Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 [28] 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45


Рис. 5.25- Однокомпонентные частотные акселерометры:

М - инерционная масса; УП - упругий подвес; К - корпус; С - струна-токо-подвод

На рис. 5.25,Л1Г представлена схема дифференциального пьеэоакселе-рометра с одной инерционной массой, размещенной между резонаторами. Могут быть применены как дискретные резонаторы, так и резонаторы, сформированные в одной пластине [107]. Как нетрудно видеть, ПР механически включены параллельно жесткому корпусу, поэтому стабильность нуля этих приборов в существенной мере зависит от степени согласованности коэффициентов линейного расишрения элементов конструкции, в первую очередь резонаторов и корпуса, а также от соверщен-ства соединительных элементов. В этом отношении дифференциальные схемы, в которых упругие массы разделены (рис. 5.25,6 и д), оказываются предпочтительней.

В схемах с двумя инерционными массами паразитные деформации, 170

порождаемые температурными воздействиями, старением, усадкой, люфтом элементов соединений и другими причинами, приводят к прогибу подвеса. Поскольку жесткость подвеса в направлении оси чувствительности, как правило, мала, усилия на резонатор, вызванные прогибом подвеса, оказываются малыми. Этим и достигается выигрыш в метрологическом отношении разомкнутых схем с двумя массами по сравнению с замкнутыми схемами с одной массой.

С точки зрения простоты конструкции одним из наиболее оптимальных является дифференциальный пьезоакселерометр, выполненный на основе двухрезонаторной рамы (рис. 5.25,з), рассмотренной в § 5.2.

Функции подвеса, инерционной массы в схеме зьшолняют сами силочувствительные резонаторы. Рамная конструкция, как было показано вьипе, обладает свойствами усилителя механических воздействий, что позволяет строить на ее основе пьезоакселерометры с малой инерционной массой (0,1-5 г) для диапазона ускорений 10-200 м/с .

В рассмотренных вьппе схемах на рис. 5.25 снижение боковой чувствительности достигается применением однонаправленных упругих подвесов, устраняющих поперечное силовое воздействие на пьезорезонатор. Действие боковых компонентов снижается в сотни раз. Поскольку в акселерометре на основе рамной конструкции силочувствительные резонаторы выполняют и функции элементов подвеса, боковая чувствительность рамной схемы окаэьшается более значительной.

Так, если под действием вертикальных (в плоскости чертежа) ускорений консоль прогибается вниз, то искривление вызовет ее реакцию на паразитную (горизонтальную) составляющую ускорения, также приводящую к прогибу консоли и появлению ложного сигнала. Горизонтальная составляющая в консольной схеме вызывает ложный сигнал кроме того и за счет неидентичности чувствительностей двух СЧР. Снижения боковой чувствительности можно достичь введением дополнительного упругого элемента, обладающего малой жесткостью вдоль оси чувствительности и существенно большей жесткостью по отношению к воздействиям по другим осям (рис. 5.25,м).

Схема рис. 5.25,к: отличается непараллельным расположением СЧР, что позволяет повысить жесткость системы подвеса ИМ, резонансные частоты конструкции и расширить полосу пропускания датчика. Схема рис. 5.25,к- по своим свойствам занимает промежуточное место между схемами с прямым и консольным нагружением. При угле а = 0° она вырождается в схему рис. 5.25,з.

Среди схем, приведенных на рис. 5.25, наименьшей боковой чувствительностью обладают конструкции с прямым нагружением на основе симметричных возвратно-поступательных УП (рис. 5.25,а-в). Несколько большая боковая чувствительность характерна для несимметричных УП, аналогичных показанным на рис. 5.25 ,д.

Снижение боковой чувствительности дает реализация КДЛУ по дважды дифференциальной схеме (ДДС) с четырьмя СЧР, образующими две




=3 с

/1Г,

ФСРЧ

ФСРЧ

AfsAf

Рис. 5.26. КДЛУ, выполненный по дважды дифференциальной схеме

идентичные консоли (рис. 5.26,д). В этом варианте резонаторы ЯР]-Я/4 имеют равные по величине приращения частот при ускорении вдоль 04, причем Д/i = Д/з = -Д/г = - ДД. Информация об ускорении формируется в результате вычисления суммы

А/Х = (A/i - А/2) + (Д/з - ДА) = 4Д/,.

(5.19)

Увеличение чувствительности вдвое по сравнению с обычной дифференциальной схемой привело к удвоению массы. Если же сумму ИМ в ДДС сделать равной ИМ обычной дифференциальной схемы, го по чувствительности схемы станут равноценны. Вьшгрыш ДДС проявится за счет увеличения резонансной изгибной частоты при уменьшении ИМ в каждом из плеч. Самое же существенное, что два плеча ДДС будут давать равные по величине и противоположные по знаку реакции на боковые горизонтальные компоненты ускорения и в суммарном приращении Д/ скомпенсируюгся.

Таким образом, дваяоды дифференциальные схемы позволяют в принципе снижать боковую чувствительность в 10 раз и более. Эта, правда, требует примерно двойного усложнения электронной схемы датчика, однако современный уровень микроэлектроники не создает здесь принципиальных препятствий.

При решении конкретных прикладных задач в ходе разработок акселерометров обычно приходится делать выбор между мягкими, но высокочувствительными консольными схемами и жесткими схемами с прямым иагружением, обладающими меньшей чувствительностью.

в) Примеры практической реализации КДЛУ

Линейный акселерометр с низкочастотным изгибным ПР описан в [85]. Чувствительный элемент выполнен в виде интегральной конструкции, обьединяющей в моноблоке пьезокварца колеблющуюся пьезо-172

пластину и акустический фильтр-пробку (см. рис. 2.17,д). Конструкция дифференциального однокомпонентного акселерометра аналогична приведенной на рис. 5.25,<). СЧР расположены на одной оси, с которой совмещены и центры масс ИМ. Две секции акселерометра идентичны и развернуты под углом 180°. В каждой из секций корпус, упругий подвес и инерционная масса обьединены. Резонаторы имеют начальную частоту около 6 кГц, полезные изменения составляют около ± 4 кГц при нагрузке на элемент ±9 Н. Нелинейность характеристики сила - частота одного резонатора достигает 6%. Нелинейность дифференциального акселерометра существенно меньше (0,1-0,3%). Действительно, зависимость частоты от ускорения имеет вид: для первого плеча

/1 = f 01 + kumw + kiiimwy +kn(mtwy + (5.20)

для второго плеча

/2 =/o2-A:,2W2W +k22im2wy -ki2(m2wy + ... . (5.21)

Если принять ш, = Ш2, го выходная разностная частота

Д/ = /1 - А = (foi - /02) + miwikti + ki2) +

+ (miwy (к21 -к22) + (miwy {кз1 +кз2). (5.22)

На практике кгг = /22, поэтому сводится к нулю квадратичный член в разложении (5.22) - основной источник нелинейности СЧР и соотношение упрощается:

Д/ = Д/о + mwA [1 + imiwyB/A], (5.23)

где А = кц + ki2; В = кз1 + кз2. Компенсация квадратичных членов нелинейности позволяет уменьшить нелинейность дифференциальной схемы до уровня долей процента.

Суточный дрейф разностной частоты прибора лежит на уровне ± Ю"" Гц. Это в сочетании с низким гистерезисом в конструкции обеспечивает чрезвычайно высокий динамический диапазон измерений - на уровне 10"- 10*.

Температурные уходы частоты изгибного СЧР описьшаюгся соотношением

г(2) ™ 7, ч21

/ =/о[1 + ту (Т-ТоУ]. Чувствительность Кр изменяется по закону

Можно показать, что

г()= гЯ S i г(> 42.6•10-.K-

(5.24)

(5.25)

(5.26) 173




СЧР,

Рис. 5.27. Конструкция дифференциального КДЛУ:

377 - упругий преобразователь; О -основание

где = Т второго порядка

коэффициента упругой податливости 5,,.

Таким образом, в диапазоне изменений температуры на ±50 °С относительно температуры экстремума ТЧХ изменения чувствительности составляют не более 0,01 %. Стабильность нуля оказывается еще выще за счет дифференциальной схемы.

Описанный КДЛУ рассчитан на рабочие ускорения до 500-1000 м/с. КДЛУ на основе высокочастотных резонаторов. В СССР разработан унифицированный ряд однокомпонентных датчиков линейных ускорений, основу которых составляют силочувствительные резонаторы типа ЭПК-А. Датчики выполняются по дифференциальной схеме. Принцип действия поясняется рис. 5.27. СЧР размещаются в одной плоскости. Оси вращения упругих подвесов совмещены.

Центр масс подвижной системы находится на пересечении продольной оси шмметрии резонатора и перпендикулярной ей плоскости симметрии подвеса. Принятая компоновка двух плеч дифференциальной схемы обеспечивает минимальную боковую чувствительность КДЛУ. Упругие подвесы выполняются вместе с инерционной массой в моноблоке из сплава с высокой стабильностью упругих свойств и ТКЛР, близким к ТКЛР кварца (36НХТЮ, 42НХТЮ).

Рабочий диапазон измеряемых ускорений можно менять в щироких пределах введением добавочной инерционной массы либо изменением положения центра масс подвижной системы по отнощению к месту закрепления резонатора к инерционной массе. При этом базовый конструктив - основание с интегральным подвесом и присоединениями резонаторов, а также электронный узел датчика остаются неизменными. На этой основе реализован ряд КДЛУ с рабочим диапазоном от 1 до 10 g.

Основные характеристики приборов - номинальное ускорение w, основная погрешность 5осн> дополнительная температурная погрешность бдоп, начальная частота /о, частота первого резонанса подвижной системы Vi, масса КДЛУ - представлены в табл. 5.6.

По своим характеристикам КДЛУ уступают датчикам с изгибными резонаторами, однако в конструктивном отношении они значительно проще.

Один из недостатков КДЛУ с прямым нагружением резонаторов связан с высокой добротностью механической системы {Q 100) прибора 174

Модификация

Параметр

„,м/с 5

,%/°С У1,кГц т,т /о, кГц

10"

0,01-0,03

0,01-0,03

0,01-0,03

0,01-0,03

0,12

на частоте резонанса, что требует принятия мер для защиты пьезоэлементов при вибрациях и ударах. Малые перемещения ИМ затрудняют использование ограничителей хода, стопоров и т.п. В ряде случаев прибегают к установке КДЛУ на дополнительные платформы с демпфированием, однако это может привести к развороту оси чувствительности прибора при деформациях демпфера. Защита пьезоэлементов возможна путем введения между инерционной массой и резонатором дополнительной низкочастотной пружины, растягивающей фронты ударных импульсов и ослабляющей действие перегрузок при вибрациях.

Другой путь - жидкостное демпфирование - реализован в КДЛУ, производимых японской компанией Токио Денпа [111].

Основа датчика (рис. 5.28) - консольный двухрезонаторный преобразователь с непараллельными силочувствительными элементами. Преобразователь находится в среде инертного газа и герметизирован с помощью сильфона. Между стенкой корпуса и сильфоном заливается демпфирующая жидкость, снижающая колебательность консоли на частоте изгибного резонанса за счет вязкого трения. Степень демпфирования зависит от формы и размеров инерционной массы и коэффициента кинематической вязкости. Оптимальный коэффициент демпфирования (0,6) достигается с силиконовым маслом вязкостью 1,2 • 10"* м/с.

В конструкции предусмотрены меры, направленные на термокомпенсацию. Основной источник температурной нестабильности датчика - тер-


Рис. 5.28. Акселерометр компании Токио-Денпа:

ЖД - жидкостный демпфер; С - сильфон; Я - подвес; ИМ - инерционная масса



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 [28] 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.0009