Акселерометр с преобразователями на поверхностной акустической волне

 

Акселерометр предназначен для использования в области измерительной техники. Акселерометр содержит пластину, согнутую так, что она образует три взаимно ортогональные грани куба. Шесть звукопроводов выполнены по два на каждой грани. Двенадцать генераторов на основе эффекта поверхностной акустической волны размещены по два на обеих поверхностях каждого звукопровода. Повышение точности и расширение функциональных возможностей обеспечивается за счет устранения перекрестных связей между измерительными каналами разных проекций измеряемого ускорения благодаря приданию пластине со звукопроводами формы трех взаимно ортогональных граней куба. 1 ил.

Предложенное изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерителям ускорения.

Известны датчики ускорения [1], использующие ПАВ-генератор (генератор на основе эффекта поверхностной акустической волны) как измерительную систему и содержащие звукопровод, выполненный в виде консольно закрепленной балки из пьезоэлектрического материала, инерционную массу, закрепленную на свободном конце звукопровода, измерительную систему в виде двух ПАВ-генераторов на двух противоположных поверхностях звукопровода, и смесителя, выделяющего разностный сигнал. Недостатками данного ПАВ-акселерометра являются низкая точность вследствие погрешностей, связанных с наличием перекрестных связей между каналами измерения разных параметров, низкие функциональные возможности вследствие отсутствия у данного акселерометра возможности измерения шести параметров движения - трех проекций линейного ускорения и трех проекций углового ускорения на взаимно ортогональные оси.

Известен акселерометр с преобразователями на поверхностной акустической волне (ПАВ-акселерометр) [2], использующий ПАВ-генератор как измерительную систему и содержащий звукопровод, выполненный в виде защемленной на концах балки из пьезоэлектрического материала, инерционную массу, закрепленную на середине чувствительного элемента, измерительную систему в виде четырех ПАВ-генераторов на двух противоположных поверхностях чувствительного элемента с двух сторон от инерционной массы, четыре "сумматора" частоты, складывающие частоты сигналов первого и второго, первого и третьего, третьего и четвертого, второго и четвертого ПАВ-генераторов, и два смесителя, выделяющих разностные сигналы первого и третьего "сумматоров" частоты и второго и четвертого "сумматоров" разностной частоты. Недостатками данного ПАВ-акселерометра являются низкая точность вследствие погрешностей, имеющих место при наличии углового ускорения, и низкие функциональные возможности вследствие отсутствия у данного акселерометра возможности измерения шести параметров движения - трех проекций линейного ускорения и трех проекций углового ускорения на взаимно ортогональные оси.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является ПАВ-акселерометр [3], имеющий три звукопровода, выполненные на одной пластине, с ПАВ-генераторами на каждой стороне. Недостатком данного ПАВ-акселерометра являются низкая точность вследствие погрешностей, имеющих место при наличии углового ускорения, не измеряемого данным прибором, и низкие функциональные возможности вследствие отсутствия у данного акселерометра возможности измерения шести параметров движения - трех проекций линейного ускорения и трех проекций углового ускорения на взаимно ортогональные оси.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что акселерометр с преобразователями на поверхностной акустической волне (на ПАВ), содержащий три звукопровода, выполненные на одной пластине, с ПАВ-генераторами на обеих сторонах каждого звукопровода, дополнительно снабжен тремя звукопроводами с ПАВ-генераторами на обеих поверхностях каждого звукопровода и вычислительным блоком, а пластина согнута так, что образует три взаимно ортогональные грани куба, на каждой из которых выполнена пара звукопроводов.

Сущность изобретения заключается в следующем. Под действием измеряемых проекций линейного и углового ускорения изгибаются звукопроводы, что вызывает изменение частот нанесенных на их поверхность ПАВ-генераторов, которые с помощью вычислительного блока преобразуются в коды, пропорциональные шести измеряемым проекциям ускорения - трем линейным и трем угловым. Повышение точности и расширение функциональных возможностей обеспечивается за счет устранения перекрестных связей между измерительными каналами разных проекций измеряемого ускорения благодаря тому, что пластина со звукопроводами согнута так, что образует три взаимно ортогональные грани куба.

Использование выполненных на пластине ПАВ-акселерометров и вычислительных блоков в измерительной технике известно. Однако выполнение этих элементов на одной пластине, согнутой так, что она образует три взаимно ортогональные грани куба, неизвестно, о чем свидетельствует проведенный патентный поиск. Таким образом, совокупность известных в отдельности элементов придает устройству новое качество, проявившееся в положительном эффекте - повышении точности и расширении функциональных возможностей устройства, в связи с чем устройство обладает существенными отличиями.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного ПАВ-акселерометра. Предложенный ПАВ-акселерометр содержит пластину 1, согнутую так, что она образует три взаимно ортогональные грани куба, шесть звукопроводов 2 - 7, выполненные по два на каждой грани, двенадцать ПАВ-генераторов 8 - 19, размещенных по два на обеих поверхностях каждого звукопровода 2-7, и вычислительный блок 20.

Предложенный ПАВ-акселерометр работает следующим образом. При движении объекта, на котором установлен ПАВ-акселерометр, с ускорением вдоль оси Ох (на чертеже вправо) оба звукопровода 2 и 3 под действием инерции изгибаются влево. Правые поверхности звукопроводов 2 и 3 растягиваются, а левые - сжимаются. Длины правых ПАВ-линий задержки соответственно увеличиваются, а левых - уменьшаются. Частоты правых ПАВ-генераторов уменьшаются, а левых - увеличиваются. Подробно работа ПАВ-генератора описана в работах [4, 5 и 6]: В этом случае: f₁= (f_o+Δf_x); f₂= (f_o-Δf_x); f₃= (f_o+Δf_x); f₄= (f_o-Δf_x). (1) Выражение для определения проекции линейного ускорения W_x примет вид: W_x= K_x(f₁-f₂+f₃-f₄) = 4K_xΔf_x. (2) При повороте объекта вместе с предложенным ПАВ-акселерометром с угловым ускорением вокруг оси O_z(на чертеже против часовой стрелки) звукопровод 3 будет изгибаться влево, а звукопровод 2 - на такую же величину вправо. Частоты сигналов на выходе ПАВ-генераторов 8-11 можно записать в следующем виде:

(3)
Выражение для определения проекции линейного ускорения примет вид:
(4)
При движении объекта вместе с предложенным ПАВ-акселерометром с угловым ускорением вокруг оси O_y звукопроводы 2 и 3 будут скручиваться, что добавит в каждое выражение для частот f₁ - f₄ (3) слагаемое:



(5)
Формулы (2) и (4) для определения линейного ускорения W_x, и углового будут справедливы для выражений (5).

Аналогично определяются выражения для частот f₅ - f₁₂ ПАВ-генераторов 12 - 19.

(6)


W_y= K_y(f₆-f₅-f₇+f₈) = 4K_yΔf_y;
W_z= K_z(f₁₀-f₉-f₁₁+f₁₂) = 4K_zΔf_z;

(7)
По формулам (2), (4) и (7) определяются шесть искомых параметров движения объекта, на котором установлен предложенный ПАВ-акселерометр: W_x, W_y, W_z,
Перед началом работы все двенадцать ПАВ-генератора 8- 19 настраиваются на одну частоту f₀, значение которой записывается в оперативное запоминающее устройство вычислительного блока 20, который в процессе движения объекта на основании частот f₁ - f₁₂ сигналов, поступающих с выходов восьми ПАВ-генераторов 8-19, по записанным в постоянном запоминающем устройстве вычислительного блока 20 алгоритмам - выражениям (2), (4) и (7) - определяет количественные значения шести измеренных параметров W_x, W_y, W_z,
Данные алгоритмы могут быть выполнены бортовым компьютером, обслуживающим систему управления, в состав которой входит предложенный ПАВ-акселерометр.

Таким образом, использование предложенного ПАВ-акселерометра позволит повысить точность измерения проекций линейного и углового ускорения и расширить функциональные возможности ПАВ-акселерометра за счет устранения перекрестных связей между измерительными каналами разных проекций измеряемого ускорения благодаря дополнительному оснащению тремя звукопроводами с ПАВ-генераторами на обеих поверхностях каждого звукопровода и вычислительным блоком, а пластина согнута так, что образует три взаимно ортогональные грани куба, на каждой из которых выполнена пара звукопроводов.

Список используемой литературы
1. Пат. США N 3.950.713
2. Пат. Франции N 2.452.714
3. Пат. Великобритании N 2.207.758.

4. А.И.Морозов, В.В.Проклов, Е.А.Станковский. Пьезоэлектрические преобразователи для электронных устройств. М., "Радио и связь", 1981.

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

6. Поверхностные акустические волны. Под ред. А.Олинера. М., "Мир", 1981.

Формула изобретения

Акселерометр с преобразователями на поверхностной акустической волне, содержащий три звукопровода, выполненные на одной пластине, с ПАВ-генераторами на обеих поверхностях каждого звукопровода, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен тремя звукопроводами с ПАВ-генераторами на обеих поверхностях каждого звукопровода и вычислительным блоком, а пластина согнута так, что образует три взаимно ортогональные грани куба, на каждой из которых выполнена пара звукопроводов.

РИСУНКИ

Рисунок 1