Чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах

Авторы патента:

G01P15/00 - Измерение ускорения и замедления; измерение импульсов ускорения

Владельцы патента RU 2556284:

Открытое акционерное общество "Авангард" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использован в приборостроении и машиностроении для измерения ускорения подвижных объектов. Чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах содержит встречно-штыревой преобразователь, связанный с приемопередающей антенной, и две решетки отражателей, выполненных зеркально-симметричными относительно встречно-штыревого преобразователя и образующих структуру резонатора на поверхностных акустических волнах, при этом он снабжен единой конструкцией, выполненной из монокристаллического кремния, и состоящей из рамки, консоли треугольной формы, основание которой неподвижно прикреплено к рамке с ее внутренней стороны, инерционной массы, находящейся на одной стороне консоли, и пьезоэлектрической пленки, нанесенной на второй стороне консоли, причем встречно-штыревой преобразователь и решетки отражателей нанесены на поверхность пьезоэлектрической пленки, приемопередающая антенна размещена по периметру рамки. Технический результат - снижение погрешности измерений, повышение точности и чувствительности акселерометра на поверхностных акустических волнах. 1 ил.

Предлагаемый чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах (ПАВ) относится к области измерительной техники и может быть использован в приборостроении и машиностроении для измерения ускорения подвижных объектов.

Известны чувствительные элементы акселерометра на ПАВ (авт. свид. СССР №№1270709, 1781619; патенты РФ №№2018131, 2105993, 2107273, 2320968, 2348936, 2421736; патенты США №№4598587, 4620191, 4725841, 4734698; патент Великобритании №2117115; патент Франции №2537726; патент Японии №59057166; Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990; Козлов А.С. и др. Устройства на поверхностных акустических волнах в радиосистемах контроля. - Радиотехника, 1990, №4, с.26 и другие).

Из известных чувствительных элементов акселерометра на поверхностных акустических волнах наиболее близким к предлагаемому является «Отражаемый по радио пассивный датчик на поверхностных акустических волнах» (патент РФ №2105993, G01S 13/75, 1992), который и выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкая чувствительность при его работе на изгиб.

Известно, что чувствительность пьезоэлемента с нанесенной на него ПАВ-структурой на порядок выше при его работе на растяжение-сжатие, чем при работе на изгиб. Это обусловлено тем, что при изгибе пьезоэлемента скорость прохождения ПАВ меняется и становится неравномерной, и, как следствие, образуются временные разбросы при прохождении ПАВ между электродами пьезоэлемента, что приводит к увеличению погрешности измерений.

Технической задачей изобретения является снижение погрешности измерений, повышение точности и чувствительности акселерометра на поверхностных акустических волнах.

Поставленная задача решается тем, что чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, встречно-штыревой преобразователь, связанный с приемопередающей антенной, и две решетки отражателей, выполненных зеркально-симметричными относительно встречно-штыревого преобразователя и образующих структуру резонатора на поверхностных акустических волнах, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен единой конструкцией, выполненной из монокристаллического кремния, и состоящей из рамки, консоли треугольной формы, основание которой неподвижно прикреплено к рамке с ее внутренней стороны, инерционной массы, находящейся на одной стороне консоли, и пьезоэлектрической пленки, нанесенной на второй стороне консоли, причем встречно-штыревой преобразователь и решетки отражателей нанесены на поверхность пьезоэлектрической пленки, приемопередающая антенна размещена по периметру рамки.

Структурная схема чувствительного элемента акселерометра на поверхностных акустических волнах представлена на чертеже, где введены следующие обозначения: 1 - рамка; 2 - консоль треугольной формы, основание которой неподвижно прикреплено к рамке 1 с ее внутренней стороны; 3 - инерционная масса, находящаяся на одной стороне консоли 2; 4 - пьезоэлектрическая пленка, нанесенная на второй стороне консоли 2; 5 - встречно-штыревой преобразователь; 6 - решетки отражателей; 7 - приемопередающая антенна, размещенная по периметру рамки 1.

Рамка 1, консоль 2 и инерционная масса 3 представляют собой единую конструкцию, выполненную из монокристаллического кремния. Встречно-штыревой преобразователь 5 и решетки отражателей 6 нанесены на поверхность пьезоэлектрической пленки 4 и образуют структуру резонатора на поверхностных акустических волнах. Решетки отражателей 6 размещены зеркально-симметричными относительно встречно-штыревого преобразователя 5.

Введение в чувствительный элемент резонатора на ПАВ на пьезоэлектрической пленке и непьезоэлектрической подложке позволяет создать пассивное устройство повышенной точности, опрашиваемое по радиоканалу.

Принцип работы предлагаемого чувствительного элемента основан на изменении резонансной частоты резонатора на поверхностных акустических волнах за счет изгиба резонатора, происходящего при воздействии ускорения вдоль оси чувствительности.

При отсутствии ускорения консоль 2, прикрепленная к внутренней стороне рамки 1 с одной стороны и к инерциальной массе 3 с другой стороны, не изгибается. Резонатор, образованный пьезоэлектрическим преобразователем 5 и решетками отражателей 6, работает на номинальной частоте.

При воздействии ускорения на инерциальную массу 3 консоль 2 изгибается в ту или иную сторону, и резонансная частота резонатора изменяется. Резонансная частота резонатора связана однозначной зависимостью с величиной ускорения. Опрос чувствительного элемента осуществляется с помощью стороннего считывающего устройства путем передачи зондирующего радиоимпульса и приема отклика. Зондирующий сигнал принимается плоской антенной 7, преобразуется с помощью встречно-штыревого преобразователя 5 за счет явления обратного пьезоэффекта в упругую поверхностную акустическую волну. Решетки отражателей 6 образуют резонансную полость. При изгибе треугольной упругой кремниевой консоли 2 под воздействием внешнего ускорения происходит изменение резонансной частоты резонатора, пропорциональное воздействующему ускорению вдоль оси чувствительности.

Изменение резонансной частоты резонатора измеряется в считывающем устройстве с помощью анализатора спектра или частотомера. При этом ускорение определяется, например, по градуировочной характеристике акселерометра.

Таким образом, предлагаемый чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах обеспечивает снижение погрешности измерений, повышение точности и чувствительности устройства.

Это достигается за счет конструктивного решения - использования слоистой структуры: пьезоэлектрической пленки на кремниевой подложке, что позволяет одновременно повышать рабочую частоту резонатора на поверхностных акустических волнах и прочностные характеристики консоли.

Одновременно обеспечивается микроминиатюризация и пассивность (отсутствие дополнительных источников питания).

Введение в чувствительный элемент резонатора на ПАВ на пьезоэлектрической пленке и непьезоэлектрической подложке позволяет создать пассивное устройство повышенной точности и чувствительности, опрашиваемое дистанционно по радиоканалу.

Чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах, содержащий встречно-штыревой преобразователь, связанный с приемопередающей антенной, и две решетки отражателей, выполненных зеркально-симметричными относительно встречно-штыревого преобразователя и образующих структуру резонатора на поверхностных акустических волнах, отличающийся тем, что он снабжен единой конструкцией, выполненной из монокристаллического кремния, и состоящей из рамки, консоли треугольной формы, основание которой неподвижно прикреплено к рамке с ее внутренней стороны, инерционной массы, находящейся на одной стороне консоли, и пьезоэлектрической пленки, нанесенной на второй стороне консоли, причем встречно-штыревой преобразователь и решетки отражателей нанесены на поверхность пьезоэлектрической пленки, приемопередающая антенна размещена по периметру рамки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для обеспечения взаимозаменяемости пьезоэлектрических вибропреобразователей ускорения (вибродатчиков ускорения), входящих в состав акселерометров или измерительных систем, без дополнительной настройки электронных согласующих элементов акселерометра или измерительных систем.

Устройство определения ускорения // 2549926

Устройство (12) определения ускорения содержит блок (21) корректировки нулевой точки для корректировки положения нулевой точки значения сигнала (Gsen) датчика, используя величину корректировки (абсолютное значение для значения (Gd) корректировки) на основе ускорения (Gout), когда транспортное средство переходит от остановленного состояния на наклонной дороге к состоянию движения, и блок (20) ограничения величины корректировки для ограничения величины корректировки, тем самым пресекая вычисление избыточной величины корректировки вследствие неровностей поверхности дороги или перемещения пассажира.

Устройство и способ калибровки датчика ускорения // 2549041

Изобретение относится к калибровке датчика ускорения. Способ калибровки датчика ускорения для определения показателей ускорения транспортного средства содержит этап определения характеристической постоянной для датчика ускорения.

Компенсационный акселерометр // 2539826

Компенсационный акселерометр предназначен для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Термоинвариантный измеритель линейного ускорения // 2528119

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения линейных ускорений в системах управления движущимися объектами, например к средствам измерения линейного ускорения в бесплатформенных инерциальных навигационных системах управления космическими объектами.

Устройство определения движения тела // 2517766

Изобретение относится к средствам определения движения тела. Устройство содержит средство определения ускорения и вычислительное средство для вычисления движения тела на основании данных ускорения, участок закрепления/раскрепления для закрепления рабочей части на основном блоке устройства или раскрепления от него, причем вычислительное средство выполнено с возможностью выполнения процедуры определения закрепления/раскрепления на основании изменения ускорения, при закреплении закрепляемой рабочей части на участке закрепления/раскрепления или при раскреплении от него, и выполнения вычисления движения тела на основании определенного закрепления/раскрепления, при переключении в режим, соответствующий состоянию после закрепления/раскрепления.

Микромеханический акселерометр // 2515378

Изобретение может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Сущность изобретения заключается в том, что микромеханический акселерометр содержит чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, внешнюю рамку с закрепленным на ней маятником при помощи упругих торсионов.

Акселерометр // 2514150

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям линейных ускорений. Акселерометр содержит корпус, первую пластину с внешней подвижной частью, внутренней неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения, вторую пластину с электродами, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, груз на подвижной части первой пластины, усилитель.

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр на основе углеродных нанотрубок // 2455652

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения.

Молекулярно-электронный датчик угловых движений // 2454674

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к молекулярно-электронным датчикам угловых движений, для использования в угловых акселерометрах, датчиках скорости и гироскопах.

Акселерометр // 2559867

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустике. Акселерометр содержит предусилитель и концентрично расположенные, кольцевые инерционную массу, корпус и первый пьезочувствительный элемент с осевой поляризацией в виде пьезоэлектрических секторов, не соприкасающихся друг с другом, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями кольцевых пьезоэлектрических секторов, причем электроды электрически соединены параллельно и подключены к предусилителю, при этом в него введены второй и третий предуселители, а также второй кольцевой пьезочувствительный элемент, установленный над первым кольцевым пьезочувствительным элементом и выполненный в виде двух пар радиально поляризованных секторов, снабженных электродами, контактирующими с боковыми поверхностями секторов, при этом оба сектора пары установлены центрально симметрично с противоположной поляризацией, соединены через электроды параллельно и подключены ко второму и третьему предусилителям. Технический результат - расширение области применения акселерометра. 2 ил.

Способ, использующий опознавание воздействия для системы управления парками транспортных средств // 2561482

Изобретение относится к способам опознавания воздействий на подъемно-транспортную машину. Осуществляя контроль эксплуатации транспортного средства, обнаруживают перегрузки при столкновении транспортного средства. Контролируют скорость транспортного средства на основе информации, полученной от датчика скорости. Рассчитывают изменения количества движения транспортного средства на основе контролируемой скорости транспортного средства. Определяют, произошли ли изменения количества движения и обнаружены ли перегрузки при столкновении транспортного средства в течение заданного периода времени между ними. Формируют сигнал воздействия, указывающий, что изменение количества движения и обнаруженные перегрузки при столкновении транспортного средства произошли в течение заданного периода времени. Достигается опознавание воздействий на подъемно-транспортные машины, определение перегрузки и изменения количества движения для обнаружения воздействий и определения, какие воздействия достаточно значимы, чтобы о них сообщить, занести их в журнал или иным образом довести их до сведения оператора машины и для управления оператором при помощи беспроводных решений 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 18 ил.

Линейный микроакселерометр с оптической системой // 2564810

Изобретение относится к области измерительной техники и касается линейного микроакселерометра с оптической системой. Микроакселерометр включает в себя корпус, две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя. Датчики положения выполнены в виде двух пар монохроматических излучателей с различным спектром излучения и двух фотоприемников с цветоделением, имеющих не менее двух выходов спектральных диапазонов. Излучатели расположены над инерционной массой, а фотоприемники размещены в корпусе соосно с фотоприемниками. Монохроматические излучатели снабжены ограничителями светового потока. Технический результат заключается в повышении точности измерений и упрощении конструкции. 1 ил.

Способ измерения кажущегося ускорения и пьезоэлектронный акселерометр для его реализации // 2566655

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения кажущегося ускорения в системах ориентации и навигации подвижных объектов и путеизмерительных комплексах, а также сейсмических измерениях. Сущность изобретения заключается в том, что при помощи пьезоэлектрического возбудителя, преобразующего электрический сигнал опорной частоты, создаются синфазные механические напряжения в двух идентичных пьезоэлектрических преобразователях. Преобразователи закреплены на основании и сочленены с возбудителем, который одновременно является пробной массой, преобразующей кажущееся ускорение в противофазные механические напряжения в идентичных пьезоэлектрических преобразователях. Далее находят разность электрических сигналов, снимаемых с идентичных пьезоэлектрических преобразователей, которая представляет собой сигнал опорной частоты, амплитуда которого пропорциональна кажущемуся ускорению, и разностный сигнал опорной частоты преобразуют в сигнал постоянного тока, пропорциональный кажущемуся ускорению. Технический результат - измерение кажущегося ускорения при помощи пьезоэлектрических преобразователей и расширение частотного диапазона работы пьезоэлектронных акселерометров. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ определения замедлений поступательно движущихся систем // 2581738

Предложенное изобретение относится к области испытания механических систем, которые оценивают по замедлению при выбеге вращающейся детали, и может быть использовано для определения отрицательных ускорений вращающихся частей или систем в целом. Способ определения замедлений поступательно движущихся систем заключается в том, что на вращающуюся деталь системы устанавливают метку, сигналы от которой принимают посредством датчика. При этом используют только одну метку, создающую один сигнал во время одного оборота вращающейся детали, регистрируют число оборотов вращающейся детали в функции времени, аппроксимируют зависимость числа оборотов от времени непрерывной дифференцируемой функцией «путь-время», учитывающей кинематическую связь вращающейся детали с поступательной скоростью системы. После этого замедление получают в виде второй производной указанной функции по времени. Данное изобретение позволяет повысить точность и эффективность определения малых по величине замедлений механических систем. 7 ил.

Акселерометр-тахогенератор // 2584576

Изобретение относится к электрическим микромашинам, а именно к датчикам угловых ускорений (акселерометрам), предназначенным для измерения угловых ускорений контролируемых валов в устройствах автоматики и вычислительной техники. Сущность изобретения заключается в том, что акселерометр-тахогенератор содержит статор с полюсами возбуждения в виде постоянных магнитов и полюсами с измерительной обмоткой и компенсационной обмоткой, полый электропроводный ротор и усилитель, при этом полый электропроводный ротор выполнен с продольными прорезями со скосом в виде окон шириной, соизмеримой с полюсными наконечниками статора, шаг которых равен полюсному делению, причем полый электропроводный ротор на участках между продольными прорезями выполнен из изолированных друг от друга аксиальных пластин, замкнутых на торцах полого электропроводного ротора. Технический результат - улучшение метрологических характеристик акселерометра-тахогенератора и повышение их линейности, а также расширение функциональных возможностей за счет возможности применения устройства в качестве тахогенератора и повышение быстродействия устройства. 3 ил.

Сенсор на пространственной спирали // 2594071

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении характеристик движения объектов, таких как скорость, ускорение, вибрации и прочее. Чувствительный элемент датчика для определения характеристик движения объекта включает пространственную винтовую спираль или ее часть и жестко связанный с указанной спиралью магнит, который располагают относительно спирали таким образом, чтобы спираль находилась в неоднородном поле магнита. Устройство также может включать дополнительный магнит, расположенный относительно спирали и первого магнита таким образом, что спираль находится в неоднородном поле обоих магнитов. Техническим результатом изобретения является усиление полезного сигнала сенсора, основанного на электроинерционных явлениях. 28 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ измерения выталкивающей силы упругого объекта методом отскока и устройство для его осуществления // 2600508

Изобретение относится к области спорта и может быть использовано при создании упругих подпятников, вкладываемых в спортивную обувь с целью получения дополнительной выталкивающей силы. Устройство для измерения выталкивающей силы упругого объекта состоит из устанавливаемой на исследуемый образец трубки с приваренным к одному из ее концов фланцев и металлических стержней разной массы, на верхних концах которых закрепляют датчики ускорения. При измерении выталкивающей силы упругого объекта металлические стержни с различными массами размещают внутри трубки на фиксированной высоте от поверхности образца и отпускают. Далее измеряют ускорения указанных стержней и рассчитывают выталкивающую силу исследуемого упругого объекта по формуле: Fkn = mk·akn, где Fkn - удельная выталкивающая сила упругого объекта на n-й гармонике при к-й удельной массе стержня; mk - к-я удельная масса стержня; akn - ускорение удельной к-й массы стержня на n-й гармонике. Техническим результатом изобретения является возможность осуществления оценки частотных характеристик двигательных действий спортсменов, а также максимальной силы выталкивания. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Способ пневматического частотного измерения ускорения движения тела // 2601271

Изобретение относится к устройствам, использующимся при навигации летательных аппаратов, при измерении ускорения. Техническим результатом является повышение достоверности (уменьшения погрешности) за счет включения в прямую цепь интегратора, линеаризующего выходную характеристику системы измерения, и эффективности измерения путем включения в цепь обратной связи частотной части измерения. Технический результат достигается с помощью способа пневматического частотного измерения ускорения движения тела, по которому ускорение инерционной массы преобразуют во входное давление, усиливают, при этом используют аналоговую отрицательную обратную связь по ускорению, сигнал которой суммируют с входным давлением, выходное давление преобразуют в частоту и подают на счетное устройство, отличающийся тем, что по обратной связи подают выходной частотный сигнал, который преобразуют в частоту импульсов постоянной длительности и постоянной амплитуды, преобразуют импульсный сигнал в аналоговой сигнал давления обратной связи для последующего суммирования и интегрируют сигнал в прямой цепи перед нелинейным элементом, выпрямляя выходную характеристику системы. 2 ил.

Способ обеспечения виброустойчивости маятникового акселерометра линейных ускорений с цифровой обратной связью и виброустойчивый маятниковый акселерометр // 2615221

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в области приборов для измерения линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что обеспечивают изменение значения коэффициента передачи регулятора в микроконтроллере от Крег до Kрегmax по закону, для чего на каждом шаге дискретизации выполняют измерение и сравнение в микроконтроллере напряжения U на входе АЦП усилителя с пороговым значением Uпор; при значениях напряжений, меньших либо равных Uпор, для организованного внутри микроконтроллера ШИМ-модулятора формируют в микроконтроллере цифровой входной сигнал для ШИМ-модулятора, для текущего значения напряжения U при значении коэффициента передачи регулятора Крег; обеспечивают формирование ШИМ-модулятором последовательности импульсов постоянной амплитуды и определенной длительности; определяют в микроконтроллере тот шаг дискретизации, на котором U больше Uпор, обеспечивают на последующих шагах дискретизации формирование увеличенного цифрового сигнала U*ув, для увеличенного коэффициента передачи, что обеспечивает увеличение длительности импульсов до определенной величины τув; обеспечивают соответствующее увеличение длительности открытого состояния, определяемого величиной τув, переключателя тока усилителя мощности, что обеспечивает поступление с выхода усилителя мощности в обмотку датчика момента акселерометра последовательности импульсов тока стабилизированной амплитуды и увеличенной длительности, определяют тот шаг дискретизации, на котором на входе АЦП напряжение U меньше либо равно Uпор, после чего обеспечивают возврат системы обратной связи к режиму работы со значением коэффициента передачи, равным Крег. Технический результат – обеспечение виброустойчивости маятниковых акселерометров с цифровой обратной связью при действии линейных ускорений и вибраций любого характера и любой амплитуды, величина которых не была прогнозирована на этапе проектирования прибора. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.