RU175041U1

RU175041U1 - Differential Piezoelectronic Accelerometer

Info

Publication number: RU175041U1
Application number: RU2017124675U
Authority: RU
Inventors: Валерий Иванович Гупалов; Сергей Юрьевич Шевченко; Александр Сергеевич Кукаев
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2017-11-16

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения кажущегося ускорения в системах ориентации и навигации подвижных объектов и путеизмерительных комплексах, а также сейсмических измерениях. Технический результат – повышение чувствительности пьезоэлектронного акселерометра, обладающего расширенным частотным диапазоном (от 0 Гц). Дифференциальный пьезоэлектронный акселерометр содержит 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 жестко закреплены на основании, дифференциальный усилитель, при этом в усилитель дополнительно введены два идентичных фильтра нижних частот, входы которых соединены с выходами усилителей заряда, а выходы соединены со входами дифференциального усилителя, выход которого является выходом акселерометра. 1 ил.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to measure apparent acceleration in the orientation and navigation systems of moving objects and travel measuring complexes, as well as seismic measurements. EFFECT: increased sensitivity of a piezoelectronic accelerometer having an expanded frequency range (from 0 Hz). A differential piezoelectronic accelerometer contains a piezoelectric unit, the outputs of which are connected to the inputs of the same charge amplifiers, an alternating signal of a reference frequency, and a piezoelectric unit includes a piezoelectric exciter, the inputs of which are connected to the outputs of an alternating signal generator, the exciter being connected to identical piezoelectric transducers, which are rigidly fixed differential amplifier, with two identical lower filter their frequencies, the inputs of which are connected to the outputs of the charge amplifiers, and the outputs are connected to the inputs of a differential amplifier, the output of which is the output of the accelerometer. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения кажущегося ускорения в системах ориентации и навигации подвижных объектов и путеизмерительных комплексах, а также сейсмических измерениях.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to measure apparent acceleration in the orientation and navigation systems of moving objects and travel measuring complexes, as well as seismic measurements.

Известен пьезоэлектрический виброизмерительный преобразователь [А.с. №634493 СССР, МКИ G01P 15/08. Пьезоэлектрический виброизмерительный преобразователь / Цеханский К.Р., Макеев В.М., Б.И. №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.Known piezoelectric vibration transducer [A. S. No. 634493 of the USSR, MKI G01P 15/08. Piezoelectric vibration measuring transducer / Tsekhansky K.R., Makeev V.M., B.I. No. 43, 1978.] containing a differential piezoelectric element, which is two identical piezoelectric transducers and a test mass, a voltage amplifier, the input of which is connected to the output of the differential piezoelectric element, an inverting amplifier, the input of which is connected to the second output of the differential piezoelectric element, an adder, the inputs of which are connected to outputs of a voltage amplifier and an inverting amplifier. The output of the adder is the output of the converter. The differential circuit of the converter allows you to double the sensitivity of the conversion, but only in the region of vibration frequency and does not feel the apparent acceleration.

Известны пьезоэлектрические акселерометры [В.М. Шарапов, М.П. Мусиенко, Е.В. Шарапова. Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера, 2006, с. 632. (с. 496 - с. 527)], которые 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, отсутствием 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.Piezoelectric accelerometers are known [V.M. Sharapov, M.P. Musienko, E.V. Sharapova. Piezoelectric sensors. M .: Technosphere, 2006, p. 632. (p. 496 - p. 527)], which have a number of significant advantages: a wide frequency range, a linear characteristic in a wide dynamic range, high resistance to environmental influences, high accuracy in adverse operating conditions, the absence of moving parts, which guarantees exceptional durability and reliability, as well as the possibility of both macro and micro performance. however, piezoelectric accelerometers are operable only with dynamically changing accelerations with a lower frequency of more than 0.5 Hz, i.e. existing piezoaccelerometers are not designed to measure apparent and seismic accelerations.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является пьезоэлектронный акселерометр, [Патент РФ №2566655, Способ измерения кажущегося ускорения и пьезоакселерометр для его реализации], 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.Closest to the proposed utility model is a piezoelectronic accelerometer, [RF Patent No. 2566655, Method for Measuring Apparent Acceleration and a Piezo Accelerometer for its Implementation], comprising a piezoelectric unit, the outputs of which are connected to the inputs of identical charge amplifiers, an alternating reference signal generator, and the piezoelectric unit includes a piezoelectric exciter the inputs of which are connected to the outputs of the alternating signal generator, moreover, the pathogen is coupled with identical piezoelectric transducers, which are fixed on the base, and the outputs of identical converters are the outputs of the piezoelectric block, a differential amplifier, the inputs of which are connected to the outputs of the charge amplifiers, an amplitude to DC converter, the input of which is connected to the output of the differential amplifier, and the output is the output of the accelerometer.

Недостатком представленного акселерометра является низкая чувствительность, обусловленная нелинейными искажениями переменной составляющей сигнала, вызванная влиянием гистерезиса пьезокерамики, в особенности, при импульсной форме знакопеременного сигнала.The disadvantage of the presented accelerometer is the low sensitivity due to nonlinear distortions of the variable component of the signal, caused by the influence of hysteresis of piezoceramics, especially when the pulse form of an alternating signal.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является повышение чувствительности акселерометра.The problem solved by the proposed utility model is to increase the sensitivity of the accelerometer.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый дифференциальный 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 жестко закреплены на основании, дифференциальный усилитель, отличающийся тем, что в усилитель дополнительно введены два идентичных фильтра нижних частот, входы которых соединены с выходами усилителей заряда, а выходы соединены со входами дифференциального усилителя, выход которого является выходом акселерометра.The problem is solved due to the fact that the proposed differential piezoelectronic accelerometer containing a piezoelectric unit, the outputs of which are connected to the inputs of the same charge amplifiers, the alternating signal of the reference frequency generator, and the piezoelectric unit includes a piezoelectric exciter, the inputs of which are connected to the outputs of the alternating signal generator, and the exciter is coupled to identical piezoelectric transducers, which are rigidly fixed to the base, differential amplifier, distinguish iysya in that the amplifier further introduced two identical low-pass filter whose inputs are connected to outputs of the charge amplifiers, and the outputs are connected to inputs of a differential amplifier whose output is the output of the accelerometer.

Достигаемый технический результат: повышение чувствительности пьезоэлектронного акселерометра, обладающего расширенным частотным диапазоном (от 0 Гц).Technical result achieved: increasing the sensitivity of a piezoelectronic accelerometer having an extended frequency range (from 0 Hz).

Предложенная полезная модель базируется на знакочувствительности пьезоэффекта, т.е. изменении знака заряда при замене сжатия на растяжение и изменении знака деформации при изменении направления электрического поля.The proposed utility model is based on the sign sensitivity of the piezoelectric effect, i.e. a change in the sign of the charge when replacing compression with tension and a change in the sign of deformation when the direction of the electric field is changed.

Приведена структурная схема дифференциального пьезоэлектронного акселерометра. Она состоит из пьезоблока 1, генератора знакопеременного сигнала 2, пьезоэлектрического возбудителя 3, идентичных пьезоэлектрических преобразователей 4 и 5, усилителей заряда 6 и 7, идентичных фильтров нижних частот 8 и 9, дифференциального усилителя 10.The structural diagram of a differential piezoelectronic accelerometer is given. It consists of a piezoblock 1, an alternating signal generator 2, a piezoelectric driver 3, identical piezoelectric transducers 4 and 5, charge amplifiers 6 and 7, identical low-pass filters 8 and 9, and differential amplifier 10.

Дифференциальный пьезоэлектронный акселерометр работает следующим образом.Differential piezoelectronic accelerometer works as follows.

Пьезоблок 1 работает следующим образом: возбудитель 3 наводит в идентичных преобразователях 4 и 5, сочлененных с возбудителем 3, одинаковые механические напряжения опорной частоты, которая выше чем верхняя частота спектра кажущегося ускорения. 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. 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. За счет этого обеспечивается возможность измерения постоянно действующих ускорений (частотой 0 Гц), недоступная для аналогов.The piezoblock 1 operates as follows: the pathogen 3 induces in the identical converters 4 and 5, coupled with the pathogen 3, the same mechanical stress of the reference frequency, which is higher than the upper frequency of the spectrum of the apparent acceleration. At the same time, the pathogen 3 is a test mass that converts the apparent acceleration into mechanical antiphase stresses in identical piezoelectric transducers 4 and 5, which are summed (taking into account the sign) with the mechanical stresses of the reference frequency. The sign-sensitivity property of the piezoelectric effect allows you to summarize the alternating mechanical stress created by the pathogen, and the slowly changing mechanical stress caused by the apparent acceleration. The total mechanical stress is dynamically variable with a spectrum located in the vicinity of the reference frequency. Therefore, conversion to an electrical signal occurs in the zone of stable sensitivity and without distortion. Due to this, it is possible to measure constantly acting accelerations (frequency 0 Hz), inaccessible to analogues.

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.Mechanical stresses in identical piezoelectric transducers 4 and 5 are converted into electric charges, which are converted by charge amplifiers 6 and 7 into reference frequency voltages, the midline offset of which is proportional to the apparent acceleration.

Фильтры нижних частот 8 и 9 пропускают только постоянные составляющие сигналов, на основании которых дифференциальный усилитель 10 формирует выходной сигнал.Low-pass filters 8 and 9 pass only the constant components of the signals, on the basis of which the differential amplifier 10 generates an output signal.

Таким образом, решена задача измерения кажущегося ускорения при помощи пьезоэлектрических преобразователей с максимально возможной чувствительностью.Thus, the problem of measuring apparent acceleration using piezoelectric transducers with the highest possible sensitivity has been solved.

Дифференциальные пьезоэлектронные акселерометры могут быть выполнены как в макро-, так и в микроисполнении.Differential piezoelectronic accelerometers can be performed in both macro and micro.

Приведенное описание полезной модели доказывает достижение технического результата, повышения чувствительности, за счет того, что введенные в конструкцию фильтры нижних частот позволяют перейти от обработки гармонического переменного сигнала к обработке сигнала постоянного тока, исключив тем самым нежелательные искажения, возникающие при его преобразовании.The given description of the utility model proves the achievement of a technical result, increased sensitivity, due to the fact that the low-pass filters introduced into the design allow us to switch from processing a harmonic variable signal to processing a DC signal, thereby eliminating undesirable distortions arising from its conversion.

Claims

A differential piezoelectronic accelerometer comprising a piezoelectric unit, the outputs of which are connected to the inputs of the same charge amplifiers, an alternating signal of a reference frequency, and a piezoelectric unit including a piezoelectric exciter, the inputs of which are connected to the outputs of an alternating signal generator, the exciter being connected to identical piezoelectric transducers, which are rigidly mounted on the base , a differential amplifier, characterized in that the amplifier is additionally introduced two identical th lowpass filter whose inputs are connected to outputs of the charge amplifiers, and the outputs are connected to inputs of a differential amplifier whose output is the output of the accelerometer.