Трикомпонентний акселерометр

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной и космической промышленности в инерциальных навигационных системах для измерения поступательных и угловых ускорений подвижного объекта. Известны конструкции однокомпонентних частотных пьезоакселерометров (А.с. СССР №296037 от 13.10.69г. м.кл. G01P15/08; Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоиздат, 1989. - С.170), содержащие корпус, инерционную массу и расположенные параллельно друг другу пьезорезонаторы, отличающиеся тем, что функции подвеса инерционной массы выполняют сами силочувствительные пьезорезонаторы. Известен однокомпонентний дифференциальный частотный пьезоакселерометр, который выбран нами в качестве прототипа (Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоиздат, 1989. - С.170), содержащий корпус, внутри которого размещена инерционная масса и ножка с закрепленными на ней датчиками деформации в виде пластин с электродами. Датчики деформации представляют собой два пьезорезонатора, расположенные под углом друг к другу. В этой конструкции пьезорезонаторы также выполняют функцию подвесе инерционной массы. Электроды, расположенные на противоположных плоскостях пьезорезонаторов, представляющих собой пластины из пьезокварца, возбуждают в них колебания объемно-акустических волн с частотами и Деформаций растяжения-сжатия пьезорезонаторов происходит при действии силы, обусловленной воздействием линейного ускорения. Съем сигнала, пропорционального измеряемому ускорению, осуществляется по дифференциальной схеме, Пъезорезонаторы подключены к автогенераторам, на выходе которых формируются суммарные сигналы и поступающие на вход формирователя разностной частоты, на выходе которого образуется результирующий сигнал поступающий в преобразователь частоты в напряжение, которое подается на вольтметр, регистрирующий это напряжение, зависящее от измеряемого ускорения. Недостатком такого акселерометра является измерение только одного линейного ускорения, а также появление ложных сигналов из-за действия ускорению по другим направлениям, приводящих к дополнительным деформациям пьезорезонаторов и являющихся погрешностью измерения, что обусловлено, по нашему мнению, недостаточным количеством используемых датчиков деформации, их неправильной компоновкой и взаимным расположением no of ношению к инерционной массе. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования акселерометра, в котором, усовершенствован корпус, инерционная масса, выбор и взаимное расположение датчиков деформации и их взаимосвязь, что позволяет повысить пороговую чувствительность и расширяет функциональные возможности акселерометра путем одновременного измерения двух линейных и одного углового ускорения, заменяя одним прибором три разных прибора. Поставленная задача решается так, что в акселерометре, содержащем корпус, внутри которого размещена инерционная масса и ножка с закрепленными на ней двумя датчиками деформации в виде пластин с электродами, согласно изобретению дополнительно введен третий датчик деформации, корпус выполнен цилиндрическим, инерционная масса в виде диска, а ножка выполнена призматической и установлена в центре корпуса, причем на ней дополнительно закреплен третий датчик таким образом, что плоскости всех датчиков перпендикулярны терцу инерционной массы, расположены на гранях ножки под углом 60 градусов относительно друг друга и выполнены в виде датчиков на основе эффекта поверхностно-акустических волн (ПАВ). Отличием предложенного прибора является использование в заявляемом акселерометре датчиков на ПАВ и особого расположения пластин датчиков на ПАВ по рассмотренной выше схеме, что позволило повысить жесткость системы подвеса инерционной массы, резонансные частоты конструкции, расширить функциональные возможности и полосу пропускания прибора, а также, как показали наши исследования, повысить на 3 порядка пороговую чувствительность к измеряемым ускорениям. На фиг.1 изображен вид предлагаемого акселерометра в разрезе; на фиг.2 - вид акселерометра сверху; на фиг.3, 4, 5 схему измерительных каналов заявляемого акселерометра. Акселерометр (фиг.1) содержит жестко закрепленный на объекте цилиндрический корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2. Внутри корпуса на основании 1 жестко закреплена призматическая ножка 3, изготовленная из кварца. Ножка 3 соединена с имеющей форму горизонтального диска инерционной массой 4 тремя одинаковыми датчиками на ПАВ 5, представляющими собой пластины из кварца с электродами. Датчики на ПАВ 5 расположены под углом 60 градусов друг относительно друга, плоскости их пластин перпендикулярны торцу инерционной массы 5 и не пересекаются по одной оси. Акселерометр работает следующим образом. Датчики на ПАВ 5 выполняют функцию подвеса инерционной массы 4 и, одновременно, являются датчиками первичной информации, измеряющими действующие линейные и угловые ускорения. Электроды 6 (фиг.2), представляющие собой встречно-штыревые преобразователи (ВШП)и расположенные на противоположных плоскостях пластин датчиков на ПАВ, возбуждают в них колебания поверхностно-акустических волн с частотой К электродам 6 подсоединены токоподводы 7 с соединительными проводами, крепящимися к ножке 3 и подключенные к блоку электроники 8, расположенном на основании 1. При действии линейного ускорения по оси (фиг.2) происходит деформация сжатия пластины ПАВ-датчика 5а и, одновременно, деформация растяжения пластины ПАВ-датчика 5б, чем обеспечиваются равные по абсолютному значению и противоположные по знаку изменения частот датчиков. Съем сигнала, пропорционального измеряемому ускорению, осуществляется по дифференциальной схеме (фиг.3). Датчики на ПАВ 5а и 5б (на фиг.3 подключены к автогенераторам и соответственно, на выходе которых формируются суммарные сигналы выходе и поступающие на вход формирователя сигнала разностной частоты (ФСРЧ), на выходе которого образуется сумматор результирующий сигнал зависящий от измеряемого ускорения При действии линейного ускорения по оси x (фиг.2) происходит деформация сжатия пластины датчика 5б и деформация растяжения пластины ПАВ-датчика 5в и, одновременно, деформация сжатия датчика на ПАВ 5а и деформация растяжения датчика 5в, что также обуславливает появление противоположных по знаку изменений частот ПАВ-датчиков. Съем сигнала, пропорционального измеряемому ускорению, осуществляется по двухканальной дифференциальной схеме (фиг.4). Датчики 5а и 5в подключены к автогенераторам и соответственно, на выходе которых формируются суммарные сигналы поступающие на и вход на выходе которого образуется сигнал поступающий на сумматор Датчики 5б и 5в подключены к автогенераторам и на выходе которых формируются суммарные сигналы и с сумматора выхода поступающие на вход которого сигнал поступает на сумматора. С снимается результирующий сигнал зависящий от ускорения Воздействие углового ускорения вызывает действие крутящего момента относительно оси (фиг.2), в результате этого происходит одновременная деформация растяжения (сжатия) пластин 5а, 5б, 5в. Съем сигнала, пропорционального измеряемому угловому ускорению, осуществляется по схеме, представленной на фиг.5. ПАВ-датчики, обозначенные (фиг.5), подключены к которых автогенераторам соответственно, на формируются суммарные выходе сигналы поступающие на входы формирователей сигналов разностных частот Одновременно не входы каждого ФСРЧ поступают сигналы с дополнительного канала, состоящего из эталонного ПАВ-датчика ПДО и опорного генератора АГО. Эталонный ПАВ-датчик ПДО, аналогичный по характеристикам жестко размещен на основании 1 (на фиг.2 не показан) и служит не для измерения ускорения, а для получения эталонной частоты возбуждения которая затем поступает на каждого ФСРЧ В результате на образуются сигналы поступающие С сумматора на снимается результирующий сигнал зависящий от измеряемого углового ускорения Точность получения результирующего сигнала зависит как от характеристик самих ФСРЧ, представляющих собой смесители-формирователи выходного низкочастотного сигнала, так и от идентичности самих датчиков на ПАВ а также от подсоединенных к ним автогенераторов Таким образом, предложенный трехкомпонентный акселерометр позволяет одновременно измерять два линейных и одно угловое ускорение при сохранении габаритов прототипа и повышать требования по точности.