ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
DIFFERENTIAL FREQUENCY ACCELEROMETRE

Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения линейных ускорений транспортных средств, а также ускорений на центрифугах и в сейсморазведке, с обеспечением прямой радиопередачи выходных сигналов в диапазоне метровых волн.
Наиболее близким известным техническим решением является дифференциальный частотный акселерометр японской компании «Токио-Дента» [1], содержащий корпус с одной или двумя соосно размещенными инерционными массами и двумя пьезорезонаторами. Инерционные массы прототипа связаны друг с другом пружинным компенсатором механических несовершенств /температурного изменения коэффициента жесткости, гистерезиса/. При воздействии перегрузок по оси прототипа дифференциально изменяются резонансные частоты пъезорезонаторов, жестко связанных с инерционной массой, поскольку на один из них воздействует сила сжатия, а на другой - сила растяжения.
Существенными недостатками прототипа являются:
- узкий динамический диапазон и значительные погрешности, обусловленные гистерезисом и технологическими неточностями свойств материала пъезорезонаторов;
- малый коэффициент преобразования ускорений в изменение частот пъезорезонаторов, снижающий чувствительность, динамический диапазон и точность устройства.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности, точности и динамического диапазона измеряемых ускорений при обеспечении на выходе датчика пригодных для прямой радиопередачи высокочастотных сигналов, несущих информацию об измеряемом ускорении и о температуре.
Технический результат достигается исполнением в акселерометре инерционной массы в виде двухмембранного полого упругого подвеса, заполненного демпфирующей жидкостью с высоким коэффициентом объемного расширения, дополнением мембран высокопроводящими немагнитными поверхностями, а также исполнением резонаторов в виде включенных в автогенераторы плоскоспиральных катушек индуктивности, размещенных соосно с зазором относительно двухмембранного упругого подвеса.
1
2
1
2
Структура предлагаемого акселерометра приведена на Фиг.1 (разрез по оси вращения). Корпус акселерометра образован двумя получашками 1, между которыми с помощью колец 2 защемлен по периметру двухмембранный упругий подвес 3, заполненный жидкостной инерционной массой 4. С двух сторон упругого элемента 3 закреплены по центру введенные в устройство немагнитные высокопроводящие дисковые электроды 5. Параллельно плоскостям электродов 5 между получашами 1 и кольцами 2 защемлены диэлектрические платы 6 и 7, на которых размещены обращенные к электродам 5 плоские спиральные LC-резонаторы 8 и 9. Катушки 8 и 9 соединены перемычками 10 с LC-автогенераторами 11 и 12 соответственно, размещенными на противоположных сторонах плат 6 и 7. Диэлектрические платы 11 и 12 для повышения жесткости прикреплены центрами к торцам получашек 1 стойками 13. Подача питания на автогенераторы 11 и 12, а также съем выходных частотных сигналов f и f осуществляется через присоединительные элементы 14 и 15. Резонансные частоты f и f зависят от измеряемого ускорения:
н1
с1
н2
c2
где C, L - собственные емкость и индуктивность спирали-резонатора 8; С, L - то же для спирали-резонатора 9;
1
2
S, S - площади поверхностей спиралей 8 и 9 соответственно (с учетом краевых эффектов);
0
1
2
В - значение размеров В и В при ускорении a=0;
ж
К - коэффициент жесткости упругого подвеса 3;
m - суммарная масса жидкости 4 и элементов 2, 5;
cp
d - средний диаметр спиралей 8 и 9;
L
К=0,95÷0,98 - коэффициент влияния экранов 5 на эквивалентные индуктивности резонаторов;
KI=6÷8 - коэффициент показателя степени.
э
c
вн
э
н
вн
Формулы 1 и 2 получены с учетом известной зависимости резонансной частоты LC резонатора от его эквивалентных параметров L=L-L; С=С+С.
В данном случае:
(емкости, вносимые в LC резонаторы, образованные спиралями 8 и 9 и экранами 5). Вносимые в резонаторы индуктивности имеют вид [4]:
вн1
вн1
вн2
вн2
1
2
вн1
вн2
Эквивалентная схема акселерометра приведена на Фиг.2. Измеряемое ускорение α дифференциально воздействует на параметры L, С и L, С резонаторов 8 и 9 соответственно. В результате при изменении ускорения происходит противофазное изменение частот f и f автогенераторов 11 и 12. Емкости С и С являются паразитными и несколько снижают чувствительность, но тем не менее реальная чувствительность акселерометра к измеряемым ускорениям весьма высока.
1
2
2
Для стабилизации напряжения питания автогенераторов в акселерометре используются раздельные для каждого генератора стабилизаторы напряжения 16 и 17 (на Фиг.1 не показаны, см. Фиг.4, элементы VT3, VD1, С3, R1). На Фиг.3 приведена типовая зависимость выходных частот f и f от измеряемого ускорения α=10÷120 м/с. Характеристика получена экспериментально для акселерометра с параметрами:
с1
c2
н1
н2
1
2
cp
0
ж
-6
-12
-12
-4
2
-3
L=L=1,05·10Гн; C≈5,57·10ф; C≈5,16·10ф; S=S≈2,5·10м; d=0,03 м; в=1,5·10м; m=0,036 кг; К=4,32 кН/м.
1
2
пр
1
2
2
2
2
При использовании в качестве информативного параметра разности частот Δf=f-fкоэффициент преобразования ускорения в частоту К= составляет 398  при a=-120 м/с; 323  при а=0 и 410  при a=120 м/с. Высокий коэффициент преобразования и сравнительно небольшое его изменение в диапазоне измеряемых ускорений позволяет применить для оперативного преобразования выходных частот f и f в прямой цифровой код измеряемого ускорения известное устройство для обработки сигналов частотных датчиков [2], используя в качестве тактового генератора выход частоты f предлагаемого акселерометра.
ж
Использование двухмембранного упругого подвеса с жидкостным заполнением и дифференциальной схемы с двумя LC-автогенераторами позволяет существенно снизить погрешности за счет гистерезиса и температурного изменения коэффициента жесткости К материала мембран упругого подвеса.
ж
е
1
Гистерезис каждой мембраны компенсируют друг друга, поскольку силовое воздействие на эти мембраны от измеряемого ускорения всегда противофазны. Снижение с ростом температуры жесткости материала мембран компенсируется расширением жидкости 4 и усилением ее давления на внутренние стенки мембран. Полная компенсация при этом обеспечивается при выполнении равенства: d-(d+d)=0,
ж
где d - температурный коэффициент объемного расширения жидкости 4;
e
1
d, d - температурные коэффициенты модуля упругости и линейного расширения материала мембран упругого подвеса 3.
1
2
0
Дополнительным полезным эффектом при заполнении упругого элемента жидкостью является наличие информации о температуре в частотных сигналах f и f. Дело в том, что значение размеров В при α=0 в акселерометре является термозависимым:
о
о
где  - значение размеров В при начальной температуре Т;
с
Т - температура окружающей среды и жидкости 4.
ж
2
1
e
ж
1
2
-6
-4
При использовании в качестве жидкости 4 толуола с d=0,00109 I/K двухмембранного упругого подвеса 3 из берилливой бронзы БрБ с d=16·10 I/K d=3,1·10 I/K обеспечивается снижение температурной нестабильности К на 30%. Термозависимое изменение частот f и f при этом соответствует значениям табл.1 (при ά=0).
Таблица 1
Т<sub>с</sub>, К
в<sup>0</sup>, м<sup>-3</sup>
Δf<sub>1T</sub>, кГц
Δf<sub>2T</sub>, кГц
Кт, кГц/К
200
1,652
-2795
-2274
30,0
250
1,570
-1325
-1316
30,7
273
1,533
-633
-629
31,5
293
1,500
0000
0000
31,8
313
1,467
647
644
32,2
343
1,418
1638
1630
32,7
373
1,369
2666
2653
33,2
400
1,325
3621
3605
33,7
1
2
Поскольку термозависимое изменение частот f и f синфазное, они автоматически взаимно компенсируются при обработке информации в известном устройстве [2].
c
1
c
c
В то же время, измеряя любую из частот при α=0 можно определить значение температуры Те, причем коэффициент преобразования температуры в частоту достаточно высок (см. табл.1). Для определения температуры Т по термозависимому изменению частоты f или можно использовать известное устройство [3]. Путем последующей совместной обработки полученных на выходах известных устройств значений α и Т можно вычислить температурную поправку на полученное значение ускорения α. Кроме того, в ряде случаев весьма полезно иметь информацию о температуре Т без усложнения акселерометра дополнительным термодатчиком. Таким образом, в предложенном акселерометре использование двухмембранного упругого элемента с жидкостным заполнением позволяет:
c
- получить на выходе акселерометра информацию о температуре Т без дополнительных датчика температуры и автогенератора;
- существенно снизить погрешность от гистерезиса упругого элемента;
- снизить температурную погрешность акселерометра за счет частичной компенсации снижения жесткости материала мембран расширением жидкости;
- осуществить коррекцию температурной погрешности при обработке частотных сигналов акселерометра во вторичной аппаратуре.
Автогенераторы 11 и 12 акселерометра могут быть выполнены по схеме Фиг.4 (для LC-автогенератора 11).
1
1
Спиральный резонатор 8 включен в частотозадающую цепь LC-автогенератора на элементе VT1. Элементами С1 и С2 задается глубина положительной обратной связи, частота f снимается с дросселя L1 и подается на выходной каскад на VT2 с индуктивной нагрузкой в виде элемента L2. Усиленная по амплитуде частота f снимается через элемент С4 на выход акселерометра. Элементы VT3, VD1, С3 обеспечивают стабилизацию напряжения питания автогенератора для снижения погрешности от изменения напряжения питания.
1
2
Полная экранировка друг от друга LC-автогенераторов 11 и 12 упругим элементом 3 и наличие раздельных стабилизаторов 16 и 17 (см. Фиг.2) исключает так называемый «захват» частот f и f даже при их близких друг другу значениях. Высокая крутизна характеристики акселерометра обеспечена за счет использования плоских спиральных индуктивностей 8 и 9, а также применением высокопроводящих немагнитных экранов 5 (например, из алюминия). Именно при этом сочетании обеспечивается наибольшее воздействие перемещения экрана 5 на индуктивную составляющую спирали и минимальное - на активную ее компоненту [4].
По сравнению с прототипом предложенное решение позволяет:
- повысить чувствительность за счет исполнения двухмембранного упругого подвеса и резонаторов в виде плоских спиральных индуктивностей;
- снизить погрешности за счет использования жидкостного заполнения упругого элемента и получить информацию о температуре обеспечить прямую радиопередачу выходных ВЧ сигналов за счет совмещения спиральных резонаторов с автогенераторами.
Предложенный акселерометр обладает следующими достоинствами:
- обеспечивает на выходе пригодные для прямой радиопередачи ВЧ сигналы, несущие информацию как об ускорении, так и о температуре;
- может работать в бортовой аппаратуре в широком температурном диапазоне;
- обладает более высокими динамическим диапазоном, чувствительностью и точностью;
- практически избавлен от гистерезиса за счет постоянного наличия давления жидкости на мебраны упругого подвеса.
Предложенный акселерометр имеет простую и жесткую конструкцию, может быть изготовлен с малой трудоемкостью, без использования уникального оборудования. Предпочтительно применение предложенного акселерометра в бортовой аппаратуре и испытательном оборудовании для измерения линейных ускорений и температуры.
ж
2
Экспериментальные испытания действующих макетов акселерометра подтвердили его высокий коэффициент преобразования и высокие метрологические характеристики. Предельное значение измеряемых ускорений зависит от параметров m, К упругого элемента и может быть выбрано в границах 120÷5000 м/с при относительной суммарной погрешности не выше 0,1%.
Диапазон рабочих и измеряемых температур может находиться в границах 150÷400К. При использовании в качестве инерционной жидкости 4 толуола диапазон рабочих и измеряемых температур лежит в пределах 200÷383 К при погрешности измерения температуры на уровне десятых долей градусов Цельсия.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Дифференциальный частотный акселерометр. Сайт «Промышленные роботы», http://www.rworks.ru, c/28.
2. Авт. св. СССР №1182507. М.Кл. G06F 3/05. Устройство для обработки сигналов частотных датчиков. Опубл. в БИ №36, 1985 г.
3. Авт. св. СССР №970136. М.Кл. G01K 7/34. Устройство для измерения температуры. Опубл. в БИ №40, 1982 г.
4. Соболев B.C., Шкарлет Ю.М. Накладные и экранные датчики. Новосибирск: Наука, 1967 г., §3.5.