КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2001 года по МПК G01P15/13 

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейных ускорений.

Известен компенсационный акселерометр [1], содержащий корпус, установленную в нем пластину с неподвижной частью, подвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, магнитоэлектрический силовой преобразователь, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом, образованный электропроводной поверхностью подвижного элемента, и неподвижными электродами на постоянном магните, прокладку, расположенную между неподвижной частью и постоянным магнитом.

Недостатком этого компенсационного акселерометра является температурная погрешность, вызванная различиями температурных коэффициентов материалов, из которых выполнены подвижная часть, постоянный магнит и прокладка.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2], содержащий корпус, первую пластину с неподвижной частью, подвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, усилитель, причем неподвижная часть первой пластины выполнена с большей толщиной, чем подвижная часть, первая пластина размещена между второй и третьей пластинами с образованием зазоров между подвижной частью первой пластины и второй и третьей пластинам за счет разности толщин неподвижной части и подвижной части первой пластины.

В таком компенсационном акселерометре возникает погрешность измерения ускорения, проявляющаяся как нестабильность смещения статической характеристики, вследствие возникающих в упругом шарнире напряжений при установке первой пластины между второй и третьей пластинами с усилиями, требующимися для выполнения их заданного взаимного расположения и коррекции искажения геометрической формы неподвижной части из-за технологических погрешностей ее выполнения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения ускорения путем уменьшения нестабильности смещения статической характеристики компенсационного акселерометра.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем корпус, первую пластину с неподвижной частью, подвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, усилитель, причем неподвижная часть первой пластины выполнена с большей толщиной, чем подвижная часть, первая пластина размещена между второй и третьей пластинами с образованием зазоров между подвижной частью первой пластины и второй и третьей пластинами за счет разности толщин неподвижной части и подвижной части первой пластины, тем, что между неподвижной частью первой пластины и по крайней мере одной из второй и третьей пластин введено n (n = 1, 2...) платиков из пластичного материала, каждый платик выполнен с толщиной, нижний предел которой составляет допуск на отклонение от геометрической формы неподвижной части, а верхний предел равен допуску на выполнение зазора, платики выполнены так, чтобы их суммарное сопротивление сжатию по плоскости было по крайней мере на порядок меньше сопротивления сжатию неподвижной части в направлении, перпендикулярном плоскости первой пластины.

В одном частном случае выполнения компенсационного акселерометpa при n > 1 платики выполнены с одинаковыми размерами.

Во втором частном случае платики расположены на неподвижной части первой пластины.

В третьем частном случае на сторонах второй и третьей пластин, обращенных к неподвижной части первой пластины с образованными на ней платиками, также выполнены платики, расположенные по тем же координатам, что и платики на неподвижной части.

В четвертом частном случае платики выполнены из электропроводного материала.

В пятом частном случае при n = 1 платик выполнен с отверстием в центральной части, например, круглой или квадратной формы.

Путем выполнения платиков из пластичного материала между неподвижной частью первой пластины и второй или третьей пластинами, выполнения суммарного сопротивления сжатию платиков меньшим сопротивления сжатию неподвижной части достигается то, что при усилиях, требующихся для обеспечения заданного взаимного положения подвижной части и второй и третьей пластин и коррекции искажений геометрической формы неподвижной части при установке первой пластины между второй и третьей пластинами, происходит деформация платиков, а не неподвижной части. В результате не возникает напряжений в упругом шарнире и уменьшится нестабильность смещения статической характеристики компенсационного акселерометра.

На фиг.1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг.2 - вид первой пластины, на фиг.3 - вид второй пластины компенсационного акселерометра, на фиг. 4 - частный случай выполнения платика, на фиг. 5 - структурная схема компенсационного акселерометра.

В компенсационном акселерометре (фиг.1) в корпусе 1 на стойке 2 установлены первая пластина 3 с подвижной частью 4 и неподвижной частью 5, вторая пластина 6 и третья пластина 7.

Толщина h₁ неподвижной части 5 выполнена большей толщины h₂ подвижной части 4. Первая пластина 3 размещена между второй пластиной 6 и третьей пластиной 7 так, что за счет разности толщин неподвижной части 5 и подвижной части 4 между одной стороной подвижной части 4 и второй пластиной 6 образован зазор S. Такой же зазор образован между другой стороной подвижной части 4 и третьей пластиной 7. Между одной стороной неподвижной части 5 и второй пластиной 6 расположены платики 8, толщина h₃ каждого из которых выполняется в пределах от нижнего значения, равного допуску на отклонения геометрической, формы (неплоскостность, непараллельность) неподвижной части 5, до верхнего значения, равного допуску на выполнение зазоров S.

Аналогичные платики могут быть расположены также и с другой стороны неподвижной части 5 между ними и третьей пластиной 7.

Магнитоэлектрический силовой преобразователь содержит постоянный магнит 9 с диаметральным направлением намагниченности и кольцевую компенсационную катушку 10, установленную посредством стоек 11', 11'' на подвижную часть 4.

Постоянный магнит 9, вторая пластина 6, первая пластина 3, третья пластина 7 прикреплены к стойке 2 гайкой 12.

На подвижной части 4 прикреплен груз 13. На второй пластине 6 расположены неподвижные электроды 14', 14'' дифференциального емкостного преобразователя, положения.

Корпус 1 закрыт крышкой 15.

Первая пластина 3 может быть выполнена из монокристаллического кремния. Тогда подвижным электродом дифференциального емкостного преобразователя положения служит подвижная часть 4.

Неподвижный электрод 14' на второй пластине 6 и подвижный электрод образуют первый конденсатор дифференциального емкостного преобразователя, положения, неподвижный электрод 14'' с подвижным электродом образуют второй конденсатор дифференциального емкостного преобразователя положения.

Третья пластина 7 предназначена для образования электрических соединений элементов акселерометра, и на ней могут быть выполнены неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя положения в дополнение к неподвижным электродам 14', 14'' на второй пластине 6 или взамен их.

Подвижная часть 4 соединена с неподвижной частью 5 упругими перемычками 16', 16'', образующими упругий шарнир с осью 17-17 (фиг.2).

На поверхности 13 неподвижной части 5 расположены платики 8', 8'',... 8⁽ⁱ⁾. ..8⁽ⁿ⁾ по окружности диаметром d на угловых расстояниях 360^o/n друг от друга. Платики 8', 8"...8⁽ⁱ⁾...8⁽ⁿ⁾ дисковой формы выполнены из пластичного материала, например напыленного слоя кремния или алюминия.

В последнем случае платики 8',8''...8⁽ⁱ⁾...8⁽ⁿ⁾ являются электропроводными и могут служить в качестве проводников соединяющих подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя с внешними цепями.

В варианте выполнения, компенсационного акселерометра (фиг. 3) на поверхности второй подвижной пластины 6, обращенной к неподвижной части 5, выполнены платики 19',19''...19⁽ⁱ⁾...19⁽ⁿ⁾, расположенные по окружности того же диаметра d₁ и на таких же угловых расстояниях друг от друга, что и платики 8',8''...8⁽ⁱ⁾...8⁽ⁿ⁾ на неподвижной части 5. Аналогичные платики могут быть выполнены на стороне третьей пластины 7, обращенной к неподвижной части 5.

Площади платиков и их материал выполнены такими, чтобы суммарное сопротивленив) сжатию по их поверхности в случае образования платиков 8',8''... 8⁽ⁱ⁾. . . 8⁽ⁿ⁾ или платиков 8',8''...8⁽ⁱ⁾...8⁽ⁿ⁾ и 19',19''...19⁽ⁱ⁾...19⁽ⁿ⁾ было по крайней мере на порядок меньше сопротивления сжатию неподвижной части 5 в направлении, перпендикулярном плоскости пластины 3.

В частном случае выполнения платика (фиг. 4) в случае одного платика 20 (n=1) в его центральной части выполнено отверстие 21, например, круглой формы. Размер отверстия 21 таков, чтобы через него проходила стойка 2.

В компенсационном акселерометре (фиг. 5) выход дифференциального емкостного преобразователя, положения 22 соединен с входом усилителе 23, к выходу которого подключена компенсационная катушка 10 магнитоэлектрического силового преобразователя. Дифференциальный емкостный преобразователь положения 22 выполнен по схеме моста, в плечи которого включены первый и второй конденсаторы, образованные неподвижными электродами 14',14'' и подвижным электродом.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения по его измерительной оси, перпендикулярной поверхности первой пластины 3, под действием инерционной силы происходит угловое перемещение подвижной части 4. При этом изменяются емкости первого и второго конденсаторов дифференциального емкостного преобразователя положения 22, с его выхода поступает сигнал на вход усилителя 23. После преобразования и усиления в усилителе 23 сигнал с его выхода подается в компенсационную катушку 10 магнитоэлектрического силового преобразователя, в результате чего создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу и пропорциональная току компенсационной катушки 10. При этом выходной сигнал ускорения компенсационного акселерометра пропорционален току компенсационной катушки 10.

При установке на стойку 2 первой пластины 3, второй пластины 6 и третьей пластины 7 они соединяются вместе с помощью гайки 12. При этом под действием силы сжатия при завинчивании гайки 12 происходит сжатие платиков 8',8''... 8⁽ⁱ⁾. . .8⁽ⁿ⁾ или платиков 8',8''...8⁽ⁱ⁾...8⁽ⁿ⁾, 19',19''...19⁽ⁱ⁾...19⁽ⁿ⁾, и первая пластина 3 устанавливается параллельно второй пластине 6 и третьей пластине 7 без деформации неподвижной части 5. В результате в упругих перемычках 16', 16'' упругого шарнира не возникает напряжений, вызывающих нестабильность смещения, статической характеристики компенсационного акселерометра.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США N 3498138, кл. G 01 P 15/08, НКИ 73-517. Акселерометр, 1970 г.

2. Патент РФ N 2051542, кл.G 01 P 15/08, 15/13. "Компенсационный акселерометр", 1995 г. (прототип).

Изобретение предназначено для использования в измерительной технике в качестве преобразователя линейных ускорений. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения ускорения путем уменьшения нестабильности смещения статической характеристики компенсационного акселерометра. В акселерометре, содержащем корпус, первую пластину с неподвижной частью, подвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, первая пластина расположена между второй и третьей пластинами. Между неподвижной частью первой пластины и по крайней мере одной из второй и третьей пластин введено n платиков из пластичного материала с сопротивлением сжатию, меньшим сопротивления сжатию неподвижной части. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Компенсационный акселерометр, содержащий корпус, первую пластину с неподвижной частью, подвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, усилитель, причем неподвижная часть первой пластины выполнена с большей толщиной, чем подвижная часть, первая пластина размещена между второй и третьей пластинами с образованием зазоров между подвижной частью первой пластины и второй и третьей пластинами за счет разности толщин неподвижной части и подвижной части первой пластины, отличающийся тем, что между неподвижной частью первой пластины и по крайней мере одной из второй и третьей пластин введено n (n = 1,2...) платиков из пластичного материала, каждый платик выполнен с толщиной, нижний предел которой составляет допуск на отклонение от геометрической формы неподвижной части, а верхний предел равен допуску на выполнение зазора, платики выполнены так, чтобы их суммарное сопротивление сжатию по плоскости было, по крайней мере, на порядок меньше сопротивления сжатию неподвижной части в направлении, перпендикулярном плоскости первой пластины. 2. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что при n > 1 платики выполнены с одинаковыми размерами. 3. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что платики расположены на неподвижной части первой пластины. 4. Компенсационный акселерометр по п.3, отличающийся тем, что на сторонах второй и третьей пластин, обращенных к неподвижной части первой пластины с образованными на ней платиками, также выполнены платики, расположенные по тем же координатам, что и платики на неподвижной части. 5. Компенсационный акселерометр по п.1 или 4, отличающийся тем, что платики выполнены из электропроводного материала. 6. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что при n = 1 платик выполнен с отверстием в центральной части, например, круглой или квадратной формы.