Акселерометр Советский патент 1992 года по МПК G01P15/08 

82 53

(Л С

Использование: измерительная техника, акселерометры на ПАВ. Сущность изобретения: акселерометр содержит капсольный чувствительный элемент 2 с металлизированными участками 9 и 9, и встречно-штыревыми преобразователями 7 и 7 на обеих его сторонах. На обращенных к обеим сторонам капсольного элемента поверхностях 3 и 4 основания напротив металлизированных участков 9 и 9 расположены металлизированные участки 8 и 8, а напротив преобразователей 7 и 7 на расстоянии d от них, большем, чем 1/4 шага А построения встречно-штыревого преобразователя - линии задержки, образованные встречно- штыревыми преобразователями 5 и 6 и 5 и 6 и усилителями 10 и 10. Перегиб 8 чувствительного элемента выбирается из условия (d- А /4) f d. 4 ил.

гг

ff

ч

00

ш-А

О

ю

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

Известен акселерометр с преобразователями поверхностных акустических волн (ПАВ), имеющий основание и консольный чувствительный элемент (ЧЭ), две линии задержки, выходные встречно-штыревые преобразователи (ВШП) которых расположены на основных плоскостях ЧЭ, входные ВШП - на торцевых плоскостях основания, имеющий ПАВ - генераторы на линиях задержки, полученные включением усилителя между входным и выходным ВШП, смеситель частот.

Такой акселерометр имеет низкую разрешающую способность, ограниченную предельно допустимой деформацией чувствительного элемента.

Большей разрешающей способностью обладает принятый за прототип акселерометр, содержащий консольный чувствитель- ный элемент с металлизированными участками на обеих его сторонах, закрепленный на основании, два генератора на поверхностных акустических волнах, каждый из которых образован усилителем, включенным между входным и выходным встречно-штыревым преобразователем линии задержки, причем линии задержки расположены на основании по обе стороны от консольного чувствительного элемента напротив друг друга.

Разрешающая способность такого акселерометра недостаточна для прецизионных измерений вследствие невозможности получить модуляцию частотного выходного сигнала акселерометра более 3-5%.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности акселерометра.

Поставленная цель достигается в акселерометре, содержащем консольный чувствительный элемент с металлизированными участками на обеих его сторонах, закрепленный на основании, два генератора на поверхностных акустических волнах, каждый из которых образован усилителем, включенным между входным и выходным встречно-штыревым преобразователем линии задержки, причем линии задержки расположены на основании по обе стороны от консольного чувствительного элемента напротив друг друга тем, что в него введены дополнительные измерительные сстречно- штыревые преобразователи, расположенные на обеих сторонах чувствительного элемента напротив линий задержек на расстоянии от них, большем, чем 1/4 шага построения встречно-штыревого преобразователя Я, а также усилители и частотно-им- пульсные модуляторы, при этом на поверхностях основания, обращенных к металлизированным поверхностям чувствительного элемента, нанесены дополнительные металлизированные поверхности, причем каждая металлизированная поверхность основания и чувствительного элемента через соответствующие частотно-импульсный модулятор и усилитель подключена к соответствующему дополнительному измерительному встречно-штыревому преобразователю, а прогиб f чувствительного элемента выбирается из

условия

(d- Я/4) f d.

В заявленном акселерометре частота импульсов выходного сигнала, снимаемого с выходов частотно-импульсных модуляторов, изменяется от 0 при отсутствии ускорения до основной частоты f0 ПАВ-генератора при верхнем пределе измеряемых ускорений, т.е. глубина модуляции выходного сигнала достигает 100%. Следовательно

повышается разрешающая способность, т.к при одном и том же диапазоне измерений обеспечивается меньшее значение ускорения на единицу частоты

Увеличение разрешающей способности

происходит не менее чем в 20 раз.

Отличительные признаки заявленного акселерометра состоят в том, что в него вве- дены дополнительные измерительные встречно-штыревые преобразователи и

расположенные на обеих сторонах чувствительного элемента напротив линий задержек на расстоянии d or них, большем чем 1/4 шага построения встречно-штыревого преобразователя Я, а также усилители и частотно-импульсные модуляторы, при этом на поверхностях основания, обращенных к металлизированным поверхностям чувствительного элемента, нанесены дополнительные металлизированные поверхности,

причем каждая металлизированная поверхность основания и чувствительного элемента через соответствующие частотно-импульсный модулятор и усилитель подключена к соответствующему дополнительному

измерительному встречно-штыревому преобразователю, а прогиб f чувствительного элемента выбирается из условия

(d-Я /4) f d

На фиг. 1 изображена общая конструкция акселерометра, на фиг 2,3 - виды чувствительного элемента и основания с линией задержки; на фиг 4 - структурная схема акселерометра

Акселерометр (см.фиг. 1) содержит основание 1, непьезоэлектрический консольный чувствительный элемент 2, закрепленный на основании 1.

На основании 1 по обе стороны от консольного чувствительного элемента 2 расположены линии задержки. Основание 1 выполняется либо целиком из пьезоэлектрического материала,либо его поверхности 3,4 в области расположения линий задержки образованы нанесением слоя пьезоэлектрического материала.

На поверхности 3 основания 1 (см.фиг.1,2) выполнены входной ВШП 5 и выходной ВШП 6 одной линии задержки, на поверхности 4 основания 1 выполнены входной ВШП 5 и выходной ВШП 6 второй линии задержки. На чувствительном элементе 2 образованы дополнительные измерительные встречно-штыревые преобразователи 7,7, расположенные на обеих сторонах чувствительного элемента напротив линий задержки основания 1, а также металлизированные участки 9,9(см.фиг. 1,3).

На поверхностях 3,4 основания 1, обращенных к металлизированным поверхностям 9,9 чувствительного элемента 2, нанесены дополнительные металлизированные поверхности 8,8.

Расстояние d между дополнительными измерительными ВШП 7,7 на ЧЭ 2 и поверхностями 3,4 основания 1 составляет более А /4 где А - шаг выполнения ВШП. Выполнением соответствующей жесткости ЧЭ 2 или созданием перемычки в месте соединения ЧЭ 2 с основанием 1 прогиб f ЧЭ 2 при наличии ускорения находится в пределах (d-A/4)«f d.

На структурной схеме (см.фиг,4) акселерометра включением усилителя 10 между ВШП 5 и 6 образован первый генератор на поверхностных акустических волнах (ПАВ- генератор ), включением усилителя 10 между ВШП 5 и 6 образован второй ПАВ- генератор. Дополнительный измерительный ВШП 7 подключен к усилителю 11 высокой частоты, выход которого подсоединен к входу частотно-импульсного модулятора 12. Выход частотно-импульсного модулятора 12 подключен к металлизированным участкам 8 и 9 на ЧЭ 2 и основании 1, находящимся на противоположной стороне ЧЭ 2 от ВШП 7. Дополнительный измерительный ВШП 7 подключен к усилителю 11 высокой частоты, выход которого подсоединен к входу частотно-импульсного модулятора 12. Выход частотно-импульсного модулятора 12 подключен к металлизированным участкам 8 и 9 на ЧЭ 2 и основании

1, находящимся от ВШП 7 на противоположной стороне ЧЭ 2.

Акселерометр работает следующим образом. При отсутствии ускорения ЧЭ 2 находится в среднем положении относительно поверхностей 3,4 основания 1, и расстояние d дополнительных измерительных ВШП 7,7 от поверхностей 3,4 больше четверти шага построения ВШП (d А /4). Поэтому электрическое поле в пьезоэлектрике на поверхностях 3,4, возбуждаемое при прохождении ПАВ во время работы ПАВ-генераторов, не наводит в дополнительных измерительных ВШП 7,7 электрических сигналов. На входе

усилителей 11,11 отсутствует сигнал, с выходов частотно-импульсных модуляторов 12,12 не поступают импульсы на металлизированные пластины 8,8,9,9, и ЧЭ 2 остается в среднем положении. При этом

выходной сигнал акселерометра, получаемый на выходах частотно-импульсных модуляторов 12,12, равен нулю на каждом выходе. При наличии ускорения, при котором происходит перемещение ЧЭ 2 в сторону поверхности 3 основания 1, ЧЭ 2 приближается к поверхности 3 основания 1, Вследствие прогиба f чувствительного элемента 2 в месте расположения дополнительного измерительного ВШП 7 расстояние

между ВШП 7 и поверхностью 3 основания 1 станет равным четверти шага (А /4) построения ВШП. Тогда в дополнительном из- мерительном ВШП 7 наводится электрический сигнал высокой постоянной

частоты f0 от электрического поля пьезоэ- лектрика на поверхности 3, возникающего при работе ПАВ-генератора на ВШП 5,6, и усилителе 10. Сигнал от ВШП 7 поступает на усилитель 11 высокой частоты, с него на

частотно-импульсный модулятор 12, где частотный сигнал преобразуется в импульсный с частотой следования f0 импульсов, амплитудой Do и длительностью импульса т. С выхода частотно-импульсного модулятора

12 импульсы приходят на металлизированные участки 8,9, образующие электростатический силовой преобразователь. Электрические импульсы, поступающие на металлизированные участки 8/9, создают

импульсы электростатической силы, средняя величина которых создает компенсаци- онную силу, уравновешивающую инерционную силу и возвращающую ЧЭ 2 в прежнее положение. Сигнал, получаемый с

выхода частотно-импульсного модулятора 12, пропорционален ускорению, направление которого вызывает перемещение ЧЭ 2 по направлению к поверхности 3 основания 1.

При данном направлении ускорения ЧЭ 2, наоборот, отдаляется от поверхности 4 основания 1, при этом расстояние между дополнительным измерительным ВШП 7 и поверхностью 4 увеличивается и составляет еще более, чем А /4. Поэтому на ВШП 7 не наводится электрический сигнал от электрического поля пьезоэлектрика на поверхности 4, вызванного работой ПАВ-генератора на ВШП 5, б и усилителе 10, и на выходе частотно-импульсного модулятора 12 нет сигнала. Таким образом, при данном направлении ускорения выходной сигнал акселерометра идет только с модулятора 12.

При противоположном направлении ускорения ЧЭ 2 приближается к поверхности 4 основания 1. При этом расстояние между ВШП 7 и поверхностью 4 становится равным А /4, в ВШП 7 наводится сигнал, вызванный электрическим полем пьезоэлектрика на поверхности 4 вследствие работы ПАВ-генератора на ВШП 5, 6 и усилителя 1СГ. Сигнал с ВШП 7 после усиления в усилителе 11 и преобразования в частотно-импульсном модуляторе 12 поступает на металлизированные участки 8,9 на ЧЭ 2 и основании 1. В результате возникающей электростатической силы ЧЭ 2 возвращается в среднее положение. Так как при наличии ускорения этого напряжения ЧЭ 2 удаляется от поверхности 3, то с выхода частотно-импульсного модулятора 12 сигнал не поступает. Таким образом, при этом направлении ускорения выходной сигнал акселерометра существует только на выходе модулятора 12.

Следовательно, акселерометр измеряет ускоренней выдаетсигнал, пропорциональный измеряемому ускорению, отдельно по каждому направлению ускорения.

Измеряемое ускорение а пропорционально количеству импульсов N, поступающих с. выхода частотно-импульсных модуляторов 12 и 12 :

a K«N2,(1)

(2)

где К - коэффициент преобразования акселерометра.

,43, 5mol

где S - площадь металлизированного участка на ЧЭ 2 или основании 1;

di - расстояние между металлизированными участками 8 и 9; 8 и 9 ;

m - масса ЧЭ 2.

Формула изобретения Акселерометр, содержащий консольный чувствительный элемент с металлизированными участками на обеих его

сторонах, закрепленный на основании, два генератора на поверхностных акустических волнах, каждый из которых образован усилителем, включенным между входным и выходным встречно-штыревым преобразователем

линии задержки, причем линии задержки расположены на основании по обе стороны от консольного чувствительного элемента напротив друг друга, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей

способности акселерометра, в него введены дополнительные измерительные встречно- штыревые преобразователи, расположенные на обеих сторонах чувствительные элементы напротив линий задержек на расстоянии d от

них, большем, чем 1/4 шага построения А встречно-штыревого преобразователя, а также усилители и частотно-импульсные модуляторы, при этом на поверхностях основания, обращенных к металлизированным поверхностям чувствительного элемента, нанесены дополнительные металлизированные поверхности, причем каждая металлизированная поверхность основания и чувствительного элемента через соответствующие частотноимпульсный модулятор и усилитель подключена к соответствующему дополнительному измерительному встречно-штыревому преобразователю, а прогиб f чувствительного элемента выбирается из условия (d - A/4)

45

f d.

Фиг2

№

5

6

Фиг.Ц

I

г

яяя

/7

9 Фиг.3

8

Г

9