КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2005 года по МПК G01P15/13 

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

Известен компенсационный акселерометр [1], содержащий корпус, маятниковый чувствительный элемент, закрепленный в корпусе и имеющий свободу углового перемещения посредством упругого шарнира, преобразователь положения, дифференциальный магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой катушкой на чувствительном элементе и двумя магнитными системами в корпусе, причем в каждую магнитную систему входит постоянный магнит.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2], содержащий корпус со стойкой, на которой установлена первая пластина из монокристаллического материала с выполненными в ней подвижной частью, неподвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом на подвижной части и неподвижными электродами на второй пластине, магнитоэлектрический силовой преобразователь с дисковым постоянным магнитом с диаметральным направлением намагниченности и компненсационной катушкой на подвижной части, первый и второй резисторы, генератор высокой частоты, первый и второй усилители переменного тока, суммирующий усилитель, демодулятор, усилитель постоянного тока, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены вместе и к точке их соединения подключен один выход генератора высокой частоты, к первому неподвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя положения подключен второй вывод первого резистора, к второму неподвижному электроду подключен второй вывод резистора, второй вывод генератора высокой частоты подключен к подвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя положения, точка соединения первого резистора и первого неподвижного электрода дифференциального емкостного преобразователя положения подключена к входу первого усилителя переменного тока, точка соединения второго резистора и второго неподвижного электрода подключена к входу второго усилителя переменного тока, генератор высокой частоты, первый и второй усилители переменного тока, суммирующий усилитель, демодулятор и усилитель постоянного тока выполнены в одной микросборке, установленной в корпусе.

Недостатком этого компенсационного акселерометра является погрешность измерения ускорения вследствие смещения статической градуировочной характеристики (СГХ) и температурного смещения СГХ, вызванных неравенством сопротивлений первого и второго резисторов и их различным температурным изменением.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения ускорения.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем корпус со стойкой, на которой установлена первая пластина из монокристаллического материала с выполненными в ней подвижной частью, неподвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом на подвижной части и неподвижными электродами на второй пластине, магнитоэлектрический силовой преобразователь с дисковым постоянным магнитом с диаметральным направлением намагниченности и компенсационной катушкой на подвижной части, первый и второй резисторы, генератор высокой частоты, первый и второй усилители переменного тока, суммирующий усилитель, демодулятор, усилитель постоянного тока, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены вместе и к точке их соединения подключен один, выход генератора высокой частоты, к первому неподвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя положения подключен второй вывод первого резистора, к второму неподвижному электроду подключен второй вывод резистора, второй вывод генератора высокой частоты подключен к подвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя положения, точка соединения первого резистора и первого неподвижного электрода дифференциального емкостного преобразователя, положения подключена к входу первого усилителя переменного тока, точка соединения второго резистора и второго неподвижного электрода подключена к входу второго усилителя переменного тока, генератор высокой частоты, первый и второй усилители переменного тока, суммирующий усилитель, демодулятор и усилитель постоянного тока выполнены в одной микросборке, установленной в корпусе, тем, что первый и второй резисторы выполнены в одной микросборке с генератором высокой частоты, первым и вторым усилителями переменного тока, суммирующим усилителем, демодулятором и усилителем постоянного тока на одной подложке, первый и второй резисторы выполнены но интегральной технологии напылением слоя резистивного хром-силицидного сплава с температурным коэффициентом сопротивления не более 10^-4 1/°С, толщина слоя выполнена с образованием коэффициента сопротивления 10³ Ом на площадь квадратной поверхности, первый и второй резисторы выполнены с отклонением От номинального сопротивления не более 0,05%, первый резистор выполнен в виде последовательно соединенных первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой и седьмой дорожек, являющихся прямолинейными отрезками, второй резистор выполнен в виде последовательно соединенных восьмой, девятой, десятой, одиннадцатой и двенадцатой дорожек, являющихся прямолинейными отрезками, первая, третья, пятая, седьмая, восьмая, десятая и двенадцатая дорожки выполнены параллельными друг другу, вторая, четвертая, шестая, девятая и одиннадцатая дорожки выполнены параллельными друг другу и перпендикулярными вышеуказанным семи дорожкам, все дорожки расположены так, что вторая, третья, четвертая и пятая дорожки, расположены в области, находящейся между восьмой, девятой и десятой дорожками, все дорожки выполнены одинаковой первой ширины, на седьмой дорожке выполнено первое перпендикулярное ей ответвление второй ширины, большей первой ширины дорожек, на одиннадцатой дорожке выполнено второе перпендикулярное ей ответвление второй ширины, на подложке выполнена первая контактная площадка, с которой соединены начала первой и восьмой дорожек, в конце седьмой дорожки выполнена соединенная с ней вторая контактная площадка, в конце двенадцатой дорожки выполнена соединенная с ней третья контактная площадка, первая, вторая и третья контактные площадки выполнены напылением слоя алюминия, к первой контактной площадке подсоединен выход генератора высокой частоты, к второй контактной площадке подключен вход первого усилителя переменного тока, к третьей контактной площадке подключен вход второго усилителя переменного тока.

В частном случае в компенсационном акселерометре первая пластина выполнена из монокристаллического кремния.

Выполнение в первом резисторе первого ответвления, а во втором резисторе второго ответвления обеспечивает их изготовление с точностью до 0,05% за счет возможности подгонки сопротивлений путем выжигания посредством луча лазера части поверхности первого и второго ответвлений. В результате достигается более точная балансировка мостовой схемы дифференциального емкостного преобразователя положения, уменьшается смещение СГХ компенсационного акселерометра, повышается точность измерения ускорения.

Посредством выполнения первого и второго резисторов на одной подложке слоем из хром-силицидного сплава с температурным коэффициентом сопротивления не более 10^-4 1/°С, выполнения толщины слоя с образованием коэффициента сопротивления 10³ Ом на площадь квадратной поверхности достигается одинаковое температурное изменение сопротивлений первого и второго резисторов, чем обеспечивается неизменность смещения СГХ в рабочем диапазоне температур окружающей среды и повышение точности измерения ускорения.

Выполнением первого и второго резисторов из прямолинейных последовательно соединенных дорожек, расположением дорожек так, что вторая, третья, четвертая и пятая дорожки первого резистора расположены в области, находящейся между восьмой, девятой и десятой дорожками второго резистора, выполнением первого и второго резисторов на одной подложке достигается идентичность температурных условий для первого и второго резисторов.

В результате обеспечивается неизменность смещения СГХ компенсационного акселерометра в рабочем диапазоне температур окружающей среды и повышается точность измерения ускорения.

На фиг.1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг.2 - вид первой пластины, на фиг.3 - вид второй пластины, на фиг.4 - вид подложки, на фиг.5 - схема компенсационного акселерометра.

В компенсационном акселерометре (фиг.1) в корпусе 1 с фланцем 2 на стойке 3 установлены первая пластина 4 из монокристаллического кремния, вторая пластина 5 и третья пластина 6, а также постоянный магнит 7 дисковой формы с диаметральным направлением намагниченности на соединенной с корпусом 1 части стойки 3. В первой пластине 4 выполнены подвижная часть 8 и неподвижная часть 9, у которой параллельные поверхностям 10, 11 подвижной части 8 поверхности 12, 13 отстоят на расстояние d от поверхностей 10, 11.

Вторая пластина 5 установлена между постоянным магнитом 7 и первой пластиной 4 на поверхность 12 неподвижной части 9. На обращенной к пластине 4 стороне второй пластины 5 напылены в виде слоя хром-медь-хром неподвижные электроды 14’, 14’’ дифференциального емкостного преобразователя положения, подвижный электрод которого образован выполненной электропроводной поверхностью 10 подвижной части 8 первой пластины 4. Третья пластина 6 с контактными площадками для подключения компенсационной катушки 15, первого 14’ и второго 14’’ неподвижных электродов расположена на поверхности 13 неподвижной части 9. Вторая пластина 5 и третья пластина 6 выполнены дисковой формы. Расстоянием d между поверхностью подвижной части 8 и поверхностью 12 неподвижной части 9 определяется величина зазора между неподвижными электродами 14’, 14’’ и подвижным электродом дифференциального емкостного преобразователя положения. На обращенной к постоянному магниту 7 поверхности 10 подвижной части 8 расположена компенсационная катушка 15 магнитоэлектрического силового преобразователя. На подвижной части 8 установлен груз 16. Постоянный магнит 7, первая пластина 4, вторая пластина 5 и третья пластина 6 закреплены на стойке 3 гайкой 17. В корпусе 1 установлена микросборка 18. Корпус 1’ закрыт крышкой 19.

В первой пластине 4 (фиг.2) по разные стороны от первой оси симметрии 20-20 подвижной части 8 на перпендикулярной ей второй оси симметрии 21-21 расположены плоские перемычки 22’, 22’’. Упругие перемычки 22’, 22’’ образуют упругий шарнир, ось которого совмещена с второй осью симметрии 21-21.

Неподвижные электроды 14’, 14’’ дифференциального емкостного преобразователя положения на второй пластине 5 выполнены в виде сегментов (фиг.3). Неподвижный электрод 14’ расположен по одну сторону от второй оси симметрии 21-21, а неподвижный электрод 14’’ - по другую сторону от второй оси симметрии 21-21 симметрично относительно неподвижного электрода 14’. На подложке 23 (фиг.4) выполнен первый резистор в виде последовательно соединенных первой 24, второй 25, третьей 26, четвертой 27, пятой 28, шестой 29 и седьмой 30 дорожек, являющихся прямолинейными отрезками.

На подложке 23 выполнен второй резистор и виде последовательно соединенных восьмой 31, девятой 32, десятой 33, одиннадцатой 34 и двенадцатой 35 дорожек, являющихся прямолинейными отрезками. Первая 24, третья 26, пятая 28, седьмая 30, восьмая 31, десятая 33 и двенадцатая 35 дорожки выполнены параллельными друг другу. Вторая 25, четвертая 27, шестая 29, девятая 32 и одиннадцатая 34 дорожки выполнены параллельными друг другу и перпендикулярными вышеуказанным семи дорожкам. Все двенадцать дорожек выполнены одинаковой первой ширины S₁ и так, что вторая 25, третья 26, четвертая 27 и пятая 28 дорожки первого резистора расположены в области, находящейся между восьмой 31, девятой 32 и десятой 33 дорожками второго резистора.

На седьмой дорожке 30 выполнено первое перпендикулярное ей ответвление 36 второй ширины S₂, большей первой ширины S₁ дорожек.

На двенадцатой дорожке 35 выполнено второе перпендикулярное ей ответвление 37 второй ширины S₂.

Первый и второй резисторы выполнены по интегральной технологии напылением слоя резистивного хром-силицидного сплава (например, марки PC 3710) с температурным коэффициентом сопротивления, не более 10^-4 1/°С. Толщина слоя выполнена такой, что коэффициент сопротивления первого и второго резисторов составляет 10³ Ом на площадь квадратной поверхности дорожек.

Сопротивление каждого из первого и второго резисторов выполнено с точностью до 0,05% от номинального значения. На подложке 23 выполнена первая контактная площадка 38, с которой соединены начала первой 24 и восьмой 31 дорожек.

В конце седьмой дорожки 30 выполнена соединенная с ней вторая контактная площадка 40. Первая 38, вторая 39 и третья 40 контактные площадки выполнены напылением слоя алюминия.

В компенсационном акселерометре (фиг.5) к первой контактной площадке 38, являющейся точкой соединения первого вывода первого резистора R1 и первого вывода второго резистора R2, подсоединен выход генератора высокой частоты 41. К второй контактной площадке 39, являющейся вторым выводом первого резистора R1, подключены первый неподвижный электрод 14’ и вход первого усилителя переменного тока 42’. К третьей контактной площадке 40, являющейся вторым выводом второго резистора R2, подсоединены второй неподвижный электрод 14’’ и вход второго усилителя переменного тока 42’’. Общий провод генератора высокой частоты 41 соединен с подвижным электродом, которым является электропроводная поверхность 10 подвижной части 8.

Выходы первого 42’ и второго 42’’ усилителей неременною тока подключены к разнополярным входам суммирующего усилителя 43, выход которого подсоединен к входу демодулятора 44, соединенного выходом с входом усилителя постоянного тока 45. К выходу усилителя постоянного тока 45 подключены последовательно соединенные компенсационная катушка 15 магнитоэлектрического силового преобразователя и нагрузочный резистор R_H.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения по измерительной оси, направленной перпендикулярно поверхностям 10, 11 подвижной части 8, подвижная часть 8 под действием силы инерции на груз 16 изменяет свое угловое положение относительно второй пластины 5 вокруг оси упругого шарнира 21-21. При этом изменются емкости, образованные первым 14’ и вторым 14’’ неподвижными электродами и электропроводной поверхностью 10 подвижной части 8, и на входы первого 42’ и второго 42’’ усилителей переменного тока поступают напряжения разной величины.

В результате суммирования поступающих на разнополярные входы суммирующего усилителя 43 сигналов с выходов первого 42’ и второго 42’’ усилителей переменного тока с выхода суммирующего усилителя 43 на вход демодулятора 44 поступает напряжение, модулированное по амплитуде и фазе. После преобразования сигналов в демодуляторе 44 и усиления в усилителе постоянного тока 45 проходящим с его выхода через компенсационную катушку 15 током в магнитоэлектрическом силовом преобразователе создается сила, компенсирующая инерционную силу. При этом напряжение на нагрузочном резисторе R_H является мерой ускорения.

За счет выполнения первого ответвления 36, расположенного на седьмой дорожке 30 перпендикулярно ей, выполнения первого ответвления 36 шириной S₂, большей ширины S₁ дорожек, проводимость участка первого резистора R1 в области первого ответвления 36 больше проводимости других участков. В результате этого первоначальное значение сопротивления первого резистора R1 выполняется меньшим его номинальной величины. Чтобы обеспечить выполнение номинального значения сопротивления первого резистора R1 с точностью до 0,05%, выжигают посредством луча лазера часть поверхности первого ответвления 36. При этом проводимость участка первого резистора R1 в области первого ответвления 36 уменьшается, сопротивление первого резистора R1 увеличивается, принимая значение, допустимое для выполнения его номинальной величины. Аналогичным образом обеспечивается выполнение номинального значения сопротивления второго резистора R2 путем выжигания части поверхности второго ответвления 37.

Выполнение сопротивлений первого резистора R1 и второго резистора R2 с большой точностью обеспечивает равенство напряжений, подаваемых на входы первого 42’ и второго 42’’ усилителей переменного тока. В результате при отсутствии ускорения на выходе суммирующего усилителя 43 сигнал равен нулю, ток через компенсационную катушку 15 равен нулю и смещение СГХ акселерометра мало.

Вследствие малой величины температурного коэффициента сопротивления первого резистора R1 и второго резистора R2, идентичности их температурных условий при изменениях температуры окружающей среды сохраняется равенство напряжений, подаваемых на входы первого 42’ и второго 42’’ усилителей переменного тока. В результате в рабочем диапазоне температур окружающей среды не происходит изменение смещения СГХ акселерометра.

Источники информации

1. Патент Великобритании №2162317А, МКИ G 01 P 15/13, НКИ С 1k. Акселерометр.

2. Свидетельство на полезную модель РФ №17733, МКИ G 01 P 15/08, 15/13. Компенсационный акселерометр. 2001 г.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к информационным преобразователям линейных ускорений. В компенсационном акселерометре, содержащем пластину с выполненными в ней подвижной и неподвижной частями и упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, первый и второй резисторы, выполненные в одной микросборке, генератор высокой частоты, первый и второй усилители переменного тока, суммирующий усилитель, демодулятор, усилитель постоянного тока, первый и второй резисторы выполнены по интегральной технологии напылением слоя резистивного хром-силицидного сплава на одной подложке в вышеупомянутой микросборке в виде нескольких последовательно соединенных дорожек, у каждого первого и второго резисторов на одной из дорожек выполнено ответвление, дорожки расположены так, что часть дорожек первого резистора находится в области расположения части дорожек второго резистора. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения ускорения. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Компенсационный акселерометр, содержащий корпус со стойкой, на которой установлена первая пластина из монокристаллического материала с выполненными в ней подвижной частью, неподвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом на подвижной части и неподвижными электродами на второй пластине, магнитоэлектрический силовой преобразователь с дисковым постоянным магнитом с диаметральным направлением намагниченности и компенсационной катушкой на подвижной части, первый и второй резисторы, генератор высокой частоты, первый и второй усилители переменного тока, суммирующий усилитель, демодулятор, усилитель постоянного тока, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены вместе и к точке их соединения подключен один выход генератора высокой частоты, к первому неподвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя положения подключен второй вывод первого резистора, к второму неподвижному электроду подключен второй вывод резистора, второй вывод генератора высокой частоты подключен к подвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя положения, точка соединения первого резистора и первого неподвижного электрода дифференциального емкостного преобразователя положения подключена к входу первого усилителя переменного тока, точка соединения второго резистора и второго неподвижного электрода подключена к входу второго усилителя переменного тока, генератор высокой частоты, первый и второй усилители переменного тока, суммирующий усилитель, демодулятор и усилитель постоянного тока выполнены в одной микросборке, установленной в корпусе, отличающийся тем, что первый и второй резисторы выполнены в одной микросборке с генератором высокой частоты, первым и вторым усилителями переменного тока, суммирующим усилителем, демодулятором и усилителем постоянного тока на одной подложке, первый и второй резисторы выполнены по интегральной технологии напылением слоя резистивного хромсилицидного сплава с температурным коэффициентом сопротивления не более 10^{-4 1}/°С, толщина слоя выполнена с образованием коэффициента сопротивления 10³ Ом на площадь квадратной поверхности, первый и второй резисторы выполнены с отклонением от номинального сопротивления не более 0,05%, первый резистор выполнен в виде последовательно соединенных первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой и седьмой дорожек, являющихся прямолинейными отрезками, второй резистор выполнен в виде последовательно соединенных восьмой, девятой, десятой, одиннадцатой и двенадцатой дорожек, являющихся прямолинейными отрезками, первая, третья, пятая, седьмая, восьмая, десятая и двенадцатая дорожки выполнены параллельными друг другу, вторая, четвертая, шестая, девятая и одиннадцатая дорожки выполнены параллельными друг другу и перпендикулярными вышеуказанным семи дорожкам, все дорожки расположены так, что вторая, третья, четвертая и пятая дорожки расположены в области, находящейся между восьмой, девятой и десятой дорожками, все дорожки выполнены одинаковой первой ширины, на седьмой дорожке выполнено первое перпендикулярное ей ответвление второй ширины, большей первой ширины дорожек, на одиннадцатой дорожке выполнено второе перпендикулярное ей ответвление второй ширины, большей первой ширины дорожек, на одиннадцатой дорожке выполнено второе перпендикулярное ей ответвление второй ширины, на подложке выполнена первая контактная площадка, с которой соединены начала первой и восьмой дорожек, в конце седьмой дорожки выполнена соединенная с ней вторая контактная площадка, в конце двенадцатой дорожки выполнена соединенная с ней третья контактная площадка, первая, вторая и третья контактные площадки выполнены напылением слоя алюминия, к первой контактной площадке подсоединен выход генератора высокой частоты, к второй контактной площадке подключен вход первого усилителя переменного тока, к третьей контактной площадке подключен вход второго усилителя переменного тока.