ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО УСКОРЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01P15/125 

Изобретение относится к области измерительной техники, конкретно к той ее части, которая занимается вопросами измерения линейных ускорений подвижных объектов: самолетов, ракет, космических аппаратов и других транспортных средств.

Широко известны устройства для измерения линейного ускорения, в том числе маятниковые электростатические акселерометры, чувствительный элемент которых выполнен в виде дифференциального конденсатора, а чувствительная масса (инерционный элемент) выполнена в виде подвижной пластины этого конденсатора. При действии ускорения происходит отклонение подвижной пластины относительно неподвижных пластин, которое преобразуется в электрической сигнал за счет изменения емкости /3, 4/.

Среди известных в наибольшей степени предлагаемому соответствует чувствительный элемент устройства для измерения линейного ускорения, содержащий две стеклянные пластины с напыленными на них обкладками конденсатора и токоподводами к ним, инерционный элемент из кремния в виде подвижной емкостной пластины, расположенной между стеклянными пластинами и соединенной с опорным элементом упругими перемычками /4/.

Особенностью электростатического акселерометра с упругим подвесом подвижной пластины является то, что он имеет, как бы, два взаимосвязанных чувствительных элемента (ЧЭ) - механичекий и электрический. В механическом ЧЭ жесткость упругих перемычек должна соответствовать противоречивым требованиям: заданному диапазону измеряемого ускорения и заданной чувствительности, которая ограничена жесткостью упругих перемычек. А чувствительность электрического ЧЭ зависит от разрешающей способности дифференциального конденсатора, которая ограничена расстояниями между обкладками конденсатора, что также влияет и на диапазон измерений. Поэтому недостатком маятниковых электростатических акселерометров и их чувствительных элементов является то, что при заданном диапазоне измеряемого ускорения и жесткости упругих перемычек имеет место недостаточная чувствительность акселерометра, ограниченная низкой разрешающей способностью емкостного преобразователя угла отклонения подвижной пластины. Пониженная разрешающая способность такого дифференциального конденсатора объясняется и тем, что только при максимальном ускорении свободный конец подвижной пластины приблизится к неподвижной на заданное расстояние, в то время как подвижная пластина в месте крепления упругих перемычек практически не отклоняется и мало участвует в емкостном преобразовании угла отклонения в электрический сигнал.

Расстояние между обкладками конденсатора должно быть таким, чтобы при действии максимального ускорения свободный конец подвижной пластины, отклоненный на максимальное расстояние, не касался неподвижных пластин на минимальном расстоянии, гарантирующим отсутствие пробоя конденсатора. В известных электростатических акселерометрах плоскости неподвижных пластин параллельны /3, 4/.

Целью изобретения является повышение чувствительности электростатического акселерометра при заданном диапазоне измерений.

Указанная цель достигается тем, что положение неподвижных пластин эквидистантно положению подвижной пластины при ее максимальных отклонениях.

Внешний вид чувствительного элемента показан на фиг. 1, а принципиальная схема акселерометра на фиг. 2, где представлены виды ЧЭ сбоку без боковой стенки и сверху без верхней пластины соответственно.

ЧЭ содержит две стеклянные пластины 1 с напыленным на них неподвижными обкладками и токоподводами к ним, инерционный элемент 2 из кремния, расположенный между стеклянными пластинами на различных расстояниях δ, причем у свободного конца подвижной пластины оно больше δ_o= δ_a+Δδ за счет опорного элемента 3, а около упругих перемычек меньше δ = Δδ за счет опорного элемента 4.

Инерционный элемент 2 выполнен в виде подвижной емкостной пластины, соединенной с опорным элементом 4 упругими перемычками 5. Упругие перемычки 5 и протравленные насквозь щели 6 создают свободу отклонения пластины 2 относительно стеклянных пластин 1.

Неподвижные 1 и подвижная 2 пластины образуют дифференциальный конденсатор, обладающий емкостями C₁ и C₂. В исходном положении емкости равны C₁= C₂. При отклонении подвижной пластины вследствие действия ускорения величина емкости перераспределяется между ними C₁ ≤≥ C₂ в зависимости от направления отклонения подвижной пластины
На фиг. 2 приведена схема акселерометра, который содержит, кроме чувствительного элемента с его деталями 1-6, генератор 7 высокой частоты, мост, два плеча которого составляют последовательные резонансные контуры, составленные из емкостных датчиков C₁ и C₂ перемещения, индуктивных элементов L₁ и L₂ и резисторов R₁-R₄. Генератор 7 подключен своим выходом к одной диагонали моста, а к другой диагонали моста подключение вход дифференциального усилителя 8. К резистору R₄ подключен вход генератора 7 так, чтобы обеспечивать положительную обратную связь генератора через ветвь моста, содержащую емкостный датчик C₂, индуктивный элемент L₂ и резистор R₂. Напряжение разбаланса моста ΔU поступает на вход дифференциального усилителя 8, выходное напряжение U_вых которого будет пропорционально измеряемому ускорению.

Измерение ускорений происходит следующим образом. При отсутствии ускорения подвижная пластина 2 сохраняет свое симметричное положение относительно обкладок 1, а емкости датчиков C₁ и C₂ перемещения будут равны между собой и напряжение на входе и на выходе усилителя 8 равно нулю.

При действии ускорения a_вх к центру масс пластины 2 будет приложен момент mla_вх, который будет уравновешен моментом жесткости упругих перемычек k_ββ. В установившемся режиме эта пластина отклонится на угол β = δ/l от исходного положения

что приведет к изменению расстояний δ между подвижной и неподвижными пластинами, а это, в свою очередь, вызовет изменение емкости емкостных датчиков C₁ и C₂, причем так, что одна из них увеличивается, а другая уменьшается на величину ΔC.
Частота генератора 7 устанавливается так, что она совпадает с собственной частотой колебательного контура одной из ветвей моста, состоящей из емкостного датчика C₁, индуктивного элемента L₁, резисторов R₁ и R₃. Настройка генератора 7 в резонанс с колебательным контуром обеспечивается положительной обратной связью по току колебательного контура через резистор R₄.

Другая ветвь моста оказывается на склоне резонансной характеристики. Такая расстройка второго контура, наряду с разбалансировкой моста вследствие изменения емкостей датчиков C₁ и C₂ увеличивает напряжение разбалансировки моста.

Емкости датчиков C₁ и C₂ изменяются так, что одна из них увеличивается, а другая уменьшается на величину ΔC относительно емкости C₀ в исходном положении, а на входе и на выходе усилителя 8 появятся напряжения /3/

где - чувствительность электростатического акселерометра;
ΔU - напряжение разбаланса в диагонали моста;
U_г - напряжение на выходе генератора высокой частоты;
Q - добротность последовательного резонансного контура;
C₀ - емкость каждого плеча датчика в исходном положении;
ΔC - изменение емкости датчика под действием ускорения;
K_у - коэффициент усиления усилителя;
U_вых - напряжение на выходе усилителя.

Указанными расстояниями определяются и величины емкостей, входящие в выражение (1). Действительно, при максимальном ускорении подвижная пластина (см. фиг. 2) будет находиться от ближайшей неподвижной пластины на расстоянии Δδ. Для этого случая относительное приращение емкости ΔC/C_o, которым и определяется чувствительность акселерометра, будет иметь вид

где - емкость датчика при максимальном отклонении подвижной пластины;
- емкость датчика при исходном положении пластин;
J₀ - диэлектрическая проницаемость воздуха;
S - площадь подвижной пластины;
J - диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
δ_o= (δ_a+2Δδ)/2 и Δδ - расстояния между подвижной и неподвижной пластинами в исходном (при a_вх=0) и отклоненном положении подвижной пластины (при a_вх=a_вхmax).

δ_a - расстояние между подвижной и неподвижной пластинами, соответствующее заданному диапазону измеряемых ускорений.

На основе полученных соотношений (3) был проведен анализ ожидаемого повышения чувствительности акселерометра за счет более рационального расположения неподвижных пластин, а именно эквидистантно по отношению к подвижной пластине при ее максимальных отклонениях.

Для сравнения были просчитаны коэффициенты чувствительности предлагаемого и известного ЧЭ для одинакового измерительного диапазона, которому соответствует δ_a= 200 мкм, при прочих равных условиях за счет уменьшения расстояния в месте крепления подвижной пластины до величины Δδ = 10 мкм ((δ_a+2Δδ)/2 = 110 мкм у известного) ожидается увеличение чувствительности в 10 раз.

Источники информации, использованные при составлении заявки на изобретение
1. С. Ф. Коновалов и др. Гироскопические системы. Ч. 3. (Акселерометры, датчики угловой скорости и др.). М.: ВШ, 1980, стр. 4-7.

2. А. Е. Синельникова. Низкочастотные линейные акселерометры. Методы и средства поверки и градуировки. М.: И-во стандартов. 1979, с. 8, 11, 15.

3. "Способ измерения ускорения и устройство для его осуществления". Патент РФ N 1492290 от 4.3.1987 (Авторы: Евневич Б.И., Крячко В.М., Семенова Н.Г.).

4. "Электростатической акселерометр". Патент SU 1811611 по МКИ G 01 P 15/08.

Чувствительный элемент предназначен для использования в области измерительной техники при измерении линейных ускорений подвижных объектов: самолетов, ракет, космических аппаратов и других транспортных средств. Чувствительный элемент содержит две стеклянные пластины с напыленными на них обкладками конденсатора и токоподводами к ним, инерционный элемент из кремния в виде подвижной емкостной пластины, расположенной между стеклянными пластинами и соединенной с опорным элементом упругими перемычками. Положение неподвижных пластин эквидистантно положению подвижной пластины при ее максимальных отклонениях. Обеспечивается повышение чувствительности при заданном диапазоне измерения ускорения. 2 ил.

Чувствительный элемент устройства для измерения линейного ускорения, содержащий две стеклянные пластины с напыленными на них обкладками конденсатора и токоподводами к ним, инерционный элемент из кремния в виде подвижной емкостной пластины, расположенной между стеклянными пластинами и соединенной с опорным элементом упругими перемычками, отличающийся тем, что положение неподвижных пластин эквидистантно положению подвижной пластины при ее максимальных отклонениях.