Акселерометр

Реферат

 

Использование: приборостроение, акселерометры на основе преобразователей поверхностных акустических волн. Сущность изобретения: чувствительный элемент и основание выполнены из единого элемента. На них образовано n пар линий задержки, каждая из которых содержит встречно-штыревые преобразователи. Электронная схема акселерометра содержит генератор тактовых импульсов, в каждой из n цепей распределитель импульсов, коммутаторы, два триггера знака, времяимпульсные преобразователи, регистры в прямом коде, суммирующий блок, блоки вычитания, суммирующие блоки, а также общие для всех цепей выходной коммутатор и выходной регистр. 3 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в акселерометрах для измерения ускорения подвижных объектов. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерений. На фиг. 1 на примере акселерометра с двумя парами линий задержки на основании и ЧЭ показана конструкция акселерометра; на фиг. 2 блок-схема акселерометра, общий вид, на фиг. 3 временная диаграмма сигналов акселерометра. Элементы акселерометра на фиг. 1, 2 имеют следующее обозначение: 1 чувствительный элемент; 2 основание; 3 входные ВШП на ЧЭ; 4 выходные ВШП на ЧЭ; 5 входные ВШП на основании; 6 выходные ВШП на основании; 7 генератор тактовых импульсов; 8 распределитель импульсов; 9, 10, 11 коммутаторы в звеньях; 12 триггер знака; 13, 14, 15 -времяимпульсные преобразователи; 16, 17, 18 регистры в прямом коде; 19 суммирующий блок; 20, 21, 22, 23 блоки вычитания; 24, 25 суммирующие блоки; 26 входной коммутатор; 27 выходной регистр. Акселерометр (фиг. 1) имеет чувствительный элемент 1 и основание 2, образующие вместе единый элемент, причем основание 2 охватывает ЧЭ 1. На чувствительном элементе 1 и основании 2 образовано n пар линий задержки. В паре линий задержки на чувствительном элементе 1 образованы входной ВШП 3 и выходной ВШП 4 первой ЛЗ, входной ВШП 3 и выходной ВШП 4 второй ЛЗ. В паре ЛЗ на основании 2 образованы входной ВШП 5 и выходной ВШП 6 первой ЛЗ, входной ВШП 5 и выходной ВШП 6 второй ЛЗ. В блок-схеме акселерометра (фиг. 2) имеется генератор тактовых импульсов 7 с частотой следования импульсов не более 1/ (где максимальное изменение времени запаздывания в линии задержки). В электронную схему введены распределитель импульсов 8, соединенный с генератором тактовых импульсов 7, последовательно соединенные выходной коммутатор 26 и выходной регистр 27, а также n цепей преобразования сигналов для n пар ЛЗ на ЧЭ 1 и основании 2, причем каждая цепь служит для преобразования сигналов пары ЛЗ на ЧЭ 1 и пары ЛЗ на основании 2. Каждая из цепей преобразования сигналов содержит два триггера знака, первый суммирующий блок и последовательно соединенные первый блок вычитания, второй суммирующий блок и третий суммирующий блок, а также три звена, в состав каждого из которых входят регистр в прямом коде и последовательно соединенные коммутатор, времяимпульсный преобразователь и соответствующий, кроме первого, блок вычитания. Первая цепь преобразования сигнала содержит триггеры знака 12,12I первый суммирующий блок 19 и последовательно соединенные первый блок вычитания 23, второй суммирующий блок 24 и третий суммирующий блок 25, а также три звена, в состав каждого из которых входят один из регистров в прямом коде 16, 17, 18 и последовательно соединенные один из коммутаторов 9, 10, 11, один из времяимпульсных преобразователей 13, 14, 15, один из блоков вычитания 20, 21, 22. Первый вход первого триггера знака 12 подключен к выходному ВШП 6 первой ЛЗ на основании 2, второй вход к выходному ВШП 4 первой ЛЗ на ЧЭ 1. Первый вход второго триггера знака 12I подключен к выходному ВШП 6I второй ЛЗ на основании 2, второй вход к выходному ВШП 4I второй ЛЗ на ЧЭ 1. В состав первого звена первой цепи преобразования сигнала входят регистр в прямом коде 16, последовательно соединенные коммутатор 10, времяимпульсный преобразователь 13, второй блок вычитания 20. К первому входу коммутатора 10 подсоединен выходной ВШП 6 первой ЛЗ на основании 2, ко второму входу выходной ВШП 6I второй ЛЗ на основании 2. Выход времяимпульсного преобразователя 13, подсоединенный к первому входу второго блока вычитания 20, соединен со входом регистра в прямом коде 16, выход которого подключен к второму входу второго блока вычитания 20. Второе звено преобразователя сигналов содержит регистр в прямом коде 17, последовательно соединенные коммутатор 11, времяимпульсный преобразователь 14 и третий блок вычитания 21. К первому и второму входам коммутатора 11 подключены соответственно выходной ВШП 4I первой ЛЗ и выходной ВШП 4 второй ЛЗ на ЧЭ 1. Выход времяимпульсного преобразователя 14, подключенный к первому входу третьего блока вычитания 21, подключен к входу регистра в прямом коде 17, выход которого подключен к второму входу третьего блока вычитания 21. Выходы второго блока вычитания 20 первого звена и третьего блока вычитания 21 второго звена соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока вычитания 23. В состав третьего звена входят регистр в прямом коде 18, последовательно соединенные коммутатор 9, времяимпульсный преобразователь 15 и четвертый блок вычитания 22. К первому и второму входам коммутатора 9 подсоединены соответственно выходной ВШП 6 первой ЛЗ и выходной ВШП 6I второй ЛЗ на основании 2, к третьему и четвертому входам выходной ВШП 4 первой ЛЗ и выходной ВШП 4I второй ЛЗ на ЧЭ 1. Выход времяимпульсного преобразователя 15 подключен к первому входу четвертого блока вычитания 22, входу регистра в прямом коде 18, первому входу первого суммирующего блока 19. Первый и второй выходы регистра в прямом коде 18 соединены соответственно со вторыми входами четвертого блока вычитания 22 и первого суммирующего блока 19, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам первого триггера знака 12 и второго триггера знака 12I а выход к второму входу третьего суммирующего блока 25. Выход четвертого блока вычитания 22 соединен с вторым входом второго суммирующего блока 24. Выход третьего суммирующего блока 25 является выходом первой цепи преобразования и подключен к одному из входов выходного коммутатора 26. Аналогично n-я цепь преобразования сигнала содержит триггеры знака 12(n-1), 12(n), первый суммирующий блок 19(n/2) и последовательно соединенные первый блок вычитания 23(n/2), второй суммирующий блок 24(n/2) и третий суммирующий блок 25(n/2), а также три звена, в состав каждого из которых входят один из регистров в прямом коде 16(n/2), 17(n/2), 18(n/2) и последовательно соединенные один из коммутаторов 9(n/2), 10(n/2), 11(n/2), один из времяимпульсных преобразователей 13(n/2), 14(n/2), 15(n/2) один из блоков вычитания 20(n/2), 21(n/2), 22(n/2). Первый вход первого триггера знака 12(n-1) подключен к выходному ВШП 6(n-1) (n-1)-й ЛЗ на основании 2, второй вход к выходному ВШП 4(n-1) (n-1)-й ЛЗ на ЧЭ 1. Первый вход второго триггера знака 12(n) подключен к выходному ВШП 6(n) n-й ЛЗ на основании 2, второй вход к выходному ВШП 4(n) n-й ЛЗ на ЧЭ 1. В состав первого звена n-й цепи преобразования сигнала входят регистр в прямом входе 16(n/2), последовательно соединенные коммутатор 10(n/2), времяимпульсный преобразователь 13(n/2), второй блок вычитания 20(n/2). К первому входу коммутатора 10(n/2) подсоединен выходной ВШП 6(n-1) (n-1)-й ЛЗ на основании 2, к второму входу выходной ВШП 6(n) n-й ЛЗ на основании 2. Выход времяимпульсного преобразователя 13(n/2) подсоединен к первому входу второго блока вычитания 20(n/2) и к входу регистра в прямом коде 16(n/2), выход которого подключен к второму входу второго блока вычитания 20(n/2). Второе звено преобразователя сигналов содержит регистр в прямом коде 17(n/2) и последовательно соединенные коммутатор 11(n/2) времяимпульсный преобразователь 14(n/2) и третий блок вычитания 21(n/2). К первому и второму входам коммутатора 11(n/2) подключены соответственно выходной ВШП 4(n-1) (n-1)-й ЛЗ и выходной ВШП 4(n) n-й ЛЗ на ЧЭ 1. Выход времяимпульсного преобразователя 14(n/2), подключенный к первому входу третьего блока вычитания 21(n/2), соединен с входом регистра в прямом коде 17(n/2), выход которого подключен к второму входу третьего блока вычитания 21(n/2). Выходы второго блока вычитания 20(n/2) первого звена и третьего блока вычитания 21(n/2) второго звена подключены соответственно к первому и второму входам первого блока вычитания 23(n/2). Третье звено содержит регистр в прямом коде 18(n/2), последовательно соединенные коммутатор 9(n/2), времяимпульсный преобразователь 15(n/2) и четвертый блок вычитания 22(n/2). К первому и второму входам коммутатора 9(n/2) подключены соответственно выходной ВШП 6(n-1) (n-1)-й ЛЗ и выходной ВШП 6(n) n-й ЛЗ на основании 2, к третьему и четвертому входам выходной ВШП 4(n-1) (n-1)-й ЛЗ и выходной ВШП 4(n) n-й ЛЗ на ЧЭ 1. Выход времяимпульсного преобразователя 15(n/2), соединенный с первым входом четвертого блока вычитания 22(n/2), подключен к входу регистра в прямом коде 18(n/2), первому входу первого суммирующего блока 19(n/2). Первый и второй выходы регистра в прямом коде 18(n/2) соединены соответственно с вторыми входами четвертого блока вычитания 22(n/2) и первого суммирующего блока 19(n/2) и третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам первого триггера знака 12(n-1) и второго триггера знака 12(n), а выход к второму входу третьего суммирующего блока 25(n/2). Выход четвертого блока вычитания 22(n/2) соединен с вторым входом второго суммирующего блока 24(n/2). Выход третьего суммирующего блока 25(n/2) является выходом n-й цепи преобразования и соединен с одним из входов выходного коммутатора 26. Генератор тактовых импульсов 7 выходом, имеющим частоту следования импульсов не более 1/, где максимальное изменение времени задержки в каждой ЛЗ, соединен с входом распределителя импульсов 8, который имеет n пар выходов, одна пара выходов для каждой цепи преобразования сигнала. В первой цепи преобразования первая пара выходов распределителя импульсов 8 соединена с парой из третьего и четвертого входов коммутатора 10 в первом звене и коммутатора 11 во втором звене. Первый выход первой пары соединен с входным ВШП 3 первой ЛЗ на ЧЭ 1 и с входным ВШП 5 первой ЛЗ на основании 2. Второй выход первой пары подключен к входному ВШП 3I второй ЛЗ на ЧЭ 1 и к четвертому ВШП 5I второй ЛЗ на основании 2. Аналогично в n-й цепи преобразования n-я пара выходов распределителя импульсов 8 соединена с парой из третьего и четвертого входов коммутатора 10(n/2) в первом звене и коммутатора 11(n/2) во втором звене. Первый выход n-й пары соединен с входным ВШП 3(n-1) n-1 ЛЗ на ЧЭ 1 и с входным ВШП 5(n-1) (n-1)-й ЛЗ на основании 2. Второй выход n-й пары подключен к входному ВШП 3(n) n-й ЛЗ на ЧЭ 1 и к входному ВШП 5(n) n-й ЛЗ на основании 2. Устройства 8, 9.27 соединены с генератором тактовых импульсов 7 шиной "а", а устройства 13, 14, 15,13(n/2), 14(n/2), 15(n/2) линией высокочастотного заполнения "б". Акселерометр работает следующим образом. Генератор тактовых импульсов 7 по одной из линий шины "а" посылает импульсы коммутации "к" (фиг. 3), которыми переключается распределитель 8 последовательно на 1-ю, 2-ю и т.д. цепи преобразования, по которым импульсы 1, 2, поступают на ВШП, 1-й импульс поступает на входной ВШП 3 на ЧЭ 1 и входной ВШП 5 на основании 2. Второй импульс поступает на входной ВШП 3I на ЧЭ 1 и входной ВШП 5I на основании 2. Соответственно n-й импульс поступает на входной ВШП 3(n) на ЧЭ 1 и ВШП 5(n) на основании 2. При наличии измеряемого ускорения происходит деформация ЧЭ 1 и возникает разность между временем прохождения ПАВ от входных ВШП 3,3I 3(n-1), 3(n) до выходных ВШП 4,4I4(n-1), 4(n) на ЧЭ 1 и временем прохождения ПАВ от входных ВШП 5,5I5(n-1), 5(n) до выходных ВП 6,6I6(n-1), 6(n) на основании 2, т.е. разность между 3-4 и 5-6. Коммутаторы 9,9(n/2) управляющими импульсами К91 и К92 поочередно подключают к времяимпульсным преобразователям 15.15(n/2) выходные ВШП 4 и 6,4I и 6I4(n-1) и 6(n-1), 4(n) и 6(n). В результате во времяимпульсном преобразователе 15 преобразуется в цифровой код последовательность прохождения импульсов сначала от ВШП 4 и ВШП 6, затем от ВШП 4I и ВШП 6I Аналогично во времяимпульсном преобразователе 15(n/2) преобразуется в цифровой код последовательность прохождения импульсов сначала от ВШП 4(n-1) и 6(n-1), а затем от ВШП 4(n) и 6(n). Значение кода на выходах времяимпульсных преобразователей зависит от деформации ЧЭ 1, а следовательно, и от измеряемого ускорения. Коммутаторы 10,10(n/2) управляющими импульсами К10 поочередно подключают к времяимпульсным преобразователям 13,13(n/2) ВШП 5 и 6, 5I и 6I5(n-1) и 6(n-1), 5(n) и 6(n). В результате во времяимпульсном преобразователе 13 преобразуется в цифровой код время прохождения ПАВ от ВШП 5 к ВШП 6, затем от ВШП 5I к ВШП 6I т.е. 5-6 и 5-6. Соответственно во времяимпульсном преобразователе 13(n/2) получается код времени прохождения ПАВ сначала от ВШП 5(n-1) к ВШП 6(n-1), а затем от ВШП 5(n) к 6(n). С помощью коммутаторов 11,11(n/2) управляющими импульсами К11 последовательно во времени к времяимпульсным преобразователем 14,14(n/2) подсоединяются ВШП 3 и 4, 3I и 4I3(n-1) и 4(n-1), 3(n) и 4(n). Поэтому на выходе времяимпульсного преобразователя 14 получается цифровой код времени прохождения ПАВ сначала от ВШП 3 и ВШП 4, а затем от ВШП 3I к ВШП 4I т.е. 3-4 и 3-4. Аналогично на выходе времяимпульсного преобразователя 14(n/2) получаются коды времени прохождения ПАВ от ВШП 3(n-1) к ВШП 4(n-1) от ВШП 3(n) к ВШП(n). Триггеры знака 12, 12I сравнивают последовательности поступления импульсов соответственно от ВШП 4 и 6, а также от ВШП 4I и 6I В зависимости от того, от какого ВШП (4 или 6) раньше поступает импульс в триггер знака 12, в нем формируется код знака (0 или 1), определяющий направление ускорения. Код знака поступает затем в третий суммирующий блок 25 и затем в выходной регистр 27. Аналогично триггеры знака 12(n-1), 12(n) сравнивают последовательности поступления импульсов соответственно от ВШП 4(n-1) и 6(n-1), 4(n) и 6(n). В регистрах в прямом коде 16,16(n/2) по управляющим импульсам К16 производится запоминание кода времени прохождения ПАВ от ВШП 5 к ВШП 6 и соответственно от ВШП 5(n) к ВШП 6(n). Далее во вторых блоках вычитания 20,20(n/2) по управляющим импульсам К20 осуществляется сложение обратных кодов, поступающих из регистров в прямом коде 16,16(n/2) и прямых кодов времяимпульсных преобразователей 13,13(n/2), что дает операцию вычитания. В результате операции вычитания сигналов блоков 16 и 13 получается разность кодов времени прохождения ПАВ от ВШП 5 к ВШП 6 и от ВШП 5I к ВШП 6I на основании 2, т.е. разность 5-6 и 5-6, которая определяет разность температур окружающей среды на внешней периферии линий задержки на ЧЭ 1. На выходах третьих блоков вычитания 21,21(n/2) по управляющим импульсам К21 получается разность кодов, поступающих из регистров в прямом коде 17, 17(n/2) и времяимпульсных преобразователей 14,14(n/2), что дает разность времени прохождения ПАВ от ВШП 3 к ВШП 4 и от ВШП 3I к ВШП 4I на ЧЭ 1, т.е. разность 3-4 и 3-4, что служит информацией о разности температуры линий задержки на самом ЧЭ. На выходах четвертых блоков вычитания 22,22(n/2) по управляющим импульсам К22 образуется разность кодов с выходов регистров в прямом коде 18, 18(n/2) и времяимпульсных преобразователей 15,15(n/2), что дает изменение разности времени прохождения ПАВ между парами линий задержки на ЧЭ 1 и основании 2, это характеризует значения изменения температуры между парами линий задержки на ЧЭ 1 и основании 2. На выходах первых суммирующих устройств 19,19(n/2), осуществляющих сложение кодов регистров в прямом коде 18,18(n/2) и времяимпульсных преобразователей 15,15(n/2) с учетом знака в триггерах знака 12,12I12(n) по управляющим импульсам К19 образуется код двойного значения измеряемого ускорения с учетом направления измеряемого ускорения. На выходах первых блоков вычитания 23,23(n/2), производящих вычитание кодов вторых блоков вычитания 20.20(n/2) и третьих блоков вычитания 21. 21(n/2), по управляющим импульсам К23 образуется код, определяющий еще одни значения изменения температуры между парами линий задержки на ЧЭ 1 и основании 2. На выходе вторых суммирующих устройств 24,24(n/2), производящих сложение кодов первых суммирующих устройств 23,23(n/2) и четвертых суммирующих устройств 22.22(n/2) по импульсам К26, образуется сумма двух значений изменений температуры между парами линий задержки на ЧЭ 1 и основании 2. Этот код является значением поправки на изменение температуры линий задержки на ЧЭ 1 и основания 2. На выходе третьих суммирующих устройств 25.25(n/2), где суммируются коды измеряемого ускорения от первых суммирующих устройств 19.19(n/2), а также коды поправки на изменение температуры линий задержки от вторых суммирующих устройств 24,24(n/2), по команде импульсов К25 образуется код об измеряемом ускорении с внесением поправки на температуру линий задержки. Выходной коммутатор 26 по управляющему импульсу К26 последовательно передает сигналы с третьих суммирующих устройств 25,25(n/2) в выходной регистр 27, осуществляющий деление поступающего кода на 2 с целью усреднения поправки на температуру линий задержки и получения средней величины сигнала двух пар линий задержки. Таким образом с выхода выходного регистра 27 поступают в соответствии с последовательно работающими линиями задержки выходные сигналы акселерометра, пропорциональные измеряемому ускорению и учитывающие температуру окружающей среды линий задержки. Заполнение регистров в прямом коде 16,16(n/2), 17,17(n/2), 18,18(n/2) происходит по импульсам К16, К17, К18 в параллельном коде. Управление коммутаторами 10,10(n/2), 11,11(n/2), 9,9(n/2), выходным коммутатором 26 и времяимпульсными преобразователями 13,13(n/2), 14,14(n/2), 15,15(n/2) и регистрами знака 12,12(n), а также суммирующими устройствами 19,19(n/2), 24,24(n/2), 25, 25(n/2) и блоками вычитания 20,20(n/2), 21,21(n/2), 22,22(n/2), 23, 23(n/2) осуществляется управляющими импульсами К9, К92, К10, К11 от генератора тактовых импульсов 7. Выходной код акселерометра поступает по шине "Б" и сопровождающей линии "в" в виде параллельного кода. На отдельные входы блоков 13,13(n/2), 14,14(n/2), 15,15(n/2), 16, 16(n/2), 18,18(n/2), 19,19(n/2), 20,20(n/2), 21,21(n/2), 22,22(n/2), 23, 23(n/2), 25,25(n/2), и 27 по шине "а" поступает импульс сброса (ИС) цикла измерений, после чего начинается следующий цикл. Второй суммирующий блок 24 сохраняет код на выходе, что необходимо для учета в последующем цикле измерений. Изменение кода второго суммирующего блока 24 происходит в течение цикла измерений. Взаимная синхронизация управляющих импульсов, показанных на осциллограмме, происходит при помощи счетчиков, триггеров и логических устройств, которые содержит в себе генератор импульсов 7. Все управляющие импульсы поступают на управляющие входы соответствующих блоков по шине "а". Быстродействие акселерометра повышается вследствие того, что импульсы с распределителя импульсов следуют с частотой, ограничиваемой изменением времени задержки, а не временем задержки и временем, необходимым для затухания переходного процесса, т.к. во время затухания переходного процесса в одной линии задержки работают другие линии задержки. Точность акселерометра повышается, т.к. нет потери информации об ускорении на время затухания переходного процесса, учитывается влияние температуры линий задержки. Повышение быстродействия акселерометра составляет /, где время задержки линии задержки. Повышение точности акселерометра составляет по крайней мере один порядок.

Формула изобретения

АКСЕЛЕРОМЕТР, выполненный на основе преобразователей поверхностных акустических волн, содержащий закрепленный на основании чувствительный элемент, на котором образованы линии задержки с входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, а также электронную схему, включающую генератор тактовых импульсов и времяимпульсный преобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия измерений, основание охватывает чувствительный элемент и выполнено в виде единого элемента, на основании и чувствительном элементе образовано n пар линий задержки, а в электронную схему введены распределитель импульсов, последовательно соединенные выходной коммутатор и выходной регистр, а также n цепей преобразования сигналов, каждая из которых содержит два триггера знака, первый вход каждого из которых подключен к соответствующему выходному встречно-штыревому преобразователю на основании, а второй к соответствующему выходному встречно-штыревому преобразователю на чувствительном элементе, первый суммирующий блок, последовательно соединенные первый блок вычитания, второй суммирующий блок и третий суммирующий блок, выход которого является выходом цепи преобразования и подключен к соответствующему входу выходного коммутатора, а первый вход к выходу первого суммирующего блока, три звена, в состав каждого из которых входят регистр в прямом коде и последовательно соединенные коммутатор, времяимпульсный преобразователь и соответствующий, кроме первого, блок вычитания, причем в каждом звене первый вход блока вычитания через регистр в прямом коде подключен в его второму входу, в третьем звене выход времяимпульсного преобразователя и выход регистра в прямом коде подключены к соответствующим первому и второму входам первого суммирующего блока, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходом первого и второго триггеров знака, генератор тактовых импульсов соединен с распределителем импульсов, имеющим n пар выходов, каждая из которых соединена с парой входов коммутатора в первом и во втором звене каждой цепи и с входными встречно-штыревыми преобразователями на чувствительном элементе и основании в каждой из n пар линий задержки, в которой выходные встречно-штыревые преобразователи на основании соединены с коммутатором в первом и третьем звене, а выходные встречно-штыревые преобразователи на чувствительном элементе соединены с коммутатором во втором и третьем звене, выходы блоков вычитания первого и второго звена подключены к входам первого блока вычитания, выход блока вычитания третьего звена подключен к второму входу второго суммирующего блока, при этом генератор импульсов имеет частоту следования импульсов не более I/, где Dt максимальное изменение времени задержки в каждой линии задержки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000

Извещение опубликовано: 20.10.2000