Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл точного измерени угловых ускорений, Известны дифференциальные угловые пьезозлектрические акселерометры, содержащие корпус, инерщюниую массу , два дискретных i-шк инге1.ральных пьезорезонатора и два автогенератора нагруженные на смеситель lj , Однако эти устройства обладйют невысокой точностью измерени из-за неидентичности параметров пьезорезо- наторев5 в первую очередь из-за невозможности обеспечешм одинаковых температурно-частотных характеристик последних. Кроме того такие акселерометры одновременно с угловыми восприниматот и линейные ускорени что вносит дополнительную погрешность J3 результаты измерений. Из известных дифференциальных угловьЕк пьезоэлектрических акселерометров наиболее близким по технической , сущности и достигаемому результа ту к предлагаемому устройству вл ет с акселерометр, содержавщй корпус с установленньпчи в нем пьезорезона™ тором с тонкопленочнымк электродами включениьЕ ш в схему автогенератора, и консольно закрепленный инерционный элемент 2 . Недостаток известного устройства состоит в невысогт. точности измер.ени угловых ускорений, что обусловлено высокой температурной погрешностью из-за неидентнчности темпера .турно-частотных характеристик пьезорез .снатороВэ вли нием,на результаты измерений линейньсс составл юпщх ускорени а также неидрнтичностью характеристик , aBTorejaepaTopOB. Цепь изобретени - повышение точногти ггзмарени згловых ускорений, Поставленна цель достигаетс TBMj что в дифференциальном угловом пьезоэлектрическом акселерометре содержащем корпус с установленными Б нем пьезорезонатором с тонкопленоч ньаФг электродами, включенными в схе му автогенедзатора,, и консольно закрепленньй инерционный элемент i пьезорезонатор, выполнен в виде диска и жестко прикреплен к ,корпусу но линг-т вдоль диаметра с помощью пр моугольной балки, а инерид онный элемент вьтолнен гантелеобразной формы и жестко прикреплен своей пе- 1 41 ремычкой к поверхности диска перпендикул рно линии краплени , при этом тонкопленрчные электроды вьшолнены в виде секторов и расположены в четырех квадрантах, образованных пересечением лршии креплени к корпусу и перемычки инергрнонного элемента. На фиг. 1 представлена конструкци дифференциального углового пьезоэлектрического акселерометра5 на, фиг, 2 - схема втслючени электродов пьезорезонатора акселерометра в многочастотный автогенераторе Акселерометр содержит корпус 1, инерционные массы 2 и 3, закреплен- ные на концах консоле 4 и 5, причем ка ,этих массах установлены фиксаторы 6 и „ Кроме того, в корпусе установлен пьезорезонатор 8 с четы- рехсегментнь№,ш электродами 9 о Пьезорезонатор жестко прикреплен к корпусу вдоль своего диаметра в зоне, свободной от электродов, с помощью пр моугольной балки 10J снабженной прорезью 11J в которуто этот пьезорезонатор и вставлено КГ1Сол,й, также жестко гфикреплены к пьезорезонатору сш-даетрично по отношению одна к другйй вдоль оси сим гетрии корпуса, а также перпендикул рно и сим1 1етрично относительно оси закреплени пьезорезонатора к корпусу. Элементы закрепле-. НИН пьезорезонатора и консолей механичес1 сн не соприкасаютс один с другим и наход тс взонах;. свободных от электродов пьезорезонатора, прргчем все четыре сегмента .одного из электродов подключены к базовой цепи многочастотного автогенератора 12, а все,сегменты другого электрода соединены с корпусом. Предлагаемый дифференциальный угловой пьезоэлектрический акселерометр работает следующим образом. Спектры кварцевых пьезорезонаторОБ характеризуютс наличием вблизи основпого колебани сдвига по толщйне р да побочных резонаторов, которые объедин ютс под общим названием - ангармонические моды колебаний сдвига по толщине, В предлагаемом устройства дл обеспече11и условий дл возбуждени в пьезорезонаторе 8 колебаний ангартда1 ,2 кажнических мод 1., 2, дый из электродов 9 пьазорезонатора выполнен четьгоехсегмектным (фиг, 1), 3 причем каждый из сегментов располаг етс в зоне максимальных деформаций пьезоэлемента, что обеспечивает зна чительный рост .активности, а значит и амплитуд колебаний этих мод не только по сравнению с другими модами , но и по отношению к основной частоте. В таких услови х, включив.пьезорезонатор 8 в схему многочастотного автогенератора 12 (фиг. 2) и.на-, ,строив нагрузочный С-контур в эмиттерной цепи этого автогенератора на разностную между модами 1, 2, 1 и 1, 1 2 частоту колебаний fр, нетрудно обеспечить двухчастотный режим колебаний, т.е. наличие в пьезо резонаторе 8 четьхрех зон деформаций пьезоэлемента (на фиг. 1 в подэлектродньк област х пунктиром обозначены эти области), две из которых , обозначенные а , соответствуют колебани м моды .1,2, 1, а две другие , обозначенные Ь , - колебани м моды 1, 1, 2. Как видно, зоны дефор мации колебаний этих двух мод не пе рекрываютс , хот и существуют в об щей пьезоэлектрической среде Кроме того, варьиру радиусом сферы и толщиной пьезоэлемента пьезорезонатора 8, удаетс создать такую конструкг г резонатора, в которой не только огсутствует акустическа св зь между зонами деформации колебаний мод t, 2, 1 и 1, 1, 2, но и осуществл етс полна акустическа .разв зка зон колебаний с элементами креплени пьезорезонатора 8 к корпусу 1 с элементами креплени к этому пьезорезонатору консолей 4 и 5 с инерционными массами 2 и 3. Необходимым и достаточным условием дл -этого вл етс наличие между кр ем зоны деформации и элементами креплени рассто ни , составл ющего , 10-15 толщин пьезоэлемента. В результате, при отсутствии воздействующих на акселерометр угловых ускорений в пьезорезонаторе одновременно существуют колебани мод . 1, 2j t и Ij 1, 2, а на выходе устройства имеем разностнук частоту л котора несет информацию о нуле ха- рактеристики преобразовани пред/iaгаемого устройства. При воздействии измер емых угловых ускорений (действующих в плос4 .4 кости фиг. 1) под действием инерционных масс 2 и 3 происходит противоположное по направле.нию смещение консолей 4 и 5, а значит и элементов креп-пени этих консолей к пьезорезонатору В.. Поскольку указанные элементы креплени жестко прикреплены к пьезорезонатору 8 вдоль его диаметра , а резонатор 8 жестко прикреплен в перпендикул рном направлении с помощью балки 10 в прорези 11 к корпусу 1,-то, например, при движении инерционных масс 2 и 3 по часовой стрелке, происходит раст жение зон деформации а , соответствующих колебани м ангармонической-моды I, 2,, 1,и сжатие зон деформации b 5 соответствующих колебани м ангармош1ческой моды 1,1,2. В результате дл изменений частот f и f, соответствующих этим колебани м, получим if, K,F ; uf , где F -усиление, прикладываемое к зонам а и Ь ; К,рИ -частотные коэффициенты силовой чувствительности дл колебат-1йангармонических мод 1, 2, 1 и 1, 1, 2 соответственно . Поскольку.знаки приращений частот и f2 вследствие разнозначности усилий, прикладываемых к зонам Q и Ъ J противоположны, то дл приращени информационной разности частоты р получим . : . р V При изменении знака углового ускорё ни крутизна характеристики преобразовани угловое ускорени - частота не измен етс , измен ютс лишь знаки приращени частот f и f . Фиксаторы 6 и 7, установленные на инерционных массах, с.лужат дггй предотвращени разрушени пьезорезонатора 8, если линейные или измер емое угловое ускорени превышают предельно допустимые значени . Поскольку в предлагаемом устрой- стве колебани с частотами f и существуют в едином пьезорезонаторе 8, а не в отдельных пьезорезонаторах, как это имеет место Б известных устройствах , то при работе предлагаемого акселерометра в широком диапазон температур дл обеих возбуждаемых мод толщинно-сЦвиговых колебаний обеспечиваютс идентичные температурно-частотные характеристики, что позвол ет благодар дифференциальному принципу измерений полностью устранить температзфную погреагостьThe invention relates to a measurement technique and can be used for accurate measurement of angular accelerations. Differential angular piezoelectric accelerometers are known, including a housing, inertial mass, two discrete i-PCs of integral piezoresonators, and two autogenerators loaded on the mixer lj. However, these devices have low accuracy due to the nonidentity of the parameters of the piezoresonorevorev5, primarily due to the impossibility of ensuring the same temperature-frequency characteristics of the of them. In addition, such accelerometers simultaneously with angular perceptors and linear accelerations that introduce additional error J3 measurement results. Of the known differential angles of piezoelectric accelerometers, the closest to the technical, the essence and the achieved result to the proposed device is with an accelerometer, containing a housing with a torus with thin film electrodes connected to the oscillator circuit, and a fixed inertial element 2. A disadvantage of the known device is nevsogt. accuracy of measurement of angular accelerations, due to the high temperature error due to the non-randomness of the temperature-frequency characteristics of the piezoresis and influence, on the measurement results of linear acceleration and non-orbital characteristics, aBTorejaepaTopOB. The circuit of the invention is to increase the accuracy of the acceleration of zglovyh accelerations. The goal is achieved by TBMj in a differential angle piezoelectric accelerometer containing a housing with a piezoresonator with thin film electrophragm electrodes included in an autogenerator circuit, and an incend pattern that is injected by an incend pattern. and rigidly attached to the casing but the ling-t along the diameter with a rectangular beam, and the inerid element is dumbbell-shaped and rigidly attached The flap with its 1 41 strap to the disk surface is perpendicular to the speckling line, while the thin-film electrodes are made in the form of sectors and arranged in four quadrants, formed by the intersection of the luminaire attached to the body and the jumpers of the inergrone element. FIG. 1 shows the design of a differential angular piezoelectric accelerometer 5, FIG. 2, a circuit for connecting the electrodes of the accelerometer piezoresonator to a multi-frequency auto-oscillator. The accelerometer includes a housing 1, inertial masses 2 and 3 fixed to the ends of the console 4 and 5, and ka, these masses are installed 6 and “In addition, a piezoresonator 8 with four-segment no., w electrodes 9 о is installed in the housing. The piezoresonator is rigidly attached to the housing along its diameter in the zone free from electrodes, using a straight A gon beam 10J fitted with a slot 11J in the co-rutto this piezoresonator and inserted KG1Sol, is also rigidly fixed to the piezoresonator ssh-darynno with respect to one to the other along the axis of the symmetry of the case, and perpendicular to the axis of the piezoresonator to the casing. The elements are fixed. NIN piezoresonator and mechanical consoles are not in contact with each other and are located ;. free from the electrodes of the piezoresonator, prprchem all four segments. one of the electrodes is connected to the base circuit of the multi-frequency oscillator 12, and all the segments of the other electrode are connected to the housing. The proposed differential angular piezoelectric accelerometer works as follows. The spectra of quartz piezoresonator OB are characterized by the presence of a number of side resonators in the vicinity of the fundamental shear thickness, which are collectively called anharmonic modes of shear thickness, In the proposed device for providing conditions for excitation of 8 anhardd 1 oscillations 1 in the piezoresonator, 2 2, one of the electrodes 9 of the piezoresonator is made four-segmented (Fig. 1), 3 and each of the segments is located in the zone of maximum deformations of the piezoelectric element, which provides The active growth considerably, and thus the oscillation amplitudes of these modes, not only compared to the other modes, but also in relation to the fundamental frequency. In such conditions, including a piezoresonator 8 in the multi-frequency oscillator 12 (Fig. 2) and. On-, building a load C-circuit in the emitter circuit of this oscillator on the difference between modes 1, 2, 1 and 1, 1 2 oscillations fр, it is easy to provide a two-frequency mode of oscillations, i.e. the presence in the piezo resonator 8 of the four deformation zones of the piezoelectric element (in Fig. 1, these areas are indicated by a dotted line in subelectrode regions), two of which, denoted a, correspond to mode oscillations .1,2, 1, and the other two, denoted b, - oscillations of modes 1, 1, 2. As can be seen, the deformation zones of oscillations of these two modes do not overlap, although they exist in a common piezoelectric medium. Moreover, by varying the radius of the sphere and the thickness of the piezoelectric element of the piezoresonator 8, it is possible to create such a design of a resonator, in which not only aku Sticking between the deformation zones of the modes t, 2, 1 and 1, 1, 2, but also complete acoustic oscillation of the oscillation zones with the fastening elements of the piezoresonator 8 to the housing 1 with the fastening elements of the consoles 4 and 5 sec. inertial masses 2 and 3. A necessary and sufficient condition for this is the presence between the edge of the deformation zone and the fastening elements of the distance, which is 10-15 thicknesses of the piezoelectric element. As a result, in the absence of angular accelerations acting on the accelerometer in the piezoresonator, mode oscillations simultaneously exist. 1, 2j t and Ij 1, 2, and at the output of the device we have the difference frequency l which carries the information about the zero characteristic of the conversion of the pre / ia device. Under the influence of measured angular accelerations (acting in plane 4 bones of Fig. 1), under the action of inertial masses 2 and 3, the consoles 4 and 5 oppositely directed in the direction of movement of these consoles to the piezo resonator B. Since these fastening elements are rigidly attached to the piezoresonator 8 along its diameter, and the resonator 8 is rigidly attached in the perpendicular direction with the help of the beam 10 in the slot 11 to the housing 1, for example, when the inertial masses 2 and 3 move clockwise, grown wives e deformation zones and corresponding to vibration of anharmonic modes I, 2 ,, 1, and compression deformation zones 5 b appropriate vibration of 1,1,2 angarmosh1cheskoy fashion. As a result, for changes in the frequencies f and f corresponding to these oscillations, we obtain if, K, F; uf, where F is the gain applied to zones a and b; K, pI are the frequency sensitivity coefficients of power for oscillating-1yangarmonic modes 1, 2, 1 and 1, 1, 2, respectively. Since the signs of the frequency increments and f2 due to the difference of the forces applied to the zones Q and b J are opposite, then to increment the information difference of the frequency p, we get. :. p V When the sign of the angular acceleration changes, the steepness of the conversion characteristic is angular acceleration — the frequency does not change, only the increment signs of the frequencies f and f change. Clamps 6 and 7, mounted on inertial masses, will serve to prevent the destruction of the piezoresonator 8 if the linear or measured angular acceleration exceeds the maximum permissible values. Since, in the proposed device, oscillations with frequencies f exist in a single piezoresonator 8, and not in individual piezoresonators, as is the case with known devices, then during operation of the proposed accelerometer in a wide temperature range for both excited modes of thicker oscillations provide identical temperature-frequency characteristics, which makes it possible, thanks to the differential measurement principle, to completely eliminate temperature tolerance
Важным преимуществом предлагаемо устройства по сравнению с базовым вл етсй его нечувствительность ко всем составл ющим ускорений, кроме углового. Это обусловлено тем, что воздействие всех неинформационных ускорений приводит к одинаковьм по величине и знаку деформаци м как зон колебаний Q , соответствующих ангармонической моде 1, 2, 1, так и зон колебаний, соответствующих ангармонической моде 1, 1, 2, Это дает одинаковые по величине и знаку приращени частот f и а информационна разностна частота fpостаетс неизменной, что также приводит к значительному вьигрьшу по точности измерений. Кроме того, предлагаемый акселерометр значйтельнр проще в схемном плане, так как не требует применени двух автогенераторЬв и смесител как известный акселерометр, а использует один простейший трехточечный автогенератор , работающий в двухчастотном режиме. Это обсто тельство обеспечивает устранение составл кицих .погрешностей, возникающих за счетAn important advantage of the proposed device in comparison with the base is its insensitivity to all components of accelerations, except for the angular. This is due to the fact that the effect of all non-informational accelerations leads to the same magnitude and sign of deformations of both the oscillation zones Q corresponding to the anharmonic mode 1, 2, 1, and the oscillation zones corresponding to the anharmonic mode 1, 1, 2. the magnitude and sign of the frequency increments f and a, the information difference frequency f, remains unchanged, which also leads to a significant improvement in measurement accuracy. In addition, the proposed accelerometer znachitelr is simpler in the schematic plan, since it does not require the use of two autogenerators and a mixer as a well-known accelerometer, and uses one simple three-point oscillator operating in two-frequency mode. This circumstance ensures the elimination of the component of the errors resulting from
неидентичности характеристик автогенераторов , снижает уровень собственных шумов электронной схемы и существенно повьппает надежность предаагаемого устройства в целом.non-identical characteristics of autogenerators, reduces the level of intrinsic noise of the electronic circuit and significantly increases the reliability of the predicted device as a whole.
В результате предложенных изменений конструкции и схемы дифференциалного углового пьезоэлектрического акселерометра, удаетс значительно повысить Точность измерений углового ускорени при одновременном существенном зтрощений схемы устройства. Это достигаетс путем полного устра°нени температурной погрешности измерений и независимостью выходной информационной разностной частоты fjj от неинформационных линейных составл ющих ускорени . Упрощение схемы устройства обеспечиваетс вьшолнением автогенератора 12 акселерометра многочастотным, работающим в двухчастотном режиме, и использова- . нием в качестве рабочих частот двух соседних ангармонических мод колебаний сдвига rip толщине. При этом отпад,ет необходимость в использовании второго автогенератора и смесител , что не только дает дополнительный выигрыш по точности и уменьшает уровень собственных шумов устройства , снижа его порог чувствительности , но и значительно повыша .ет надежность предложенного дифференциального акселерометра по сравнению с известным.As a result of the proposed changes in the design and scheme of the differential angular piezoelectric accelerometer, it is possible to significantly improve the accuracy of measurements of the angular acceleration while simultaneously substantially improving the design of the device. This is achieved by completely eliminating the temperature error of measurement and the independence of the output information difference frequency fjj from the non-informational linear components of the acceleration. The simplification of the circuit of the device is provided by the implementation of the auto-generator 12 of the accelerometer with the multi-frequency operating in the two-frequency mode, and using. as the operating frequencies of two neighboring anharmonic modes of oscillations of shear rip thickness. At the same time, there is a need to use the second oscillator and mixer, which not only provides an additional gain in accuracy and reduces the noise level of the device, reducing its sensitivity threshold, but also significantly improves the reliability of the proposed differential accelerometer compared to the known one.