АКСЕЛЕРОМЕТР Советский патент 1995 года по МПК G01P15/08 

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

Целью изобретения является повышение точности акселерометра.

На фиг.1 представлена конструкция акселерометра; на фиг.2-4 виды чувствительного элемента и основания; на фиг.5 структурная схема акселерометра, где 1 основание, 2 чувствительный элемент, 3, 4 входные ВШП; 5, 6 металлизированные полоски, 7, 8 выходные ВШП; 9. 10 усилители, 11, 12 формирователи импульсов, 13, 14 счетчики; 15 блок вычитания кодов частот; 16 коммутатор; 17 сумматор-накопитель.

Акселерометр имеет основание 1, чувствительный элемент 2 из пьезоэлектрического материала. На одной из основных поверхностей ЧЭ 2 (гранях, имеющих наибольшую площадь поверхности), расположены n линий задержки с входными ВШП 3,3¹. 3⁽ⁿ⁾ и выходными ВШП 7,7¹.7⁽ⁿ⁾ (фиг.1,2). На второй основной поверхности ЧЭ 2 расположены n линий задержки с входными ВШП 4,4¹.4⁽ⁿ⁾ и выходными ВШП 8,8¹.8⁽ⁿ⁾ (фиг.1,3). Направление акустического тракта ЛЗ на ЧЭ перпендикулярно продольной оси ЧЭ.

На одной из поверхностей основания 1, параллельной основной поверхности ЧЭ 2, расположены n металлизированных полосок 5,5¹.5⁽ⁿ⁾, на другой параллельной ей поверхности основания 1 расположены n металлизированных полосок 6,6¹.6⁽ⁿ⁾ (фиг.1,4). Металлизированные полоски 5,5¹.5⁽ⁿ⁾ на основании 1 отстоят от линий задержки на ЧЭ 2 с ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, 7,7¹.7⁽ⁿ⁾ на расстоянии d λ/4 (где λ- длина волны ПАВ). Металлизированные полоски 6,6¹.6⁽ⁿ⁾ на основании 1 отстоят от линий задержки на ЧЭ 2 с ВШП 4,4¹.4⁽ⁿ⁾, 8,8¹.8⁽ⁿ⁾ на таком же расстоянии d. Металлизированные полоски расположены вдоль линий задержки в местах, соответствующих расположению линий задержки на ЧЭ. Расстояния l₁, l₂. l_n (фиг.2) соответственно первой, второй, n-й линий задержки от точки крепления ЧЭ 2 в основании 1 относятся как l₁:l₂:l_n i₁:i₂:i_n, где i₁,i₂:i_n коэффициенты, определяемые указанным выше соотношением.

В структурной схеме акселерометра на фиг.5, включением одного из усилителей 9,9¹.9⁽ⁿ⁾ соответственно между ВШП 3 и 7, 3¹ и 7¹.3⁽ⁿ⁾ и 7⁽ⁿ⁾ образованы n ПАВ-генераторов на ЛЗ на одной из основных поверхностей ЧЭ 2. Включением одного из усилителей 10,10¹.10⁽ⁿ⁾ соответственно между ВШП 4 и 8,4¹ и 8¹. 4⁽ⁿ⁾ и 8⁽ⁿ⁾ образованы n ПАВ-генераторов на ЛЗ на второй основной поверхности ЧЭ 2. К каждому ПАВ-генератору для линий задержки на одной поверхности ЧЭ 2 подключена одна из n-цепочек, состоящая из последовательно включенных одного из n формирователей импульсов 11,11¹.11⁽ⁿ⁾ и одного из n счетчиков 13,13¹. 13⁽ⁿ⁾. К каждому ПАВ-генератору для линии задержки на другой поверхности ЧЭ 2 подключена одна из n цепочек, состоящая из последовательно включенных одного из формирователей импульсов 12,12¹.12⁽ⁿ⁾ и одного из n счетчиков 14,14¹.14⁽ⁿ⁾. Каждая пара цепочек из формирователей импульсов и счетчиков, относящихся к паре из линий задержки, расположенных на одинаковом расстоянии от места заделки ЧЭ на обеих основных поверхностях ЧЭ, подключена к одному из блоков вычитания кодов частот 15,15¹.15⁽ⁿ⁾, которые все соединены с коммутатором 16. Выход коммутатора 16 подсоединен к входу сумматора-накопителя 17, с выхода которого поступает выходной сигнал акселерометра. Для управления работой устройств обработки сигналов акселерометра предусмотрен генератор тактовых импульсов 18.

При отсутствии ускорения ЧЭ 2 находится в среднем положении относительно поверхностей основания с металлизированными полосками 5,5¹.5⁽ⁿ⁾, 6,6¹.6⁽ⁿ⁾, расстояние между металлизированными полосками 5,5¹.5⁽ⁿ⁾ и ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, 7,7¹.7⁽ⁿ⁾, а также расстояние между металлизированными полосками 6,6¹.6⁽ⁿ⁾ и ВШП 4,4¹.4⁽ⁿ⁾, 8,8¹.8⁽ⁿ⁾ равно четверти длины волны ПАВ. В таком положении ЧЭ 2 металлизированные полоски 5,5¹.5⁽ⁿ⁾, 6,6¹.6⁽ⁿ⁾ не оказывают шунтирующего влияния на электрическое поле пьезоэлектрика, возникающее при прохождении ПАВ. Поэтому частоты всех 2n ПАВ-генераторов в принципе равны, на выходе формирователей импульсов 11,11¹.11⁽ⁿ⁾, 12,12¹.12⁽ⁿ⁾ после преобразования синусоидальных сигналов в импульсные получаются импульсные сигналы с одинаковой частотой следования импульсов, в счетчиках 13,13¹.13⁽ⁿ⁾, 14,14¹.14⁽ⁿ⁾ получаются одинаковые коды частот ПАВ-преобразователей. В результате после вычитания кодов частот в блоках вычитания кодов частот 15,15¹.15⁽ⁿ⁾ сигнал равен нулю. Равен нулю также сигнал с сумматора-накопителя 17, полученный суммированием кодов частот с блоков вычитания кодов частот 15,15¹.15⁽ⁿ⁾ после их поочередного подключения коммутатором 16. Наличие нулевого сигнала с сумматора-накопителя 17 говорит об отсутствии ускорения.

При наличии ускорения ЧЭ 2 под действием инерционного момента, вызванного ускорением, деформируется и перемещается в сторону, например, поверхности основания 1 с металлизированными полосками 5,5¹.5⁽ⁿ⁾. Тогда расстояние между ЛЗ на ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, 7,7¹.7⁽ⁿ⁾ и металлизированными полосками 5,5¹.5⁽ⁿ⁾ становится меньше четверти длины волны ПАВ, что приводит к шунтированию металлизированными участками 5,5¹.5⁽ⁿ⁾ электрического поля в пьезоэлектрике ЧЭ 2 в местах расположения ЛЗ с ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, 7,7¹.7(ⁿ⁾ и вызывает увеличение частот ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, 7,7¹.7⁽ⁿ⁾.

При деформации ЧЭ 2 изменяется скорость распространения ПАВ в ЧЭ 2, что вызывает увеличение частот ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, 7,7¹.7⁽ⁿ⁾ и уменьшение частот ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 4,4¹.4⁽ⁿ⁾, 8,8¹.8⁽ⁿ⁾.

Так как при деформации ЧЭ 2 расстояние между металлизированными полосками 6,6¹.6⁽ⁿ⁾ на поверхности основания 1 и ЛЗ ч ВШП 4,4¹.4⁽ⁿ⁾, 8,8¹.8⁽ⁿ⁾ на ЧЭ увеличивается и становится больше четверти длины волны ПАВ, то вследствие отсутствия шунтирования электрического поля пьезоэлектрика ЧЭ 2 металлизированными полосками 6,6¹.6⁽ⁿ⁾ не происходит вызванного этим эффектом изменения частот ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 4,4¹.4⁽ⁿ⁾, 8,8¹.8⁽ⁿ⁾.

Таким образом при ускорении происходит увеличение частот ПАВ-генераторов на ЛЗ на поверхности ЧЭ 3, обращенной к металлизированным полоскам 5,5¹. 5⁽ⁿ⁾, вызванное изменением скорости ПАВ и шунтирующим действием металлизированных полосок 5,5¹.5⁽ⁿ⁾. Частоты же ПАВ- генераторов на ЛЗ на повеpхности ЧЭ 2, обращенной к металлизированным полоскам 6,6¹.6⁽ⁿ⁾, уменьшаются только вследствие изменения скорости ПАВ в ЧЭ 2 при деформации.

Поэтому в блоках вычитания кодов частот 15,15¹.15⁽ⁿ⁾ появляются сигналы, равные суммам кодов изменений частот ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, 4,4¹.4⁽ⁿ⁾, вызванных изменением скорости ПАВ при деформации ЧЭ, а также ПАВ- генераторов на ЛЗ с ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, вызванных шунтирующим действием металлизированных полосок 5,5¹.5⁽ⁿ⁾ на поверхности основания 1.

Коммутатор 16 поочередно подключает к сумматору-накопителю 17 блоки вычитания кодов частот 15,15¹.15⁽ⁿ⁾, в результате чего с выхода сумматора-накопителя 17 поступает выходной сигнал акселерометра, равный сумме изменений частот всех 2n ПАВ-генераторов при измеряемом ускорении в результате суммирования кодов изменений частот с блоков вычитания кодов частот 15,15¹.15⁽ⁿ⁾.

При ускорении противоположного направления ЧЭ 2 смещается в сторону поверхности основания 1 с металлизированными полосками 6,6¹.6⁽ⁿ⁾. Тогда расстояние между ЛЗ на ВШП 4,4¹.4⁽ⁿ⁾, 8,8¹.8⁽ⁿ⁾ и металлизированными полосками 6,6¹.6⁽ⁿ⁾ становится меньше четверти длины волны ПАВ, что вызывает увеличение частот ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 4,4¹.4⁽ⁿ⁾, 6,8¹.8⁽ⁿ⁾ вследствие шунтирующего действия металлизированных полосок 6,6¹.6⁽ⁿ⁾.

Увеличиваются также частоты ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 4,4¹.4⁽ⁿ⁾, 8,8¹. 8⁽ⁿ⁾ и уменьшаются частоты ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, 7,7¹.7⁽ⁿ⁾ вследствие изменения скорости ПАВ при деформации ЧЭ 2.

Частоты ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, 7,7¹.7⁽ⁿ⁾ не испытывают изменений вследствие шунтирующего действия металлизированных полосок 5,5¹. 5⁽ⁿ⁾ на поверхности основания 1, так как расстояние между ВШП 3,3¹.3⁽ⁿ⁾, 7,7¹.7⁽ⁿ⁾ и металлизированными полосками 5,5¹.5⁽ⁿ⁾ становится больше четверти длины волны ПАВ.

Поэтому с выхода сумматора-накопителя 17 поступает выходной сигнал акселерометра, равный сумме изменений частот всех 2n ПАВ-генераторов при измеряемом ускорении противоположного направления.

Направление ускорения определяется знаком разности кодов частот с блока 15, знаковый разряд которого соединяется со старшим разрядом сумматора-накопителя 17.

Формирователи импульсов 11,11¹.11⁽ⁿ⁾, 12,12¹.12⁽ⁿ⁾ служат для преобразования гармонических сигналов ПАВ-генераторов в импульсные, счетчики 13,13¹.13⁽ⁿ⁾, 14,14¹.14⁽ⁿ⁾ подсчитывают количество импульсов, поступающих от формирователей импульсов, и преобразуют их в код.

От генератора тактовых импульсов 18 по шине "а" поступают сигналы на обнуление и запуск счетчиков 13,13¹.13⁽ⁿ⁾, 14,14¹.14⁽ⁿ⁾. По шине "б" подаются сигналы на разрешение операций в устройствах вычитания кодов частот 15,15¹.15⁽ⁿ⁾. Управление коммутатором 16 осуществляется управляющими сигналами по шине "в". Разрешение операций в сумматоре-накопителе 17 осуществляется сигналами по шине "г".

Так как перемещение ЧЭ 2 нелинейно в зависимости от его длины, напряжение по длине ЧЭ также изменяется нелинейно, то возникает нелинейность характеристики акселерометра. Для ее устранения необходимо устанавливать определенные расстояния между линиями задержки.

Наибольшее изменение частоты ПАВ-генератора, вызванное шунтирующим действием металлизированного участка, происходит при наибольшем прогибе ЧЭ, когда металлизированная полоска находится на минимальном расстоянии от ЛЗ. Наибольшее изменение частоты ПАВ-генератора, обусловленное изменением скорости ПАВ, происходит при наибольшем механическом напряжении в ЧЭ.

Так как наибольший прогиб ЧЭ имеет место на свободном конце консоли ЧЭ, а наибольшее механическое напряжение существует в месте заделки ЧЭ, то при распределении положений ЛЗ на ЧЭ от свободного конца консоли до места заделки получается наибольшее изменение частот как вследствие прогиба ЧЭ, так и вследствие механических напряжений.

Таким образом, в заявленном акселерометре происходит изменение частоты выходного сигнала акселерометра, вызванное не только увеличением числа ЛЗ, но и использованием наибольшего прогиба ЧЭ и наибольшего напряжения в ЧЭ.

Увеличение частоты выходного сигнала повышает разрешающую способность акселерометра, т. к. на диапазон измеряемых ускорений приходится больший диапазон изменения частоты.

Расположение ЛЗ на ЧЭ попарно на одинаковом расстоянии от места заделки ЧЭ на противоположных друг другу основных поверхностях ЧЭ, получение в блоках вычитания кодов частот разностного сигнала ПАВ-генераторов на этих парах ЛЗ обеспечивает уменьшение температурной погрешности акселерометра.

Расположение ЛЗ на ЧЭ на расстояниях друг от друга, обеспечивающих одинаковые коэффициенты преобразования ПАВ-генераторов по частоте их сигналов, устраняет нелинейность акселерометра, вызванную различными законами изменения частот ПАВ-генераторов вследствие прогиба ЧЭ и напряжений в ЧЭ.

Повышение разрешающей способности, уменьшение температурной погрешности и нелинейности повышает точность акселерометра.

Акселерометр содержит закрепленный на основании консольный чувствительный элемент. С обеих сторон чувствительного элемента расположены линии задержки, образованные входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями. Напротив них на основании расположены металлизированные полоски, находящиеся от них на расстоянии четверти волны преобразователей. Таких линий задержки и соответственно полосок в акселерометре содержится n единиц. Каждая линия задержки образована усилителем, включенным между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями и подключена через формирователь импульсов к счетчику. Выход каждой пары счетчиков подключен к блоку вычитания кодов частот, выход которого через общий для всех измерительных трактов коммутатор подключен к сумматору-накопителю. Расстояние от точки крепления чувствительного элемента к основанию до каждой линии задержки определяется соответствующим выражением. 5 ил.

АКСЕЛЕРОМЕТР, выполненный на основе преобразователей поверхностных акустических волн, содержащий основание, чувствительный элемент, линии задержки с входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, направление акустического тракта которых перпендикулярно продольной оси чувствительного элемента, генератора поверхностных акустических волн на линиях задержки, образованные включением усилителей между входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, вдоль продольной оси чувствительного элемента на обеих сторонах его поверхности образовано 2n(n 2,3,4) линий задержки с направлением акустического тракта перпендикулярно продольной оси чувствительного элемента, на каждой из двух поверхностей основания, параллельных основным поверхностям чувствительного элемента, в местах, соответствующих расположению линий задержки на чувствительном элементе, вдоль линий задержки образованы металлизированные полоски, линии задержки на чувствительном элементе расположены от металлизированных полосок на основании на расстоянии четверти длины волны преобразователей, при этом в акселерометр введены 2n формирователей импульсов, подключенных к генераторам поверхностных акустических волн, 2n счетчиков, подключенных к формирователям импульсов, n блоков вычитания частот, к входу каждого из которых подключены два счетчика, включенные в цепи генераторов на линиях задержки на противоположных сторонах чувствительного элемента, коммутатор, к которому подключены блоки вычитания кодов частот, сумматор-накопитель, подключенный к коммутатору, при этом расстояния l₁, l₂, l_n соответственно первой, второй, n-й линий задержки от точки крепления чувствительного элемента в основании относятся как l₁ l₂ l_n i₁ i₂ i_n, где i₁, i₂, i_n - коэффициенты, определяемые соотношением

где А, В постоянные коэффициенты;


где К_у коэффициент пропорциональности между частотой генератора и прогибом чувствительного элемента;
K_δ коэффициент пропорциональности между частотой генератора поверхностных акустических волн и механическим напряжением чувствительного элемента;
m масса чувствительного элемента,
l длина чувствительного элемента,
h толщина чувствительного элемента,
Е модуль упругости материала чувствительного элемента,
i момент инерции сечения чувствительного элемента.