Устройство для измерения линейных ускорений

 

Изобретение относится к акселерометрам , построенным по разомкнутой схеме с автогенераторными преобразо-- вателями деформации на поверхностноакустических волнах (ПАВ). Целью изобретения является повышение чувствительности за счет введения дополнительных преобразователей на ПАВ. При наличии измеряемого ускорения, направленного перпендикулярно плоскости двухконсольной балки 1 - чувствительного упругого элемента с инерционными массами 2 и 3 на концах консолей , происходит изменение режимов работы автогенераторных преобразователей деформации, дифференциально подключенных через буферные усилители 4 и 5 к регистратору 6. Каждый из преобразователей деформации содержит параллельно расположенные основную 7, 10 и внутреннюю дополнительную 8, 9 пары встречно-гатьтревых преобразователей (ВШП) ПАВ, соединенных соответ- .ственно усилителями 13 и 12. Кратность длин волн.акустического синхронизма всех пар ВШП обеспечивает синфазное сложение сигналов на приемных ВШП 7,8. Указанные пары ВШП располо- . жены симметрично ВШП, размещенным на другой стороне двухконсольной балки . Суммарный сигнал с каждого преобразователя деформаций усиливается за счет отклика внутреннего контура автогенератора, включающего ВПЯ1 8,9 и усилитель 12. 2 ил. § (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (l9) . (11) цп 4 G 01 P 15/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М А ВТОРСМОМ,Ф СВИДЕТЕВЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ П4НТ СССР (21) 4238992/24-10 (22) 04.05.87 (46) 07.03.89. Бюл. М 9 (71) Казанский авиационный институт им.А.Н.Туполева (72) И.Х.Исхаков и А.Н.Булюк (53) 631. 768 (088. 8) (56) Патент СНА У 3863497, кл. G 01 В 517, 1975.

Авторское свидетельство СССР

N 1029085, кл. G 01 Р 15/08, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ (57) Изобретение относится к акселе-. рометрам, построенным по разомкнутой схеме с автогенераторными преобразо-. вателями деформации на поверхностноакустических волнах (ПАВ). Целью изобретения является повышение чувствительности за счет введения дополнительных преобразователей на ПАВ, При наличии измеряемого ускорения, .направленного перпендикулярно плоскости двухконсольной балки 1 — чувствительного упругого элемента с инерционными массами 2 и 3 на концах консолей, происходит изменение режимов работы авто генератор ных пр еобра зователей деформации, дифференциально под ключе нных чер е з буфер ные усилители 4 и 5 к регистратору 6. Каждый иэ преобразователей деформации содержит параллельно расположенные основную

7, 10 и внутреннюю дополнительную 8, 9 пары встречно-штыревых преобразователей (ВИП) ПАВ, соединенных соответ,ственно усилителями 13 и 12. Кратность длин волн акустического синхронизма всех пар ВШП обеспечивает син3

- фазное сложение сигналов на приемных

ВШП 7,8. Указанные пары В1ЦП расположены симметрично ВИП, размещенным на другой стороне двухконсольной бал- С ки. Суммарный сигнал с каждого преобразователя деформаций усиливается за счет отклика .внутреннего контура автогенератора, включающего ВШП 8,9 и усилитель 12. 2 ил.

1464110 щие устроиство 6, а так же перв второй идентичные между собой ав нераторные ПАВ преобразователи д .мации.

Ф

Первый автогенераторный ПАВ и образователь деформации содержит (30 встречно-штыревые преобразователи (ВШП) 7 — 10, и з готовле нные методами тонкопленочной технологии, на широкой грани 11 упругого элемента 1 и два идентичных усилителя 12 и 13.

Электродные системы В!!!!! 7 — 10 имеют одинаковые апертуры, равные ширине одного общего для всех RBIII акустичес. кого канала 14 (фиг.2), продольная ось симметрии которого совпадает с продольной осью (не показана) широкой грани 11- упругого элемента 1.

ВШЦ 8 и 9 имеют одинаковые конструкции и размещаются симметрично друг другу относительно поперечной плосI 45 кости симметрии 00 двухконсольной балки упругого элемента 1.

Расстояние L< между центрами ВШП

8 и 9 выбирается равным К%,, где К целое число, а 9,, — длина ПАВ акустического синхрони:Ma пары В!!!П 8 и

9. Аналогично ВШП 7 и 10 имеют одинаковые друг с другом конструкции и размещаются симметрично друг другу относиг тельно той же плоскости 00, а расстояние между их центрами Lg выбирается равным М Ъ, где N — целое число !! — длина ПАВ акустического синВ хронизма пары ВШП 7 и 10, f

50

Изобретение относится к измерению параметров движения, в частности к линейным акселерометрам, построенным по разомкнутой схеме с преобразователями деформации упругого чувствительного элемента на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и предназначено для использования в условиях инерционных угловых возмущений. 10

Цель изобретения — повышение чув. ствительности устройства при измерении линейных ускорений.

На фиг. 1 представлена полная функциональная схема устройства, на 15 фиг.2 - упругий элемент, вид сверху.

Устройство для измерения линейных ускорений содержит упругий элемент

1, выполненный в виде двухконсольной балки, закрепленной в своей средней 20 части с корпусом (не показано) и несущей измерительные массы 2 и 3 на свободных концах, два идентичных буферных усилителя 4 и 5, регистрируюый и 25 тогеефорре

Длины ПАВ и Ъ, акустического i синхронизма пары В!ПП 8 и 9 и соответственно пары RlllII 7 и 10 выбираются KpBTHhlMH друг другу и должныудовлетворять соотношению Л, = m %, где

m выбирается из определенного ряда значений.

Выбором расстояний е- и Ь, кратными целому числу длин волн (так как коэффициенты*N и К вЂ” целые числа) акустического синхронизма %, и !!

В!!!П 8,9 и 7,10, обеспечивается синфазное сложение на приемных ВШП, например RUJII 7 и 8, первой и второй

ПАВ, возбуждаемых соответствующими передающими В!!!П, например ВШП 9 и 10. !

Существование в первом ПАВ преобразователе деформации первой и второй

ПАВ объясняется наличием и взаимодействием между собой двух контуров автогенерации; внешнего и внутреннего. ,Внешний контур автогенерации состоит из усилителя, 13, вход и выход которого электрически соединены с сигнальными электродными системами ВШП

7 и 10 линии задержки первой ПАВ, возбуждаемой ВШП 10 и распространяющейся по акустическому каналу 14 на поверхности широкой грани 11 упругого элемента 1 к ВШП 7. Внутренний контур автогенерации в свою очередь состоит из усилителя 12, вход и выход которого электрически соединены с сигнальными электродными системами .

ВШП 8 и 9 линии задержки второй ПАВ, возбуждаемой В!!!П 9 и распространяющейся по акустическому каналу 14 к приемным ВШП 8 и 7. Вторая ПАВ является откликом внутренного контура автогенерации первого ПАВ преобразователя деформации на первую IIAR, самовозбуждающуюся во внешнем контуре автогенерации, например, при включении напряжения питания усилителя 13.

Возбуждение второй ПАВ происходит следующим образом при прохождении первой IIAR под приемными ВШП 8 внутреннего контура и взаимодействии с ними на сигнальной электродной системе ВШП 8 возникает переменное элек-, трическое напряжение, которое усиливается усилителем 12 и, псступая с выхода усилителя 12 на сигнальную электродную систему ВШП 9, возбуждает две новые ПАВ, распространяющиеся по акустическому каналу 14 в двух взаимно противоположны.. направлениях.

Одна из них, а именно !!АВ, распрост3

146411 раняющаяся в направлении Rlllll 8 и 7, и есть вторая IIAR. Третья ПАВ, возбуждаемая В1ЧП 9 и распространяющаяся к ВШП 10, не участвует в процессе

5 самовозбуждения первого ПАВ преобразователя деформации, поскольку не взаимодействует ни с одним из приемных ВИП 8 и 7 и поэтому не рассматривается ° 10

Таким образом, в первом автогенераторном LIAR преобразователе деформации условия самовозбуждения зависят от результата взаимодействия с приемными ВШП 7 и 8 внешнего и внутреннего lr контуров а в тоге нера ции первой и второй ПАВ, которые имеют одну и ту же длину волны A . Величина амплитуды переменного электрического напряжения (частота которого однозначно соответствует длине волны A первой и второй ПАВ) на сигнальных электродных системах ВШП 8 и 7 прямо пропорциональна амплитуде результирующей

ПАВ, величина которой равна векторной сумме первой и второй ПАВ.

Кроме того, если длина волны 1, акустического синхронизма идентичных

ВШП 8 и 9 отличается от длины волны A< акустического синхронизма иден- 3<> тичных BIlIII 7 и 10, а именно h, + A или m4=1 то длина волны Л результирующей ПАВ, взаимодействующей с прием-. ньии ВШП 8 и 7, равна наименьшей из длин волн А, или акустического синхроz низма, поскольку ПАВ с длиной волны ll может одновременно существовать во внешнем и внутреннем контуре автогенерации, если ее длина 3 равна наименьшей из длин волн Й, или h акустического синхронизма. пар ВШП 9, 8 или 7,. 10.

Внутренний контур автогенерации второго ПАВ преобразователя деформации состоит из усилителя 20 и линии задержки ПАВ между ВШП 17 и 16, ко торые имеют одинаковые конструкции и размещаются симметрично друг другу относительно поперечной плоскости симметрии 00 двухконсольной балки упругого элемента 1, причем расстояние Ll между центрами RlllTI 16 и 17 выбирается равным L =K ° A где К - целое число, а Я, - длина ПАВ акустического синхронизма пары RUIII 16 и !7.

Внешний контур автогенерации второго

ПАВ преобразователя деформации состоит из усилителя 21 и линии задержки

ПАВ между ВШП 15 и 18, которые имеют одинаковые конструкции и размещаются симметрично друг другу относительно

1 поперечной плоскости симметрии 00 упругого элемента 1 (фиг. 1), причем расстояние Lz между центрами ВИП 15 и 18 выбирается равным Е =М Ilz, где

N — целое число, а — длина ПАВ

1 акустического синхронизма при ВШП 15 и 18. Величина коэффициента усиления

К усилителя 20 внутреннего контура э автогенерации второго ПАВ преобразоНаименьшее значение кратковременной нестабильности выходной частоты

fq первого автогенераторного ПАВ преобразователя деформации, а следова- 4r„ тельно, и наибольшее при прочих равных условиях разрешение измеряемой величины линейных ускорений обеспечиваются, если внешний и внутренний контуры самовозбуждения, каждый в отдельности, работают в недовозбужденном режиме. Для этого величина коэффициента усиления К усилителя .

12 внутреннего контура выбирается примерно на 107. меньшей значения, при котором произошло бы самовозбуждение внутреннего контура по цепи

ВШП 8, усилитель 12 ВШП 9, линия за держки ПАВ от ВШП 9 к ВШП 8. Величи0

4 на коэффициента усиления К усилителя 13 выбирается такой, чтобы обеспечить недостающее усиление по внешнему контуру для возникновения режима самовозбужпения всего двухконтурного первого автогенераторного

ПАВ преобразователя деформации. Критерием правильной работы ПАВ преобразователя деформации является срыв режима автогенерации при отключении напряжения питания одного из усилителей, например усилителя 12.

При выполнении условий L, =К A,,L =

=N % и 9 =тч первая и вторая ПАВ внешнего и внутреннего контуров автогенерации синфазно складываются друг с другом на приемных ВШП 8 и 7, следовательно, режим автогенерации первого ПАВ преобразователя деформации обеспечивается при наименьших величинах коэффициентов усиления К1 и

К усилителей 12 и 13.

Второй автогенераторный ПАВ преобразователь деформации полностью идентичен первому автогенераторному

ПАВ преобразователю деформации и содержит RliIII 15 — 18, расположенные на широкой грани 19 упругого элемента 1, и два идентичных усилителя 20 и 21.

5 14641 вателя деформации выбирается примерно на 107, меньшей значения, при котором произошло бы самовозбуждение внутреннего контура по цепи ВШП 16, усилитель 20, ВНП 17, линия задержки ПАВ от ВШП 17 и ВИП 16, а величина коэффициента усиления К> усилителя 21 внешнего контура выбирается такой, чтобы обеспечить недостающее усиление 10 по внешнему контуру для возникновения режима самовозбуждения acего двухконтурного второго автогенераторного ПАВ преобразователя деформации.

Выходные частоты f H f соответственно первого и второго автогенераторных ПАВ преобразователей дефор-. мации ввиду их полной идентичности друг другу при отсутствии линейных ускорений равны между собой. Их значения определяются пространственным периодом электродных систем ВШП 7

10 и 15 - 10 и 15 — 18, скоростью распространения ПАВ в материале упругого элемента 1, игракщего одно- 2В временно роль звукопровода ПАВ, и величинами расстояний L u L между центрами ВШП внешних и внутренних контуров автогенерации первого и второго ПАВ преобразователей деформации. 0

Буферные усилители 4 и 5 служат для обеспечения развязки между выходами первого и второго автогенераторных ПАВ преобразователей деформации и соответствующими входами регистри35 рующего устройства 6.

Устройство для измерения линейных ускорений работает следующим образом.

При появлении измеряемых ускорений вследствие инерционных свойств масс 2 и 3 возникают взаимно противоположные деформации широких граней

11 и 19 упругого элемента 1, что при.45 водит к взаимно противоположным изме- . нениям выходных частот E,+hf и Е +

+hf первого и второго автогенератор- . ных ПАВ преобразователей деформации, 10 6 прямо пропорциональным величине измеряемых ускорений.

При наличии угловых ускорений широкие грани 11 и 19 упругого элемента

1 испытывают одинаковые по величине и знаку деформации, вследствие чего выходные частоты f, и f первого и второго автогенераторных ПАВ преобразователей деформации изменяются на одну и ту же величину 5f, т.е. f< +

+51 и f. +hf, н значит не вызывают изменений показаний регистрирующего устройства 6.

Формула изобретения

Устройство для измерения линейных ускорений, содержащее закрепленный в корпусе упругий чувствительный элемент в виде двухконсольной балки с инерционными массами на концах и двумя автогенераторными преобразователями деформации пары, встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн которых расположены на противоположных полостях балки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности, в каждый из автогенераторных преобразователей деформации введена дополнительная пара встречно-штыревых преобразователей, расположенная параллельно преобразователям основной пары, и усилитель, соединяющий. встречно-штыревые преобразователи дополнительной пары, причем расстояние между центрами преобразователей в основной паре и дополнительной кратны целому числу длин волн акустического синхронизма этих пар, а длины волн акустического синхронизма основных пар кратны друг другу, при этом все встречно-штыревые преобразователи, закрепленные на одной стороне двухконсольной балки, расположены симметрично встречно-штыревым преобразователям, размещенным на другой стороне балки.

1464110

Составитель К.Лукомский

Техред Л.Сердюкова Корректор М.Максимипынеи

Редактор И.Дербак

Заказ 820/49 Тираж 788 .. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская иаб. ° д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Укгород, ул. Гагарина,101