RU2018852C1

RU2018852C1 - Accelerometer

Info

Publication number: RU2018852C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Курносов; В.М. Прокофьев; Е.Н. Коротков
Original assignee: Научно-исследовательский институт прикладной механики им.акад.В.И.Кузнецова
Priority date: 1990-01-19
Filing date: 1990-01-19
Publication date: 1994-08-30

Abstract

FIELD: aircraft instrument engineering. SUBSTANCE: accelerometer has a support member, substrate, two surface acoustic wave self-oscillators. The substrate has two identical pendulums at its opposite ends which are suspended in the support member. Their axes are in parallel and disposed at a distance less than the distance between the gravity centers of pendulums, the support member and substrate with pendulums being made on a common AT-cut wafer of single-crystal quartz. EFFECT: enhanced accuracy. 4 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению, а более конкретно к системам измерения параметров движения подвижных объектов, и может быть использовано в приборах, измеряющих ускорение объектов. The invention relates to instrumentation, and more particularly to systems for measuring the motion parameters of moving objects, and can be used in devices measuring the acceleration of objects.

Известен акселерометр [1], содержащий пъезоэлектрическую подложку, на которой расположены автогенераторы с линиями задержки на поверхностно-акустических волнах (ПАВ). Known accelerometer [1], containing a piezoelectric substrate, on which are located oscillators with delay lines on surface acoustic waves (SAWs).

Это устройство измеряет обусловленные ускорением силы, действующие на подложку в направлении, перпендикулярном к ее поверхности. Величину действующих сил определяют по разности частот двух автогенераторов на ПАВ. This device measures accelerated forces acting on the substrate in a direction perpendicular to its surface. The magnitude of the effective forces is determined by the frequency difference of the two oscillators on the surfactant.

Известен также акселерометр [2], содержащий инерционную массу, закрепленную на подложке из пьезоэлектрического материала, на которой расположены автогенераторы на ПАВ. Подложка установлена в опорной детали, с которой посредством упругих пластин соединена инерционная масса. В этом акселерометре подложка работает на растяжение - сжатие под действием сил, обусловленных ускорением. Also known is an accelerometer [2], which contains an inertial mass fixed on a substrate of piezoelectric material, on which SAW oscillators are located. The substrate is installed in the support part, to which an inertial mass is connected by means of elastic plates. In this accelerometer, the substrate works in tension — compression under the action of forces due to acceleration.

Однако установка подложки в опорной детали приводит к возникновению в местах заделки переменных (во времени и от температуры) механических напряжений, приводящих к понижению точности устройства. Жесткость подложки при работе на растяжение-сжатие существенно выше, чем ее жесткость при работе на изгиб, что обуславливает низкую чувствительность устройства. Высокая добротность акселерометра на частоте собственных колебаний (10⁴ Гц), может привести к явлению автозахвата и, следовательно, к недостоверности показаний акселерометра. Кроме того, такой акселерометр сложен в изготовлении.However, the installation of the substrate in the support part leads to the occurrence of mechanical stresses in the sealing sites (in time and temperature), leading to a decrease in the accuracy of the device. The rigidity of the substrate during tensile-compression operation is significantly higher than its rigidity during bending, which leads to a low sensitivity of the device. The high quality factor of the accelerometer at the frequency of natural oscillations (10 ⁴ Hz) can lead to the phenomenon of auto-capture and, therefore, to the unreliability of the accelerometer readings. In addition, such an accelerometer is difficult to manufacture.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является акселерометр [3], содержащий установленную в корпусе опорную деталь и закрепленную в ней пьезоэлектрическую подложку, на противоположных поверхностях которой расположены два автогенератора на ПАВ. Подложка выполняет функцию инерционной массы и работает на изгиб под действием сил, обусловленных ускорением. The closest in technical essence to the proposed one is the accelerometer [3], which contains a support part installed in the housing and a piezoelectric substrate fixed in it, on the opposite surfaces of which there are two self-oscillators for surfactants. The substrate performs the function of inertial mass and works on bending under the action of forces due to acceleration.

Недостатками известного устройства являются переменные напряжения в местах заделки, приводящие к понижению точности акселерометра, а также неоднородность напряжений в подложке вдоль траектории распространения упругих волн, возникающих под воздействием ускорения, что приводит к понижению стабильности сигналов автогенераторов на ПАВ. Кроме того, низкая точность обусловлена зависимостью масштабного коэффициента акселерометра от длины подложки. The disadvantages of the known device are alternating voltages at the embedment sites, leading to a decrease in the accuracy of the accelerometer, as well as the heterogeneity of stresses in the substrate along the propagation path of elastic waves arising under the influence of acceleration, which leads to a decrease in the stability of the signals of self-oscillators at SAWs. In addition, low accuracy is due to the dependence of the scale factor of the accelerometer on the length of the substrate.

Целью изобретения является повышение точности с сохранением высокой чувствительности при малых габаритах. The aim of the invention is to increase accuracy while maintaining high sensitivity with small dimensions.

Это достигается тем, что в акселерометре, содержащем опорную деталь и подложку, на противоположных поверхностях которой расположены два автогенератора на ПАВ, подложка выполнена с двумя идентичными маятниками на ее противоположных концах, маятники подвешены в опорной детали, их оси подвеса параллельны и расположены друг от друга на расстоянии меньшем, чем расстояние между центрами тяжести маятников, при этом опорная деталь и подложка с маятниками выполнены из одной пластины АТ - среза монокристаллического кварца. This is achieved by the fact that in the accelerometer containing the support part and the substrate, on the opposite surfaces of which there are two self-oscillators on the surfactant, the substrate is made with two identical pendulums at its opposite ends, the pendulums are suspended in the support part, their suspension axes are parallel and located from each other at a distance less than the distance between the centers of gravity of the pendulums, while the supporting part and the substrate with pendulums are made of one AT plate - a cut of single-crystal quartz.

Существенное отличие данного акселерометра заключается в том, что предлагаемая конструкция обеспечивает работу подложки на изгиб под действием момента, обусловленного ускорением, посредством двух идентичных маятников, выполненных на противоположных концах подложки и подвешенных в опорной детали указанным выше образом. Это обеспечивает равномерность напряжений вдоль траектории распространения ПАВ и, следовательно, повышает стабильность сигналов с автогенераторов, а значит повышает точность и обеспечивает высокую чувствительность устройства. A significant difference of this accelerometer is that the proposed design provides the substrate for bending under the action of a moment due to acceleration by means of two identical pendulums, made at opposite ends of the substrate and suspended in the supporting part in the above manner. This ensures voltage uniformity along the path of the surfactant and, therefore, increases the stability of the signals from the oscillators, and therefore increases the accuracy and ensures high sensitivity of the device.

Выполнение опорной детали, подложки и маятников из одной пластины АТ - среза монокристаллического кварца исключает переменные напряжения в местах заделки и, следовательно, также повышает точность устройства. The execution of the supporting part, the substrate and the pendulums from one AT plate - a cut of single-crystal quartz eliminates alternating voltages at the places of incorporation and, therefore, also increases the accuracy of the device.

На фиг.1 и 2 изображен предлагаемый акселерометр. 1 and 2 depict the proposed accelerometer.

Он имеет герметичный корпус 1, внутри которого установлена опорная деталь 2. Подложка 3 выполнена с двумя идентичными маятниками 4 на ее противоположных концах, подвешенными в опорной детали 2 так, что оси 5 их подвеса параллельны. Кроме того с целью обеспечения маятниковости расстояние между центрами тяжести L_цт двух маятников 4 больше расстояния между осями 5 подвеса.It has a sealed housing 1, inside of which a supporting part 2 is installed. The substrate 3 is made with two identical pendulums 4 at its opposite ends, suspended in the supporting part 2 so that their suspension axes 5 are parallel. In addition, in order to ensure pendulum distance between the centers of gravity L _{CT of} two pendulums 4 is greater than the distance between the axes 5 of the suspension.

Опорная деталь 2, подложка 3, маятники 4 и их оси 5 выполнены из одной пластины АТ - среза монокристаллического кварца, что устраняет проблему заделки. Опорная деталь 2 установлена в корпусе 1 посредством двух кварцевых пластин 6 и четырех прокладок 7. Корпус 1 закрыт крышкой 8. The supporting part 2, the substrate 3, the pendulums 4 and their axis 5 are made of one AT plate - a cut of single-crystal quartz, which eliminates the problem of embedment. The supporting part 2 is installed in the housing 1 by means of two quartz plates 6 and four gaskets 7. The housing 1 is closed by a cover 8.

Опорную деталь 2 с подложкой 3 и маятниками 4 устанавливают в корпусе 1 между пластинами 6 с зазором 30-40 мкм. Величина этого зазора определяется размерами прокладок 7. Таким образом, при заполнении корпуса 1 газом образуется газовый демпфер, гасящий собственные колебания системы маятников 4 с подложкой 3, подвешенных на осях 5 в опорной детали 2. The supporting part 2 with the substrate 3 and the pendulums 4 is installed in the housing 1 between the plates 6 with a gap of 30-40 microns. The size of this gap is determined by the dimensions of the gaskets 7. Thus, when the housing 1 is filled with gas, a gas damper is formed, which dampens the natural vibrations of the pendulum system 4 with the substrate 3, suspended on the axes 5 in the supporting part 2.

На фиг.3 изображена подложка. Figure 3 shows the substrate.

На противоположных поверхностях подложки 3 расположены два автогенератора на поверхностно-акустических волнах, включенных в дифференциальную схему съема информации. On opposite surfaces of the substrate 3 there are two self-oscillators based on surface acoustic waves included in the differential information acquisition circuit.

Каждый автогенератор состоит из усилителя обратной связи 9 и акустической линии задержки 10. Акустические линии задержки 10 расположены на противоположных поверхностях подложки 3 (одна из линий задержки 10 на фиг.2 не показана). Each oscillator consists of a feedback amplifier 9 and an acoustic delay line 10. Acoustic delay lines 10 are located on opposite surfaces of the substrate 3 (one of the delay lines 10 is not shown in FIG. 2).

Ось чувствительности предлагаемого акселерометра перпендикулярна плоскости подложки 3 и маятников 4. The sensitivity axis of the proposed accelerometer is perpendicular to the plane of the substrate 3 and pendulums 4.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.4). The device operates as follows (see figure 4).

При появлении ускорения W за счет выполнения подложки 3 с идентичными маятниками на концах, подвешенных в опорной детали, на подложку 3 действует момент М сил инерции, обусловленных этим ускорением, а именно
M = ml W_z, (1) где m - масса маятника 4;
l - плечо маятника 4;
W_z - проекция ускорения W на ось чувствительности.When the acceleration W appears due to the implementation of the substrate 3 with identical pendulums at the ends suspended in the support part, the moment M of inertia forces due to this acceleration acts on the substrate 3, namely
M = ml W _z , (1) where m is the mass of the pendulum 4;
l is the arm of the pendulum 4;
W _z is the projection of the acceleration W on the sensitivity axis.

Под воздействием момента М подложка 3 изгибается. При этом длина нейтральной плоскости изгиба остается постоянной, верхние волокна растягиваются, а нижние сжимаются. Вследствие этого частота одного автогенератора уменьшается, а другого увеличивается по сравнению с исходным значением. Under the influence of the moment M, the substrate 3 bends. The length of the neutral plane of the bend remains constant, the upper fibers are stretched, and the lower ones are compressed. As a result, the frequency of one oscillator decreases, and the other increases compared to the original value.

Изменение частоты автогенераторов прямо пропорционально возникающим напряжениям в подложке 3, а следовательно, и величине M:
Δ f = KM, (2) где Δ f - изменение частоты автогенератора;
К - коэффициент пропорциональности.The change in the frequency of the oscillators is directly proportional to the occurring voltages in the substrate 3, and therefore to the value of M:
Δ f = KM, (2) where Δ f is the change in the frequency of the oscillator;
K is the coefficient of proportionality.

Тогда частота одного автогенератора будет равна
f₁ = f₀₁ - Δ f, (3) где f₀₁ - частота генератора в исходном состоянии (при отсутствии ускорения);
f₁ - текущая частота автогенератора.Then the frequency of one oscillator will be equal
f ₁ = f ₀₁ - Δ f, (3) where f ₀₁ is the generator frequency in the initial state (in the absence of acceleration);
f ₁ - the current frequency of the oscillator.

Частота другого автогенератора равна
f₂ = f₀₂ + Δ f, (4)
где f₀₂ - частота автогенератора 10 в исходном состоянии (при отсутствии ускорения);
f₂ - текущая частота автогенератора 10.The frequency of the other oscillator is
f ₂ = f ₀₂ + Δ f, (4)
where f ₀₂ is the frequency of the oscillator 10 in the initial state (in the absence of acceleration);
f ₂ - the current frequency of the oscillator 10.

Таким образом на выходе смесителя, осуществляющего вычитание частот, появляется сигнал, соответствующий следующему соотношению:
f_вых = f₂ - f₁ = (f₀₂ + Δ f) -
- (f₀₁ - Δ f) = f₀₂ - f₀₁ + 2 Δ f. (5)
Величина частоты (f₀₂ - f₀₁) значительно меньше величины f₀₁ или f₀₂
(f₀₁ и f₀₂ ≈ 10⁷ Гц, а f₀₂ - f₀₁ ≈ 10⁴ Гц)
Ее величину выбирают исходя из диапазона измерений и крутизны характеристики, так чтобы (f₀₂ - f₀₁) >2 Δ f. Это существенно облегчает учет знака проекции ускорения на ось чувствительности прибора при обработке информации.Thus, at the output of the mixer, performing the subtraction of frequencies, a signal appears corresponding to the following ratio:
f _o = f ₂ - f ₁ = (f ₀₂ + Δ f) -
- (f ₀₁ - Δ f) = f ₀₂ - f ₀₁ + 2 Δ f. (5)
The frequency value (f ₀₂ - f ₀₁ ) is much less than the value of f ₀₁ or f ₀₂
(f ₀₁ and f ₀₂ ≈ 10 ⁷ Hz, and f ₀₂ - f ₀₁ ≈ 10 ⁴ Hz)
Its value is selected based on the measurement range and the slope of the characteristic, so that (f ₀₂ - f ₀₁ )> 2 Δ f. This greatly facilitates taking into account the sign of the projection of acceleration on the sensitivity axis of the device during information processing.

Исходя из формул (1), (2), (5)
f_вых = (f₀₂ - f₀₁) + 2Kml ˙ W_z (6) или, так как (f₀₂ - f₀₁) = const то
Δ f = 2Kml ˙ W_z . (7)
Формула (7) определяет характеристику предлагаемого устройства.Based on formulas (1), (2), (5)
f _o = (f ₀₂ - f ₀₁ ) + 2Kml ˙ W _z (6) or, since (f ₀₂ - f ₀₁ ) = const, then
Δ f = 2Kml ˙ W _z . (7)
Formula (7) determines the characteristic of the proposed device.

Благодаря тому, что при нагружении подложки 3 чистым моментом М напряжения в ней равномерны вдоль по ее длине (а следовательно, они равномерны и вдоль траектории распространения ПАВ), стабильность сигналов с автогенераторов улучшается. Это приводит к уменьшению дрейфа нуля на выходе смесителя. Due to the fact that when loading the substrate 3 with a pure moment M, the stresses in it are uniform along its length (and therefore they are uniform along the path of propagation of surfactants), the stability of the signals from the oscillators improves. This leads to a decrease in zero drift at the mixer output.

Таким образом предлагаемая конструкция акселерометра обеспечивает высокую стабильность сигналов с автогенераторов на ПАВ, что обуславливает высокую чувствительность акселерометра и, следовательно, существенно повышает его точность. Thus, the proposed design of the accelerometer provides high stability of signals from self-oscillators to surfactants, which leads to high sensitivity of the accelerometer and, therefore, significantly increases its accuracy.

Предлагаемый акселерометр, выполненный в габаритах прототипа, будет иметь примерно на порядок большую точность и существенно большую чувствительность. The proposed accelerometer, made in the dimensions of the prototype, will have approximately an order of magnitude greater accuracy and significantly greater sensitivity.

Кроме того, наличие в конструкции акселерометра двух маятников, работающих в малом рабочем зазоре, существенно увеличивает виброустойчивость прибора за счет значительного демпфирования, созданного малым зазором. In addition, the presence of two pendulums in the design of the accelerometer operating in a small working gap significantly increases the vibration resistance of the device due to the significant damping created by the small gap.

Claims

ACCELEROMETER containing a support part and a substrate installed inside the housing, on the surfaces of which there is one generator on the surface acoustic waves, characterized in that, in order to increase accuracy while maintaining high sensitivity at small dimensions, the substrate is made in the form of two identical pendulums on its opposite the ends, the pendulums are suspended on the torsion bars in the supporting part and are interconnected by an elastic bridge, and the pendulum suspension axes are parallel to each other and located from each other and a distance smaller than the distance between the centers of gravity of the pendulum and the support member and the substrate are performed with pendulums of one plate AT cut quartz single crystal.