Акселерометр

(71) Раменское приборостроительное конструкторское бюро(57) Использование: приборостроение, акселерометры на основе преобразователей поверхностных акустических вопи Сущность изобретения СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ ССС цОПИСАН(в) Я 3 (1 ц 1825143 (щ А 1 акселерометр содержн 1 основане и консольный чувствительный элемент, на свободной части которого образованы два связанных. клинообразных вопновода, расположенных перпендикулярно продольной оси чувствительного элемента Акселерометр содержит дифференциальный магнитоэлектрический датчик момента, который состоит из обмоток на чувствительном эпеенте ч двух статоров, состоящих чз магннтопрг.вода и посто - янного магнита и размещенных на основании. Акселерометр содержит таюкс зходнье и выходные встречно- п пыревые преобразователи, усилители, формирователи импульсов положи - тельной и отрицателыгой попярностк счетчики - регистры, первый и второй коммутаторь схему совпадения, блок вычитания кодов частот, импульсный усилитель. 3 чп55 Иэобрстение относигся и измерениюпараметров движения, и частности к измерителям линейных ускорений на акустических волнах.Цель иэобретения - поочгьение гочности измерений,На фиг. 1 показана констр кция акселерометра; на фиг, 2 - чуостоительный эломент; на фиг. 3 - сгруктурная схемаакселерометра.Акселерометр (фиг, 1) имеет основание1, в котором закреплен один конец консольного чувствительного элемента 2, На свободной части консоли ЧЭ 2 на каждойосновной поверхности (грани, имегощей наибольшую площадь) образо.:аны доа связанных клинообразных оолнооода, Однагрань клина каждого оолногода обраэооанэосновной пооерхностью ЧЭ 2, огорая граньклина каждого оопновода образована пл":скостью, расположеннол поп глом ссьпносительно основной поверхности ЧЭ 2 иуглубленной в теле (Э 2. Ширинаграниклина, углубленной в тело ЧЗ 2., составляетне менее 100 длин акустической волны, Расстояние с между гребнями клиньев (вершинами треугольников клина, иэмерснное г 1 еобразующей основной поое(тхности ЧЭ "составляет около отверти акус .ическойволны,Волноооцы расположены перпенци улярно продольной оси ЧЗ и ондол.;ены длиной 1., совпадающей -, ои)иной основнойповерхностиЭ 2 и состаоляющей от 5001500 длин акустической оопны,Две грани в теле ЧЭ 2, соеоиняюц(иеуглубленные в тело ЧЭ 2 грани клина, пэрап.лельшле основным поверхностям ЧЭ 2, об.разуют перемычку, раэделпощуюнеподвижную и свободную части консолиЧЭ 2,При образовании промежутков мегкдучастями основной поверхности ЧЭ в мес.орасположения гребней оолноооцоо., выемоко теле ЧЭ 2, эаключенных между гранямиклиньев и перемычки, цосгигнгта степеньсвободной части консоли ЧЭ относительноос, параллельной основным поперхностямЧЭ и перпендикулярной продольной осиЧЭ.Жесткость перемычки выбрана такой,чтобы при ускорении на нижнем пределеизмерений происходила деформаия перемычки, вызыва(ощая изменение расстояниямежду гребнями волноводов ЧЭ 2 можетбыта выполнен из ниобата лития .(М(Оз),Волноводы и перемычка о этом случае получаются методом анизотронного травления,и угол а составляет около 60 О,Диф ьеренциальный магнитоэлектрический датчик момента состоит иэ компенсационной обмотки 3, расположенной на ЧЭ 2, и размещенных на основании 1 двух стаплон магнитной системы, один иэ которых имеет магнитопровод 4 и постоянный маг нит 5, второй - магнитопровод 4 и постоянный магнит 5, Датчик момента располагается в области свободного конца консоли ЧЭ 2.На оолноводе на закрепленной части ЧЭ 2 на одной из его основных поверхностей расположен входной ВШП 6 первой линии задержки, на втором волноводе на этой же стороне ЧЭ 2 образован выходной В П 7 первой пинии задержки(фи 1, 1, 2), На . олноооде на закрепленной части ЧЭ 2 на оторой его основной поверхности расположен входной ИШП И второй линии задержки, на оолноооде на осоьой асти этой :е пооеохности ЧЭ 2 - вь,ходной ВШП 9 норой линии задержки,Расположение ВШП 6-9 таково, что направление акустического тракта линий задержки совпадают с продольной осью оолнооодоо и перпендикулярно продольной 1 е 1 ЧЭ 2.В схеме а:;селеромегра также имеются . силители 10, 11; формирователи импульсов положительной 12 и отрицательной 13 пои. рности; счетчики-регнсгры 14, 15; первый :.оммутатор 16; логическая схема совпадения 17, блок вычитания кодов частот 18, порой комюлатор 19; импульсный усилиильО; генератор тактовых импульсов 21.В схеме акселерометра (фиг. 3) включением усилителя 10 между входным ВШП 6 и выходным ВШП 7 первой линии задержки ьбраэооан первый генератор, к которому подключена цепочка из последовательно соединенных формирователей 12 импульсоо положительной полярности и счетчика(пегистра 14, При включении усилителя 11 ме ду входным ВШП 8 и выходным ВШП 9 образован второй генератор, к которому подключена цепочка из последовательно соединенных формирователя 13 импульсов отрицательной полярности и счетчика-регистра 15, Выходы счетчиков-регистров 14, 15 ггодключены к блоку вычитания кодов частот 1(1, Выход формирователя 12 импульсов положительной полярности подключен также к входу коммугатора 16 и к одному из входов л,эпической схемы совпадения 17. Выход формлрователя 13 импульсов отрицательной полярности также подключен к входу второго коммутатора 19 и ко второму входу логической схемы совпадения 17, Выход логической схемы совпадения 17 подключен ко вторым входам коммутаторов 16, 19, Вы 18251435 10 15 20 25 30 35 40 45 ходы коммутаторов 16, 19 подключены квходам импульсного усилителя 20, к выходукоторого подключена компенсационная обмотка 3 датчика момента,Формирователи импульсов 12, 13 отличаются различной полярностью напряжений питания, что обеспечиваетформирование из синусоидальных сигналовгенераторов импульсов различной полярности.Импульсный усилитель 20 выполнен посимметричной схеме с двухполярным напряжением питания, что обеспечивает приподаче на его симметричный вход раэнополярных импульсов получение разнополярных выходных сигналов,Для управления работой устройства обработки сигналов акселерометра предусмотрен генератор тактовых импульсов 21.Работа экселерометра осуществляетсяследующим образом.При отсутствии ускорения, когда на свободный конец консоли ЧЭ 2 не действуютинерционные силы, отсутствует деформацля перемычки между волноводами. В реэультате расстояние между волноводами накаждой основной поверхности ЧЭ 2 остается неизменным и равным четверти длиныакустической волны, При этом обеспечивается прохождение сигналов между ВШП 6 и7 в первой линии задержки, а также междуВШП 8 и 9 во второй линии задержки. Вобеих генераторах происходит генерацияэлектрических сигналов одинаковых частот,В формирователях импульсов 12, 13 иэ синусоидального сигнала формируется импульсный сигнал с частотой следованияимпульсов, равной частоте генератора. Вформирователе импульсов 12 образуютсяимпульсы положительной полярности, еформирователе импульсов 13 - импульсыотрицательной полярности.В счетчиках-регистрах 14, 15 преобра.эуются в код частоты импульсные частотныесигналы, поступающие с выходов формирователей импульсов 12, 13. В блоке вычитания кодов частот 18 производитсявычитание кодов частот, поступающих наего входы со счетчиков-регистров 14, 15,Так как при отсутствии ускорения частоты обоих генераторов равны, то с выходаблока вычитания кодов частот 18 поступаегвыходной сигнал акселерометра в виде кода, равного нулю.На два входа логической схемы совпадения 17 поступают сигналы соответственно с формирователей импульсов 12, 13,Поэтому с выхода логической схемы совпадения 17 на входы коммутаторов 16, 19 поступает сигнал, запрещающий прохождение сигналов от формирователей импульсов 12, 13 через коммутаторы 16, 19 на вход усилителя 20. В результате с выхода усилителя 20 на компенсационную обмотку 3 датчика момента не подается напряжение, датчик момента не создает компенсационный момент, и ЧЭ 2 остается в положении равновесия,При наличии измеряемого ускорения под действием инерционной силы свободный конец консоли ЧЭ 2 отклоняется от положения равновесия в результате деформации перемычки между закрепленной и свободной частями ЧЭ 2, При этом изменяется расстояние между гребнями волноводов на основных поверхностях ЧЭ 2. Пусть, например, направление ускорения таково, что ЧЭ смещается в такую сторону, что расстояние между гребнями волноводов, содержащих ЬШП 6, 7, увеличивается,а расстояние между гребнями волноводов с ВШП 8, 9 уменьшается.При увеличении расстояния между гребнями волноводов с ВШП 6, 7 до величины, большей четверти длины акустической волны, прекращается передача сигнала между ВШП 6,7, первый генератор нэ линии задержки с ВШП 6, 7 прекратит генерациючастотного сигнала. При уменьшении расстояния между гребнями волноводов с ВШП 8, 9 расстояние между гребням волноводов станет меньше четверти длины акустической волны, что обеспечивает условия передачи сигнала между ВШП 8, 9. Поэтому второй генератор нэ линии задержки с ВШП 8, 9 будет продолжать выдавать частотный сигнал, В результате на входе блокв вычитания кодов частот 18 будет существовать только сигнал со второго генератора, и блок вычитания кодов частот 18 выдает выходной сигнал акселерометра, величина которого будет определяться частотой второго генератора, а направление ускорения - знаком разности в знаковом разряде блока вычитания кодов частот 18.На входах логического устройства совпадения 17 будет только сигнал с формирователя импульсов 18, соединенного со вторым генератором. Поэтому с выхода логической схемы совпадения 17 на коммутаторы 16, 19 поступит сигнал разрешения на прохождение импульсов от формирователей импульсов 12, 13. Так как при этом будет только сигнал с формирователя импульсов 13 от второго генератора, то нэ вход импульсного усилителя 20 поступит только сигнал от коммутатора 19. 8 результате на выходе импульсного усилителя 20 появятся импульсы отрицательной полярности, полученные в результате преобразования частоты вто 182514351015 а=К Х Г с 20 50 рого генератора в формирователе импульсов отрицательной полярности 13, прохождения его сигнала через коммутатор 19 нв вход усилителя 20. Полярности сигналов акселерометра выбраны такими, что при прохождении импульсов отрицательной полярности с выхода импульсного усилителя 20 через компенсационную обмотку 3 датчика момента датчиком момента создается момент, компенсирующий инерционный момент и возвращающий ЧЭ 2 в исходное положение, В исходном положении ЧЗ 2 работают оба генератора, нет компенсирующего момента и сигнала с выхода акселерометра. Поэтому измеряемое ускорение а определяется выражением де- коэффициент преобразования акселерометра;о - частота следования импульсов; т - время.При ускорении противоположного направления, когда гиридеформации перемычи между неподвижной и свободной частями ЧЭ 2 увеличивается расстояние лгжду гребнями волноводов с ВШП 8, 9 и уменьшается расстояние между гребнями волноводов с ВШП 6,7, частотный выходной сигнал выдает только первый генератор на линии задержки с ВШП 6, 7, Поэтому на выходе блока вычитания кодов частот 18 получается выходной сигнал акселерометра, определяемый частотой первого генератора на линии задержки с ВШП 6, 7, При этом знак разности в знаковом разряде блока вычитания кодов частот 18 будет противоположным по сравнению с предыдущим случаем,Формула изобретенияАКСЕЛЕ РОМ ЕТР, выполненный на основе преобразователей акустических волн, содержащий основание, чувстви тельный элемент, линии задержки с входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, генераторы,на линиях задержки, образованные включением усилителей, между входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены дифференциальный магнитоэлектрический датчик момента, компенсационная обмотка которого расположена на чувствительВвиду наличия сигнала только с первого генератора на линии задержки с ВШП 6, 7 логическая схема совпадения 17 выдает сигнал в коммутаторы 16, 19 на разрешение прохождения через них сигналов с формирователей импульсов 12, 13, Так как сигнал поступает только от формирователя импульсов 12 положительной полярности, то он проходит через коммутатор 16 и поступает на вход импульсного усилителя 20. В результате с выхода усилителя 20 в компенсационную катушку 3 датчика момента поступают импульсы положительной полярности, чем и создается компенсирующий момент, возвращающий ЧЭ 2 в исходное положение,Таким образом, акселерометр измеряет ускорение, знак которого определяется кодом знака знакового разряда блока вычитания кодов частот, а величина - содержимым разрядов блока вычитания кодов частот.От генератора тактовых импульсов 2 1 по шине "а" поступают сигналы на обнуление и запуск счетчиков-регистров 14, 15, по шине "б" подаются сигналы на разрешение операций в блоке вычитания кодов частот 18.В заявленном акселерометре разрешающая способность увеличивается на несколько порядков, т,к, частота выходного сигнала акселерометра модулируется до 100, тогда как в существующих акселерометрах глубина модуляции не превышает 0,01-0,05%.Введение компенсации моментов означает применение отрицательной обратной связи в следящей системе акселерометра, что приводит к уменьшению нелинейности акселерометра вследствие спрямления его выходной характеристики,Повышение разрешающей способности, уменьшение нелинейности повышают точность акселерометра. ном элементе, а статоры магнитной системы - на основании, формирователь импульсов положительной полярности, подключенный к одному из генераторов, формирователь импульсов отрицательной полярности, подключенный к второму генератору, два счетчика-регистра, подключенные к Формирователям импульсов, логическую схему совпадения, блок вычитания кодов частот, два коммутатора, импульсный усилитель, приэтом к блоку вычитания кодов частот подключены выходы счетчиков-регистров, выходы формирователей импульсос подключены к входам логической схемы совпадения, один из формирователейимпульсов подсоединен к одному из коммутаторов, второй Формирователь импульсов подсоединен к второму ком мутатору, выход логической схемы .овпадения подклгочен к обоим коммутао рам, выходы коммутаторов соединены с двумя входами импульсного усилителя, к выходу импульсного усилителя под клечена компенсационная обмотка датчика момента, на каждой основной по верх ности чувствительного элемента образованы два связанных клинообразных волновода длиной от 500 до 1500 длин акустической волны с направлением акустического тракта перпендикр ярно продольной оси чувствительного эле мента, расстояние между гребнями волноводов составляет около четверти длины акустической волны, ширина стороны клина волновода, углубленной в тело чувгтвительного элемента, составляе; не менее 100 длин акустической волны. в месте расположения волноводов на чувствигельном элементе образована перемычка между закрепленнойс.ободной властям чувствительного з иманта, ось изгиба перемычки параллельна основным поверхностям чувствительного элемента и перпендикулярна продольной оси чувствительного элемента, а на каждой паре волноводов образована линия задержки, входной встречно-штыревой преобразователь которой расположен на одном волноводе, выходной встречно-штыревой преобразователь - на втором волноводе,1825143 Составитель В. Кост Техред М.Моргентал Редак орректор Н, Король каз 13 Тираж Подписн НПО "Поиск" Роспатента3035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/ гарина, 101 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгоро