Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
АКСЕЛЕРОМЕТР
АКСЕЛЕРОМЕТР

АКСЕЛЕРОМЕТР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: инерционная навигация, акселерометрия. Сущность изобретения: акселерометр содержит герметичный корпус, две идентичные инерционные массы в виде маятников, два резонатора, системы возбуждения и съема информации. Инерционные массы и резонаторы выполнены из цельного диска монокристаллического кварца таким образом, что резонаторы расположены массами симметрично и параллельно друг другу, одна из поверхностей резонаторов совпадает с одним из противоположных торцов диска, а оси подвесов инерционных масс лежат в плоскости, параллельной торцам диска и равноудаленной от них. 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2046348
Класс(ы) патента: G01P15/08
Номер заявки: 4519434/10
Дата подачи заявки: 17.07.1989
Дата публикации: 20.10.1995
Заявитель(и): Научно-исследовательский институт прикладной механики Научно-производственного объединения "Ротор"
Автор(ы): Курносов В.И.; Ларшин А.С.; Прокофьев В.М.
Патентообладатель(и): Научно-исследовательский институт прикладной механики Научно-производственного объединения "Ротор"
Описание изобретения: Изобретение относится к приборостроению, а именно к системам измерения параметров движения объектов, и может быть использовано в приборах, измеряющих ускорение объектов.
Известны акселерометры, содержащие инерционный блок и резонаторы [1]
Недостаток таких конструкций заключается в том, что отдельно изготовленные резонаторы установлены в конструкции электромеханического узла акселерометра. Вследствие этого в местах соединения резонаторов с конструкцией возникают напряжения, величина которых после сборки акселерометров зависит от многих дестабилизирующих факторов и, в частности, от температуры. Как правило, эти напряжения у двух отдельно выполненных резонаторов неидентичны друг другу и, следовательно, их величина будет изменяться по-разному от влияния дестабилизирующих факторов, что приводит к изменению собственных частот резонаторов по разным зависимостям, т.е. к погрешностям в показаниях акселерометров.
Известен акселерометр, в котором чувствительный элемент состоит из двух пластин, изготовленных из плавленого кварца [2] Каждая пластина выполнена в виде маятника, подвешенного на плоских растяжках в базовом кольце. Между маятником и базовым кольцом установлен резонатор, смещенный к одному из торцов пластины. На поверхность резонатора нанесена токоведущая дорожка системы возбуждения и съема информации. Кварцевые пластины установлены таким образом, что реализуется дифференциальная измерительная схема: сигнал разностной частоты колебаний резонаторов пропорционален ускорению.
Недостатками такой конструкции являются низкая точность и большие габариты.
Низкая точность обусловлена температурной нестабильностью из-за большой потребляемой на возбуждение мощностью, различием механических свойств резонаторов, возникающим вследствие их отдельного изготовления, и наличием напряжений в местах соединения резонаторов с конструкцией.
Большие габариты обусловлены наличием магнитоэлектрической системы возбуждения колебаний и съема информации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является акселерометр, содержащий герметичный корпус, две идентичные инерционные массы в виде маятников, два стержневых резонатора, системы возбуждения и съема информации [3] Каждый маятник состоит из пробной массы, соединенной с корпусом через гибкий упругий элемент.
Стержни резонаторов выполнены из монокристаллического кварца. Каждый стержень одним концом соединен с корпусом, а другим с пробной массой. Маятники и резонаторы включены в дифференциальную схему.
Недостатком известного устройства является невысокая точность, обусловленная наличием погрешностей из-за применения отдельно изготовленных резонаторов и из-за возникновения переменных механических напряжений в местах заделки стержней резонаторов.
Известно [1] что пьезоэлектрические резонаторы (ПР) чувствительны к температуре окружающей среды. При этом величина температурного "ухода" частоты ПР зависит от ряда факторов и, в частности, от угла среза материала ПР. Поэтому применение в устройстве двух отдельно изготовленных ПР требует тщательного подбора их температурных коэффициентов, что возможно до известных пределов и тем самым ограничивает возможности улучшения точностных характеристик акселерометра. Кроме того, существенно ухудшает точность акселерометра влияние боковой составляющей ускорения.
Целью изобретения является повышение точности.
Цель достигается тем, что в известном акселерометре, содержащем герметичный корпус, две идентичные инерционные массы в виде маятников, два резонатора, системы возбуждения и съема информации, инерционные массы и резонаторы выполнены из цельного диска монокристаллического кварца таким образом, что резонаторы расположены между инерционными массами симметрично и параллельно друг другу, одна из поверхностей резонаторов совпадает с одним из противоположных торцов диска, а оси подвесов инерционных масс лежат в плоскости, параллельной торцам диска и равноудаленной от них.
Существенные отличия предлагаемого устройства заключаются в следующем.
Выполнение инерционных масс и резонаторов из цельного диска монокристаллического кварца обеспечивает значительное повышение точности устройства путем исключения в конструкции соединений из разнородных материалов, а также путем идентификации свойств материала резонаторов.
Выполнение двух идентичных инерционных масс соединенными друг с другом параллельными, симметрично расположенными резонаторами обеспечивает повышение точности путем исключения влияния на показатели устройства боковой составляющей ускорения.
Выполнение инерционных масс и резонаторов из диска монокристаллического кварца обусловлено тем, что процесс сборки круглых деталей более прост и обеспечивает большую точность устройства (обеспечение посадок, фиксации пакета и т.д.).
Выполнение поверхностей резонаторов, совпадающих с соответствующими торцами диска, реализует принцип действия акселерометра, основанный на выделении величины суммарной перестройки двух кварцевых автогенераторов (выделение разностной частоты).
На фиг. 1 представлен предлагаемый акселерометр; на фиг.2 показан диск; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2;
Акселерометр содержит герметичный корпус 1, внутри которого между двумя пластинами 2, 3 установлен диск 4 из монокристаллического кварца. Герметизацию акселерометра осуществляют с помощью крышки 5, закрепляемой посредством клея или диффузионной сварки. Все элементы конструкции выполнены из монокристаллического кварца.
Диск 4 установлен по отношению к пластинами 2, 3 с зазором 20-30 мкм для обеспечения оптимального демпфирования подвижных частей конструкции с помощью платиков 6 и соединен с ними в единый монолитный блок с помощью диффузионной сварки.
Кроме того, акселерометр содержит электронный блок 7, состоящий из двух автогенераторов (на фиг.1 не показаны).
В диске 4 выполнены две идентичные инерционные массы в виде маятников 8, 9, подвешенных на растяжках 10-13, а также два резонатора 14, 15, соединяющие маятники 8, 9 и расположенные параллельно друг другу и симметрично.
Причем резонаторы 14, 15 выполнены так, что одна из их поверхностей совпадает с одним из противоположных торцов диска 4.
На поверхности резонаторов 15, 14 нанесены напылением электроды 16, 17 системы возбуждения и съема информации. Упругие растяжки 10-13 расположены симметрично (например, с точностью 4 мкм) относительно плоскости N-N, проходящей через середину толщины диска 4 параллельно его торцам, а оси подвесов инерционных масс О11 и О22 лежат в одной плоскости, параллельной торцам диска и равноудаленной от них.
Предлагаемая конструкция выполнена так, что обеспечена малая угловая жесткость С1 растяжек 10-13 по сравнению с жесткостью С2 резонаторов 14, 15, т.е. С1<<С>2.
Резонаторы 14, 15 выполняют функцию сдвигово-компланарных вибраторов и являются основными элементами двух кварцевых автогенераторов. Направление измеряемого ускорения Wo показано на фиг.1 стрелкой.
Перед измерением ускорения автогенераторы электронного блока 7 возбуждают колебания резонаторов 14, 15 через электроды 16, 17 с частотой f1 и f2 соответственно. Величины f1 и f2 выбраны расчетным путем в зависимости от имеющейся схемы обработки сигнала.
Устройство работает следующим образом.
При движении инерционных масс 8, 9 в направлении оси чувствительности, перпендикулярном плоскости торцов диска 4, с ускорение Wo маятники инерционных масс 8, 9 будут отклоняться вокруг осей подвесов (О11 и О22).
Инерционная сила F1 будет скомпенсирована за счет силы упругости растяжек 10-13 и резонаторов 14, 15, один из которых при движении объекта с ускорением Wo будет сжиматься, а другой растягиваться, выполняя функцию сдвигово-компланарных вибраторов и являясь основным элементом кварцевых генераторов.
Нагружение резонаторов 14, 15 силами растяжения-сжатия приводит к изменению частот f1 и f2 генерирующих сигналов.
Выделяя сигнал разностной частоты, формируют информацию об ускорении Wo в направлении оси чувствительности. Величина ускорения Wo будет пропорциональна разности собственных частот при этом ускорении.
При растяжении происходит увеличение частоты, а при сжатии уменьшение. Таким образом, изменение частоты автогенераторов будет пропорционально приложенной силе и, следовательно, величина ускорения Wo.
При появлении бокового ускорения Wб инерционная сила F2 будет скомпенсирована за счет силы упругости растяжек 10-13 и резонаторов 14, 15 (фиг.4).
Таким образом, один из маятников будет увеличивать силу растяжения сжатия, а другой маятник уменьшать на одинаковую величину, т.е. суммарная величина растяжения сжатия резонаторов 14, 15 останется прежней, пропорциональной Wo, т. е. предлагаемая конструкция, практически, не чувствительна к влиянию боковых составляющих измеряемого ускорения.
Таким образом, предлагаемое техническое решение повышает временную и температурную стабильность параметров акселерометра, определяемых стабильностью собственных частот резонаторов и конструкции в целом, а также обеспечивает, практически, нечувствительность одноосного акселерометра к влиянию боковой составляющей ускорения.
Как показали проведенные испытания, предлагаемое техническое решение позволило повысить точность акселерометра в 3-5 раз.
Формула изобретения: АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий герметичный корпус, две идентичные инерционные массы в виде маятников, два резонатора, системы возбуждения и съема информации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, инерционные массы и резонаторы выполнены из цельного диска монокристаллического кварца так, что резонаторы расположены между инерционными массами симметрично и параллельно друг другу, причем одна из поверхностей резонаторов совпадает с одним из противоположных торцов диска, а оси подвесов инерционных масс лежат в плоскости, параллельной торцам диска и равноудаленной от них.