Микромеханический акселерометр

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к приборам для измерения ускорения. Достигаемый технический результат - увеличение точности микроакселерометра за счет уменьшения зависимости выходного сигнала от температуры. Микроакселерометр содержит корпус 1, инерционную массу 2, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругую плоскопараллельную пластину из пьезоэлектрического материала 3, образующую упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы, на противоположные стороны которого нанесены два ПАВ-резонатора 4, выходы которых подключены ко входам первого 5 и второго 6 автогенераторов, модулятор 7, выходы которого подключены ко входам двух автогенераторов 5 и 6, выходы которых подключены ко входам дополнительного вычитающего устройства, состоящего из первого 8 и второго 9 счетчиков, при этом выход первого автогенератора подключен ко входу первого счетчика, выход которого подключен ко входу второго счетчика, к другому входу которого подключен выход второго автогенератора, а выход второго счетчика подключен ко входу регистратора 10.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к приборам для измерения ускорения.

Подавляющее большинство разработанных микроакселерометров, как правило, используют набор дискретных упругих подвесов, обеспечивающих необходимые степени свободы инерционным элементам, которые, в свою очередь, требуют прецизионной посадки микроколебательных систем с точностью до (0,1...1) мкм [В.В.Малов. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоиздат, 1989]. Эти обстоятельства ограничивают виброустойчивость и ударопрочность микрочувствительных элементов, с одной стороны, и требуют использования сложных объемных технологий, с другой.

Определенные перспективы открываются при переходе к специфическому классу приборов и систем, использующих свойства поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках. Их основным элементом являются линии задержки и резонаторы, свойства которых зависят от измеряемых параметров движения. Исключительная простота кинематической схемы и высокий уровень конструктивной интеграции создают предпосылки для повышения точностных характеристик, уменьшения общих габаритов и существенного уменьшения общей стоимость их производства.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является дифференциальный микроакселерометр на ПАВ [RU, Патент №37230], содержащий корпус, инерционную массу m, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругую плоскопараллельную пластину из пьезоэлектрического материала, образующую упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной

массы, первый и второй ПАВ-резонаторы, первый и второй автогенераторы и смеситель.

При воздействии ускорения консоль, нагруженная массой m, испытывает изгиб, при котором противоположные стороны подвергаются деформациям сжатия и растяжения. Это в свою очередь приводит к изменению собственных частот ПАВ-резонаторов, нанесенных на оппозитные стороны консоли: частота одного автогенератора увеличивается, а другого уменьшается. Гармонические колебания двух автогенераторов поступают на смеситель, где происходит формирование сигналов с комбинационными частотами f₁ ±f₂. Разностная частота f ₁-f₂ оказывается пропорциональной действующему ускорению , а суммарная частота f₁+f ₂ может быть использована для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов и, прежде всего, температуры через канал автоподстройки частот автогенераторов (на фигуре не показан).

Недостатком этого устройства является не достаточное уменьшение влияния дестабилизирующих факторов выходного сигнала микроакселерометра и, как следствие, зависимость информативного сигнала разностной частоты от температуры. Она тем существенней, чем больше начальный разнос f₀ собственных частот двух резонаторов f₁ и f₂. Среди причин, вызывающих начальные изменения разностной частоты следует выделить, прежде всего, температурные эффекты, которые определяются разогревом ПАВ-резонаторов и собственным температурным дрейфом элементов схемы, что подтверждено экспериментальными исследованиями [Экспериментальное исследование температурных полей акселерометра на поверхностных акустических волнах. А.А.Алексеев, Д.П.Лукьянов, С.Ю.Шевченко и др. Материалы VII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" // Санкт-Петербург, Навигация и управление движением, 2006 г., с.187-192].

Задачей, решаемой полезной моделью, является разработка микроакселерометра на ПАВ, в котором выходной сигнал меньше зависит от температурных воздействий и, следовательно, более высокая линейность выходной характеристики.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, также как и известное, содержит корпус, инерционную массу, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругую плоскопараллельную пластину из пьезоэлектрического материала, образующую упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы, первый и второй резонаторы на поверхностных акустических волнах, выполненных на противоположных сторонах плоскопараллельной пластины, каждый из которых является частотозадающим элементом первого и второго автогенераторов. Но, в отличие от известного, предлагаемый микроакселерометр снабжен дополнительным импульсным модулятором, а выходы автогенераторов подключены ко входам дополнительного вычитающего устройства, состоящего из первого и второго счетчиков, при этом выход первого автогенератора подключен ко входу первого счетчика, выход которого подключен ко входу второго счетчика, к другому входу которого подключен выход второго автогенератора.

Достигаемый технический результат - увеличение точности микроакселерометра за счет уменьшения зависимости выходного сигнала от температуры. Это происходит за счет исключения разноса частот двух автогенераторов путем их настройки на одинаковые частоты, например варикапом, и поочередного включения на вход введенного вычитающего устройства с помощью введенного модулятора. В этом случае исключается влияние разностной частоты автогенераторов на выходной сигнал, как это было в известном устройстве, которая имеет существенную зависимость от температурных воздействий.

Полезная модель поясняется чертежами, где:

на фиг.1 - приведена схема микроакселерометра;

на фиг.2 - показана временная диаграмма работы модулятора и автогенераторов.

Микроакселерометр содержит корпус 1, инерционную массу 2, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругую плоскопараллельную пластину 3 из пьезоэлектрического материала, образующую упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы, на противоположные стороны которого нанесены два ПАВ-резонатора 4, выходы которых подключены ко входам первого 5 и второго 6 автогенераторов, модулятор 7, выходы которого подключены ко входам двух автогенераторов 5 и 6, выходы которых подключены ко входам дополнительного вычитающего устройства, состоящего из первого 8 и второго 9 счетчиков, при этом выход первого автогенератора 5 подключен ко входу первого счетчика 8, выход которого подключен ко входу второго счетчика 9, к другому входу которого подключен выход второго автогенератора 6, а выход второго счетчика 9 подключен ко входу регистратора 10.

Измерение ускорения происходит следующим образом:

При воздействии ускорения пластина 3, нагруженная массой 2, испытывает деформацию изгиба (сжатия и растяжения), что приводит к изменению собственных частот ПАВ-резонаторов 4: частота верхнего (фиг.1) уменьшается, а нижнего - увеличивается. В начальный момент времени модулятор 7 включает автогенератор 4 (фиг.2), колебания которого поступают на вход прямого счетчика 8, где фиксируется количество импульсов за первый полупериод измерений и передается на вход реверсивного счетчика 9. Затем модулятор отключает первый автогенератор 5 и одновременно включает второй автогенератор 6 (фиг.2). Выходной сигнал автогенератора 6 поступает на реверсивный счетчик 9, где фиксируется количество импульсов за второй полупериод измерений. На

выходе реверсивного счетчика 9 формируется разность числа накопленных импульсов в каждом из счетчиков 8 и 9, которая пропорциональна измеряемому ускорению и фиксируется регистратором 10.

При отсутствии ускорения частоты автогенераторов 5 и 6 равны, а выходной сигнал микроакселерометра равен нулю. При наличии ускорения, частоты ПАВ-резонаторов 4, являющиеся частотозадающими элементами автогенераторов 5 и 6, приобретают дифференциальные сдвиги f_d, равные по величине и противоположные по знаку:

f₁=f₀ +f_d, f₂=f ₀-f_d.

В результате этого на выходе реверсивного счетчика 9 формируется сигнал разностной частоты f₁-f₂=2f _d,, пропорциональный измеряемому параметру.

Отсутствие в сигнале разностной частоты начального разноса частот автогенераторов 5 и 6 приводит к значительному повышению линейности выходной характеристики и практически нулевой температурной чувствительности предлагаемого устройства.

Техническим результатом является уменьшение зависимости выходного сигнала предлагаемого микроакселерометра от температуры, повышение точности и линейности его выходной характеристики путем настройки автогенераторов с помощью варикапа на одинаковые частоты и поочередного их включения на вход введенного вычитающего устройства.

Микромеханический акселерометр, содержащий корпус, инерционную массу, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругую плоскопараллельную пластину из пьезоэлектрического материала, образующую упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы, первый и второй автогенераторы, входы которых соединены с выходами первого и второго резонаторов на поверхностных акустических волнах, расположенных на противоположных сторонах плоскопараллельной пластины, регистратор, отличающийся тем, что параметры резонаторов удовлетворяют условию равенства их частот и к каждому из автогенераторов подключен импульсный модулятор, а выходы автогенераторов подключены ко входам дополнительного вычитающего устройства, состоящего из первого и второго счетчиков, при этом выход первого автогенератора подключен ко входу первого счетчика, выход которого подключен ко входу второго счетчика, к другому входу которого подключен выход второго автогенератора.