АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к приборам измерения параметров движения подвижных объектов.

Известен компенсационный акселерометр, в котором инерционная масса (маятник) подвешена на упругом подвесе [1] Данный акселерометр состоит из двух неподвижных металлических пластин и одной, находящейся между ними, кварцевой пластины в форме диска с незамкнутой кольцевой прорезью.

Перемычки между диском (маятником) и кольцевой опорой (базовым кольцом) являются упругими элементами пружинного подвеса. При этом диск, кольцевая опора и упругие элементы выполнены из целого куска кварца. Подвод питания к катушкам датчика момента и к подвижной пластине емкостного датчика осуществляется с помощью токоподводов, выполненных напылением на упругие элементы тонкого слоя золота, нанесенного на подслой хрома для обеспечения лучшей адгезии золота к кварцу.

Неравномерность покрытия поверхности упругого элемента золотом с подслоем хрома и разнотолщинность напыленного слоя с обеих сторон упругой перемычки приводит к появлению существенных уводящих моментов тяжения и ухудшает точностные характеристики прибора.

Более прогрессивным с этой точки зрения является акселерометр [2]
Здесь упругие перемычки выполнены из однородного покрытия металла (стали типа 40КХНМ) без какого-либо дополнительного напыления. При этом упругие металлические перемычки используются для питания датчика момента, а для питания емкостного датчика угла на неподвижных и подвижной пластине предусмотрены металлизированные площадки, образующие емкостную связь, по которой и подается питание упомянутого датчика угла. Однако такое техническое решение также является неоптимальным. В данном акселерометре также присутствуют дополнительные моменты тяжения, так как металл не является идеальным материалом с точки зрения гистерезисных свойств.

Целью настоящего изобретения является повышение точности акселерометра. Поставленная цель достигается тем, что упругий подвес в нем выполнен из нетокопроводящего материала, обладающего малым гистерезисом, например из кварца, при этом на поверхности упругого подвеса отсутствует металлизированное покрытие, а катушки датчика момента подключены к выходу установленного на маятнике усилителя-дискриминатора, вход которого через емкостную связь подключен к выходу усилителя переменного тока, вход которого подключен к дифференциальному емкостному датчику положения.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения является то, что в известном акселерометре [2] упругий подвес выполнен из металла, а в акселерометре [1] упругий подвес выполнен металлизированным, т.е. имеется токопроводящее напыление для гальванической связи между подвижной и неподвижной частью центральной пластины.

В предлагаемом акселерометре для питания емкостного датчика угла, как и в акселерометре [2] используется емкостная связь, а для питания датчика момента вводится дополнительная емкостная связь для передачи сигнала переменного тока, пропорционального сигналу с дифференциального емкостного датчика угла. Этот сигнал поступает через дополнительную емкостную связь на подвижную пластину на вход усилителя-дискриминатора, расположенного на центральной пластине, а с выхода усилителя-дискриминатора на катушки датчика момента.

Так как гистерезисные свойства любого металла хуже свойств чистого кварца, то выполнение упругого подвеса из чистого кварца без напыления на него металлизированного покрытия в совокупности с дополнительной емкостной связью и расположением усилителя-дискриминатора на подвижной части маятника позволяет улучшить точностные характеристики прибора.

На фиг. 1, 2, 3 представлена конструктивная схема предлагаемого акселерометра и его кварцевых пластин; на фиг. 4 электрическая схема акселерометра.

Акселерометр состоит из центральной кварцевой пластины, выполненной в виде кольца, неподвижная часть которого 1 через упругий подвес 2 связана с подвижной частью (маятником) 3.

Упругий подвес 2 выполнен из кварца. Технологически и он изготавливается путем утоньшения кварцевой пластины в данном месте до толщины 20-30 мкм. На подвижной части 3 установлены катушки 4, взаимодействующие с постоянными магнитами 5 магнитоэлектрического датчика моментов, которые установлены на корпусе 6. На корпусе 6 закреплены также и боковые кварцевые пластины 7. В нижней части подвижной пластины размещен усилитель-дискриминатор 8. Усилитель переменного тока 9 размещен на корпусе акселерометра.

Усилитель-дискриминатор и усилитель переменного тока образуют усилитель обратной связи акселерометра. Зазор между центральной и боковыми пластинами образован с помощью трех пластиков 10, расположенных на неподвижном кольце центральной пластины. В акселерометре выполнено металлизированное покрытие в виде двух изолированных друг от друга частей 11, 12 на маятнике и в виде трех изолированных друг от друга частей 13, 14 и 15 на боковых кварцевых пластинах.

В конструкции акселерометра центральная кварцевая пластина 1 размещена между двумя неподвижными (боковыми) пластинами 7 таким образом, что поверхности 11, 13 образуют две емкости 16, выполняющие роль емкостного датчика положения, поверхности 11, 14 образуют две емкости 17, которые служат бесконтактным токоподводом для подачи одной из фаз питания на датчик положения(его подвижную часть). Поверхности 12, 15 образуют две емкости 18, которые служат бесконтактным токоподводом для подачи питания на катушки датчика момента 4 через усилитель-дискриминатор 8, расположенный на маятнике 3.

С тем, чтобы перемещение маятника не влияло на величину питания емкостного датчика положения поверхности 11 подвижной части центральной пластины гальванически связаны между собой.

Емкость 19 подключена на выходе усилителя-дискриминатора для сглаживания пульсаций, резистор 20 служит измерительным сопротивлением, с которого снимается сигнал, пропорциональный измеряемому ускорению, действующему на прибор.

Принцип работы предлагаемого акселерометра заключается в следующем. При действии ускорения вдоль оси чувствительности (Х-Х) маятник 3 стремится повернуться от выставленного среднего положения относительно боковых пластин 7. Информация о смещении маятника с помощью емкостного датчика 16 поступает на вход усилителя переменного тока 9. Усиленный сигнал далее через емкости 18 поступает с неподвижных пластин на подвижную пластину и далее на вход усилителя-дискриминатора 8, который преобразует сигнал переменного тока, пропорциональный величине действующего на прибор ускорения, в сигнал постоянного тока, также пропорциональный величине действующего ускорения. Знак сигнала на выходе усилителя-дискриминатора соответствует направлению действующего ускорения.

Сигнал постоянного тока далее поступает на катушки датчика момента. Ток, протекая по катушкам датчика момента, образует магнитное поле, которое, взаимодействуя с полем постоянных магнитов 5, установленных в корпусе, возвращает маятник в исходное положение. О величине действующего ускорения судят по величине переменного тока, протекающего через измерительный резистор 20. Фаза переменного тока несет информацию о знаке ускорения.

Отсутствие токопроводящего слоя на упругих перемычках подвеса, выполняемого из нетокопроводящего материала, например, кварца, обладающего малым гистерезисом, способствует наиболее полному использованию свойств этого уникального материала и позволяет снизить величину случайной составляющей тяжения с 2-5 ˙ 10^-5 g у известных упомянутых акселерометров до величин порядка 1 ˙ 10^-7-1 ˙ 10^-8 g.

Использование: приборы инерциальной навигации, акселерометрия. Сущность изобретения: в предложенном акселерометре, по сравнению с прототипом, упругий подвес 2 выполнен из нетокопроводящего материала, обладающего малым гистерезисом, например из кварца, при этом на поверхности упругого подвеса отсутствует металлизированное покрытие, а катушки 4 датчика момента подключены к выходу установленного на маятнике 2 усилителя-дискриминатора 8, вход которого через емкостную связь подключен к выходу усилителя 9 переменного тока, вход которого подключен к дифференциальному емкостному датчику положения. 4 ил.

АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус, дифференциальный емкостный датчик с тремя кварцевыми пластинами, из которых две закреплены неподвижно на корпусе, а между неподвижными пластинами закреплена третья пластина с незамкнутой кольцевой прорезью, образующей маятник с упругим подвесом, датчик момента в виде закрепленных на корпусе постоянных матнитов и закрепленных на маятнике катушек, усилитель переменного тока и усилитель-дискриминатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, катушки датчика момента подключены к выходу установленного на маятнике усилителя-дискриминатора, подключенного через емкостную связь к выходу усилителя переменного тока, вход которого подключен к дифференциальному емкостному датчику, при этом кварцевый упругий подвес маятника выполнен без металлизированного покрытия.