Акселерометр

(51) 01 Р 1 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ ССС г) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ к авторскому свидетельству тельное конарук, кл. 601 Р 15/О 1 Р 15/08,закрепленныи на осльный элемент. С элемента располованные входными и ми преобразовате(21) 4939658/10(71) Раменское прибороароиторское бюро(7) Акселерометр содержитновании консольный чувствитобеих сторон чувствительногожены линии задержки, образовыходными встречно-штыревы лями Напротив них на основании раотоложены металлизированные полоски, находящиеся от них на расстоянии четверти волны преобразователей Таких пиний задержки и соответственно полосок в акселерометре содержится и единиц Каждая пиния 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 гюдкпючен к сумматору-накопителю. Расстояние от точки крепленияствительного элемента к основанию до каждойи задержки определяется соответствующим выражением 5 ил.Изобретение относится к измерениюпараметров движения, в частности к измерителям линейных ускорений прямого преобразования на поверхностныхакустических 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 - металлизированныеполоски, 7, 8 - выходные ВШП; 9, 10 - усилители, 11, 12 - формирователи импульсов,13, 14 - счетчики; 15 - блок вычитания кодовчастот; 16 - коммутатор; 17 - сумматор-накопитель.Акселерометр имеет основание 1, чувствительный элемент 2 из пьезоэлектрического материала. На одной из основныхповерхностей ЧЭ 2 (гранях, имеющих наибольшую площадь поверхности), расположены и линий задержки с входными ВШГ(3,3 З" и выходными ВШП 7,7 7 ф(фиг.1,2). На второй основной поверхностиЧ Э 2 расположены и лициний задержки с входными ДШП 4,4 4" и выходными ВШП8,88") (фиг,1,3), Направление акустического тракта ЛЗ на ЧЭ перпендикулярнопродольной оси ЧЭ.На одной из поверхностей основания 1,параллельной основной поверхности ЧЭ 2,расположены и металлизированных полосок 5,5 5"1, на другой параллельной ейповерхности основания 1 расположены гметаллизированных полосок 6,6 611 п(фиг,1 4). Металлизированные полоски5,5 ,5(щ на основании 1 отс 1 тоят от линзадержки на ЧЭ 2 с ВШП 3,3 ,3 и, 7,7 .7 ина расстоянии б = Л /4(где Л - длина волныПАВ), Металлизированные полоски6,6 6 на основании 1 отстоят от линиЧзадержки на ЧЭ 2 с ВШП 4,4 41"), 8,88 ина таком же расстоянии б. Металлизированные полоски расположены вдоль линий задержки в местах, соответствующихрасположению линий задержки на ЧЭ. Расстояния 1,12.1 п (фиг.2) соответственно первой, второй и-й линий задержки от точкикрепления ЧЭ 2 в основании 1 относятся как1,.12; 1= 1,;12 ,1 п, где 1,12,.1, - коэффициенты, определяемые укаэанным выше соотношением.8 структурной схеме акселерометра нафиг.5, включением одного из усилителей9 9 ,9 срответственно между ВШП 3 и 7,3 и 73 щ и 7") образованы и ПАВ-генераторов на ЛЗ на одной иэ основных поверхностей ЧЭ 2, Включением одного иэ 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 усилителей 10,10 10 тсрртветстввнно между В ШП 4 и 8,4 и 8 4 и и 8"1 образо 1 п иваны и 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 п-цепочек, состоящая иэ последовательно включенных одного (из п формирователей импульсов 11,11 .11 и одного из и счетчи 1 иков 13,13 13 ф. К каждому ПАВ-генератору для линии задержки на другой поверхности ЧЭ 2 подключена одна из и цепочек, состоящая из последовательно включенных одного иэ рмирователей импульсов 12,12 ,12 и одного иэ и счетчиков1 п14,14 14. Каждая пара цепочек иэ 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 15,15 ,15 "2, 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 5,5 ,5"), 6,6 6"), расстояние между металлиэированными полосми 5,5 5" и В Ш П 3,31,3(п, 7,7 7", а также расстояние между металлиэированными полосками 6,6 6 щ и ВШП 4,4 4(", 8,8 .8 п равно четверти длины волны ПАВ, В таком положении Э 2 метаи лизированные полоски 5,5 5", 6,616 "2 не оказывают шунтирующего влияния на электрическое поле пьезоэлектрика, возникающее при прохождении ПАВ. Поэтому частоты всех 2 п ПАВ-генераторов в принципе равны, на выходе формирова)телей импульсов 11,1111", 12,12 12 п после преобразования синусоидальных сигналов в импульсные получаются импульсные сигналы с одинаковой частотой следования им)- пульс 1 ов, в счетчиках 13,13 13", 14,14 ,141" получаются одинаковые коды частот ПАВ-преобразователей. В результате после вычитания кодов частот в блоках вычитания кодов частот 15,15 151") сигнал равен нулю, Равен нулю также сигнал с сумматора-накопителя 17, полученный суммированием кодов частот с блоков вычитания кодов частот 15,15 ,15 "2 после их поочередного подключения коммутатором 16. Наличие нулевого сигнала ссумматора-накопителя 17 говорит об отсутствии ускорения.При наличии ускорения ЧЭ 2 под действием инерционного момента, вызванногоускорением, деформируется и перемещается в сторону, например, поверхности основания с металлизированными полосками5,55 и). Тогда расстояние между ЛЗ наВШП 3,3 3( ), 7,7 7(") и металлиэированными полосками 5,5 .5 становится меньше четверти длины волны ПАВ, чтоприводит к шунтировани) металлизированными участками 5,5 ,5 и) электрическогополя в пьезоэлектрике ЧЭ 2 в бестах расположения ЛЗ с ВШП 3,3 3", 7,7 7( и 15вызывает увеличение частот ПАВ-генератоРов на ЛЗ с ВШП 3,3 3(и), 7,7,7(и)При деформации ЧЭ 2 изменяется скорость распространения ПАВ в ЧЭ 2, что вызывает увеличение час)тот ПАВ-г)енераторов 20на ЛЗ с ВШП 3,33 ", 7,71,7(и и уменьшение частот ПАВ-Генераторов на ЛЗ с ВШП4,4 4("), 8,8 8(и),Так как при деформации ЧЭ 2 расстояние между металлизированными полосками 256,6 6(и на поверхности основания 1 и ЛЗч ВШП 4,4 4 ф, 8,88(и) на ЧЭ увеличивается и становится больше четверти длиныволны ПАВ, то вследствие отсутствия шунтирования электрического поля пьеэоэлектрика Ч 2 металлизированными полосками6,6 ,би) не происходит вызванного этимэффектом изменения частот ПАВ-генератоРов на ЛЗ с ВШП 4,41,4(") 8 8 8(")Таким образом при ускорении происходит увеличение частот ПАВ-генераторов наЛЗ на поверхности ЧЭ 3, обращенной к ме 1 (и)таллизированным полоскам 5,5 5( ), вызванное изменением скорости ПАВ ишунтирующим действием металлизированных полосок 5,5 5(". Частоты же ПАВ- генераторов на ЛЗ на поверхности ЧЭ 2,обращенной к металлизированным полоскам 6,6 6"), уменьшаются только вследствие изменения скорости ПАВ в ЧЭ 2 при 45деформации.Поэтому в блоках вычитания кодов частот 15,15 15 " появляются сигналы, равные суммам кодов изменений частотПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 3,3 ,3", 50и)4,4 4(и), вызванных изменением скоростиПАВ при деформации ЧЭ, а также ПАВ- генераторов на ЛЗ с ВШП 3,3 3, вызван 1 (иных шунтирующим действием1 (и)металлизированных полосок 5,5 ,5 ) на 55поверхности основания 1.Коммутатор 16 поочередно подключаетк сумматору-накопителю 17 блоки вычита(и)ния кодов частот 15,1515 , в результатечего с выхода сумматора-накопителя 17 поступает выходной сигнал акселерометра, равный сумме изменений частот всех 2 п ПАВ-генераторов при измеряемом ускорении в результате суммирования кодов изменений частот с блоков вычитания кодов частот 15,15 15 и),При ускорении противоположного направления ЧЭ 2 смещается в сторону поверхности основания 1 с металлизированными полосками б,б бтт. (1 тда 1 асстоаиие меж. ду ЛЗ на ВШП 4,4 4 ", 8,8 8 и) и металлизированными полосками 6,6 6(1 (и) становится меньше четверти длины волны ПАВ, что вызывает увеличение частот ПАВ- генераторов на Л 3 с В Ш П 4,41,4("), 6,8 8") вследствие шунтирующего дейст 1 (и) вия металлизированных полосок 6,6 6Увеличиваются также частоты ПАВ-гр 1 ераторов на ЛЗ с ВШП 4,4.4 и), 8,8 У" и уменьшаются частоты ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 3,3 3(щ, 7,7 .7(и) вследствие изменения скорости ПАВ при деформации ЧЭ 2,Чачтоты ПАВ-генераторов на ЛЗ с ВШП 3,313 и), 7,7 .7(и) не испытывают изменений вследствие шунтирующего действия ме 1 (и) таллиэированных полосок 5,5 5( на поверхности основания 1, так как расстояние между ВШП 3,3 3 ", 7,7 .7(и) и метал 1 (и) л и э и р о в а н н ы м и полосками 5, 5 5 становится больше четверти длины волны ПАВ.Поэтому с выхода сумматора-накопителя 17 поступает выходной сигнал акселерометра, равный сумме изменений частот всех 2 п 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.форми 1 ователи импульсов 11,11 11", 12,12 ,12(и служат для преобразования гармонических сигналов ПАВ-генеоаторов в импульсные, счетчики 13,13 .13(", 14,14 14 ф подсчитывают количество импульсов, поступающих от формирователей импульсов, и преобразуют их в код.От генератора тактовых импульсов 18 по шине паи поступают сигналы на обнуление и за уск счетчиков 13.13 131 и 14,14 14 . По шине иби подаются сигналы на разрешение операций в устройствах вычитания кодов частот 15,15 15 . Управле(иние 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, товозникает нелинейность характеристики акселерометра, Для ее устранения необходимо устанавливать определенные расстояния между линиями задержки.Наибольшее изменение частоты ПАВ- генератора, вызванное шунтирующим действием металлиэированного 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 су,ществует 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 исФормула изобретения 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 2 п(п 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 по 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пользованием наибольшего прогиба ЧЭ и наибольшего напряжения в ЧЭ,увеличение частоты выходного сигнала повышает разрешающую способность акселерометра, т.к, на диапазон измеряемых ускорений приходится большийдиапазон 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. лосок на основании на расстоянии четверти длины волны преобразователей, при этом в акселерометр введены 2 п формирователей импульсов, подключенных к генераторам поверхностных акустических волн, 2 п счетчиков, подключенных к формирователям импульсов, и 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 1, 12, п соответственно первой, второй, и-й линий задержки от точки крепления чувствительного элемента в основании относятся как 1: 1 г:,.; 1 и = 11: 12К аЫ вгде Ку - коэффициент пропорциональности между частотой генератора и прогибом чувствительного элемента;Ка - коэффициент пропорциональности между частотой генератора поверхностных акустических волн и механическим напряжением чувствительного элемента;т - масса чувствительного элемента,1 - длина чувствительного элемента,и - толщина чувствительного элемен 5 та,Е - модуль упругости материала чувствительного элемента,- момент инерции сечения чувствительного элемента,1825145у//7/ у/ у оставитель В. Кос ехред М.Моргентал Редакто ректор М. Петров Подписное аказ 40 Тираж НПО "Поиск" Роспатент113035, Москва, Ж.35, Раушск б 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10