Акселерометр Советский патент 1992 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерению параметров движения, в частности к измерителям линейных ускорений прямого преобразования на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Известны акселерометры с преобразователями поверхностных акустических волн, использующие в качестве информации изменение фазового набега ПАВ под действием инерционных сил вызванных ускорением.

Известен акселерометр с преобразователями ПАВ, содержащий консольный чувствительный элемент (ЧЭ), п генераторов не поверхностных акустических волнах, каждый из которых образован усилителем, включенным между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями

(ВШП) линий задержки (ЛЗ), установленными на поверхности чувствительного элемента.

Недостатками этого акселерометра являются малый диапазон измеряемых ускорений, вызванный малым изменением фазового набега ПАВ при наличии ускоре. ния, и температурная погрешность вследствие неидентичности температурных условий для ЛЗ.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений и повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в акселерометр, содержащий консольный чувствительный элемент, п генераторов на поверхностных акустических волнах, каждый из которых образован усилителем.

ч ел ел

го

g

включенным между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями линий задержки, установленными на поверхности чувствительного элемента, введены генератор тактовых импульсов, линейка из (п-1) выходных регистров, (п-2) цепочек, каждая из которых содержит последовательно соединенные регистр и схему совпадения, (п-1) цепочек, каждая из которых подключена к выходу соответствующего ге- нератора на поверхностных акустических волнах и содержит последовательно соединенные счетчик - регистр и блок вычитания кодов частот, n-ый счетчик - регистр, вход которого подключен к выходу n-го генерато- ра на поверхностных ткустических волнах, а выход - к второму входу всех блоков вычитания кодов частот, выход каждого из которых, кроме (п-1)-го, подключен к входу соответствующей схемы совпадения, выход каждого из блоков вычитания кодов частот подключен к входу соответствующего выходного регистра в линейке, разрешающие входы которых, начиная с второго, соединены с выходом предыдущей схемы совпа- дения, а выходы генератора тактовых импульсов соединены с соответствующими входами счетчиков - регистров, схем совпадения, блоков вычитания кодов частот, регистров и выходных регистров в линейке, причем продольные оси линий задержек расположены перпендикулярно продольной оси чувствительного элемента.

На фиг. 1 представлена конструкция чувствительного элемента акселерометра; на фиг. 2 - структурная схема акселерометра.

, На фиг, 1 на чувствительном элементе 1 вдоль его продольной оси образовано п линий задержки (, 4, ...), образованных путем расположения входных ВШП 2, 21,... 2fn) и выходных ВШП 3, З1 ... 3(п) вдоль продольной оси ЧЭ. При этом продольные оси линий задержки расположены перпендикулярно к продольной оси ЧЭ..

На фиг. 2 включением усилителя 4 между ВШП 2 и 3 образован первый генератор поверхностных акустических волн, включением усилителя 41 между ВШП 21 и З1 образован второй генератор поверхностных акустических волн. Аналогично включением усилителя 4(п) между ВШП 2(п) и 3(п) образован n-ый генератор поверхностных акустических ввпн.

В схему акселерометра введено (п-1) цепочек, каждая из которых содержит последовательно включенные один из счетчиков - регистров 5,5 , и один из блоков вычитания кодов частот 6, 6 , ... б . К каждому из (п-1) генераторов поверхностных акустических волн подключен один из счетчиков - регистров 5, 5 ,... б п . К п-ому генератору поверхностных акустических волн подключен счетчик - регистр . К каждому счетчику- регистру из 5, 5 ,... подключен первый вход одного из блоков вычитания кодов частот б, б1 , ... Ко второму входу каждого блока вычитания кодов частот 6, б1,... подключен счетчик - регистр

В цепях обработки сигналов с первого генератора до (п-2)-го генератора поверхностных акустических волн введены (п-2) цепочек из последовательно включенных одной из схем совпадения 7, 71 , ... и регистра 8, 8 ,... 8 . Первые входы каждой из схем совпадения 7, Т ,... 7 п соединены с одним из блоков вычитания кодов 6, б , ... , вторые входы каждой схемы совпадения 7, 7 ,... с одним из регистров 8,81,... соответствен но. В линейке 10 из (п-1) выходных регистров первый разряд первого регистра соединен со знаковым выходом блока вычитания кодов частот 6, числовые разряды всех регистров линейки 10 соединены с соответствующими числовыми разрядами блоков вычитания кодов частот б, 6, ... . Разрешающие входы регистров линейки 10, начиная со второго, соединены с предыдущей схемой совпадения из 7, 71 , ... . Генератор тактовых импульсов 9 соединен линией а со счетчиками - регистрами 5, 5 ,... линией б - с блоками вычитания кодов частот 6, б1 , ... , линией в - со схемами совпадения

7,7 , ... и линией г - со вторыми разрешающими входами регистров линейки 10.

В качестве блоков вычитания кодов частот б, б , ... применены сумматоры, одни входы которых, подключены соответственно к счетчикам регистрам 5, 5 ,... 5 в прямом коде, а вторые входы - к счетчику- регистру 5 в обратном коде. В регистрах

8,8 , ... записаны коды ускорений No, N1 ... N(n-i).

Работает акселерометр следующим образом.

При отсутствии ускорения ЧЭ 1 акселерометра не имеет деформаций, вызванных инерционной силой. Поэтому частоты генераторов поверхностных акустических волн равны:

.

(1)

где ft, fa, ... fn основные частоты первого, второго,... n-го генераторов поверхностных акустических волн.

Счетчики-регистры 5,51,... Б П преобразуют частотный выходной сигнал генераторов в код. В силу (1) на выходах всех блоков вычитания кодов 6, 6 , ... получается код, близкий к нулю. Ни одна из схем совпа- дения не срабатывает, на их выходных линиях образуются нули, которые блокируют все выходные регистры линейки 10, кроме первого. В результате это го на вход линейки 10 будет подключен блок вычитания кодов 6, код которого равен нулю, что показывает отсутствие ускорения.

При наличии ускорения по измерительной оси акселерометра, перпендикулярной плоскости ЧЭ 1 с линиями задержки, проис- ходит деформация ЧЭ, изменяется скорость распространения ПАВ в линиях задержки, изменяются частоты генераторов поверхностных акустических волн fi, 12,.. fn-i.

Однако расположение ВШП 2(п) и 3(п) n-го генератора поверхностных акустических волн выбрано на ЧЭ таким образом, что линия задержки не деформируется ни при каких ускорениях, частота генератора остается постоянной, и она выбрана за эта- лонную. На выходе счетчика-регистра 5 образуется код Fn. Наибольший деформирующий момент действует на линию задержки на ВШП 2 и 3, и частота fi первого генератора поверхностных акустических волн из- меняется в наибольшей степени. По мере увеличения ускорения увеличивается деформирующий момент на ЧЭ, постепенно увеличивая деформации линий задержки с ВШП 21 и З1 до ВШП 2() и 3(); ) и . При ускорении а0 момент, действующий на ЧЭ в области расположения ВШП 2 и 3, достигает установленной величины, частота генератора поверхностных акустических волн на ВШП 2 и 3 получает значение fi, и на выходе счетчика-регистра 5 образуется код Ft. На выходе блока вычитания 6 образуется код N Fi-Fn, которым будет заполняться первый регистр линейки 10, При достижении ускорения, при котором , т.е. выходной код блока вычитания б совпадает с кодом, записанном в регистре 8, сработает схема совпадения 7, на ее выходе образуется 1, которая разблокирует разрешающий вход второго выходного регист- ра линейки 10.

Дальнейшее увеличение ускорений приведет к дальнейшей деформации ЧЭ, начнет заметно деформироваться линия задержки на ВШП 21 и З1, что вызовет изменение частоты второго генератора поверхностных акустических волн, На выходе счетчика - регистра 5 образуется код F2, а на выходе блока вычитания б код , которым и будет заполняться второй выходной регистр линейки 10. При достижении ускорения, при котором , т.е. выходной код блока вычитания б совпадет с кодом, записанном в регистре 81, сработает схема совпадения 71, на ее выходе образуется логическая единица, которая разблокирует разрешающий вход третьего выходного регистра линейки 10. При дальнейшем росте ускорений начнется заполнение этого регистра кодом ускорения от третьего генератора поверхностных акустических волн.

Таким образом, при возрастании ускорения все большую деформацию будут испытывать последующие линии задержки, и код изменения частоты будет поступать со следующих генераторов поверхностных акустических волн на последующие выходные регистры линейки 10, когда, наконец, схема совпадения откроет разрешающий вход последнего (п-1)-го выходного регистра линейки 10, и на него будет поступать код изменения частоты (п-1)-го генератора поверхностных акустических волн на ВШП 2 п-1Ги3(п-Ч

В зависимости от направления ускорения в области расположения линий задержки на ЧЭ 1 происходят деформации сжатия или растяжения. Поэтому частоты всех (п-1) генераторов поверхностных акустических волн в зависимости от направления ускорения уменьшаются или увеличиваются по сравнению с частотой n-го генератора поверхностных акустических волн. При поло- жительной разности между частотой генератора поверхностных акустических волн и эталонной частотой в знаковом разряде блока вычитания кодов частот б образуется логический О, который поступает на первый разряд первого выходного регистра линейки 10.

При противоположном направлении ускорения, когда разность частот генератора поверхностных акустических волн и источника эталонной частоты, fn отрицательна, в знаковом разряде блока вычитания кодов частот 6 образуется 1, которая определит знак кода ускорения во всех разрядах выходных регистров линейки 10.

Генератор тактовых импульсов 9 вырабатывает импульсы по линии а для обнуления и запуска счетчиков-регистров 5, 5 , ... 5 , по линии б на разрешение операций в блоках вычитания кодов частот 6, б . ... б п , по линии в на разрешение операции сравнения кодов на входах схем совпадения 7,71,... и изменение показаний выходных регистров линейки 10, по линии г на обнуление линейки 10 выходных регистров. В регистрах 8, 81, ... предварительно записаны коды ускорений, при которых производится включение соответствующих выходных регистров линейки 10.

Таким образом, с выходов выходных регистров линейки 10 поступают сигналы, содержащие коды направления ускорения, величины ускорения и диапазона измерения.

Так как каждая линия задержки используется для измерений ускорений в определенном диапазоне, то применение нескольких линий задержки на одном ЧЭ позволяет получить суммарный диапазон измерений больше, чем при одной линии задержки.

Расположение продольных осей линий задержки перпендик/лярно продольной оси ЧЭ позволяет выполнять акселерометр с меньшими габаритами.

Использование генератора поверхностных акустических води на одной из линий задержки на ЧЭ в качестве источника эталонной частоты повышает температурную стабильность акселерометра, так как все линии задержки на ЧЭ находятся в близких температурных условиях.

Повышение температурной стабильности увеличивает порог чувствительности акселерометра, что ведет к увеличению диапазона в сторону малых ускорений и повышению точности измерений.

Увеличение диапазона измерений расширяет возможности применения акселерометра.

Формула изобретения

Акселерометр, содержащий консоль- ный чувствительный элемент, п-генерато- ров на поверхностных акустических волнах,

каждый из которых образован усилителем включенным между входным и выходным встречно-штыревым преобразователями линий задержки, установленными на поверхности чувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений и повышения точности измерений, в него введены- генератор тактовых импульсов, линейка из (п-1) выходных регистров, (п-2) цепочек, каждая из которых содержит последовательно соединенные регистр и схему совпадения, (п-1) цепочек, каждая из которых подключены к выходу соответствующего генератора на поверхностных акустических волнах и содержит последовательно соединенные счетчик-регистр и блок вычитания кодов частот, n-й счетчик-регистр, вход которого подключен к выходу п-го генератора на поверхностных акустических волнах, а выход - к второму входу всех блоков вычитания кодов частот, выход каждого из которых, кроме (п-1)-го, подключен к входу соответствующей схемы совпадения, выход каждого из блоков вычитания кодов частот подключен к входу соответствующего выходного регистра в линейке, разрешающие входы которых, начиная с второго, соединены с выходом предыдущей схемы совпадения, а выходы генератора тактовых импульсов соединены с соответствующими входами счетчиков-регистров, схем совпадения, блоков вычитания кодов частот, регистров и выходных регистров в линейке, причем продольные оси линий задержек расположены перпен- дикуляр но продольной оси чувствительного элемента.

Использование: приборостроение, измерение ускорений с преобразователями на поверхностных акустических волнах. Сущность изобретения: на поверхности чувствительного элемента вдоль его длины расположены линии задержки, образованные входными 2 и выходными 3 встречно-штыре- выми преобразователями. Преобразователи 3,4 совместно с усилителями 4 образуют генераторы. Каждый генератор подключен к соответствующему счетчику-регистру 5. Выход каждого счетчика регистра 5, кроме последнего n-го, подключен к первому входу соответствующего блока вычитания кодов частот 6. Выходы всех блоков вычитания кодов частот 6, кроме (п-1)-го, подключены к первому входу соответствующей схемы совпадения 7, к второму входу которой подключен регистр 8. Выходы всех блоков вычитания кодов частот 6 и выходы всех схем совпадения 7 подключены к соответствующим входам линейки 10 из (п-1) регистров, 2 ил.

(fr-t) ,га-)

фие.{