СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КАЖУЩЕГОСЯ УСКОРЕНИЯ И ПЬЕЗОЭЛЕКТРОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
MEASUREMENT OF APPARENT ACCELERATION AND PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER TO THIS END

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. Цель изобретения заключается в измерении кажущегося ускорения при помощи пьезоэлектрических преобразователей.
Предлагаемый способ целесообразно использовать в устройствах, принцип действия которых основан на пьезоэлектрических преобразователях. Эти устройства нашли широкое применение в измерительной технике, в частности в микромеханике. Они используются в качестве датчиков различных систем контроля, преобразующих такие физические величины, как давление, ускорение, температуру и др.
Известен способ компенсационного измерения кажущегося ускорения [Лукьянов Д.П. Акселерометры инерциальных систем навигации: Конспект лекций - Л.: ЛЭТИ, 1983. - 47 с. ], заключающийся в том, что кажущееся ускорение, воздействуя на пробную массу, создает момент, который компенсируют при помощи момента, создаваемого "электрической пружиной", состоящей из датчика угла, усилителя и датчика моментов, при этом ток датчика моментов пропорционален кажущемуся ускорению. Этот способ позволяет создавать прецизионные акселерометры компенсационного типа с разрешающей способностью в несколько микро g. Однако такие акселерометры очень дорогие (несколько тысяч $).
Известен способ микромеханического преобразования кажущегося ускорения [Лукьянов Д.П., Скворцов В.Ю. Микроэлектронные акселерометры инерциальных систем навигации: Учеб. пособие / СПбГЭТУ "ЛЭТИ". СПб., 1999. 60 с. ], заключающийся в том, что кажущееся ускорение, воздействуя на пробную массу, подвешенную на упругом подвесе, вызывает микроперемещение пробной массы, которое измеряют с помощью емкостных датчиков. Этот способ позволяет создавать микромеханические акселерометры различного диапазона измерения. Преимуществом микромеханических акселерометров является их дешевизна, а недостатком - низкая точность и нестабильность.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения ускорения при помощи пьезоэлектрических преобразователей [В.М. Шарапов, М.П. Мусиенко, Е.В. Шарапова. Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера, 2006, с. 632 (с.496-с.527)], заключающийся в том, что ускорение при помощи пьезоэлектрических преобразователей, играющих роль пробной массы, преобразуют в механическое напряжение в пьезоэлектрическом преобразователе, которое преобразуется в электрический заряд, последний преобразуют в электрическое напряжение, пропорциональное ускорению. Пьезоэлектрические акселерометры, реализующие приведенный способ, находят широкое ускорение для измерения динамически изменяющихся ускорений, спектр которых лежит выше нескольких Гц. Недостатком является то, что данный способ не позволяет измерять кажущееся ускорение (спектр от 0 Гц).
Задачей, решаемой изобретением, является расширение диапазона измерения ускорений (от 0 Гц).
Способ поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведена общая схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения кажущегося ускорения;
на фиг. 2 приведена схема блока пьезопреобразователей.
Сущность изобретения: способ заключается в том, что при помощи пьезоэлектрического возбудителя, преобразующего электрический знакопеременный сигнал опорной частоты, которая намного больше верхней частоты спектра кажущегося ускорения, создаются синфазные механические напряжения в двух идентичных пьезоэлектрических преобразователях, закрепленных на основании и сочлененных с возбудителем, который одновременно является пробной массой, преобразующей кажущееся ускорение в противофазные механические напряжения в идентичных пьезоэлектрических преобразователях, которые суммируются с механическими напряжениями, создаваемыми возбудителем, далее находят разность электрических сигналов, снимаемых с выходов идентичных пьезоэлектрических преобразователей, которая представляет собой сигнал опорной частоты, амплитуда которого пропорциональна кажущемуся ускорению, затем разностный сигнал опорной частоты преобразуют в сигнал постоянного тока, пропорциональный кажущемуся ускорению.
Пьезоэлектронный акселерометр, содержащий пьезоблок, выходы которого соединены со входами одинаковых усилителей заряда, генератор знакопеременного сигнала опорной частоты, а пьезоблок включает пьезоэлектрический возбудитель, входы которого соединены с выходами генератора знакопеременного сигнала, причем возбудитель сочленен с идентичными пьезоэлектрическими преобразователями, которые закреплены на основании, а выходы идентичных преобразователей являются выходами пьезоблока, дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходами усилителей заряда, преобразователь амплитуды в сигнал постоянного тока, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход является выходом акселерометра.
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в системах ориентации и навигации подвижных объектов и путеизмерительных комплексах, а также сейсмических измерениях.
Достигаемый результат: создан новый класс пьезоэлектронных акселерометров, обладающий расширенным частотным диапазоном (от 0 Гц) и преимуществами пьезоэлектрических преобразователей.
Известные пьезоэлектрические акселерометры [В.М. Шарапов, М.П. Мусиенко, Е.В. Шарапова. Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера, 2006, с. 632 (с.496-с.527)] обладают рядом существенных преимуществ: широкий частотный диапазон, линейная характеристика в широком динамическом диапазоне, высокая стойкость к воздействиям окружающей среды, высокой точностью в неблагоприятных эксплуатационных условиях, отсутствие движущихся деталей, что гарантирует исключительную долговечность и надежность, а также возможность как макро-, так и микроисполнения, однако пьезоэлектрические акселерометры работоспособны только при динамически изменяющихся ускорениях с нижней частотой более 0,5 Гц, т.е. существующие пьезоакселерометры не предназначены для измерения кажущихся и сейсмических ускорений.
Известен пьезоэлектрический виброизмерительный преобразователь [А.с. №634493 СССР, МКИ G01P 15/08. Пьезоэлектрический виброизмерительный преобразователь. Цеханский К.Р., Макеев В.М. БИ №43, 1978], содержащий дифференциальный пьезоэлемент, представляющий собой два идентичных пьезоэлектрических преобразователя и пробную массу, усилитель напряжения, вход которого соединен с выходом дифференциального пьезоэлемента, инвертирующий усилитель, вход которого соединен с вторым выходом дифференциального пьезоэлемента, сумматор, входы которого соединены с выходами усилителя напряжения и инвертирующего усилителя. Выход сумматора является выходом преобразователя, дифференциальная схема преобразователя позволяет в два раза повысить чувствительность преобразования, однако только в области виброчастот, и не чувствует кажущееся ускорение.
Предложенное изобретение базируется на знакочувствительности пьезоэффекта, т.е. изменении знака заряда при замене сжатия на растяжение и изменении знака деформации при изменении направления электрического поля.
Свойство знакочувствительности пьезоэффекта позволяет суммировать переменное механическое напряжение, создаваемое возбудителем, и медленно меняющееся механическое напряжение, вызванное кажущимся ускорением. Суммарное механическое напряжение является динамически переменным со спектром, расположенным в окрестностях опорной частоты. Поэтому преобразование в электрический сигнал происходит в зоне стабильной чувствительности и без искажений. Сигналы на выходе идентичных пьезоэлектрических преобразователей представляют собой знакопеременные сигналы опорной частоты, у которых средняя линия пропорциональна кажущемуся ускорению, причем с разными знаками. Поэтому разностный сигнал является знакопеременным сигналом опорной частоты, амплитуда которого пропорциональна кажущемуся ускорению.
На фиг. 1 приведена структурная схема пьезоэлектронного акселерометра, где обозначены 1 - пьезоблок, 2 - генератор знакопеременного сигнала, 3 - пьезоэлектрический возбудитель, 4 и 5 - идентичные пьезоэлектрические преобразователи, 6 и 7 - усилители заряда, 8 - дифференциальный усилитель, 9 - преобразователь амплитуды в сигнал постоянного тока.
Пьезоэлектронный акселерометр работает следующим образом.
Пьезоблок 1 может быть выполнен в двух исполнениях:
1. Пьезоблок 1, представленный на фиг. 1, работает следующим образом: возбудитель 3 наводит в идентичных преобразователях 4 и 5, сочлененных с возбудителем 3, одинаковые механические напряжения опорной частоты. Одновременно возбудитель 3 является пробной массой, преобразующей кажущееся ускорение в механические противофазные напряжения в идентичных пьезоэлектрических преобразователях 4 и 5, которые суммируются (с учетом знака) с механическими напряжениями опорной частоты.
2. Пьезоблок 1, представленный на фиг. 2, работает следующим образом: возбудитель 3, закрепленный на основании и сочлененный с идентичными пьезоэлектрическими преобразователями 4 и 5, создает в последних синфазные механические напряжения опорной частоты. Одновременно массы идентичных пьезоэлектрических преобразователей 4 и 5 являются одинаковыми пробными массами, преобразующими кажущееся ускорение в механические напряжения разного знака, которые суммируются с механическим напряжением опорной частоты.
Механические напряжения в идентичных пьезоэлектрических преобразователях 4 и 5 преобразуются в электрические заряды, которые усилителями заряда 6 и 7 преобразуются в напряжения опорной частоты, смещение средней линии которых пропорционально кажущемуся ускорению. Сигнал с выхода дифференциального усилителя 8 представляет собой знакопеременный сигнал опорной частоты, амплитуда которого пропорциональна кажущемуся ускорению.
Если знакопеременный сигнал генератора 2 является меандром, то преобразователь амплитуды в сигнал постоянного тока 9 может быть выполнен в виде сглаживающего фильтра нижних частот. А если знакопеременный сигнал генератора 2 гармонический, то преобразователь 9 выполняют по схеме амплитудного селектора.
Таким образом, решена задача измерения кажущегося ускорения при помощи пьезоэлектрических преобразователей.
Пьезоэлектронные акселерометры могут быть выполнены как в макро-, так и в микроисполнении.