КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2000 года по МПК G01P15/13 

Данное изобретение относится к измерительной технике, а именно к прецизионным акселерометрам с компенсационным преобразованием для измерения линейных ускорений.

Известен компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик положения, подключенный к входу усилителя следящей системы, к выходу которого подключены компенсационная катушка магнитоэлектрического силового преобразователя и соединенный с ней масштабный резистор [1].

Недостатком такого акселерометра является постоянство разрешающей способности во всем диапазоне измеряемых ускорений, что ограничивает точность измерений на нижнем пределе измеряемых ускорений.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, первый вывод которой подсоединен к входу усилителя, соединенные последовательно своими первыми выводами первый и второй масштабные резисторы [2].

Недостатком такого компенсационного акселерометра является отсутствие средств для автоматического выбора разрешающей способности компенсационного акселерометра в зависимости от измеряемого ускорения.

Техническим результатом изобретения является обеспечение режима автоматического выбора разрешающей способности компенсационного акселерометра в зависимости от измеряемого ускорения и повышение стабильности коэффициента преобразования.

Данный технический результат достигается тем, что в компенсационном акселерометре, содержащем чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, первый вывод которой подсоединен к выходу усилителя, соединенные последовательно своими первыми выводами первый и второй масштабные резисторы, введены балластный резистор, первый и второй компараторы, логическое устройство "ИЛИ", реле, первый вывод балластного резистора подключен к второму выводу компенсационной катушки, к второму выводу балластного резистора подключен второй вывод первого масштабного резистора, точка соединения балластного и первого масштабного резисторов соединена с противоположными по знаку входами первого и второго компараторов, выход первого компаратора подключен к одному входу логического устройства "ИЛИ", выход второго компаратора подключен к другому входу логического устройства "ИЛИ", к выходу логического устройства "ИЛИ" подключено реле, первый замыкающий контакт которого подключен между точкой соединения компенсационной катушки с балластным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов, а второй замыкающий контакт подключен между точкой соединения балластного резистора с первым масштабным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов.

Путем введения первого и второго компараторов, логического устройства "ИЛИ", реле, соединения точки соединения балластного и первого масштабного резисторов с двумя противоположными входами первого и второго компараторов, подключения выходов первого и второго компараторов к входам логического устройства "ИЛИ", подключения реле к выходу логического устройства "ИЛИ", включения первого замыкающего контакта реле между точкой соединения балластного резистора с первым масштабным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов обеспечивается слежение за уровнем выходного сигнала компенсационного акселерометра и переключение масштабных резисторов, в результате чего автоматически изменяется разрешающая способность компенсационного акселерометра в зависимости от измеряемого ускорения.

Путем введения балластного резистора и подключения второго замыкающего контакта реле между точкой соединения балластного резистора с компенсационной катушкой и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов при замыкании первого и второго замыкающих контактов для падения напряжения от тока компенсационной катушки на переходном сопротивлении первого замыкающего контакта создается делитель напряжения с отношением сопротивления балластного резистора к переходному сопротивлению второго замыкающего контакта. В результате на выход акселерометра поступает значительно уменьшенная величина падения напряжения на переходном сопротивлении первого замыкающего контакта, и тем самым повышается стабильность коэффициента передачи компенсационного акселерометра при работе в режиме с включенным вторым масштабным резистором.

На фиг. 1 представлен общий вид компенсационного акселерометра.

На фиг. 2 приведена электрическая схема компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлен чувствительный элемент 2 с подвижной частью 3 и неподвижной частью 4, которые соединены между собой посредством упругого шарнира 5. На подвижной части 3 чувствительного элемента 2 установлен груз 6. Магнитоэлектрический силовой преобразователь содержит установленный в корпус 1 постоянный магнит 7 с диаметральным направлением намагничивания и компенсационную катушку 8 на подвижной части 3 чувствительного элемента 2. Неподвижные электроды 9, 9' емкостного датчика положения расположены на постоянном магните 7, а подвижный электрод выполнен в виде электропроводной поверхности подвижной части 3 чувствительного элемента 2. Чувствительный элемент 2 может быть изготовлен, например, из монокристаллического кремния методом анизотропного травления.

Акселерометр закрыт крышкой 10.

Датчик положения (фиг. 2) в компенсационном акселерометре выполнен по мостовой схеме и содержит конденсаторы C1, C2 и резисторы R1, R2. Конденсатор C1 образован неподвижным электродом 9 и электропроводной поверхностью подвижной части 3 чувствительного элемента 2. Конденсатор C2 образован неподвижным электродом 9' и электропроводной поверхностью подвижной части 3 чувствительного элемента 2. К одной диагонали мостовой схемы датчика положения подведено напряжение питания U_п от источника переменной ЭДС. Выход датчика положения соединен с входом усилителя 11 акселерометра, выход которого соединен с первым выводом компенсационной катушки 8 силового преобразователя. Первый R_м1 и второй R_м2 масштабные резисторы соединены последовательно своими первыми выводами. Второй вывод компенсационной катушки 8 подсоединен к первому выводу балластного резистора R_б, второй вывод которого подключен к второму выводу первого масштабного резистора R_м1.

Точка соединения балластного резистора R_б с первым масштабным резистором R_м1 подсоединена к плюсовому входу первого компаратора 12' и к минусовому входу второго компаратора 12''.

К минусовому входу первого компаратора 12' и к плюсовому входу второго компаратора 12'' подводится напряжение U_пор источника порогового напряжения.

К выходам первого 12' и второго 12'' компараторов подключены входы логического устройства "ИЛИ", к выходу которого подключено реле 14, первый замыкающий контакт K1 которого подключен между точкой соединения компенсационной катушки 8 с балластным резистором R_б и точкой соединения первого R_м1 и второго R_м2 масштабных резисторов, а второй замыкающий контакт K2 подключен между точкой соединения балластного резистора R_б с первым масштабным резистором R_м1 и точкой соединения первого R_м1 и второго R_м2 масштабных резисторов. Измерительное устройство 15 потребителя подключено к входу компараторов 12', 12''.

Компенсационный акселерометр (фиг. 1, 2) работает следующим образом. При наличии ускорения на груз 6 воздействует инерционная сила, которая вызывает угловое перемещение подвижной части 3 чувствительного элемента 2 относительно неподвижной части 4. Пусть направление ускорения таково, что нижняя часть подвижной части 3 чувствительного элемента 2 приближается к неподвижному электроду 9, а ее верхняя часть отдаляется от неподвижного электрода 9'. Тогда емкость конденсатора C1 увеличивается, емкость конденсатора C2 уменьшается, происходит разбаланс мостовой схемы датчика положения, и на усилитель акселерометра 11 поступает переменный сигнал рассогласования следящей системы акселерометра. После его преобразования в сигнал постоянного тока и усиления выходное напряжение постоянного тока на усилителе 11 преобразуется в постоянный ток посредством цепи, состоящей из последовательно включенных компенсационной катушки 8, балластного резистора R_б и масштабных резисторов R_м1, R_м2. Этот ток, проходя через компенсационную катушку магнитоэлектрического силового преобразователя, создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита 7.

В результате в магнитоэлектрическом силовом преобразователе создается компенсационная сила, воздействие которой на подвижную часть 3 чувствительного элемента 2 уравновешивает воздействие инерционной силы. При этом подвижная часть 3 чувствительного элемента 2 возвращается в исходное положение.

Ток компенсационной катушки 8, проходя через масштабные резисторы R_м1, R_м2, создает на них падение напряжения U_вых, которое пропорционально измеряемому ускорению и является выходным сигналом акселерометра, поступающим на вход измерительного устройства 15 потребителя.

При измерениях в нижней части диапазона, когда измеряемое ускорение мало относительно его верхнего предела, включены балластный резистор R_б, первый R_м1 и второй R_м2 масштабные резисторы. При этом на выходе компенсационного акселерометра при измерениях в нижней части диапазона ускорений обеспечивается большее выходное напряжение, чем при включенном одном первом R_м1 или втором R_м2 масштабных резисторов. В результате достигается повышение разрешающей способности измерений в нижней части диапазона измеряемых ускорений.

Когда измеряемое ускорение достигает величины, при которой суммарное напряжение на первом R_м1 и втором R_м2 масштабных резисторах близко к максимальному выходному напряжению усилителя 11, поступающее на входы компараторов 12', 12'' напряжение U_вых в соответствии с заданным напряжением U_пор источника порогового напряжения приводит к срабатыванию одного из компараторов 12, 12'' в зависимости от полярности напряжения U_вых. При этом на выходе логического устройства "ИЛИ" 13 появляется сигнал, включающий реле 14. Контакты K1, K2 реле 14 замыкаются, и с выхода акселерометра поступает напряжение U_вых с второго масштабного резистора R_м2.

Падение напряжения на переходном сопротивлении замкнутого контакта K1 от проходящего через него тока компенсационной катушки 8 попадает на выход акселерометра ослабленным на величину отношения сопротивления балластного резистора R_б к переходному сопротивлению замкнутого контакта K2.

Таким образом существенно уменьшается влияния на выходной сигнал компенсационного акселерометра нестабильности переходных сопротивлений замыкающих контактов K1, K2.

Источники информации
1. Патент США N 4507965, МКИ G 01 P 15/13. НКИ 73/517 B. Акселерометр. 1985 г.

2. Патент РФ N 1795374, МКИ G 01 P 15/13, G 01 P 15/08. Компенсационный акселерометр (прототип). 1990 г.

Акселерометр предназначен для использования в измерительной технике для измерения линейных ускорений. Техническим результатом изобретения является обеспечение режима автоматического выбора разрешающей способности компенсационного акселерометра в зависимости от измеряемого ускорения и повышение стабильности коэффициента преобразования. В компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с компенсационной катушкой, усилитель, два масштабных резистора, введены балластный резистор, два компаратора, логическое устройство ИЛИ, реле, один замыкающий контакт которого подключен к точке соединения компенсационной катушки с балластным резистором, а второй замыкающий контакт подсоединен к точке соединения балластного резистора с первым из масштабных резисторов. 2 ил.

Компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, первый вывод которой подсоединен к выходу усилителя, соединенные последовательно своими первыми выводами первой и второй масштабные резисторы, отличающийся тем, что введены балластный резистор, первый и второй компараторы, логическое устройство ИЛИ, реле, первый вывод балластного резистора подключен к второму выводу компенсационной катушки, к второму выводу балластного резистора подключен второй вывод первого масштабного резистора, точка соединения балластного и первого масштабного резисторов соединена с противоположными по знаку входами первого и второго компараторов, выход первого компаратора подключен к одному входу логического устройства ИЛИ, выход второго компаратора подключен к другому входу логического устройства ИЛИ, к выходу логического устройства ИЛИ подключено реле, первый замыкающий контакт которого подключен между точкой соединения компенсационной катушки с балластным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов, а второй замыкающий контакт подключен между точкой соединения балластного резистора с первым масштабным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов.