КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2002 года по МПК G01P15/13 

Настоящее 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].

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2], содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образован консольный подвижный элемент, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами, причем на второй пластине расположен первый неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине расположен второй неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя, первая пластина заключена между второй и третьей пластинами, каждый неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя на второй и третьей пластинах подсоединен к одному из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и к одному из противофазных выходов усилителя.

Недостатком такого компенсационного акселерометра является ограничение верхнего предела диапазона измеряемых ускорений недостаточным уровнем выходного напряжения усилителя.

Техническим результатом изобретения является повышение верхнего предела диапазона измеряемых ускорений и повышение точности измерения ускорений.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем первую пластину из монокристаллического материала, в которой образован консольный подвижный элемент, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами, причем на второй пластине расположен первый неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине расположен второй неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя, первая пластина заключена между второй и третьей пластинами, каждый неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя на второй и третьей пластинах подсоединен к одному из выходов генератора напряжения переменного тока и одному из противофазных выходов усилителя, тем, что во внутренней части первой пластины выполнен первый консольный подвижный элемент, у которого внешние первая и вторая боковые стороны и свободная сторона консоли отделены сквозным промежутком от образовавшихся расположенных напротив внешних первой и второй боковых сторон первого консольного подвижного элемента внутренних первой и второй боковых сторон первой пластины и расположенной напротив свободной стороны консоли внутренней третьей стороны первой пластины, во внутренней части первого консольного подвижного элемента выполнен второй консольный подвижный элемент, у которого внешние первая и вторая боковые стороны отделены сквозным промежутком от образовавшихся расположенных напротив внутренних первой и второй боковых сторон первого консольного подвижного элемента, этим же сквозным промежутком свободная сторона консоли второго консольного подвижного элемента отделена от образовавшейся внутренней четвертой стороны первой пластины, расположенной противоположно относительно внутренней третьей стороны первой пластины, первая и вторая внутренние боковые стороны первой пластины, внешние первая и вторая боковые стороны первого консольного подвижного элемента, внутренние первая и вторая боковые стороны первого консольного подвижного элемента, внешние первая и вторая боковые стороны второго консольного подвижного элемента расположены в одном первом одинаковом направлении, внутренняя третья сторона первой пластины, внутренняя четвертая сторона первой пластины, свободная сторона консоли первого консольного подвижного элемента, свободная сторона консоли второго консольного подвижного элемента расположены в одном втором одинаковом направлении, перпендикулярном первому направлению, первый консольный подвижный элемент и второй консольный подвижный элемент выполнены толщиной не более 20 мкм каждый, подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя выполнен в виде электропроводных поверхностей на втором консольном подвижном элементе, неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя на второй и третьей пластинах выполнены в области проекции на них второго консольного подвижного элемента, источник опорного напряжения постоянного тока подключен к подвижному электроду на втором консольном подвижном элементе.

В первом частном выполнении в компенсационном акселерометре внутренние первая и вторая боковые стороны первой пластины, внешние первая и вторая боковые стороны первого консольного подвижного элемента, внутренние первая и вторая боковые стороны первого консольного подвижного элемента, внешние первая и вторая боковые стороны второго консольного подвижного элемента выполнены параллельными друг другу, внутренние третья и четвертая стороны первой пластины, свободная сторона консоли первого консольного подвижного элемента, свободная сторона консоли второго консольного подвижного элемента выполнены параллельными и расположены перпендикулярно внешним и внутренним боковым сторонам первого и второго консольных подвижных элементов.

Во втором частном случае выполнения компенсационного акселерометра расстояние между внешней первой боковой и внутренней первой боковой стороной первого консольного подвижного элемента и расстояние между внешней второй боковой и внутренней второй боковой сторонами первого консольного подвижного элемента выполнены равными и не большими половины расстояния между внешними первой и второй боковыми сторонами второго консольного подвижного элемента.

В третьем частном случае выполнения компенсационного акселерометра перемычки, образованные с двух сторон второго консольного подвижного элемента между свободной стороной консоли первого консольного подвижного элемента и границей окончания сквозного промежутка между боковыми сторонами первого и второго консольных подвижных элементов, выполнены с суммарной крутильной жесткостью, меньшей угловой жесткости второго консольного подвижного элемента.

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

В пятом частном случае выполнения в компенсационном акселерометре первый консольный подвижный элемент выполнен разной толщиной по сравнению с вторым консольным подвижным элементом.

Путем выполнения во внутренней части первой пластины первого консольного подвижного элемента, выполнения во внутренней части первого консольного подвижного элемента второго консольного подвижного элемента, противоположного расположения свободных частей консолей первого и второго консольных подвижных элементов, выполнения первого и второго консольных подвижных элементов толщиной не более 20 мкм, выполнения подвижного электрода дифференциального емкостного преобразователя электропроводными поверхностями второго консольного подвижного элемента, выполнения неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя на второй и третьей пластинах в области проекции на них второго консольного подвижного элемента, подключения источника опорного напряжения постоянного тока к подвижному электроду на втором консольном подвижном элементе достигается повышение верхнего предела диапазона измеряемых ускорений, так как даже при выходных напряжениях усилителя и напряжении источника опорного напряжения постоянного тока, обеспечиваемых ТТЛ-электроникой, сравнимых с толщиной первого и второго консольных подвижных элементов зазоров в дифференциальном емкостном преобразователе обеспечивается получение электростатических сил дифференциального емкостного преобразователя, достаточных для компенсации действующих на второй консольный подвижный элемент инерционных сил при ускорениях не менее 100 м/с² и более вплоть до ускорений, превышающих ускорение свободного падения на несколько порядков.

При этом также повышается точность измерения ускорений за счет повышения разрешающей способности на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений вследствие уменьшения угловой жесткости упругого подвеса второго консольного подвижного элемента посредством выполнения упругого подвеса в виде первого консольного подвижного элемента.

Посредством выполнения первого и второго консольных подвижных элементов с противоположным расположением их свободных сторон консолей повышается точность измерения ускорений вследствие уменьшения погрешности от перекрестных связей за счет компенсации углового перемещения одного консольного подвижного элемента угловым перемещением другого консольного подвижного элемента.

На фиг.1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг.2 - вид первой пластины, на фиг.3 - вид второй пластины, на фиг.4 - электрическая схема компенсационного акселерометра.

В корпусе 1 (фиг.1) компенсационного акселерометра установлена первая пластина 2 из монокристаллического материала, например кремния, поверхности 3, 4 которой выполнены электропроводными путем легирования бором. Первая пластина 2 посредством прокладок 5', 5'' установлена между второй пластиной 6 с первым неподвижным электродом 7 дифференциального емкостного преобразователя и третьей пластиной 8 с вторым неподвижным электродом 9 дифференциального емкостного преобразователя. Корпус 1 закрыт крышкой 10.

Во внутренней части первой пластины 2 (фиг.2) выполнен первый консольный подвижный элемент 11, отделенный сквозным промежутком 12 от первой пластины 2. Сквозным промежутком 12 образовавшаяся внутренняя первая боковая сторона 13 первой пластины 2 отделена от расположенной напротив внешней первой боковой стороны 14 первого консольного подвижного элемента 11, образовавшаяся внутренняя вторая боковая сторона 15 первой пластины 2 отделена от расположенной напротив внешней второй боковой стороны 16 первого консольного подвижного элемента 11, образовавшаяся внутренняя третья сторона 17 первой пластины 2 отделена от расположенной напротив свободной стороны 18 консоли первого консольного подвижного элемента 11.

Во внутренней части первого консольного подвижного элемента 11 выполнен второй консольный подвижной элемент 19. Сквозным промежутком 20 образовавшаяся внутренняя первая боковая сторона 21 первого консольного подвижного элемента 11 отделена от расположенной напротив внешней первой боковой стороны 22 второго консольного подвижного элемента 19, образовавшаяся внутренняя вторая боковая сторона 23 первого консольного подвижного элемента 11 отделена от расположенного напротив внешней второй боковой стороны 24 второго консольного подвижного элемента 19, внутренняя четвертая сторона 25 первого консольного подвижного элемента 11 отделена от расположенной напротив свободной стороны 26 консоли второго консольного подвижного элемента 19.

Внутренняя четвертая сторона 25 первой пластины 2 расположена противоположно по оси симметрии 27-27 первой пластины относительно внутренней третьей стороны 17 первой пластины 2.

Расположенная по линии 28-28 ось упругого шарнира первого консольного подвижного элемента 11 перпендикулярна оси симметрии 27-27. Расположенная по линии 29-29 ось упругого шарнира второго консольного подвижного элемента 19 также перпендикулярна оси симметрии 27-27.

Стороны 13. . . 16, 21...24 первой пластины 2, первого 11 и второго 19 консольных подвижных элементов параллельны друг другу. Стороны 17, 18, 25, 26 первой пластины 2, первого 11 и второго 19 консольных подвижных элементов параллельны друг другу и перпендикулярны сторонам 13...16, 21...24. В общем случае стороны 13...26 первой пластины 2, первого 11 и второго 19 консольных подвижных элементов могут быть выполнены с любой конфигурацией.

Перемычка 30', заключенная в области между границей 31 окончания сквозного промежутка 20, сторонами 18, 21 первого консольного подвижного элемента 11 и стороной 22 второго консольного подвижного элемента 19, перемычка 30", ограниченная границей 32 окончания сквозного промежутка 20, сторонами 18, 23 первого консольного подвижного элемента 11 и стороной 24 второго консольного подвижного элемента 19, могут быть выполнены с такими размерами, что их суммарная крутильная жесткость будет меньше угловой жесткости второго консольного подвижного элемента 19. Перемычки 30', 30" расположены симметрично относительно оси симметрии 27-27 первой пластины 2.

Расстояния S между внешней первой боковой стороной 14 и внутренней первой боковой стороной 21 первого консольного подвижного элемента 11, между внешней второй боковой стороной 16 и внутренней второй боковой стороной 23 первого консольного подвижного элемента 11 могут быть выполнены равными и не большими половины расстояния b между внешними первой боковой стороной 22 и второй боковой стороной 24 второго консольного подвижного элемента 19. Тогда угловая жесткость первого консольного подвижного элемента 11 будет не больше угловой жесткости второго консольного подвижного элемента 19.

Толщина первого консольного подвижного элемента 11 в пределах от оси 28-28 упругого шарнира до оси 29-29 упругого шарнира может быть выполнена меньше толщины второго консольного подвижного элемента 19. При этом при величинах расстояния S, меньших половины ширины b второго консольного подвижного элемента 19, угловая жесткость первого консольного подвижного элемента будет меньше угловой жесткости второго консольного подвижного элемента 19.

На второй пластине 6 (фиг.3) первый неподвижный электрод 7 дифференциального емкостного преобразователя в виде металлизированной поверхности, образованной, например, напылением слоя меди, выполнен в пределах контура со стороной 33, являющейся проекцией внешней первой боковой стороны 22 второго консольного подвижного элемента 19, со стороной 34, представляющей проекцию внешней второй боковой стороны 24, со стороной 35, являющейся проекцией свободной стороны 26 консоли второго консольного подвижного элемента, стороной 36, представляющей проекцию оси 29-29 упругого шарнира. Аналогично выполнен второй неподвижный электрод 9 на третьей пластине 8.

Компенсационный акселерометр (фиг. 4) содержит двухфазный генератор 37 напряжения переменного тока, источник 38 опорного напряжения постоянного тока, усилитель 39 с двумя противофазными выходами.

Дифференциальный емкостный преобразователь содержит конденсаторы С1 и С2, образованные соединенными вместе электропроводными поверхностями 3, 4 первой пластины 2 и неподвижным электродом 7 на второй пластине 6 и неподвижным электродом 9 на третьей пластине 8. Два выхода двухфазного генератора 37 переменного тока подсоединены через конденсаторы С3 и С4 к дифференциальному емкостному преобразователю.

Образованный соединенными вместе электропроводными поверхностями 3, 4 первой пластины 2 подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя подключен к источнику 38 опорного напряжения постоянного тока с напряжением U₀ и через разделительный конденсетор C5 к входу усилителя 39.

К одному из противофазных выходов усилителя 39 посредством резистора R1 подключен первый неподвижный электрод 7 на второй пластине 6. К другому противофазному выходу усилителя 39 посредством резистора R2 подключен второй неподвижный электрод 9 на третьей пластине 8.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения a по измерительной оси компенсационного акселерометра, перпендикулярной плоскости первой пластина 2, на второй консольный подвижный элемент 19 действует инерционный момент М_и:

где b, l, δ - соответственно ширина, длина и толщина второго консольного подвижного элемента 19;
ρ - плотность материала первой пластины 2.

Под действием момента М_и происходит угловое перемещение первого консольного подвижного элемента 11 вместе с вторым консольным подвижным элементом 19 относительно оси 28-28 упругого шарнира и угловая деформация второго консольного подвижного элемента 19 относительно оси 29-29 упругого шарнира. В результате такого суммарного углового перемещения центра масс второго консольного подвижного элемента 19 изменяются емкости конденсаторов С1 и С2 дифференциального емкостного преобразователя, и с подвижного электрода на вход усилителя 39 поступает сигнал рассогласования следящей системы компенсационного акселерометра.

После усиления и преобразования входного напряжения усилителя 39 выходное напряжение U подается на неподвижные электроды 7 и 9. При воздействии электростатических сил, вызванных напряжениями U₀, U, на второй консольный подвижный элемент 19 воздействует компенсационный момент М_к:

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды между подвижным и неподвижными электродами дифференциального емкостного преобразователя;
ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
d - зазор между каждым из неподвижных электродов 7, 9 и подвижным электродом.

Компенсационный момент М_к уравновешивает инерционный момент М_и, и рассогласование следящей системы устраняется. При этом
М_и=М_к (3)
При подстановке в (3) выражений (1) и (2) получается:

Отсюда
U=Ка, (5)
где К - коэффициент преобразования компенсационного акселерометра.

Как следует из выражения (6), коэффициент преобразования не зависит от площади электродов дифференциального емкостного преобразователя.

Таким образом, выходное напряжение усилителя 39 пропорционально измеряемому ускорению.

На верхнем пределе а_м измеряемых ускорений
а=а_м (7)
При этом
U=U_м, (8)
где U_м - максимальное выходное напряжение усилителя 39. При подстановке (7), (8) в выражение (4) получается:

Отсюда

Компенсационный акселерометр, первая пластина 2 которого изготовлена из монокристаллического кремния с ρ = 2,4•10³ кг/м³, при U₀=U_м=12 В и δ=d=20 мкм обеспечивает измерения ускорений с верхним пределом диапазона измеряемых ускорений

При таких же условиях, но при δ=d=5 мкм верхний предел диапазона измеряемых ускорений
a''_м=8,49•10³м/с²=866g,
где g - ускорение свободного падения.

Применяемые для выполнения упругого шарнира упругие перемычки при толщине консольного подвижного элемента не более 20 мкм соизмеримы с ним по толщине. Поэтому для выполнения достаточной для обеспечения высокой разрешающей способности компенсационного акселерометра угловой жесткости упругого шарнира длина упругих перемычек приближается к длине консольного подвижного элемента, что приводит к увеличению габаритных размеров компенсационного акселерометра. При выполнении первого 11 и второго 19 консальных подвижных элементов роль упругих перемычек выполняет первый консольный подвижный элемент 11. Чем меньше его ширина и толщина, тем более высокая разрешающая способность обеспечивается при измерении ускорений на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений.

При выполнении суммарной крутильной жесткости перемычек 30', 30'' меньше угловой жесткости второго консольного подвижного элемента 19 также достигается повышение разрешающей способности компенсационного акселерометра на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений.

При наличии поперечного ускорения, направленного по оси симметрии 27-27 первой пластины 2, например, так, что первый консольный подвижный элемент 11 при угловом перемещении приближается к второй пластине 6, второй консольный подвижный элемент 19 при угловом перемещении, наоборот, отдаляется от второй пластины 6. Таким образом, суммарное угловое перемещение второго консольного подвижного элемента 19, вызванное угловым перемещением первого консольного подвижного элемента 11 и собственным угловым перемещением, существенно уменьшается, в результате чего уменьшается погрешность измерения компенсационного акселерометра вследствие перекрестных связей.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1620944, кл. G 01 P 15/08. "Электростатический акселерометр", 1991 г.

2. Электростатический уравновешенный кремниевый акселерометр. НТИ 2(63), 1992 г. "Пилотажно-навигационное оборудование за рубежом". Изд-во ГОНТИ, 1992 г.

Изобретение предназначено для использования в области измерительной техники. Техническим результатом является повышение верхнего предела диапазона измеряемых ускорений и повышение точности измерения ускорения. Акселерометр содержит первую пластину с консольным подвижным элементом, вторую и третью пластины с неподвижными электродами дифференциального емкостного преобразователя, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами. Во внутренней части первой пластины выполнен первый консольный подвижный элемент. Во внутренней части первого элемента выполнен второй консольный подвижный элемент, свободная сторона консоли которого расположена противоположно свободной стороне консоли первого подвижного элемента. Неподвижные электроды выполнены в области проекции на вторую и третью пластины второго подвижного элемента. Выполненный на втором подвижном элементе электрод дифференциального емкостного преобразователя подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образован консольный подвижный элемент, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами, причем на второй пластине расположен первый неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине расположен второй неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя, первая пластина заключена между второй и третьей пластинами, каждый неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя на второй и третьей пластинах подсоединен к одному из выходов генератора напряжения переменного тока и к одному из противофазных выходов усилителя, отличающийся тем, что во внутренней части первой пластины выполнен первый консольный подвижный элемент, у которого внешние первая и вторая боковые стороны и свободная сторона консоли отделены сквозным промежутком от образовавшихся расположенных напротив внешних первой и второй боковых сторон первого консольного подвижного элемента внутренних первой и второй боковых сторон первой пластины и расположенной напротив свободной стороны консоли внутренней третьей стороны первой пластины, во внутренней части первого консольного подвижного элемента выполнен второй консольный подвижный элемент, у которого внешние первая и вторая боковые стороны отделены сквозным промежутком от образовавшихся расположенных напротив внутренних первой и второй боковых сторон первого консольного подвижного элемента, этим же сквозным промежутком свободная сторона консоли второго консольного подвижного элемента отделена от образовавшейся внутренней четвертой стороны первой пластины, расположенной противоположно относительно внутренней третьей стороны первой пластины, первая и вторая внутренние боковые стороны первой пластины, внешние первая и вторая боковые стороны первого консольного подвижного элемента, внутренние первая и вторая боковые стороны первого консольного подвижного элемента, внешние первая и вторая боковые стороны второго консольного подвижного элемента расположены в одном первом одинаковом направлении, внутренняя третья сторона первой пластины, внутренняя четвертая сторона первой пластины, свободная сторона консоли первого консольного подвижного элемента, свободная сторона консоли второго консольного подвижного элемента расположены в одном втором одинаковом направлении, перпендикулярном первому направлению, первый консольный подвижный элемент и второй консольный подвижный элемент выполнены толщиной не более 20 мкм каждый, подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя выполнен в виде электропроводных поверхностей на втором консольном подвижном элементе, неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя на второй и третьей пластинах выполнены в области проекции на них второго консольного подвижного элемента, источник опорного напряжения постоянного тока подключен к подвижному электроду на втором консольном подвижном элементе. 2. Компенсационный акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что внутренние первая и вторая боковые стороны первой пластины, внешние первая и вторая боковые стороны первого консольного подвижного элемента, внутренние первая и вторая боковые стороны первого консольного подвижного элемента, внешние первая и вторая боковые стороны второго консольного подвижного элемента выполнены параллельными друг другу, внутренние третья и четвертая стороны первой пластины, свободная сторона консоли первого консольного подвижного элемента, свободная сторона консоли второго консольного подвижного элемента выполнены параллельными и расположены перпендикулярно внешним и внутренним боковым сторонам первого и второго консольных подвижных элементов. 3. Компенсационный акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между внешней первой боковой и внутренней первой боковой стороной первого консольного подвижного элемента и расстояние между внешней второй боковой и внутренней второй боковой сторонами первого консольного подвижного элемента выполнены равными и не большими половины расстояния между внешними первой и второй боковыми сторонами второго консольного подвижного элемента. 4. Компенсационный акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что перемычки, образованные с двух сторон второго консольного подвижного элемента между свободной стороной консоли первого консольного подвижного элемента и границей окончания сквозного промежутка между боковыми сторонами первого и второго консольных подвижных элементов, выполнены с суммарной крутильной жесткостью, меньшей угловой жесткости второго консольного подвижного элемента. 5. Компенсационный акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что первая пластина выполнена из монокристаллического кремния. 6. Компенсационный акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что первый консольный подвижный элемент выполнен разной толщиной по сравнению с вторым консольным подвижным элементом.