Акселерометр Советский патент 1992 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в акселерометрах для измерения ускорения подвижных объектов.

Известен акселерометр с преобразователем поверхностных акустических волн (ПАВ), на чувствительном элементе которого образована линия задержки с входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями (ВШП), на линии задержки образо- в1ан ПАВ-генератор путем включения усилителя между входным и выходным ВШП.

Такой акселерометр обеспечивает малый коэффициент преобразования.

Для увеличения коэффициента преобразования линии задержки образуют на двух сторонах чувствительного элемента (ЧЭ). Такой акселерометр, принятый за прототип, имеет корпус, чувствительный элемент, линии задержки за двух сторонах ЧЭ, включающие входной и выходной ВШП, содержит ПАВ - генераторы на линиях задержки, образованные включением усилителя между входным и выходным ВШП, смеситель частое, частотомер.

Недостатками акселерометра являются отсутствие информации о направлении ускорения и температурная погрешность, вызванная различным изменением частот ПАВ-генераторов из-за разности температур между противоположными поверхностями ЧЭ.

Целью изобретения являются устранение температурной погрешности и определение направления ускорения.

Поставленная цель достигается в акселерометре, содержащем корпус, консольный чувствительный элемент, частотомер, преобразователь поверхностных акустических волн, включающий линии задержки с входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, ПАВ-генераторы на линиях задержки, образованные включениXI

О

сл VJ ч

CJ

ем усилителя между входным и выходным ВШП тем, что линии задержки расположены на корпусе на двух поверхностях, параллельных основным поверхностям ЧЭ, на каждой поверхности на корпусе образова- ны две линии задержки, расположенные симметрично относительно продольной оси ЧЭ, с направлением акустического тракта вдоль продольной оси ЧЭ перпендикулярно оси изгиба ЧЭ, ЧЭ снабжен металлизиро- ванными участками, соответствующими расположению одной из линий задержки на каждой поверхности корпуса, металлизированные участки на ЧЭ расположены от линий задержки на расстоянии d + fMHH,

где Я - длина волны ПАВ, fMHH - прогиб чувствительного элемента на нижнем пределе измерения акселерометра, выходы ПАВ-ге- нераторов соединены с введенными форми- рователями импульсов, выходы котооыхдля пары линий задержки на каждой поверхности корпуса соединены с введенными устройствами вычитания частот, к выходам которых подключены частотомеры.

Отличительные признаки заявленного акселерометра состоят в том, что линии задержки расположены на корпусе на двух поверхностях, параллельных основным поверхностям ЧЭ, на каждой поверхности на корпусе образованы две линии задержки, расположенные симметрично относительно продольной оси ЧЭ, с направлением акустического тракта вдоль продольной оси ЧЭ перпендикулярно оси изгиба ЧЭ, ЧЭ снаб- жен металлизированными участками, соответствующими расположению одной из линий задержки на каждой поверхности корпуса, металлизированные участки на ЧЭ расположены от линий задержки на рассто-

янии d -3 + fwMH, где Я - длина волны ПАВ,

fwHH - прогиб чувствительного элемента на нижнем пределе измерения акселерометра, выходы ПАВ-генераторов соединены с введенными формирователями импульсов, выходы которых для пары линий задержки на каждой поверхности корпуса соединены с введенными устройствами вычитания частот, к выходам которых подклю- чены частотомеры.

На фиг. 1 показан общий вид акселерометра; на фиг. 2-4 - виды корпуса и чувствительного элемента акселерометра; на фиг. 5 - блок-схема акселерометра.

Акселерометр (фиг. 1) имеет корпус 1, консольный чувствительный элемент 2. На корпусе 1 на одной из поверхностей, параллельной основным плоскостям ЧЭ 2, расположены входной ВШП 3 и выходной ВШП 4

одной линии задержки, входной ВШП 5 и выходной ВШП 6 второй линии задержки (фиг, 1, 2). На второй поверхности корпуса расположены входной ВШП 3 и выходной ВШП 4 одной линии задержки, входной ВШП 5 и выходной ВШП б второй линии задержки (фиг. 1,3). На чувствительном элементе 2 расположены металлизированные участки 7, 7 , соответствующие расположению одной из линий задержки на каждой поверхности корпуса 1 (фиг. 1, 4).

На фиг. 2 ВШП 3, 4 одной линии задержки и ВШП 5, 6 второй линии задержки расположены симметрично относительно продольной оси ЧЭ 2, обеспечивая направление акустического тракта вдоль продольной оси ЧЭ 2 перпендикулярно оси изгиба ЧЭ 2. Металлизированные поверхности 7, 7 расположены относительно БШП 3, 4 и 3, 4

на расстоянии d д+fmin (фиг. 1).

Из пьезоэлектрического материала может быть выполнен либо весь корпус 1, либо его части с поверхностями, на которых образованы линии задержки. В случае выполнения корпуса 1 из пьезоэлектрического материала для образования линий задержки на поверхности корпуса 1, параллельные основным поверхностям ЧЭ 2, наносится подложка из пьезоэлектрического материала.

Чувствительный элемент 2 выполнен из непьезоэлектрического неэлектропроводного материала. Получение необходимого прогиба ЧЭ 2 обеспечивается либо соответствующей его жесткостью, либо выполнением перемычки в месте соединения ЧЭ 2 с корпусом 1.

На фиг, 3 включением усилителя 8 между входным ВШП 3 и выходным ВШП 4 одной линии задержки на одной из поверхностей на корпусе 1 образован ПАВ- генератор, сигнал которого через формирователь импульсов 10 поступает в устройство вычитания частот 12. Включением усилителя 9 между входным ВШП 5 и выходным ВШП 6 второй линии задержки образован второй ПАВ-генератор, сигнал которого через формирователь импульсов 11 подается на второй вход устройства вычитания частот 12. От устройства вычитания частот 12 сигнал подается на частотомер 13.

Включением усилителя 8 между входным ВШП 3 и выходным ВШП 4 одной из линий задержки на второй поверхности на корпусе 1 образуется ПАВ-генератор, сигнал с которого через формирователь импульсов 10 подается на вход устройства вычитания частот 12 . Включением усилителя 9 между входным ВШП 51 и выходным ВШП 6;второй линии задержки образуется второй ПАВ-генератор, сигнал с которого через формирователь импульсов 11; подается на второй вход устройства формирования частот 12 , соединенного своим выходом с частотомером 13.

При отсутствии ускорения ЧЭ 2 находится в среднем положении относительно поверх ностей корпуса 1. Так как при этом расстояние между металлизированными участками 7, Т и находящимися напротив их ВШП 3, 4 и 3, 4 линий задержки равно сумме четверти длины волны ПАВ и прогиба чувствительного элемента 2 на нижнем

пределе измерения акселерометра (d д +

+fMHH), металлизированные участки 7, 7 не оказывают шунтирующего воздействия на электрическое поле пьезоэлектрика, возникающее при работе ПАВ-генератора.

Это означает, что на частоту ПАВ-генератора оказывает влияние только набег фазы, пропорциональный длине линии задержки и скорости распространения ПАВ в зву ко приводе. Поэтому частоты всех четырех ПАВ-генераторов в принципе равны, равны нулю сигналы с устройств вычитания частот 12, 12 и частотомеров 13, 13,

При наличии ускорения, перпендикулярного основным поверхностям ЧЭ и направленного, например, так, что ЧЭ 2 перемещается в направлении корпуса 1 с ВШП 3, 4, 5, б, когда расстояние между металлизированным участком 7 и ВШП 3, 4 станет равным четверти длины волны ПАВ

(d 2 ). металлизированный участок 7 начинает оказывать шунтирующее воздействие на электрическое поле в пьезоэлектрике линии задержки на ВШП 3, 4, Это вызовет изменение частоты первого ПАВ-генератора на линии задержки с ВШП 3, 4. Частоты ПАВ-генераторов ня линиях задержки с ВШП 5, 6 и 5, 6, не изменяются, т.к. эти линии задержки расположёны вне зон металлизированных участков 7, 7. Частота ПАВ-генератора на линии задержки с ВШП 3 , 4 также не изменяется, т.к. металлизированный участок 7 удаляется от ВШП 3, 4, и расстояние между участком 7 и ВШП 3, 4 становится еще больше, чем сумма четверти длины волны ПАВ и прогиба ЧЭ (d

2 ч fMi/m).

Вследствие того, что изменяется частота только первого ПАВ-генератора на ВШП 3, 4, а у остальных трех ПАВ-генераторов частоты не изменяются, то при данном направлении ускорения появится разность частот на выходе только устройства вычитания частот 12, и выходной сигнал акселерометра будет на выходе частотомера 13.

При противоположном направлении ускорения изменяется частота только ПАВ- генератора на линии задержки с ВШП 3, 4, а частоты других трех ПАВ-генераторов не изменяются. Поэтому разность частот будет только на выходе устройства вычитания частот 12, и выходной сигнал акселерометра будет поступать с выхода частотомера 13.

Формирователи импульсов 10, 10, 11, 11 преобразуют синусоидальный сигнал

ПАВ-генераторов с центральной частотой fo в импульсный сигнал с частотой следования импульсов fo. В качестве формирователей импульсов могут использоваться триггеры Шмитта.

Устройства вычитания частот 12, 12 производят вычитание частот импульсов, поступающих на их входы. Таким устройствами могут быть реверсивные счетчики либо специальные устройства.

Таким образом, акселерометр производит измерение ускорения и определяет его направление, т.е. в зависимости от направления ускорения поступает сигнал с того или другого частотомера.

Так как пары линий задержки расположены на одной поверхности, то они находятся в более близкихтемпературных условиях, чем обеспечивается устранение влияния температуры на частоты ПАВ-генераторов

и, следовательно, на выходной сигнал акселерометра.

Устранение температурной погрешности акселерометра повышает его точность. Возможность определения направления ускорения расширяет функциональные возможности применения акселерометра.

Формулаизобретения,

Акселерометр, содержащий корпус, в котором закреплен консольный чувствительный элемент, частотомер и преобразователь на поверхностных акустических волнах на основе генераторов, образован- ных включением усилителя между входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями линий задержки, отличающийся тем, что, с целью снижения температурной погрешности и расширения функциональчых возможностей за счет обеспечения определения направления ускорения, в него введены формирователи импульсов и блоки вычитания частот, к входам каждого из которых подключены выходы двух формирователей импульсов, выход

каждого блока вычитания частот соединен с входом соответствующего частотомера, а линии задержки расположены попарно на двух поверхностях корпуса, параллельных основным поверхностям чувствительного элемента, на которых напротив одной из линий задержки на расстоянии d Л/4 + iMm

зt

L

от нее расположены металлизированные участки, причем выход каждого из генераторов подключен к входу соответствующего формирователя импульсов, где Я - длина волны, a iwnH прогиб чувствительного элемента на нижнем пределе измерения акселерометра.

56

I

И f

Т

т

т

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: акселерометр содержит корпус и консольный чувствительный элемент, на поверхностях которого на- несены металлизированные участки. Преобразователь выполнен на основе генераторов поверхностных акустических волн, каждый генератор образован усилителем, включенным между соответствующими входными, и выходными встречно-штыревыми преобразователями, расположении-- ми попарно на обоих сторонах консольного чувствительного элемента. При этом одна из линий задержек на каждой стороне расположена напротив металлизированного участка на корпусе на определенном расстоянии от него. 5 ил.

3 Ч

Фиг.З

8

Фаг. 2

Фиг. 4