Чувствительный элемент углового акселерометра Российский патент 2019 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах.

Известен датчик угловых ускорений [1], содержащий основание, планарную инерционную массу на упругих подвесах, вторую планарную инерционную массу на упругих подвесах, расположенную так, что ось подвесов перпендикулярна оси упругих подвесов кольцевой планарной инерционной массы и находится внутри ее, емкостной датчик положения.

Данный датчик имеет возможность измерять угловое ускорение по двум осям чувствительности. При воздействии по одной из осей чувствительности углового ускорения на датчик планарная инерционная масса поворачивается на некоторый угол вокруг оси упругих подвесов. В результате изменяется расстояние между обкладками емкостного датчика положения, как следствие, и изменяется емкость конденсатора емкостного датчика. По изменению данной емкости судят об измеряемом ускорении.

Недостатками являются низкая точность измерения, малый частотный диапазон измеряемого воздействия.

Известен чувствительный элемент микросистемного акселерометра [2], содержащий кремниевую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, центральной опорой крепления, жестко соединенной с неподвижным основанием. Маятник включает в себя две жестко соединенные первую и вторую пластины одинаковой длины и толщины, но разной ширины. Чувствительный элемент имеет возможность измерять как угловое, так и линейное ускорение. Поскольку пластины маятника имеют разную ширину, то чувствительность к угловому ускорению будет значительно ниже, чем к линейному. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии ускорения зазоры между пластинами проводящего маятника и пластинами-обкладками одинаковы. При действии ускорения пластины маятника, преодолев упругость подвесов, начинают перемещаться в противоположные стороны, изменяя при этом зазоры. Измеряя разность зазоров можно судить о действующем ускорении.

Недостатком является низкая чувствительность к угловому ускорению.

Наиболее близким к заявленному к заявленному устройству является чувствительный элемент [3], содержащий планарную инерционную массу, соединенную упругими подвесами с центральной опорой крепления, распложенную в центре тяжести планарной инерционной массы с закрепленным на инерционной массе металлическим кольцом, на котором радиально расположено несколько пар регулировочных винтов.

При действии измеряемого углового ускорения планарная инерционная масса, в составе металлического кольца и регулировочных винтов, поворачивается на некоторый угол, величина которого зависит от жесткости упругих подвесов. Измеряя отклонения планарной инерционной массы можно определить действующее угловое ускорение.

Недостатками являются низкий частотный диапазон измерения углового ускорения, низкая ударопрочность.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение является повышение ударопрочности чувствительного элемента и расширение частотного диапазона измерения углового ускорения. Для достижения поставленной задачи на чувствительном элементе, содержащем каркасную рамку, в которой выполнена инерционная масса, соединенная с каркасной рамкой упругими подвесами, расположенными на оси симметрии инерционной массы на одной из сторон инерционной массы, согласно изобретению, закрепляют на одинаковом рассотянии относительно указанной оси катушки датчика момента обратной связи, а на противоположной стороне инерционной массы на этой же оси закрепляют втулку с двумя взаимоперпендикулярными резьбовыми отверстиями, в которых расположены регулировочные винты.

Существенным отличием заявленного устройства по сравнению с известным является то, что наличие датчика момента обратной связи увеличивает частотный диапазон измерения углового ускорения за счет жесткости электрической пружины, которую создают катушки датчика момента обратной связи при взаимодействии с магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами, а наличие втулки с регулировочными винтами существенно снижают влияние линейного ускорения на планарную инерционную массу, облегчая при этом массу чувствительного элемента, тем самым увеличивая его ударопрочность.

Предлагаемый ЧЭ углового акселерометра иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1

Пример реализации заявленного устройства.

Инерционная масса 1 соединена с каркасной рамкой 2, в которой выполнена инерционная масса упругими подвесами 3, расположенными на оси 4, проходящей через центр тяжести 5 инерционной массы 1. На одной из сторон инерционной массы 1 расположены катушки датчика момента обратной связи 6, а на противоположной стороне инерционной массы закреплена втулка 7 с регулировочными винтами 8.

Устройство работает следующим образом. При действии измеряемого углового ускорения планарная инерционная масса 1, в составе катушек датчика момента обратной связи 6 и втулки 7 с регулировочными винтами 8, поворачивается на некоторый угол, величина которого зависит от жесткости упругих подвесов 3. Измерительный сигнал отклонения инерционной массы преобразуется и в виде тока поступает на катушки датчика момента обратной связи, которые при взаимодействии с магнитным полем создают электрическую пружину, которая компенсирует угол отклонения инерционной массы, заставляя вернутся ее в исходное положение. По величине тока, протекающего в катушках датчика момента обратной связи можно определить действующее угловое ускорение.

Регулировка осуществляется следующим образом.

Регулировочными винтами 8 сводят центр тяжести чувствительного элемента к оси симметрии инерционной массы, тем самым исключая влияние линейного ускорения.

Источники информации

1. Патент США №5349858 МПК G01P 15/08, 1994.

2. Патент РФ №2426134, МПК G01P 15/08, 2006.01

3. Патент РФ №2489722, МПК G01P 15/08, 2006.01 (ближайший аналог).

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах. Для измерения углового ускорения используется инерционная масса, на которую устанавливаются катушки датчика момента обратной связи и втулка с двумя регулировочными винтами, что позволяет увеличить ударопрочность, расширить частотный диапазон измерения углового ускорения. 1 ил.

Чувствительный элемент углового акселерометра, содержащий каркасную рамку, в которой выполнена инерционная масса, соединенная с каркасной рамкой упругими подвесами, расположенными на оси симметрии инерционной массы, при этом на одной из сторон инерционной массы закреплены катушки датчика момента обратной связи на одинаковом расстоянии относительно оси симметрии инерционной массы, а на противоположной стороне инерционной массы на этой же оси закреплена втулка с двумя взаимно перпендикулярными резьбовыми отверстиями, в которых расположены регулировочные винты.