Единый измерительный блок с преобразователями на поверхностной акустической волне

 

Блок предназначен для измерения линейного и углового ускорение и угловой скорости. В корпусе расположены двенадцать звукопроводов, каждый из которых имеет инерционную массу на свободном конце и преобразователи на поверхностной акустической волне (ПАВ) с обеих сторон. Звукопроводы попарно закреплены в шести гранях кубического корпуса. Каждая пара звукопроводов имеет общее консольное крепление в корпусе. Плоскости звукопроводов каждой пары разнесены на одинаковый острый угол. Выходы ПАВ-генераторов соединены со входами вычислительного блока. Вычислительный блок определяет значения измеряемых параметров по определенному алгоритму. Обеспечивается повышение точности, уменьшение массы и габаритов. 1 ил.

Предложенное изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к измерителям угловой скорости, линейного и углового ускорения.

Угловые акселерометры на ПАВ измеряют угловое ускорение. При вычислении по результатам его ускорений угловой скорости (интегрирование углового ускорения по времени) погрешности прибора накапливаются с течением времени вследствие интегрирования выходного сигнала. Пьезоэлектрический виброгироскоп [1 - 4] и гироскоп на ПАВ обладают общими недостатками - большими массой и габаритами вследствие необходимости их оснащения двигателями, высокой сложностью вследствие необходимости их оснащения токоподводами и токосъемами вращения, что сводит на нет основные преимущества ПАВ-датчиков перед другими измерителями угловой скорости. ДУС (датчик угловой скорости) на ПАВ с использованием эффекта Кориолисовых сил [1, 4] не имеет вращающихся частей, обладает малыми габаритами и весом, но имеет низкую чувствительность.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является датчик ускорения [5] , использующий ПАВ-генератор (генератор на основе эффекта поверхностной акустической волны) как измерительную систему и содержащий чувствительный элемент (звукопровод), выполненный в виде консольно закрепленной балки из пьезоэлектрического материала, инерционную массу, закрепленную на свободном конце чувствительного элемента, измерительную систему в виде двух ПАВ-генераторов на двух противоположных поверхностях чувствительного элемента, и смесителя, выделяющего разностный сигнал. Недостатками данного ПАВ-акселерометра является невозможность измерения угловой скорости.

Целью изобретения является получение возможности измерения угловой скорости малогабаритным высокоточным единым измерительным блоком на ПАВ либо повышение точности и снижение массогабаритных характеристик датчика угловой скорости на ПАВ.

Поставленная цель достигается тем, что единый измерительный блок с преобразователями на поверхностной акустической волне (ПАВ), содержащий корпус и консольно закрепленный в корпусе звукопровод с инерционной массой на свободном конце и преобразователями на ПАВ с обеих сторон, дополнительно снабжен вычислительным блоком и одиннадцатью аналогичными имеющемуся звукопроводами с инерционной массой на свободном конце и преобразователями на ПАВ с обеих сторон, попарно закрепленных в шести гранях кубического корпуса, причем каждая пара звукопроводов имеет общее консольное крепление в корпусе, а плоскости звукопроводов каждой пары разнесены на одинаковый острый угол, а выходы ПАВ-генераторов соединены со входами вычислительного блока, определяющего девять параметров движения - три взаимноортогональные проекции линейного ускорения W_x, W_y, W_z, три взаимноортогональные проекции угловой скорости и три взаимноортогональные проекции углового ускорения по следующему алгоритму: W_y = k_y(f₂-f₁-f₃+f₄-f₅+f₆-f₇+f₈) = 8k_yΔf_y;



f₁ - f₂₄ - текущее значение частот соответствующих ПАВ-генераторов;
соответствующие коэффициенты пропорциональности;
k = 1/sin(α/2) - соотношение между основной и побочной (от перекрестной связи) проекциями измеряемых параметров на данную измерительную ось;
α - угол между звукопроводами одной пары.

Сущность изобретения заключается в следующем. Под действием измеряемых проекций линейного и углового ускорения и угловой скорости вследствие действия инерционных и центробежных сил инерционные массы отклоняются от статического положения, что вызывает соответствующую деформацию звукопроводов и изменение частот размещенных на них ПАВ-преобразователей, сигналы с которых поступают в вычислительный блок, определяющий количественное значение измеряемых параметров.

Использование консольных чувствительных элементов с преобразователями на ПАВ в измерительной технике известно. Однако их использование для одновременного измерения всех взаимноортогональных проекций линейного и углового ускорений и угловой скорости не известно, о чем свидетельствует проведенный патентный поиск. Таким образом, совокупность известных в отдельности элементов придает устройству новое качество, проявившееся в положительном эффекте - расширении функциональных возможностей, повышении точности и уменьшении массы и габаритов, в связи с чем устройство обладает существенными отличиями.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного единого измерительного блока (ЕИБ) с преобразователями на ПАВ. Он содержит корпус 1, двенадцать звукопроводов 2 - 13, каждый из которых имеет инерционную массу на свободном конце и преобразователи на ПАВ 14 - 37 с обеих сторон, и вычислительный блок 38, входы которого подключены к выходам ПАВ-генераторов 14 - 37.

Предложенный единый измерительный блок (ЕИБ) на ПАВ работает следующим образом. При движении объекта, на котором он установлен, с линейным ускорением W_y вдоль оси O_y (на чертеже вверх) инерционные массы звукопроводов 2, 3, 4, 5 вследствие действия силы инерции сдвигаются относительно ЕИБ вдоль оси O_y вниз, что вызывает искривление звукопроводов 2, 3, 4, 5 и в свою очередь изменение частот соответствующих ПАВ-генераторов. Верхние поверхности звукопроводов 2, 3, 4, 5 при этом растянутся, что вызовет уменьшение частоты f₂, f₄, f₅, f₇ ПАВ-генераторов 15, 17, 18, 20 [6 - 9] соответственно. Нижние поверхности звукопроводов 2, 3, 4, 5 вследствие указанных деформаций сократятся, что вызовет увеличение частот f₁, f₃, f₆, f₈ ПАВ-генераторов 14, 16, 19, 21. Значение линейного ускорения W_y можно определить по формуле:
W_y = k_y(f₂ - f₁ - f₃ + f₄ - f₅ + f₆ - f₇ + f₈) = 8k_yΔf_y, (1)
где k_y - коэффициент пропорциональности, Δf_y - изменение частоты на каждом ПАВ-генераторе 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21. Аналогично определяются значения проекций линейных ускорений W_x, и W_z, а также проекций углового ускорения ψ, Ψ, ϕ:
W_x = k_x(f₁₈ - f₁₇ - f₁₉ + f₂₀ - f₂₁ + f₂₂ - f₂₃ + f₂₄) = = 8k_xΔf_x;
W_z = k_z(f₁₀ - f₉ - f₁₁ + f₁₂ - f₁₃ + f₁₄ - f₁₅ + f₁₆) = = 8k_zΔf_z;
= (f₁₇ - f₁₈ + f₁₉ - f₂₀ - f₂₁ + f₂₂ - f₂₃ + f₂₄) = (2)
= (f₉ - f₁₀ + f₁₁ - f₁₂ - f₁₃ + f₁₄ - f₁₅ + f₁₆) =
= (f₁ - f₂ + f₃ - f₄ + f₅ - f₆ - f₇ + f₈) =
При движении объекта, на котором установлен предложенный ЕИБ на ПАВ, с угловой скоростью Ψ вокруг оси O_y вследствие центробежной силы инерционные массы всех звукопроводов отклоняются по нормали от оси O_y, что вызывает растяжение наружных и сжатие внутренних поверхностей пар звукопроводов 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7, 8 и 9 и растяжение внутренних и сжатие наружних поверхностей пар звукопроводов 10 и 11, 12 и 13, что в свою очередь вызовет увеличение частот f₂, f₃, f₆, f₇, f₁₀, f₁₁, f₁₄, f₁₅, f₁₇, f₂₀, f₂₁, f₂₄ ПАВ-генераторов 15, 16, 19, 20, 23, 24, 27, 28, 30, 33, 34, 37, размещенных на сжимаемых поверхностях звукопроводов, и уменьшение частот f₁, f₄, f₅, f₈, f₉, f₁₂, f₁₃, f₁₆, f₁₈, f₁₉, f₂₂, f₂₃ ПАВ-генераторов 14, 17, 18, 21, 22, 25, 26, 29, 31, 32, 35, 36. Значение угловой скорости определить по формуле:

(f₁ - f₂ - f₃ + f₄ + f₅ - f₆ - f₇ + f₈)
(f₁₈ - f₁₇ - f₁₉ + f₂₀ - f₂₁ + f₂₂ - f₂₃ + f₂₄) (3)
(f₁₀ - f₉ - f₁₁ + f₁₂ - f₁₃ + f₁₄ - f₁₅ + f₁₆)
где k = 1/sin(α/2) - соотношение между основной и побочной (от перекрестной связи) проекциями измеряемых параметров на данную измерительную ост; α - угол между звукопроводами одной пары.

Аналогично определяются проекции угловой скорости ψ и ϕ:

(4)
Сигналы с выходов ПАВ-преобразователей 14 - 37 поступают на входы вычислительного блока 38, который производит преобразование сигналов f₁ - f₂₄ в код и вычисление количественного значения измеряемых параметров W_x, W_y, W_z, по алгоритмам (1) - (4). Данные алгоритмы могут быть выполнены бортовым компьютером, обслуживающим систему управления, в состав которой входит предложенный ЕИБ на ПАВ.

Перед началом работы ПАВ-преобразователи 14 - 37 настраиваются на одну частоту f₀, значение которой записывается в оперативное запоминающее устройство вычислительного блока 38.

Таким образом, использование предложенного ЕИБ на ПАВ позволит повысить функциональные возможности, точность измерения и снизить массу и габариты прибора за счет дополнительного оснащения вычислительным блоком и одиннадцатью аналогичными имеющемуся звукопроводами с инерционной массой на свободном конце и преобразователями на ПАВ с обеих сторон, попарно закрепленных в шести гранях кубического корпуса, причем каждая пара звукопроводов имеет общее консольное крепление в корпусе, а плоскости звукопроводов каждой пары разнесены на одинаковый острый угол, а выходы ПАВ-генераторов соединены со входами вычислительного блока.

Список литературы
1. Tjersten E. N. , Stvens D.S., Das P.K. SAWaccelerometer. Ultrason. Symp. Proc., USA, 1980, p. 692 - 695.

2. Опалев В.Н. Шершун Е.Ф., Кушко Н.И. Пьезоэлектрический датчик угловой скорости. А.с. СССР 265963, кл. H 04 R 17/00, 1970 г.

3. Информация компании Collins Avionics / Electronics Austraia. 1985. vol. 47, N 2, p. 6 - 7.

4. Giroscopic effect in surface acoustic wave. B.Y. Lao / Ultrason. Symp. Proc., USA, 1980, pp 687 - 691.

5. Пат. США N 3.950.713
6. Пат. Франции N 2.452.714
7. А. И.Морозов, В.В.Проклов, Е.А. Станковский. Пьезоэлектрические преобразователи для электронных устройств.- М.: Радио и связь, 1981.

8. Вестник КПИ "Радиотехника", 1983, вып. 20, с. 68.

9. Поверхностные акустические волны, под ред. А.Олинера.- М.: Мир, 1981.

Формула изобретения

Единый измерительный блок с преобразователями на поверхностной акустической волне (ПАВ), содержащий корпус и консольно закрепленный в корпусе звукопровод с инерционной массой на свободном конце и преобразователями на ПАВ с обеих сторон, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен вычислительным блоком и одиннадцатью аналогичными имеющемуся звукопроводами с инерционной массой на свободном конце и преобразователями на ПАВ с обеих сторон, попарно закрепленными в шести гранях кубического корпуса, причем каждая пара звукопроводов имеет общее консольное крепление в корпусе, а плоскости звукопроводов каждой пары разнесены на одинаковый острый угол, выходы ПАВ-генераторов соединены со входами вычислительного блока, определяющего девять параметров движения - три взаимно ортогональные проекции линейного ускорения W_х, W_у, W_z, три взаимно ортогональные проекции угловой скорости и три взаимно ортогональные проекции углового ускорения по следующему алгоритму:

W_y = k_y(f₂-f₁-f₃+f₄-f₅+f₆-f₇+f₈) = 8k_yΔf_y;

f₁ - f₂₄ - текучее значение частот соответствующих ПАВ-генераторов; соответствующие коэффициенты пропорциональности; К = 1/sin(α/2) - соотношение между основной и побочной (от перекрестной связи) проекциями измеряемых параметров на данную измерительную ось; α - угол между звукопроводами одной пары.

РИСУНКИ

Рисунок 1