Дифференциальный угловой пьезоэлектрический акселерометр

Изобретение относится к измерительной технике и может быть ис 1136084ремычкой к поверхности диска перпендикулярно линии крепления, при этомпольэовано для точного измеренияуглавык ускорений,Известны дифференциальные угловыепьезоэлектрические акселерометры,содержащие корпус ине":ф.энную массу, два дискретных или интегральныхпьезорезонатора и два автогенератора,нагруженные на смеситель Я16Однако эти устройств:- облад ютневысокой точностью измерения из-занеидентичности параметров пьезорезонаторов, в первую очередь из-заневозможности обеспечения одинако- цвых температурно-частотных характе-.ристик последних. Кроме того, такиеакселерометры одновременно с угловыми воспринимают и линейные ускорения,что вносит дополнительную погреш- ,2 рность в результаты измерений,Из известных дифференциальныхугловых пьезоэлектрических акселерометрав наиболее близким по технической сущности и достигаемому результа ту к предлагаемому устройству является акселерометр, содержащий корпусс устанавленньви в нем пьезорезонатором:" тонкопленочными электродаьк,включенными в схему автогенератора,и консально закрепленньй инерционный элемент Г 2.Недостаток известного устройствасостоит в невысок. ". точности измере-,ния угловых ускорения, что обусловлена высокой температурной погрешностью из- за неидентичности теюера-.турно-частотных характеристик пьезорезснатарав, влиянием на результатыизмерений линейных составляющих ускорения, а также неидентичностью характеристик автогенераторов. Цель изобретения - овьппение точности измерения угловых ускорений,Поставленная цель достигается Ч тем, что в дифференциальном угловом пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем корпус с установленными в нем пьезорезонатаром с тонкопленочньпи электродами, включенными ь схе му автогенератора, и консольна закрепленньй инерционный элемент пьезарезонатор выполнен в виде диска и жестко прикреплен к корпусу о линии вдоль диаметра с помощью Ы прямоугольнсй балки, а инерционный элемент выполнен гантелеобразной формы и жестко прикреплен своей петонкопленочные электроды выполнены в виде секторов н расположены в четырех квадрантах, образованных пересечением линии крепления к корпусу и перемычки инерционного элемента.На фиг. 1 представлена конструкция дифференциального углового пьезоэлектрического акселерометра; на фиг. 2 - схема включения электродовпьезорезонатора акселерометра в многочастотный автогенератор.Акселерометр содержит корпус 1, инерционные массы 2 и 3, закреплен-" ные на концах консолей 4 и 5, причем на этих массах установлены фиксаторы 6 и 7. Кроме того, в корпусе установлен гьезорезонатор 8 с четырехсегментными электродами 9. Пьезорезонатор жестка прикреплен к корпусу вдаль своего диаметра в зоне, свободной от электродов, с помощью прямоугольной балки 10. снабженной прорезью 11, в которую этот пьезорезонатор и вставлен.К гсоли также жестко прикреплены к пьезарезанатору симметрично по атнслению одна к другой вдоль аси симметрии корпуса, а также перпендикул:-:рна и симметрична относительно оси закрепления пьезорезонатора к корпусу. Элементы закрепления пьезорезонатора и консолей мехачически не соприкасаются один сдругим и находятся в зонах, свободных от электродов пьезарезанатора, причем все четыре сегмента одногоиз электродов подключены к базовой цепи многочастотного автогенератора 12, а все,сегменты другого электрода соединены с корпусом,Предлагаемый дифференциальный угловоч пьезоэлектрический акселерометр работает следующим образом. Спектры кварцевых пьезорезонаторов характеризуются наличием вблизи основного колебания сдвига по толщиче яда побочных резонаторов, которые объединяются под общим названиемангармонические моды колебаний сдвига по толщине. В предлагаемом успрайства для обеспечения наилучших условий для вазбуждечия в пьезарезонаторе 8 колебаний ангармовических мад 1 2 1 и 1, 1, 2 каждый из электродов 9 гьезорезонатора выполнен четырехсегментным фиг, 1),3 1136 причем каждый из сегментов располагается в зоне максимальных деформаций пьезоэлемента, что обеспечивает .значительный рост, активности, а значит и амплитуд колебаний этих мод не только по сравнению с другими модами, но и по отношению к основной частоте. В таких условиях, включив пьезорезонатор 8 в схему многочастотного автогенератора 12 (Фиг. 2) и на-, ,строив нагрузочный С-контур в эмиттерной цепи этого автогенератора на разностную между модами 1, 2, 1 и 1, 1, 2 частоту колебаний Е, нетрудно обеспечить двухчастотный режим колебаний, т,е. наличие в пьезорезонаторе 8 четырех зон деформаций пьезоэлемента (на Фиг. 1 в подэлектродных областях пунктиром обозначены эти области), две из которых, обозначенные О , соответствуют колебаниям иоды,1, 2, 1, а две другие, обозначенные Ь, - колебаниям моды 1, 1, 2. Как видно, зоны деформации колебаний этих двух мод не перекрываются, хотя и существуют в общей пьезоэлектрической среде. Кроме того, варьируя радиусом сферы и толщиной пьезоэлемента пьезорезонатора 8, удается создать такую конструкг : резонатора, в которой не только о.сутствует акустическая связь между зонами деформации колебаний мод 1, 2, 1 и 1, 1, 2, но и осуществляется полная акустическая развязка зон колебаний с элементами крепления пьезорезонатора 8 к корпусу 1 с элементами крепления к40 этому пьеэорезонатору консолей 4 и 5 с инерционнцми массами 2 и 3, Необходимым и достаточным условием для этого является наличие между краем зоны деформации и элементами45 крепления расстояния, составляющего, 10-15 толшин пьезоэлемента. В результате, при отсутствии воздействующих на акселерометр угловых ускорений в пьезорезонаторе одно. 50 временно существуют колебания мод 1, 2, 1 и 1, 1, 2, а на выходе уст-" ройства имеем разностную частоту Г 1, которая несет информацию о нуле ха рактеристики преобразования предла" гаемого устройства.При воздействии измеряемых угловых ускорений (действующих в плос 084 4кости Фиг. 1) нод действием инерционных масс 2 и 3 происходит противоположное по направлению смещение консолей 4 и 5, а значит и элементов крепления этих консолей к пьезорезонатору 8 Поскольку указанные элементы крепления жестко прикреплены к пъезорезонатору 8 вдоль его диаметра, а резонатор 8 жестко при-" креплен в перпендикулярном направлении с помощью балки 10 в прорези11 к корпусу 1,. то, например, при движении инерционных масс 2 и 3 по часовой стрелке, происходит растяжение зон деформации О , соответствующих колебаниям ангармонической моды 1, 2 1,и сжатие зон деформацииЬ , соответствующих колебаниям ангармонической моды 1, 1, 2,В результате для изменений частот Г 1 и Г , соответствующих этим колебаниям, получимгде Р - усиление, прикладывае"мое к зонам а и Ъ 3К и К - частотные коэффициентысиловой чувствительности для колебаний.ангармонических мод2, 1 и 1, 1, 2 соответственно.Поскольку. знаки приращений частот Г и Г вследствие разнозначности усилий, прикладываемых к зонам 4 и Ь , противоположны, то для приращения информационной разности часготы Е получимдг. = (К+ К) /2)При изменении знака углового ускоре-ния крутизна характеристики преобразования угловое ускорения - частотане изменяется, изменяются лишь знаки приращенич частот Г и К. Фиксаторы б и 7, установленные на инерци"онных массах, служат для предотвращения разрушения пьезорезонатора 8.,если линейные или измеряемое угловое ускорения превьппают предельнодопустимые значения,Поскольку в предлагаемом устройстве колебания с частотами Г и Г существуют в едином пьезорезонаторе 8, а не в отдельных пьезорезонаторах, как это имеет место в известнь 1 х уст-. ройствах, то при работе предлагаемо136084 ВНПППИ Заказ 10278 ХиПаи 888 ПоПоксаоаФилиал ППП "Патаит , Г.Улторол, тл.Проактааа,го акселерометра в широком диапазоне температур для обеих возбуждаемых мод толщинно-сдвиговых колебаний обеспечиваются идентичные температурно-частотные характеристики, что позволяет благодаря дифАеренттиальному принципу измерений полностью устранить температурную погрешностьаВажным преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с базовым 10 являетсй его нечувствительность ко всем составляющим ускорений, кроме углового. Это обусловлено тем, что воздействие всех неинформационных ускорений приводит к одинаковым по 15 величине и знаку деАормациям как зон колебаний О, соответствующих ангармонической моде 1, 2, 1, так и зон колебаний, соответствующих ангармонической моде 1, 1, 2. Это 20 дает одинаковые по величине и знаку приращения частот К и К, а информационная разностная частота Г осР тается неизменной, что также приводит к значительному выигрьнпу по 25 точности измерений, Кроме того, предлагаемый акселерометр значительнд проще в схемном плане, так как не требует применения двух автогене раторЬв и смесителя как известный акселерометр, а использует один простейший трехточечный автогенера" тор, работающий в цвухчастотном режиме. Это обстоятельство обеспечивает устраненче составляющих35 .погрешностей, возникающих за счет неидентичности характеристик автогенераторов, снижает уровень собственных шумов электронной схемы исущественно повышает надежностьпредлагаемого устройства в целом,В результате предложенных изменений конструкции и схемы дифференциального углового пьезоэлектрического акселерометра, удается значительно повысить точность измерений углового ускорения при одновременном существенном упрощении схемы устройства. Это достигается путем полного устра" нения температурной погрешности измерений и независимостью выходной инАормационной разностной частоты 11 от неинформационных линейных составляющих ускорения. Упрощение схемы устройства обеспечивается выполнением автогенератора 12 акселерометра многочастотным, работающим в двухчастотном режиме, и использованием в качестве рабочих частот двух соседних ангармонических мод колебаний сдвига по толщине. При этом отпадает необходимость в использовании второго автогенератора и смесителя, что не только дает дополнительный выигрыш по точности и уменьшает уровень собственных шумов устройства, снижая его порог чувствительности, но и значительно повыша ет надежность предложенного дифференциального акселерометра по сравнению с известным.