АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к области точного приборостроения и, в частности к приборам измерения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при изготовлении маятниковых акселерометров.

Известны маятниковые акселерометры на упругом подвесе, использующие в качестве датчика положения маятника емкостные дифференциальные датчики положения, а в качестве датчика силы магнитоэлектрический датчик момента [1] Упругий подвес данного акселерометра выполнен из металла, а для подачи питания на подвижную часть использованы дополнительные пластины, расположенные на неподвижных (боковых) пластинах чувствительного элемента. Емкостной датчик положения у данного акселерометра образуется напыленными металлизированными поверхностями, расположенными в верхней части маятника и ответными металлизированными поверхностями, расположенными на неподвижных пластинах.

Недостатком такого акселерометра является то, что в нем емкостной датчик, имеющий значительную поверхность из-за троированного выполнения выше геометрического центра пластины, обладает повышенным тяжением.

Известен маятниковый акселерометр на упругом кварцевом подвесе [2] который состоит из металлических пластин и одной, находящейся между ними кварцевой пластины в форме диска с незамкнутой кольцевой прорезью. Перемычки между диском и кольцевой опорой выполнены также из кварца и являются упругими элементами пружинного подвеса. Для создания зазора между подвижной и неподвижной частями чувствительного элемента акселерометра на центральной кварцевой пластине на ее кольцевой поверхности имеются три выступа (платика) с каждой стороны, обращенной к неподвижным пластинам высотой порядка 20 мкм. Акселерометр имеет магнитоэлектрический датчик момента, катушки которого расположены на подвижной части (маятнике), а магниты с магнитопроводами расположены на неподвижной части. Центр приложения силы датчика с момента совмещен с геометрическим центром центральной круговой пластины (маятника).

Дифференциальный емкостной датчик образуется металлизированным напылением на поверхности центральной кварцевой пластине на той плоскости, где закреплены катушки датчика моментов.

Ответными частями емкостного датчика являются поверхности боковых металлических пластин чувствительного элемента, обращенные к поверхностям емкостного датчика на центральной пластине. В этом акселерометре, если мысленно провести линию, проходящую через геометрический центр подвижной пластины (центр приложения силы датчика момента) и параллельную оси подвеса, оказывается, что площади напыления, образующие емкостной датчик, выше упомянутой линии и ниже ее не равны между собой.

Большая часть площади располагается выше указанной линии. Это приводит к тому, что центр поверхности, образующей емкостной датчик, лежит выше геометрического центра подвижной пластины и, следовательно, выше центра приложения сил датчика момента, т.е. указанные центры не совпадают. Такое конструктивное выполнение емкостного датчика приводит к следующему нежелательному явлению. Известно, что в плоском конденсаторе при подаче на его обкладки переменного напряжения между обкладками возникает сила, стремящаяся сблизить их. Величина этой силы зависит как от величины поданного напряжения, так и от зазора между ними и от площади поверхности. Эта сила возникает и между пластинами акселерометра при его работе. То обстоятельство, что конструкция [2] является симметричной приводит к тому, что эти силы появляются как слева, так и справа от центральной пластины. Однако, поскольку практически невозможно обеспечить абсолютную одинаковость зазоров слева и справа между центральной и боковыми пластинами, а также то, что невозможно абсолютно точно обеспечить одинаковость поверхностей емкостного датчика, в акселерометре возникает результирующая силы F, приложенная в центре поверхности емкостного датчика, которая стремится повернуть центральную пластину относительно оси подвеса. В замкнутой системе обратной связи акселерометра этот возникающий уводящий момент компенсируется датчиком момента. Однако, поскольку центры тяжения сил емкостного датчика и сил, развиваемых датчиком момента, не совпадают (силы направлены навстречу друг другу), образуется пара сил, создающая еще дополнительный момент
ΔM=F•L
где l расстояние между центрами приложения сил.

Этот дополнительный момент передается на упругие перемычки подвеса, толщина которых составляет величину порядка 15:20 мкм, и деформирует их, вызывая появление дополнительного нестабильного уводящего момента.

Целью настоящего изобретения является повышение точности акселерометра за счет практически полного исключения упомянутого дополнительного уводящего момента.

Указанная цель достигается тем, что в известном акселерометре, содержащем корпус, подвижную часть, на которой расположены две катушки датчика момента, подвес подвижной части, дифференциального емкостного датчика положения, неподвижные пластины которого, имеющие гальваническую связь между собой, размещенные на корпусе по обеим сторонам подвижной части, а подвижные пластины закреплены на подвижной части, на обращенных к неподвижным пластинам сторонах и усилительно-преобразующий блок, выходы которого соединены с подвижными пластинами емкостного датчика, отличающийся тем, что с целью повышения точности в нем пластины дифференциального емкостного датчика закреплены на подвижной части таким образом, что площадь поверхности емкостного датчика положения, расположенного выше линии, параллельной оси подвеса и проходящей через геометрический центр подвижной части, равна площади, расположенной ниже упомянутой линии, при этом геометрический центр поверхности каждой подвижной пластины дифференциально-емкостного датчика положения совмещен с центром симметрии катушки датчика момента.

На фиг. 1 изображен общий вид акселерометра; на фиг. 2 центральная кварцевая пластина.

Акселерометр содержит подвижную пластину- маятник 1 на упругом подвесе 2. На маятнике 1 закреплены катушки 3, а на неподвижной части магниты 4, образующие датчик момента. Внутренние поверхности 5 неподвижных пластин и наружные поверхности 6 подвижной пластины образуют дифференциальный емкостной датчик положения. Зазор между подвижной и неподвижными боковыми пластинами образуется с помощью платиков 7. На одной из внешних сторон боковых пластин закреплен усилитель обратной связи.

Поверхность емкостного датчика 6 выполнена таким образом, что площадь металлизированного напыления над осью Y-Y равна площади напыления под этой осью, т.е. центр металлизированной поверхности 6 дифференциального емкостного датчика находится на оси Y-Y и совпадает с геометрическим центром пластины (точка O), где прикладывается сила со стороны датчика момента. Катушки 3 датчика моментов установлены на центральной пластине-маятнике 1 таким образом, что центр их симметрии совпадает с точкой O. То есть пластины дифференциального емкостного датчика закреплены (например способом напыления) на подвижной части 1 акселерометра таким образом, что площадь поверхности датчика, расположенного выше линии Y-Y, проходящей через геометрический центр (O) подвижной части 1, равна площади, расположенный ниже линии Y-Y, при этом геометрический центр поверхности каждой подвижной пластины дифференциального емкостного датчика положения совмещен с центром симметрии катушек 3 датчика момента.

Акселерометр работает следующим образом.

При действии ускорения вдоль оси X-X маятник 1 отклоняется от своего среднего положения. Это положение фиксируется емкостным датчиком положения 5, 6 и подается на усилитель обратной связи 8, который усиливает сигнал рассогласования, выданный емкостным датчиком, преобразует его и подает на катушки 3. Ток, протекая по катушкам 3, образует магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита 4. Возникающая при этом сила компенсирует инерционные силы маятника 1 и последний возвращается в среднее положение. По величине тока, протекающего по катушкам 3, судят о величине ускорения, действующего на акселерометр.

Такое выполнение емкостного датчика исключает появление дополнительного нестабильного момента тяжения. Так, например, при наличии несовпадения центров приложения сил емкостного датчика величиной 4 мм, зазора 20 мкм и питаний датчика напряжением 5 В, при величине статического момента маятника 0,35 гсм и разнице сил, действующих слева и справа, на 5% дает появление нестабильного момента тяжения на упругих перемычках, вызывающего нестабильность тяжения порядка 1•10^-4g.

Для выполнения требований по нестабильности тяжения, предъявляемых к современным акселерометрам на уровне (2 3)•10^-5g наличие вышеуказанного момента недопустимо. Таким образом, точность акселерометра в части получения стабильности случайной составляющей тяжения увеличивается в 3 5 раз.

Использование: в авиационном приборостроении, в частности в акселерометрических устройствах. Сущность изобретения: акселерометр имеет корпус, в котором на упругом подвесе 2 закреплена подвижная часть датчика, содержащая маятник 1. На последнем закреплены катушки 3 датчика момента и подвижные пластины 6 дифференциального емкостного датчика положения. На подвижной части закреплены магниты 4 датчика момента и неподвижные пластины 5 датчика положения. Площадь поверхности подвижной пластины 6 датчика положения, расположенной выше линии, параллельной оси подвеса, и проходящей через геометрический центр подвижной части, равна площади поверхности той же пластины 6 этого датчика, расположенной ниже упомянутой линии. При этом геометрический центр положения совмещен с центром симметрии катушек датчика момента. 2 ил.

Акселерометр, содержащий корпус, подвижную часть, на которой расположены две катушки датчика момента, подвес подвижной части, дифференциальный емкостный датчик положения, неподвижные пластины которого, имеющие гальваническую связь между собой, размещены на корпусе по обеим сторонам подвижной части, а подвижные пластины закреплены на подвижной части на обращенных к неподвижным пластинам сторонам, и усилительно-преобразующий блок, входы которого соединены с подвижными пластинами емкостного датчика положения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в нем пластины дифференциального емкостного датчика положения закреплены на подвижной части так, что площадь поверхности датчика, расположенной выше линии, параллельной оси подвеса и проходящей через геометрический центр подвижной части, равна площади, расположенной ниже упомянутой линии, при этом геометрический центр поверхности каждой подвижной пластины дифференциального емкостного датчика совмещен с центром симметрии катушек датчика момента.