Акселерометр Советский патент 1993 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. Акселерометр предназначен для измерения ускорений объектов различного назначения.

Известен 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 основных плоскостях консольнэ чувствительному элементу, входные встречно-штыревые элементы преобразователей размещены на верхней и нижней торцовых плоскостях держателя на расстоянии от параллельно рас- положенных внутренних торцовых плоскостей инерционной массы, не превышающем четверти шага решетки преобразователя, причем внутренние участки поверхности держателя между встречно-штыревыми преобразователями каждой пары металлизированы и образуют зазор, плоскости чувствительного элемента сопряжены с внутренними торцевыми плоскостями инерционной массы цилиндрическими поверхностями переменной кривизны, а на внешнем торце инерционной массы нанесены поглотители акустических волн, металлизированные держатели повторяют форму срединной поверхности консоли при изгибе, элементы держателя выполнены из кристалла одинакового с чувствительным элементом среза, например YX-среза кварца, выходные встречно-штыревые преобразователи расположены относительно входных с противоположной стороны от места защемления чувствительного элемента в держателе.

Недостатком известного акселерометра является недостаточная точность измерения линейного ускорения,обусловленная влиянием объемных акустических волн, образующихся при возбуждении поверхмостсо

С

vi

00

00

4

VI

00

Ґ

УГ

ной акустической волны на одной из основных поверхностей чувствительного элемента, на поверхностную акустическую волну и выходной встречно-штыревой преобразователь, расположенный на противоположной стороне консоли. Возбуждение и прием поверхностных акустических волн всегда сопровождается возбуждением когерентных объемных акустических волн, которые распространяясь через толщину консоли чувствительного элемента, достигают противоположной стороны и взаимодействуют как с поверхностной волной, так и возбуждают выходной встречно-штыревой преобразователь. Это взаимодействие искажает амплитудно-фазовые характеристики выходного сигнала акселерометра и приводит к снижению его точности. Так как при изгибе консоли напряжения в ней по толщине распределяются не равномерно, то условия распространения объемных волн будут различными как по толщине консоли, так и при различных прогибах консоли, что приводит к различному влиянию объемных акустических волн на поверхностные акустические волны и выходные встречно-штыревые преобразователи при различных ускорениях.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что в акселерометр дополнительно введен поглотитель акустических волн в виде пластины, которая встроена в середину консоли Т-образного чувствительного элемента параллельно ее основным плоскостям,

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями, являются:

1. Поглотитель акустических волн в виде пластины.

2. Пластина встроена в середину консоли Т-образного чувствительного элемента параллельно ее основным плоскостям.

Данные признаки обладают существенными отличиями, так как в известных технических решениях не обнаружены.

Применение всех новых признаков позволяет повысить точность измерения линейного ускорения за счет устранения влияния объемных акустических волн на противоположно расположенный возбуждаемому входному выходной встречно-шты- ревой преобразователь путем их поглощения в пластине поглотителя.

На чертеже изображен общий вид акселерометра,

Акселерометр содержит установленную в держателе 1 корпуса 2 консоль 3 с закрепленной на ее свободном конце инерционной массой 4, образующей с консолью Т-образный чувствительный элемент, в середину которого введен поглотитель 5 акустических волн в виде пластины, плоскости которой параллельны основным плоскостям чувствительного элемента, и две пары

встречно-штыревых решетчатых преобразователей с входным элементом 6 и выходным элементом 7, с входным элементом 8 и выходным элементом 9 поверхностных акустических волн, выходные встречно-штыревые

элементы 7,9 которых размещены на основных плоскостях консольно чувствительному элементу, входные встречно-штыревые элементы б, 8 преобразователей размещены на верхней и нижней торцовых плоскостях держателя 1 на расстоянии от параллельно расположенных внутренних торцовых плоскостей инерционной массы 4, не превышающем четверти шага решетки преобразователя, причем внутренние участки .10, 11 поверхности держателя 1 между встречно-штыревыми преобразователями каждой пары металлизированы и образуют зазор. Плоскости чувствительного элемента сопряжены с внутренними торцовыми плоскостями инерционной массы 4 цилиндрическими поверхностями переменной кривизны, а на внешнем торце инерционной массы 4 нанесены поглотители 12 акустических волн, металлизированные

держатели 1 повторяют форму срединной поверхности консоли 3 при изгибе, элементы держателя 1 выполнены из кристалла одинакового с чувствительным элементом среза, например YX-среза кварца. Выход- ные элементы 7 и 9 встречно-штыревые преобразователи расположены относительно входных 6,8с противоположной стороны от места защемления чувствительного элемента в держателе 1. На торцовых плоскостях

держателя нанесены пьезоэлектрические пленки 13,14. С целью герметизации корпус закрыт крышкой 15.

Акселерометр работает следующим образом.

Входной встречно-штыревой преобразователь 6 через воздушный зазор постоянно возбуждает в поверхностном слое чувствительного элемента первую поверхностную акустическую волну, которая распространяется по первой торцовой поверхности инерционной массы 4, переходит через цилиндрическую сопрягающую поверхность на верхнюю основную плоскость

чувствительного элемента и, проходя зону защемления, достигает выходной встречно- штыревой преобразователь 7 за некоторое время TL При этом фаза первой поверхностной акустической волны,распространяющейся со скоростью Voi равна

p 0)i Ti,

где wi - частота акустического синхронизма первой пары встречно-штыревых преобразователей 6, 7.

Аналогично с помощью второго встречно-штыревого преобразователя 8 постоянно возбуждается через воздушный зазор вторая поверхностная акустическая волна, которая распространяется по второй торцовой поверхности инерционной массы 4 и далее по нижней плоскости чувствительного элемента, достигает выходного встречно- штыревого преобразователя 9 за время Та. Фаза второй поверхностной акустической волны равна:

р2 Ч2 Та,

где 0)2 - частота акустического синхронизма второй пары встречно-штыревых преобразователей 8, 9.

Если измеряемое ускорение отсутствует, то фазы первой и второй поверхностных акустических волн равны между собой и выходной сигнал акселерометра, образуемый как разность фаз А(р р -(pi, также отсутствует.

При возбуждении поверхностной акустической волны как входным элементом 6, так и 8 встречно-штыревых преобразователей образуются объемные акустические волны. Их воздействие на фазы противоположно расположенных выходных преобразователей 7 или 9 исключается за счет поглощения объемных акустических волн соответствующей поверхностью поглотителя.

При воздействии на инерционную массу 4 инерционных сил от измеряемого ускорения с направлением, например, снизу вверх происходит смещение торцовых поверхностей инерционной массы 4 относительно встречно-штыревых преобразователей 6 и 8, растяжение верхнего и сжатие нижнего поверхностных слоев чувствительного элемента и изменение зазоров между верхней и нижней поверхностями чувствительного элемента и экранами 10 и 11 соответственно. Это приводит к увеличению времени задержки первой поверхностной волны за счет увеличения длины акустического пути от прогиба AY-i консоли, растяжения AXi верхнего поверхностного слоя вдоль направления распространения первой поверхностной волны и уменьшения скорости первой поверхностной волны за счет деформации растяжения и уменьшения степени экранирования при увеличении зазора между верхней поверхностью чувствительного элемента и экраном 10. Время распространения первой

поверхностной акустической волны в этомч случае равно:

XQI +Axi

VO-AV-AV

0

5

0

5

0

5

0

5

где Yoi - расстояние от входного встречно- штыревого преобразователя 6 до края поверхности сопряжения;

A YI - смещение консоли (центра инерционной массы 4) относительно входного встречно-штыревого преобразователя 6;

Xoi - расстояние от выходного встречно-штыревого преобразователя 6 до края поверхности сопряжения;

AXi-деформация растяжения верхнего поверхностного слоя;

VQI -скорость поверхностной волны на вертикальном участке инерционной массы;

Vo - скорость поверхностной акустической волны на горизонтальном участке чувствительного элемента;

А V - изменение скорости от деформации;

АV - изменение скорости от экранирования.

Уменьшение времени задержки второй поверхностной акустической волны происходит за счет уменьшения длины акустического пути от смещения AY2 входного встречно-штыревого преобразователя в направлении к нейтральной плоскости чувствительного элемента, сжатия ДХа нижнего поверхностного слоя чувствительного элемента и увеличения скорости второй поверхностной акустической волны от деформации сжатия и увеличения степени экранирования при уменьшении зазора между нижней поверхностью чувствительного элемента и экраном 11. Время распространения второй поверхностной акустической волны при этом равно:

Та - АТа

Yo2-AY2

VQ2

-+

Хоа - А ха V0 +AV +AV

где введены обозначения, аналогичные обозначениям в предыдущей формуле.

Наличие поглотителя акустических волн исключает влияние изменяющихся объемных акустических волн на время распространения поверхностных акустических волн (Ti.Ta).

Вычитая фазу второй поверхностной акустической волны из фазы первой поверхностной акустической волны, получают выходной сигнал акселерометра. Если схема акселерометра строго симметрична, то

Yoi Yo2 Yo; Xoi Хо2 Хо; Д YI AY2 AY;

Д Xi А Х2:ЛХ; Voi Vo2 Vo; ),

тогда из предыдущих формул можно получить

Д шо(ЛТ1 + AT2)

о,, I AY , lXo(AV+AvV+VoAX i 2ШОП/Г+. V§-(AV+AV)2 }

После подстановки в это выражение зависимостей прогибов, деформаций 3, обусловленных .инерционным усилием F, пропорциональным значениям линейного ускорения а и инерционной массы т, получают .д.2 GjtrXi()a+. Vo Е b h2h

:xQ(Av +AV ) ,

VoJ

где. E - модуль упругости материала консоли 3;.,....

b, h- ширина.и толщина консоли 3. Это выражение свидетельствует о зависимости выходного сигнала акселерометра от измеряемых ускорений.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволит повысить точность измерения линейного ускорения за счет исключения влияния объемных акустических волн на поверхностные акустические волны.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Акселерометр, содержащий установленную в держателе корпуса консоль с за- крепленной на ее свободном конце инерционной массой, образующей с консолью Т-образный чувствительный элемент, на внешнем торце инерционной массы нанесены поглотители акустических волн, две пары встречно-штыревых решетчатых преобразователей поверхностных акустических волн, выходные встречно-штыревые элементы которых размещены на плоскостях консольно чувствительному элементу, а входные встречно-штыревые элементы преобразователей размещены на верхней и нижней торцевых плоскостях держателя на расстоянии от параллельно расположенных

внутреннихторцевых плоскостей инерционной массы, не превышающим четверти шага решетки преобразователя, при этом внутренние участки поверхности держателя между встречно-штыревыми преобразователями каждой пары металлизированы, образуют зазор и повторяют форму срединной поверхности консоли при изгибе, причем плоскости чувствительного элемента сопряжены с внутренними торцевыми плоскостями инерционной массы цилиндрическими поверхностями переменной кривизны, а элементы держателя выполнены из кристалла одинакового с чувствительным элементом среза, например YX-среза кварца, а

выходные встречно-штыревые преобразователи расположены относительно входных с противоположной стороны от места защемления чувствительного элемента в держателе, отличающееся тем, что, с

целью повышения точности измерения, в него введен поглотитель акустических волн в виде пластины, которая встроена в середину консоли Т-образного чувствительного элемента.

-

Использование: изобретение относится к измерению параметров движения, в частности к линейным акселерометрам с консольным чувствительным элементом и преобразователем, использующим поверхностные акустические волны, и предназначено для повышения точности измерения. Сущность изобретения: акселерометр содержит установленную в держателе корпуса консоль с инерционной массой, образующей с консолью Т-образный чувствительный элемент, и две пары встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн. Поглотитель акустических волн в виде пластины встроен в середину консоли Т-образного чувствительного элемента. 1 ил.