КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2000 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейного ускорения с электростатическим обратным преобразователем.

Известен компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину с подвижным элементом, неподвижным элементом и соединяющим их упругим шарниром, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь положения подвижного элемента с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, электростатический обратный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, усилитель [1].

В таком компенсационном акселерометре существует ограничение верхнего предела диапазона измеряемых ускорений вследствие неполного использования площади поверхности подвижного элемента для создания компенсационной электростатической силы.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2], содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная рамка, подвижный элемент и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым неподвижными электродами на второй и третьей пластинах соответственно и подвижным электродом, образованным электропроводной поверхностью подвижного элемента, первый и второй резисторы, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя, к первому неподвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя подключен один их выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и один вывод первого резистора, к второму неподвижному электроду подключен другой выход двухфазного генератора напряжения переменного тока и один вывод второго резистора.

Недостатком такого компенсационного акселерометра является отсутствие возможности изменения верхнего предела диапазона измеряемых ускорений без изменения таких основных конструктивных параметров акселерометра, как масса подвижного элемента, зазор между электродами и т.д.

Техническим результатом изобретения является расширение возможности варьирования верхним пределом диапазона измеряемых ускорений компенсационного акселерометра.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная рамка, подвижный элемент и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым неподвижными электродами на второй и третьей пластинах соответственно и подвижным электродом, образованным электропроводной поверхностью подвижного элемента, первый и второй резисторы, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя, к первому неподвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя подключен один из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и один вывод первого резистора, к второму неподвижному электроду подключен другой выход двухфазного генератора напряжения переменного тока и один вывод второго резистора, тем, что введены третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, к второму выводу первого резистора подключены первые выводы третьего и четвертого резисторов, к второму выводу второго резистора подключены первые выводы пятого и шестого резисторов, второй вывод третьего резистора подключен к одному из противофазных выходов усилителя, вторые выводы четвертого и шестого резисторов подключены к общей линии генератора и усилителя, второй вывод пятого резистора подключен к другому противофазному выходу усилителя, при этом верхний предел a_в диапазона измеряемых ускорений определяется соотношением

где a_вм - максимальный верхний предел диапазона измеряемых ускорений;
r₁ - сопротивление четвертого или шестого резисторов;
r₂ - сопротивление третьего или пятого резисторов.

В частном случае выполнения компенсационного акселерометра первая пластина выполнена из монокристаллического кремния.

Путем введения третьего, четвертого, пятого и шестого резисторов, соединения их с первым и вторым резисторами, подключения третьего резистора к одному из противофазных выходов усилителя, подключения четвертого резистора к другому противофазному выходу усилителя обеспечивается перераспределение напряжения между выходами усилителя и неподвижными электродами дифференциального емкостного преобразователя. В результате при максимальном выходном напряжении усилителя на неподвижные электроды подается неполное выходное напряжение усилителя, создается меньший компенсационный момент от пондемоторных сил дифференциального емкостного преобразователя, и уменьшается верхний предел диапазона измеряемых ускорений компенсационного акселерометра. Таким образом изменяется верхний предел диапазона измеряемых ускорений без изменения таких основных конструктивных параметров компенсационного акселерометра, как масса подвижного элемента, зазор между электродами дифференциального емкостного преобразователя и т.д.

На фиг. 1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг. 2 - электрическая схема компенсационного акселерометра. Компенсационный акселерометр (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлены первая пластина 2 из монокристаллического материала, например кремния, вторая пластина 3 и третья пластина 4. В первой пластине 2 выполнены неподвижная рамка 5, подвижный элемент 6 с электропроводной поверхностью 7 и соединяющий неподвижную рамку 5 с подвижным элементом 6 упругий шарнир 8 в виде упругой перемычки. На второй пластине 3 расположен первый неподвижный электрод 9 дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине 4 расположен второй неподвижный электрод 10.

Между второй пластиной 3 и неподвижной рамкой 5 расположен платик 11 так, чтобы образовать зазор d между первым неподвижным электродом 9 и подвижным элементом 6. Такой же платик 12 расположен между третьей пластиной 4 и неподвижной рамкой 5.

Корпус 1 закрыт крышкой 13.

В дифференциальном емкостном преобразователе (фиг. 2) выполнены конденсаторы C1 и C2. Конденсатор C1 образован первым неподвижным электродом 9 и подвижным электродом, в качестве которого служит электропроводная поверхность 7 подвижного элемента 6. Конденсатор C2 образован вторым неподвижным электродом 10 и тем же самым подвижным электродом в виде электропроводной поверхности 7 подвижного элемента 6.

Один выход двухфазного генератора 14 напряжения переменного тока подключен через конденсатор C3 к первому неподвижному электроду 9. Второй выход двухфазного генератора 14 через конденсатор C4 подключен к второму неподвижному электроду 10.

Подвижный электрод в виде электропроводной поверхности 7 подвижного элемента 6 подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока 15 и через конденсатор C5 - к входу усилителя 16 с двумя противофазными выходами.

К первому неподвижному электроду 9 подсоединен один вывод первого резистора R1, к второму неподвижному электроду 10 подсоединен один вывод второго резистора R2. К второму выводу первого резистора R1 подсоединены первые выводы третьего резистора R3 и четвертого резистора R4. Второй вывод третьего резистора R3 подключен к одному из противофазных выходов усилителя 16. К второму выводу второго резистора 2 подсоединены первые выводы пятого резистора R5 и шестого резистора R6. Второй вывод пятого резистора R5 подсоединен к второму выходу усилителя 16 с двумя противофазными выходами. Вторые выводы четвертого резистора R4 и шестого резистора R6 соединены с общей линией выхода генератора 14 и усилителя 16.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения a по измерительной оси компенсационного акселерометра, направленной перпендикулярной поверхности 7 подвижного элемента 6, на подвижный элемент 6 действует инерционный момент M_и
M=ml_na, (1)
где m - масса подвижного элемента;
l_n - расстояние центра масс подвижного элемента от оси упругого шарнира.

Под действием инерционного момента происходит угловое перемещение подвижного элемента 6, емкости конденсаторов C1, C2 дифференциального емкостного преобразователя изменяются, и с его выхода на вход усилителя 16 поступает сигнал рассогласования следящей системы компенсационного акселерометра. После преобразования и усиления сигнала рассогласования на каждом из противофазных выходов усилителя 16 появляется напряжение U_у. В результате на подвижный элемент 6 действует компенсационный момент M_к, вызванный пондемоторной силой

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды между подвижным и неподвижным электродами;
ε_o - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
U_о - напряжение источника опорного напряжения 15;
s - площадь каждого из подвижных и неподвижных электродов;
d - зазор между каждым неподвижным и подвижным электродами.

В момент компенсации
M_к = M_и (3)
В результате подстановки в (3) выражений (1), (2) и преобразования получается:

Таким образом измеряемое компенсационным акселерометром ускорение пропорционально выходному напряжению усилителя.

Усилитель выдает максимальное выходное напряжение U_м. При напряжении U_у = U_м, если бы оно было приложено к неподвижным электродам 9, 10, максимальный верхний предел a_вм диапазона измеряемых ускорений составил бы

В схеме фиг. 2 на каждый из неподвижных электродов 9, 10 подается максимальное напряжение U_эл

где r₁ - сопротивление каждого из четвертого R4 и шестого R6 резисторов;
r₂ - сопротивление каждого из третьего R3 и пятого резисторов R5.

Тогда частный верхний предел a_в диапазона измеряемых ускорений составляет

При сравнении выражений (5), (6) получается:

Следовательно, выбором сопротивлений третьего, четвертого, пятого и шестого резисторов можно изменять верхний предел диапазон измеряемых ускорений, не изменяя массы подвижного элемента и зазора между подвижным и неподвижным электродами дифференциального емкостного преобразователя компенсационного акселерометра.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1620944 кл. G 01 P 15/08. Электростатический акселерометр. 1992 г.

2. Электростатический уравновешенный акселерометр. НТИ N 2 (62), 1992 г. "Пилотажно-навигационное оборудование за рубежом". Изд. ГОНТИ, 1992 г.

Акселерометр предназначен для использования в области измерительной техники в качестве компенсационного преобразователя линейного ускорения с электростатическим обратным преобразователем. Акселерометр содержит первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная рамка, подвижный элемент и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока. дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым неподвижными электродами, усилитель с двумя противофазными выходами, первый и второй резисторы. Каждый из резисторов соединен своим первым выводом с одним из неподвижных электродов. Дополнительно введены третий, четвертый, пятый и шестой резисторы. Третий и четвертый резисторы подключены к второму выводу первого резистора. Пятый и шестой резисторы подключены к второму выводу второго резистора. Второй вывод третьего резистора подключен к одному из выходов усилителя. Второй вывод пятого резистора подключен к второму выходу усилителя. Вторые выводы четвертого и шестого резисторов подключены к общей цепи выходов генератора и усилителя. Обеспечивается возможность варьирования верхним пределом диапазона измеряемых ускорений. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Компенсационный акселерометр, содержащий корпус, первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная рамка, подвижный элемент и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым неподвижными электродами на второй и третьей пластинах соответственно и подвижным электродом, образованным электропроводной поверхностью подвижного элемента, первый и второй резисторы, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя, к первому неподвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя подключен один из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и один вывод первого резистора, к второму неподвижному электроду подключен другой выход двухфазного генератора напряжения переменного тока и один вывод второго резистора, отличающийся тем, что введены третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, к второму выводу первого резистора подключены первые выводы третьего и четвертого резисторов, к второму выводу второго резистора подключены первые выводы пятого и шестого резисторов, второй вывод третьего резистора подключен к одному из противофазных выходов усилителя, вторые выводы четвертого и шестого резисторов подключены к общей линии генератора и усилителя, второй вывод пятого резистора подключен к другому противофазному выходу усилителя, при этом верхний предел а_в диапазона измеряемых ускорений определяется соотношением

где а_вм - максимальный верхний предел диапазона измеряемых ускорений;
r₁ - сопротивление четвертого или шестого резисторов;
r₂ - сопротивление третьего или пятого резисторов. 2. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что первая пластина выполнена из монокристаллического кремния.