Дифференциальный угловой пьезоэлектрический акселерометр

 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УГЛОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус с установленными в нем пкезорезонатором с тонкоплеВСЕСОЮЗНАЯ ПАТУ: тгго. « ТЕдйЙМШ:/,й Kimf mA ночными электродами, включенными в схему автогенератора, и консольно закрепленный инерционный элемент, отличающийся тем,, что, с целью повьшения точности измерения углевых ускорений, пьезорезонатор выполнен в виде диска и жестко прикреплен к корпусу по линии вдоль диаметра с помощью прямоугольной балки, а инерционный элемент выполнен гантелеобрйзной формы и жестко прикр плен своей перемычкой к поверхности диска перпендикулярно линии крепления, при этом тонкопленочные электроды выполнены в виде секторов и расположены в четырех квадрантах, образованных пересечением линии крепления к корпусу и перемычки инерционного элемента.

ОО03 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

a% 01) 4(51) С 01 P 15/09

1ЪСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3554906/24" 10 (22) 22.02.83 (46) 23.0!.85. Бюл. И» 3 (72) В.Я.Баржин, Ф.Ф.Колпаков, Е.А.Милькевич и С.С.Пашков (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н.Е.Жуковского: (53) 53 1.768 (088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

Р 794546, кл. С 01 Р 15/09, 1978 °

2.Авторское свидетельство СССР

11 573757, кл. С 01 Р 1Я09, 1975(прототип). (54)(5?) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УГЛОВОЙ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕПЕРОИЕТР, содержащий корпус с установленными в нем пьезорезонатаром с тонкопленочными электродами, включенными в схему автогенератора, и консольно закрепленный инерционный элемент, .отличающийся тем,.что, с целью повышения точности измерения угловых ускорений, пьезорезонатор вьнолнен в виде диска и жестко прикреплен к корпусу по линии вдоль диаметра с помощью прямоугольной балки, а инерционный элемент выполнен гантелеобразной Формы и ж стко прикреплен своей перемычкой к поверхности диска перпендикулярно линии крепления, при этом тонкопленочные электроды выполнены в виДе секторов и расположены в четырех квадрантах, образованных пересечением линии крепления к корпусу и перемычки инерционного элемента.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть ис1136084 ремычкай к поверхности диска перпендикулярно линии крепления, при этом польэовано для точного измерения угловых ускорений.

Известны дифференциальные угловые пьезоэлектрические акселерометры, содержащие корпус, ине-,ц..энную массу, два дискретных или интегральных пьезорезонатора и два автогенератора, нагруженные на смеситель (1), Однако эти устройств=- облад ют невысокой точностью измерения из-за неидентичности параметров пьезорезонаторов, s первую очередь из-за невозможности обеспечения одинаковых температурно-частотных характе-. ристик последних. Кроме того, такие акселерометры одновременно с угловыми воспринимают и линейные ускоренич, чта вносит дополнительную погреш- щ ность в результаты измерений.

Из известных дифференциальных угловых пьезоэлектрических акселерометров наиболее близким по технической сущности и достигаемому результа- 25 ту к предлагаемому устройству является аксел рометр, содержащий корпус с установленными в нем пьезорезонатором:" тонкопленочными электрадаьы, включенными в схему автогенератора, и консольно закрепленньй инерционный элемент >2) .

Недостаток известного устройства состоит в невысо.;::-.. точности измере-, ния угловых ускорения, что обусловлена высокой теьгпературной погрешностью из- за неидентичности темпера-. турно-частотных характеристик пьезорезснаторов, влиянием .на результаты измерений линейных составляющих ускорения, а также неидентичностью характеристик. автоге нераторов.

Ь

Цель изобретения — новьппение -.î÷ности измерения угловых ускорений, Поставленная цель достигается М тем, что в дифференциальном угловом пьезоэлектрическом акселероме;".ре, содержащем корпус с установленными в нем пьезорезонатаром с тонкопленочньпп электродами, включенными z схе- >@ му автогенератора, и консольно за-. крепленньп"; инерционный элемент„ пьезарезонатор выполнен в виде диска и жесгко прикреплен к корпусу

::о линии вдоль диаметра с помощью 59 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. i представлена конструкция дифференциального углового пьезоэлектрического акселерометра; на фиг. 2 — схема включения электродов пьезорезонатора акселерометра в многочастотный автогенератор.

Акселерометр содержит корпус 1, инерционные массы 2 и 3, закреплен-" ные на концах консоле ". 4 и 5, причем на этих массах установлены фиксаторы 6 и 7. Кроме того, в корпусе установлен гьезореэонатор 8 с четы- рехсегментными 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. гсолв. "".акже жестка прикреплены к пьезарезанатору симметрично па отнслению одна к другой вдоль аси симметрии корпуса, а также перпендику:-=.рна и симметрична относительно оси закрепления пьезорезонатора K корпусу. Элементы закрепления пьезсрезонатора и консолей мехачически не соприкасаются один с другим и находятся в "".снах, свободних ат электродов пьезарезанатора, причем все четыре сегмента одного из 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 пьезорезонаторав характеризуются наличием вблизи основнага колебания сдвига по толпа:не «яда побочных резонаторов, которые объединяются под общим названием - ангармонические моды колебаний сдвига по толщине. В предлагаемом ус" ройства для обеспечения наилучших условий для возбуждечия в пьезарезанаторе 8 колебаний ангармовических мод 1 2,, 1:и 1 1, 2 каждый из электродов 9 гьезорезанатара 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 мода\ ми, но и по отношению к основной частоте.

В таких условиях, включив пьезорезонатор 8 в схему многочастотного автогенератора l2 (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 fF, 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 a, 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 к

Щ этому пьеэорезонатору консолей 4 и 5 с инерционнцми массами 2 и 3.

Необходимым и достаточным условием для этого является наличие между кра ем зоны деформации и элементами

45 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 f которая несет информацию о нуле ха рактеристики преобразования предлагаемого устройства.

При воздействии измеряемых угловых ускорений (действующих в плос084 4 кости 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 эле:менты крепления жестко прикреплены к пъезорезонатору 8 вдоль его диаметра, а резонатор 8 жестко при-" креплен в перпендикулярном направлении с помощью балки 10 в прорези

11 к корпусу 1,.-то, например, при движении инерционных масс 2 и 3 по часовой стрелке, происходит растяжение зон деформации 0, соответствующих колебаниям ангармонической моды l, 2., 1,и сжатие зон деформации

Ь, соответствующих колебаниям ангармонической моды 1, 1, 2.

В результате для изменений частот Й1 и f<, соответствующих этим колебаниям, получим

gf = KF gf =-KF

2 где F — усиление, прикладываемое к зонам а и Ъ

K „и К вЂ” частотные коэффициенты силовой чувствительности для колебанийангармонических мод

2, 1и1, 1, 2соответственно.

Поскольку. знаки приращений частот

К и f вследствие разнозначности усилий, прикладываемых к зонам 4 и

Ь, противоположны, то для приращения информационной разности час готы

f получим — (K + К) У l 2)

При изменении знака углового ускоре- ния крутизна характеристики преобразования угловое ускорения — частота не изменяется, изменяются лишь знаки приращенич частот f < и f<. Фиксаторы б и 7, установленные на инерци" онных массах, служат для предотвращения разрушения пьезорезонатора 8., если линейные или измеряемое угловое ускорения превьппают предельно допустимые значения.

Поскольку в предлагаемом устройстве колебания с частотами f и f существуют в едином пьезорезонаторе

8, а не в отдельных пьезорезонаторах, как это имеет место в известных устройствах, то при работе предлагаемо3136084

ВНПППИ Заказ 10278 ХиПаи 888 ПоПок коа

Филиал ППП «Пакаик, r.Óàòîðîä, кл.Проакткак, ro акселерометра в широком диапазоне температур для обеих возбуждаемых мод толщинно-сдвиговых колебаний обеспечиваются идентичные температурно-частотные характеристики, что позволяет благодаря дифАеренциальному принципу измерений т1олностью устранить температурную погрешностьа

Важным преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с базовым 10 является его нечувствительность ко всем составляющим ускорений, кроме углового. Это обусловлено тем, что воздействие всех неинформационных ускорений приводит к одинаковым по величине и знаку деАормациям как зон колебаний 0, соответствующих ангармонической моде 1, 2, 1, так и зон колебаний, соответствующих ангармонической моде 1, 3, 2. Это 20 дает одинаковые по величине и знаку приращения частот f< и f<, а информационная разностная частота f ocР тается неизменной, что также приводит к значительному выигрьнпу по 25 точности измерений. Кроме того, предлагаемый акселерометр значитель-нд проще в схемном плане, так как не требует применения двух автогене раторов и смесителя как известный акселерометр, а использует один простейший трехточечный автогенератор, работающий в цвухчастотном режиме. Это обстоятельство обеспечивает устраненче составляющих

35 . погрешностей, возникающих за счет неидентичности характеристик автогенераторов, снижает уровень собственных шумов электронной схемы и существенно повышает надежность предлагаемого устройства в целом.

В результате предложенных изменений конструкции и схемы дифАеренциального 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 fj от неинформационных линейных составляющих ускорения. Упрощение схемы устройства обеспечивается выполнением автогенератора 12 акселерометра многочастотным, работающим в д)зухчастотном режиме, и использованием в качестве рабочих частот двух соседних ангармонических мод колебаний сдвига по толщине. При этом отпад .ет 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 повышает надежность предложенного дифференциального акселерометра по сравнению с известным.