту же ку, что и осно ры чувствительног

5

0

5

25

30 35 40

45

следовательно, приращение частоты &СОд сигнала, генерируемого ФЧП:

ua)a -A4Si SF.

Измеряя величину utoQ посредством частотомера 17, судят о величине измеряемого ускорения.

Формула изобретения

Пьезоакселерометр, содержащий два установленных в корпусе пьезорезона- торных чувствительных элемента, связанных с инерционной массой, два ав тогенератора, в частотозадающие цепи которых включены пьезорезонаторы, первый однополосный смеситель, входы которого соединены с выходами автогенераторов, о тличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности, в него дополнительно введены второй дополнительный смеситель, два буферных усилителя, два пьезоре- зистивных делителя, каждый из которых состоит из последовательно соединенных дополнительного пьезореэо- натора и резистора, автогенераторный фазочастотный преобразователь, два входа которого подключены к выходам однополосных смесителей, при этом входы второго однополосного смесителя подключены к выходам пьезорезистив- ных делителей, а выходы первого и второго автогенераторов соединены с входами соответственно первого и второго буферных усилителей, выходы . которьгх в свою очередь, соединены соответственно с входами первого и второго пьезорезистивных делителей, причем дополнительные пьезорезона - торы имеют ту же инерционную нагрузку, что и основные пьезорезонаторы чувствительного элемента.

0

(риг.2

Изобретение относится к пьезоре- зонансным акселерометрам и предназначено для измерения низкочастотньк линейных ускорений движущихся объектов различного назначения. Цель изобретения - повышение чувствительности. Деформация пьезорезонаторов .3,4,9,10 при измерении ускорений приводит к изменению частот их колебаний. Выходы автогенераторов 1,2 через буферные усилители 5,6 подключены соот- яетственно к входам пьезорезистирны, делителей 7,8, содержащих пьезоре зонаторы 9 и 10. Последние играют роль резонансных фильтров. С выходов автогенераторов 1,2 сигналы поступают на входы однополосного смесителя 12, а с выходов делителей 7,8 - на входы однополосного смесителя 11. Сигналы со смесителей 11 и 12 поступают на входы автогенераторного фазочастотно- го преобразователя 13, который представляет собой включенные в кольцевое соединение однополосные смесители 14, I5 и широкополосный усилитель 16. Выходным сигналом устройства является сигнал, поступающий с выхода усилителя 16 на частотомер 17. 2 ил. (Л