RU2139546C1 - Accelerometer with converters based on surface acoustic wave - Google Patents

Accelerometer with converters based on surface acoustic wave Download PDF

Info

Publication number
RU2139546C1
RU2139546C1 RU98101693A RU98101693A RU2139546C1 RU 2139546 C1 RU2139546 C1 RU 2139546C1 RU 98101693 A RU98101693 A RU 98101693A RU 98101693 A RU98101693 A RU 98101693A RU 2139546 C1 RU2139546 C1 RU 2139546C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
accelerometer
saw
sound
mutually orthogonal
surface acoustic
Prior art date
Application number
RU98101693A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.А. Винокуров
Original Assignee
Военный инженерно-космический университет им.А.Ф.Можайского
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Военный инженерно-космический университет им.А.Ф.Можайского filed Critical Военный инженерно-космический университет им.А.Ф.Можайского
Priority to RU98101693A priority Critical patent/RU2139546C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2139546C1 publication Critical patent/RU2139546C1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: given accelerometer has plate so bent that it forms three mutually orthogonal faces of cube. There are manufactured six acoustic lines, two on each face. Twelve generators based on effect of surface acoustic wave are placed in twos on both surfaces of each acoustic line. Increased precision and expanded functional capabilities of accelerometer are provided thanks to elimination of cross coupling between measurement channels of different projections of measured acceleration and to putting plate with acoustic lines into form of three mutually orthogonal faces of cube. EFFECT: increased precision and expanded functional capabilities of accelerometer. 1 dwg

Description

Предложенное изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерителям ускорения. The proposed invention relates to the field of measurement technology, in particular to acceleration meters.

Известны датчики ускорения [1], использующие ПАВ-генератор (генератор на основе эффекта поверхностной акустической волны) как измерительную систему и содержащие звукопровод, выполненный в виде консольно закрепленной балки из пьезоэлектрического материала, инерционную массу, закрепленную на свободном конце звукопровода, измерительную систему в виде двух ПАВ-генераторов на двух противоположных поверхностях звукопровода, и смесителя, выделяющего разностный сигнал. Недостатками данного ПАВ-акселерометра являются низкая точность вследствие погрешностей, связанных с наличием перекрестных связей между каналами измерения разных параметров, низкие функциональные возможности вследствие отсутствия у данного акселерометра возможности измерения шести параметров движения - трех проекций линейного ускорения и трех проекций углового ускорения на взаимно ортогональные оси. Known acceleration sensors [1], using a SAW generator (a generator based on the effect of a surface acoustic wave) as a measuring system and containing a sound duct made in the form of a cantilever beam made of piezoelectric material, an inertial mass, mounted on the free end of the sound duct, a measuring system in the form two SAW generators on two opposite surfaces of the sound duct, and a mixer emitting a difference signal. The disadvantages of this SAW accelerometer are low accuracy due to errors associated with the presence of cross-links between the measurement channels of different parameters, low functionality due to the lack of the ability of this accelerometer to measure six motion parameters - three projections of linear acceleration and three projections of angular acceleration on mutually orthogonal axes.

Известен акселерометр с преобразователями на поверхностной акустической волне (ПАВ-акселерометр) [2], использующий ПАВ-генератор как измерительную систему и содержащий звукопровод, выполненный в виде защемленной на концах балки из пьезоэлектрического материала, инерционную массу, закрепленную на середине чувствительного элемента, измерительную систему в виде четырех ПАВ-генераторов на двух противоположных поверхностях чувствительного элемента с двух сторон от инерционной массы, четыре "сумматора" частоты, складывающие частоты сигналов первого и второго, первого и третьего, третьего и четвертого, второго и четвертого ПАВ-генераторов, и два смесителя, выделяющих разностные сигналы первого и третьего "сумматоров" частоты и второго и четвертого "сумматоров" разностной частоты. Недостатками данного ПАВ-акселерометра являются низкая точность вследствие погрешностей, имеющих место при наличии углового ускорения, и низкие функциональные возможности вследствие отсутствия у данного акселерометра возможности измерения шести параметров движения - трех проекций линейного ускорения и трех проекций углового ускорения на взаимно ортогональные оси. Known accelerometer with transducers on a surface acoustic wave (SAW accelerometer) [2], using a SAW generator as a measuring system and containing a sound duct made in the form of a beam of piezoelectric material pinched at the ends, an inertial mass fixed in the middle of the sensitive element, a measuring system in the form of four SAW generators on two opposite surfaces of the sensing element on two sides of the inertial mass, four “adders” of frequency, adding the frequency of the signal s first and second, first and third, third and fourth, the second and the fourth SAW oscillators, two mixers, and that produce the difference signals of the first and third "adders" frequency and the second and fourth "adders" difference frequency. The disadvantages of this SAW accelerometer are low accuracy due to errors in the presence of angular acceleration, and low functionality due to the inability of this accelerometer to measure six motion parameters - three projections of linear acceleration and three projections of angular acceleration on mutually orthogonal axes.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является ПАВ-акселерометр [3], имеющий три звукопровода, выполненные на одной пластине, с ПАВ-генераторами на каждой стороне. Недостатком данного ПАВ-акселерометра являются низкая точность вследствие погрешностей, имеющих место при наличии углового ускорения, не измеряемого данным прибором, и низкие функциональные возможности вследствие отсутствия у данного акселерометра возможности измерения шести параметров движения - трех проекций линейного ускорения и трех проекций углового ускорения на взаимно ортогональные оси. Closest to the proposed technical essence is a SAW accelerometer [3], which has three sound ducts made on the same plate, with SAW generators on each side. The disadvantage of this SAW accelerometer is its low accuracy due to errors occurring in the presence of angular acceleration not measured by this device, and low functionality due to the inability of this accelerometer to measure six motion parameters — three projections of linear acceleration and three projections of angular acceleration onto mutually orthogonal axis.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей. The aim of the invention is to improve the accuracy and expansion of functionality.

Поставленная цель достигается тем, что акселерометр с преобразователями на поверхностной акустической волне (на ПАВ), содержащий три звукопровода, выполненные на одной пластине, с ПАВ-генераторами на обеих сторонах каждого звукопровода, дополнительно снабжен тремя звукопроводами с ПАВ-генераторами на обеих поверхностях каждого звукопровода и вычислительным блоком, а пластина согнута так, что образует три взаимно ортогональные грани куба, на каждой из которых выполнена пара звукопроводов. This goal is achieved in that the accelerometer with transducers on a surface acoustic wave (SAW), containing three sound ducts made on the same plate, with SAW generators on both sides of each sound duct, is additionally equipped with three sound ducts with SAW generators on both surfaces of each sound duct and a computing unit, and the plate is bent so that it forms three mutually orthogonal faces of the cube, on each of which a pair of sound ducts are made.

Сущность изобретения заключается в следующем. Под действием измеряемых проекций линейного и углового ускорения изгибаются звукопроводы, что вызывает изменение частот нанесенных на их поверхность ПАВ-генераторов, которые с помощью вычислительного блока преобразуются в коды, пропорциональные шести измеряемым проекциям ускорения - трем линейным и трем угловым. Повышение точности и расширение функциональных возможностей обеспечивается за счет устранения перекрестных связей между измерительными каналами разных проекций измеряемого ускорения благодаря тому, что пластина со звукопроводами согнута так, что образует три взаимно ортогональные грани куба. The invention consists in the following. Under the action of the measured projections of linear and angular acceleration, the sound ducts are bent, which causes a change in the frequencies of the SAW generators deposited on their surface, which are converted into codes proportional to the six measured projections of acceleration — three linear and three angular, using the computing unit. Improving accuracy and expanding functionality is achieved by eliminating cross-connections between the measuring channels of different projections of the measured acceleration due to the fact that the plate with sound ducts is bent so that it forms three mutually orthogonal faces of the cube.

Использование выполненных на пластине ПАВ-акселерометров и вычислительных блоков в измерительной технике известно. Однако выполнение этих элементов на одной пластине, согнутой так, что она образует три взаимно ортогональные грани куба, неизвестно, о чем свидетельствует проведенный патентный поиск. Таким образом, совокупность известных в отдельности элементов придает устройству новое качество, проявившееся в положительном эффекте - повышении точности и расширении функциональных возможностей устройства, в связи с чем устройство обладает существенными отличиями. The use of SAW accelerometers and computing units made on a plate in measurement technology is known. However, the implementation of these elements on one plate, bent so that it forms three mutually orthogonal faces of the cube, it is not known, as evidenced by the patent search. Thus, the combination of individually known elements gives the device a new quality, which manifests itself in a positive effect - improving accuracy and expanding the functionality of the device, and therefore the device has significant differences.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного ПАВ-акселерометра. Предложенный ПАВ-акселерометр содержит пластину 1, согнутую так, что она образует три взаимно ортогональные грани куба, шесть звукопроводов 2 - 7, выполненные по два на каждой грани, двенадцать ПАВ-генераторов 8 - 19, размещенных по два на обеих поверхностях каждого звукопровода 2-7, и вычислительный блок 20. The drawing shows a functional diagram of the proposed SAW accelerometer. The proposed SAW accelerometer contains a plate 1, bent so that it forms three mutually orthogonal faces of the cube, six sound ducts 2 to 7, made two on each face, twelve SAW generators 8 to 19, placed two on both surfaces of each sound duct 2 -7, and computing unit 20.

Предложенный ПАВ-акселерометр работает следующим образом. При движении объекта, на котором установлен ПАВ-акселерометр, с ускорением вдоль оси Ох (на чертеже вправо) оба звукопровода 2 и 3 под действием инерции изгибаются влево. Правые поверхности звукопроводов 2 и 3 растягиваются, а левые - сжимаются. Длины правых ПАВ-линий задержки соответственно увеличиваются, а левых - уменьшаются. Частоты правых ПАВ-генераторов уменьшаются, а левых - увеличиваются. Подробно работа ПАВ-генератора описана в работах [4, 5 и 6]: В этом случае:
f1= (fo+Δfx);
f2= (fo-Δfx);
f3= (fo+Δfx);
f4= (fo-Δfx). (1)
Выражение для определения проекции линейного ускорения Wx примет вид:
Wx= Kx(f1-f2+f3-f4) = 4KxΔfx. (2)
При повороте объекта вместе с предложенным ПАВ-акселерометром с угловым ускорением

Figure 00000002
вокруг оси Oz(на чертеже против часовой стрелки) звукопровод 3 будет изгибаться влево, а звукопровод 2 - на такую же величину вправо. Частоты сигналов на выходе ПАВ-генераторов 8-11 можно записать в следующем виде:
Figure 00000003

Figure 00000004

Figure 00000005

Figure 00000006
(3)
Выражение для определения проекции линейного ускорения
Figure 00000007
примет вид:
Figure 00000008
(4)
При движении объекта вместе с предложенным ПАВ-акселерометром с угловым ускорением
Figure 00000009
вокруг оси Oy звукопроводы 2 и 3 будут скручиваться, что добавит в каждое выражение для частот f1 - f4 (3) слагаемое:
Figure 00000010

Figure 00000011

Figure 00000012

(5)
Формулы (2) и (4) для определения линейного ускорения Wx, и углового
Figure 00000014
будут справедливы для выражений (5).The proposed SAW accelerometer works as follows. When moving an object on which a SAW accelerometer is mounted, with acceleration along the Ox axis (to the right in the drawing), both sound ducts 2 and 3 are bent to the left under the action of inertia. The right surfaces of the sound ducts 2 and 3 are stretched, and the left ones are compressed. The lengths of the right SAW delay lines increase accordingly, and the left - decrease. The frequencies of the right SAW generators decrease, and the left - increase. The operation of the SAW generator is described in detail in [4, 5 and 6]: In this case:
f 1 = (f o + Δf x );
f 2 = (f o -Δf x );
f 3 = (f o + Δf x );
f 4 = (f o −Δf x ). (1)
The expression for determining the projection of linear acceleration W x takes the form:
W x = K x (f 1 -f 2 + f 3 -f 4 ) = 4K x Δf x . (2)
When the object is rotated together with the proposed SAW accelerometer with angular acceleration
Figure 00000002
around the O z axis (counterclockwise in the drawing), the sound pipe 3 will bend to the left, and the sound pipe 2 will be bent to the right by the same amount. The signal frequencies at the output of the SAW-generators 8-11 can be written as follows:
Figure 00000003

Figure 00000004

Figure 00000005

Figure 00000006
(3)
The expression for determining the projection of linear acceleration
Figure 00000007
will take the form:
Figure 00000008
(4)
When the object moves along with the proposed SAW accelerometer with angular acceleration
Figure 00000009
around the O y axis, the sound ducts 2 and 3 will be twisted, which adds the term to each expression for frequencies f 1 - f 4 (3):
Figure 00000010

Figure 00000011

Figure 00000012

(5)
Formulas (2) and (4) for determining linear acceleration W x , and angular
Figure 00000014
will be valid for expressions (5).

Аналогично определяются выражения для частот f5 - f12 ПАВ-генераторов 12 - 19.Similarly, expressions are determined for the frequencies f 5 - f 12 SAW oscillators 12 - 19.

Figure 00000015

Figure 00000016

Figure 00000017

Figure 00000018

Figure 00000019

Figure 00000020
(6)
Figure 00000021

Figure 00000022

Wy= Ky(f6-f5-f7+f8) = 4KyΔfy;
Wz= Kz(f10-f9-f11+f12) = 4KzΔfz;
Figure 00000023

Figure 00000024
(7)
По формулам (2), (4) и (7) определяются шесть искомых параметров движения объекта, на котором установлен предложенный ПАВ-акселерометр: Wx, Wy, Wz,
Figure 00000025

Перед началом работы все двенадцать ПАВ-генератора 8- 19 настраиваются на одну частоту f0, значение которой записывается в оперативное запоминающее устройство вычислительного блока 20, который в процессе движения объекта на основании частот f1 - f12 сигналов, поступающих с выходов восьми ПАВ-генераторов 8-19, по записанным в постоянном запоминающем устройстве вычислительного блока 20 алгоритмам - выражениям (2), (4) и (7) - определяет количественные значения шести измеренных параметров Wx, Wy, Wz,
Figure 00000026

Данные алгоритмы могут быть выполнены бортовым компьютером, обслуживающим систему управления, в состав которой входит предложенный ПАВ-акселерометр.
Figure 00000015

Figure 00000016

Figure 00000017

Figure 00000018

Figure 00000019

Figure 00000020
(6)
Figure 00000021

Figure 00000022

W y = K y (f 6 -f 5 -f 7 + f 8 ) = 4K y Δf y ;
W z = K z (f 10 -f 9 -f 11 + f 12 ) = 4K z Δf z ;
Figure 00000023

Figure 00000024
(7)
According to formulas (2), (4) and (7), six sought parameters of the object’s motion are determined, on which the proposed SAW accelerometer is installed: W x , W y , W z ,
Figure 00000025

Before starting work, all twelve SAW oscillators 8-19 are tuned to one frequency f 0 , the value of which is written to the random access memory of the computing unit 20, which during the movement of the object based on the frequencies f 1 - f 12 signals coming from the outputs of eight SAW- generators 8-19, according to the algorithms recorded in the read-only memory of computing unit 20 — expressions (2), (4) and (7) —determines the quantitative values of the six measured parameters W x , W y , W z ,
Figure 00000026

These algorithms can be performed by an on-board computer serving the control system, which includes the proposed SAW accelerometer.

Таким образом, использование предложенного ПАВ-акселерометра позволит повысить точность измерения проекций линейного и углового ускорения и расширить функциональные возможности ПАВ-акселерометра за счет устранения перекрестных связей между измерительными каналами разных проекций измеряемого ускорения благодаря дополнительному оснащению тремя звукопроводами с ПАВ-генераторами на обеих поверхностях каждого звукопровода и вычислительным блоком, а пластина согнута так, что образует три взаимно ортогональные грани куба, на каждой из которых выполнена пара звукопроводов. Thus, the use of the proposed SAW accelerometer will improve the accuracy of measuring projections of linear and angular acceleration and expand the functionality of the SAW accelerometer by eliminating cross-connections between the measuring channels of different projections of the measured acceleration due to the additional equipment with three sound ducts with SAW generators on both surfaces of each sound duct and a computing unit, and the plate is bent so that it forms three mutually orthogonal faces of the cube, on each of which made a pair of sound ducts.

Список используемой литературы
1. Пат. США N 3.950.713
2. Пат. Франции N 2.452.714
3. Пат. Великобритании N 2.207.758.Bibliography
1. Pat. U.S. N 3.950.713
2. Pat. France N 2.452.714
3. Pat. Great Britain N 2.207.758.

4. А.И.Морозов, В.В.Проклов, Е.А.Станковский. Пьезоэлектрические преобразователи для электронных устройств. М., "Радио и связь", 1981. 4. A.I. Morozov, V.V. Proklov, E.A. Stankovsky. Piezoelectric transducers for electronic devices. M., "Radio and Communications, 1981.

5. Вестник КПИ "Радиотехника", 1983, вып. 20, с. 68. 5. Bulletin of the KPI "Radio Engineering", 1983, no. 20 p. 68.

6. Поверхностные акустические волны. Под ред. А.Олинера. М., "Мир", 1981. 6. Surface acoustic waves. Ed. A.Olinera. M., "World", 1981.

Claims (1)

Акселерометр с преобразователями на поверхностной акустической волне, содержащий три звукопровода, выполненные на одной пластине, с ПАВ-генераторами на обеих поверхностях каждого звукопровода, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен тремя звукопроводами с ПАВ-генераторами на обеих поверхностях каждого звукопровода и вычислительным блоком, а пластина согнута так, что образует три взаимно ортогональные грани куба, на каждой из которых выполнена пара звукопроводов. Accelerometer with transducers on a surface acoustic wave, containing three sound ducts made on one plate, with SAW generators on both surfaces of each sound duct, characterized in that it is additionally equipped with three sound ducts with SAW generators on both surfaces of each sound duct and a computing unit, and the plate is bent so that it forms three mutually orthogonal faces of the cube, on each of which a pair of sound ducts are made.
RU98101693A 1998-01-12 1998-01-12 Accelerometer with converters based on surface acoustic wave RU2139546C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98101693A RU2139546C1 (en) 1998-01-12 1998-01-12 Accelerometer with converters based on surface acoustic wave

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98101693A RU2139546C1 (en) 1998-01-12 1998-01-12 Accelerometer with converters based on surface acoustic wave

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2139546C1 true RU2139546C1 (en) 1999-10-10

Family

ID=20201759

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98101693A RU2139546C1 (en) 1998-01-12 1998-01-12 Accelerometer with converters based on surface acoustic wave

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2139546C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105954541A (en) * 2016-04-22 2016-09-21 中国科学院声学研究所 Three-axis surface acoustic wave acceleration sensor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105954541A (en) * 2016-04-22 2016-09-21 中国科学院声学研究所 Three-axis surface acoustic wave acceleration sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Al-Najafi et al. Free vibration of ring-stiffened cylindrical shells
Singh et al. Random response of symmetric cross-ply composite beams with arbitrary boundary conditions
Morse Some aspects of the theory of room acoustics
RU2139546C1 (en) Accelerometer with converters based on surface acoustic wave
US4621530A (en) Surface acoustic wave accelerometer
Juhl An axisymmetric integral equation formulation for free space non-axisymmetric radiation and scattering of a known incident wave
Norwood et al. Surface mobility of a circular contact area on an infinite plate
JPH0953912A (en) Method for measuring frequency characteristics of laser displacement gauge and laser vibration meter
Finnveden et al. A velocity method for estimating dynamic strain and stress in pipes
Trent The Absolute Calibration of Electro-Mechanical Pickups
RU2134886C1 (en) Unified measurement unit with converters based on surface acoustic wave
Keswick et al. A comparison of modal density measurement techniques
SU1679394A1 (en) Accelerometer
Hwang et al. Investigation of vibrational energy transfer in connected structures
SU1030733A1 (en) Angular acceleration meter
SU759860A1 (en) Acoustic frequency sensor
Abdul Kudus et al. Dynamic response measurement of steel plate structure utilising video camera method
JPH01182727A (en) Measurement of force using ultrasonic wave
JP3497279B2 (en) Ultrasonic flow meter
RU2017079C1 (en) Method of measuring parameters of oscillatory system
SU1018017A1 (en) Oscillation speed measuring method
SU1270582A1 (en) Method of measuring velocity and attenuation of acoustic waves in material
SU1569623A1 (en) Frequency pressure transducer
Sarradj Calculation of point mobilities at generic multi-plate/beam junctions
RU2032179C1 (en) Ultrasonic angular displacement speed transducer