АКСЕЛЕРОМЕТР Советский патент 1995 года по МПК G01P15/08 

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

Целью изобретения является повышение точности акселерометра.

На фиг. 1 показана конструкция акселерометра; на фиг. 2, 3 виды ЧЭ и основания; на фиг. 4 структурная схема акселерометра.

Акселерометр имеет основание 1, чувствительный элемент 2, выполненные единым элементом из пьезоэлектрического материала и соединенные перемычкой 3 (фиг. 1). Торцовая поверхность основания 1 и противолежащая ей поверхность ЧЭ 2 параллельны и отстоят друг от друга на расстоянии d, составляющем около четверти длины волны ПАВ. Продольная ось перемычки 3 параллельна торцовой поверхности основания 1 и противолежащей ей поверхности ЧЭ 2. Перемычка 3 перпендикулярна торцевой поверхности основания 1 и противолежащей ей поверхности ЧЭ 2. Высота перемычки составляет около четверти длины волны ПАВ. Чувствительный элемент 2 выполнен асимметричным относительно продольной оси перемычки 3, т.е. расстояния центров масс двух частей ЧЭ 2 относительно продольной оси перемычки 3 неравны. Благодаря этому ЧЭ 2 обладает маятниковостью относительно продольной оси перемычки 3. Жесткость перемычки 3 мала настолько, чтобы ЧЭ 2 мог изменять свое положение относительно основания 1 при ускорении на нижнем пределе измерений.

В аскелерометре образованы две линии задержки на ПАВ. Каждая ЛЗ расположена симметрично и на одинаковом расстоянии относительно продольной оси перемычки 3 с направлением акустического тракта вдоль продольной оси перемычки 3. Входной ВШП 4 первой линии задержки расположен на торцовой поверхности основания 1 по одну сторону перемычки 3, выходной ВШП 5 этой линии задержки расположен на ЧЭ 2 по ту же сторону от перемычки 3, что и ВШП 4 (фиг. 1-3). Входной ВШП 6 второй ЛЗ расположен на торцовой поверхности основания 1 по другую сторону от перемычки 3. Выходной ВШП 7 этой линии задержки расположен на ЧЭ 2 на той же стороне от перемычки 3, что и ВШП 6.

Расстояния между входным 4 и выходным 5 ВШП одной линии задержки и продольной осью перемычки 3 равны расстояниям между входным 6 и выходным 7 ВШП второй линии задержки и продольной осью перемычки 3.

В акселерометре образованы два магнитоэлектрических датчика момента, кольцевые компенсационные катушки 8, 9 которых помещены на ЧЭ 2, а статоры на основании 1. Статор одного датчика момента имеет постоянный магнит 10 и магнитопровод 11, статор второго датчика момента состоит из постоянного магнита 12 и магнитопровода 13. Датчики момента расположены симметрично относительно продольной оси перемычки 3. Компенсационные катушки 8, 9 соединены последовательно встречно, т. е. начало одной катушки соединено с началом другой катушки.

В схеме акселерометра (фиг. 4) включением усилителя 14 между входным 4 и выходным 5 ВШП одной линии задержки образован первый ПАВ-генератор, выход которого подключен к формирователю импульсов 16 положительной полярности. Включением усилителя 15 между входным 6 и выходным 7 ВШП второй линии задержки образован второй ПАВ-генератор, к выходу которого подключен формирователь импульсов 17 отрицательной полярности. Формирователи импульсов 16, 17 отличаются полярностью напряжений питания, что обусловливает их схему выполнения и полярности выходных сигналов.

Выходы формирователей импульсов 16, 17 подсоединены к входам импульсного усилителя 18, а также к входам реверсивного счетчика 19. К выходу импульсного усилителя 18 подключены соединенные последовательно встречно компенсационные катушки 8, 9 датчиков момента. Импульсный усилитель 18 выполнен по симметричной схеме с двухполярным напряжением питания.

Акселерометр работает следующим образом.

При отсутствии ускорения, когда отсутствуют действующие на ЧЭ 2 инерционные силы, ЧЭ 2 остается в статическом положении, когда расстояния по обе стороны от перемычки 3 между торцевой поверхностью основания 1 и противолежащей ей поверхностью ЧЭ 2 равны и составляют четверть длины волны ПАВ. Так как при этом зазор между входным ВШП и выходным ВШП каждой линии задержки равен четверти волны РПВ, то существуют условия для передачи сигнала между входными и выходными ВШП. Поэтому в ПАВ-генераторах на линиях задержки возникает устойчивая генерация сигналов. В формирователе импульсов 16 из синусоидального сигнала первого ПАВ-генератора на линии задержки с ВШП 4, 5 формируются импульсные сигналы с той же частотой следования, что и частота синусоидального сигнала, имеющие положительную полярность. В формирователе импульсов 17 из синусоидального сигнала второго ПАВ-генератора на линии задержки с ВШП 6, 7 формируются импульсные сигналы с отрицательной полярностью импульсов.

На один из входов реверсивного счетчика 19 поступают положительные импульсы, на второй вход отрицательные импульсы. Так как частоты ПАВ-генераторов выбраны равными, то частота выходного сигнала реверсивного счетчика 19 равна нулю. Сигнал с реверсивного счетчика 19 является выходным сигналом аскелерометра, и его отсутствие означает отсутствие ускорения.

Поступающие на входы симметричного импульсного усилителя 18 сигналы после усиления проходят через последовательно соединенные катушки 8, 9 датчика момента. Так как через них проходят последовательно то положительные, то отрицательные импульсы, то суммарный развиваемый датчиками момента момент равен нулю, что не приводит к перемещению ЧЭ 2.

При наличии ускорения вследствие наличия маятниковости ЧЭ 2 на ЧЭ 2 действует момент, который перемещает ЧЭ 2 относительно основания 1 вследствие деформации перемычки 3. При этом изменяются зазоры между входными ВШП и выходными ВШП каждой из линий задержки, расположенные симметрично относительно продольной оси перемычки 3. Пусть, например, направление ускорения таково, что зазор между ВШП 4 и ВШП 5 этой линии задержки увеличивается, а между ВШП 6 и ВШП 7 второй линии задержки уменьшаются. Тогда зазор между ВШП 4 и ВШП 5 станет больше четверти длины волны ПАВ, условия передачи сигнала между входным 4 и выходным 5 ВШП нарушается, и ПАВ-генератор на линии задержки с ВШП 4 и 5 не будет создавать частотный сигнал. Так как зазор между ВШП 6 и 7 станет еще меньше, чем четверть длины волны ПАВ, то ПАВ-генератор на линии задержки с ВШП 6 и 7 будет продолжать работать, выдавая частотный сигнал. В результате на вход импульсного усилителя 18 будет поступать только сигнал с формирователя импульсов 17, полученный путем преобразования частоты ПАВ-генератора на линии задержки с ВШП 6 и 7. После усиления с выхода импульсного усилителя 18 в компенсационные катушки 8, 9 подаются импульсы такой полярности, при которой компенсационная катушка 8 втягивается в статор датчика момента с магнитом 10, а компенсационная катушка 9 выталкивается из статора датчика момента с магнитом 12. В результате на ЧЭ 2 действует момент, создаваемый датчиками момента, который возвращает ЧЭ 2 в исходное положение относительно основания 1. В это время на один из входов реверсивного счетчика 19 подаются импульсы с частотой, определяемой частотой ПАВ-генератора на линии задержки с ВШП 6 и 7, и с выхода реверсивного счетчика 19 идет выходной сигнал акселерометра, количество импульсов которого соответствует величине измеряемого ускорения данного направления.

При противоположном направлении ускорения частотный выходной сигнал вырабатывает ПАВ-генератор на линии задержки с ВШП 4, 5, сигнал второго ПАВ-генератора равен нулю. На вход импульсного усилителя 18 идет импульсный сигнал, определяемый ПАВ-генератором на линии задержки с ВШП 4, 5. С выхода импульсного усилителя 18 на компенсационные катушки 8, 9 датчика момента подаются импульсы противоположной по сравнению с предыдущим случаем полярности, так, что компенсационная катушка 8 выталкивается из статора момента, а компенсационная катушка 9 втягивается в статор датчика момента. В результате создаваемый датчиками момента момент возвращает ЧЭ 2 в исходное положение.

На вход реверсивного счетчика 19 идет сигнал только с формирователя импульсов 16 положительной полярности, в результате чего с выхода реверсивного счетчика 19 поступает выходной сигнал акселерометра, пропорциональный ускорению данного направления.

Таким образом, с помощью заявленного акселерометра измеряется ускорение, величина которого определяется количеством импульсов, а направление значением знакового разряда реверсивного счетчика 19.

Использование: приборостроение, акселерометры на основе поверхностных акустических волн. Сущность изобретения: основание и чувствительный элемент выполнены из единого пьезоэлектрического материала и соединены между собой перемычкой для создания маятниковости чувствительного элемента. По разные стороны от перемычки образованы линии задержки, образованные встречно-штыревыми преобразователями. Входные преобразователи расположены на торцовой поверхности основания, а выходные - на чувствительном элементе. В акселерометре имеются два датчика момента, расположенные по разные стороны от перемычки. Кольцевые катушки датчиков момента закреплены на чувствительном элементе, а их постоянные магниты и магнитопроводы - на основании. Акселерометр также содержит по одному формирователю импульсов положительной и отрицательной полярности, реверсивный счетчик. 4 ил.

АКСЕЛЕРОМЕТР, выполненный на основе преобразователей поверхностных акустических волн, имеющий основание, чувствительный элемент, размещенные на нем линии задержки с входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, генераторы поверхностных акустических волн на линиях задержки, образованные включением усилителя между входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями линий задержки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены два компенсационных датчика момента, компенсационные катушки которых расположены на чувствительном элементе, а статоры на основании, формирователь импульсов положительной полярности и формирователь импульсов отрицательной полярности, реверсивный счетчик, импульсный усилитель, при этом каждый формирователь импульсов подключен к одному из генераторов поверхностных акустических волн, выходы формирователей импульсов подключены к входу импульсного усилителя, а также к реверсивному счетчику, к выходу импульсного усилителя подключены соединенные последовательно компенсационные катушки датчиков момента, чувствительный элемент и основание выполнены из единого пьезоэлектрического материала, чувствительный элемент соединен с основанием перемычкой, продольная ось которой параллельна торцовой плоскости основания и противолежащей ей основной поверхности чувствительного элемента, высота перемычки равна расстоянию между торцовой поверхностью основания и параллельной ей противолежащей основной поверхностью чувствительного элемента, это расстояние составляет около четверти длины волны преобразователя, чувствительный элемент выполнен асимметрично относительно продольной оси перемычки, образованы две линии задержки с направлением акустического тракта вдоль продольной оси перемычки, при этом их входные встречно-штыревые преобразователи расположены на торцовой поверхности основания симметрично относительно продольной оси перемычки, выходные встречно-штыревые преобразователи расположены на основной, обращенной к торцовой поверхности основания поверхности чувствительного элемента симметрично относительно продольной оси перемычки и на таком же расстоянии от продольной оси перемычки, что и встречно-штыревые преобразователи на основании.