Двухосевой микромеханический акселерометр с емкостным преобразователем перемещений Российский патент 2023 года по МПК G01P15/00 

Предполагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных ускорений по двум взаимно ортогональным осям путем измерения электрической емкости конденсаторов, образованных подвижным электродом на инерционной массе и неподвижным электродом на неподвижном основании.

Известно большое количество двухосевых и трех осевых акселерометров, в которых используется две или три инерционные массы, которые подвешены относительно корпуса прибора на упругих подвесах, оснащенные гребенчатыми конденсаторами, в которых изменяется расстояние между электродами за счет перемещения инерционной массы относительно корпуса акселерометра. В одноосевых акселерометрах инерционные массы подвешиваются к корпусу через упругие пластины, двух или трех осевые акселерометры в этом случае реализуются размещением двух или трех подобных акселерометров с индивидуальной массой в одном корпусе. Также известно крепление инерционной массы на упругом подвесе в дополнительной рамке, закрепленной относительно корпуса на дополнительном упругом подвесе.

Акселерометр по патенту RU 2693030 С1 принят нами за прототип. В нем применяется преобразователь с питанием постоянным напряжением. По двум осям выполнен на одной подложке из двух идентичных гребенчатых емкостных преобразователей, оснащенных инерционной массой, которая на четырех Ω-образных упругих элементах подвешена к рамке, которая жестко закреплена на подложке через анкерные элементы. Также инерционная масса через четыре другие Ω-образных упругие элементы соединена с промежуточной рамкой, которая оказывается подвешенной на упругих элементах относительно инерционной массы и через третью четверку упругих элементов подвешена к наружной рамке, совершающей движение по оси ортогональной оси движения инерционной массы и которая через анкерные элементы жестко соединена с подложкой. Промежуточная рамка введена с целью исключения перекрестной связи между двумя взаимно ортогональными измерительными осями. Акселерометр оснащен гребенчатыми конденсаторами, одна группа электродов, которых жестко соединена с инерционной массой, а вторая группа жестко соединена с подложкой. Гребенчатые электроды образуют две конденсаторные пары. Разность емкостей в конденсаторной паре преобразовывается в два информационных сигнала, несущих информацию о ускорении по двум независимым осям. При этом в качестве преобразователей могут выступать как схемы с фазочувствительными выпрямителями и питанием резистивно-емкостных мостов переменным напряжением с постоянной частотой, так и резонансные схемы, у которых частота питания резистивно-емкостных мостов подстраивается под резонанс. Последние преобразователи содержат генератор частоты, управляемый напряжением, которое определяется фазочувствительным выпрямителем. Преобразователи, в которых резистивно-емкостные мосты (RC-цепочка) питаются переменным напряжением требуют соответствующие источники питания, что ограничивает их применение. Поэтому чаще применяют схемы с питанием резистивно-емкостных мостов напряжением постоянного тока. При этом в таких схемах обеспечивается заряд конденсаторов и их разряд, подключением параллельно конденсаторам, транзистора, управляемого кварцованным генератором тактовых импульсов. При этом используется инерционное свойство RC-цепочки, в которой постоянная времени заряда зависит от емкости T=RC, C - емкость конденсатора. При этом емкость преобразовывается в длительность импульсов, которые затем с помощью низкочастотных фильтров преобразовываются в напряжение постоянного тока. Такие преобразователи гораздо проще преобразователей, работающих на переменном напряжении, и поэтому нашли более широкое применение. Тем не менее их точность гораздо ниже преобразователей с питанием переменным напряжением.

Целью предлагаемого изобретения является исключение промежуточной рамки и большого числа упругих элементов. Второй целью является повышение точности преобразования разности емкостей без усложнения схемы преобразователя.

Указанные цели достигаются размещением двух идентичных одноосевых рамочных преобразователей в этажерке и введением преобразователя разности емкостей в скважность импульсов. При этом в известном рамочном акселерометре с питанием RC-цепочки напряжением постоянного тока и коммутацией пары емкостей, производится сравнение напряжения с пары емкостей с опорным напряжением на компараторе, полученные импульсы с выходов двух компараторов сравниваются на логическом элементе «исключающее или» и тем самым на его выходе образуются импульсы с переменной скважностью, которая определяется соотношением длительности импульса и периода кварцованного генератора тактовых импульсов. Причем акселерометр оснащен двумя S-образными упругими элементами, которые обеспечивают прямолинейное движение инерционной массы.

Для объяснения работы акселерометра приведены три фигуры.

На фигуре 1 приведена схематически конструкция одноосевого акселерометра.

На фигуре 2 дано размещение двух одноосевых акселерометров в этажерке.

На фигуре 3 приведена схема одного канала преобразователей.

На фигуре обозначены: рамка 1, инерционная масса 2 с платой преобразователя, упругий подвес 3 в виде S-образных упругих балок, неподвижные электроды конденсаторов 4, подвижные электроды конденсаторов 5.

На фигуре 2 обозначены: корпус этажерки 6, одноосевые акселерометры 7, электрический разъем 8.

На фигуре 3 обозначены: кварцованный генератор тактовых импульсов 9, резисторы 10, которые совместно с конденсатором 11 образуют RC-цепочки, транзистор 12, который переводит RC-цепочки из состоянии заряда в состояние сброса напряжения, компараторы 13, логический элемент «исключающее или» 14, усилитель тока 15, для передачи информации в линию.

Предложен двухосевой акселерометр, состоящий из двух одноосевых акселерометров. Однако, в отличие от принятого планарного размещения одноосевых акселерометров, применяется их этажерочное размещение. При этом в качестве преобразователя емкости предложен, преобразователь, выходом которого является скважность импульсов, пропорциональная разности емкостей пары конденсаторов, емкости которых при движении инерционной массы изменяются разнонаправлено.

RC-цепочки подключаются к стабилизированному источнику постоянного напряжения через индивидуальный резистор и параллельно конденсатору подключается транзистор разряда емкости. Этот транзистор управляется тактовым кварцованным генератором. Каждый конденсатор заряжается до напряжения, которое сравнивается с опорным напряжением на компараторе. Поскольку длительность заряда конденсатора до опорного напряжения зависит от произведения емкости и сопротивления, то на выходе компаратора образуется импульс, ширина которого определяется величиной его емкости. Соотношение ширины этого импульса с временем между тактовыми импульсами тактового генератора определяет скважность импульсов. Тем самым значение емкости преобразуется в скважность импульсов. Описанный преобразователь позволяет преобразовывать емкость конденсаторов, лежащую в диапазоне от нескольких пикофарад в скважность импульсов, если частоту тактового генератора выбрать в диапазоне нескольких сотен КГц. Описанный выше преобразователь является широтно-импульсным (ШИМ). Импульсы с ШИМ-преобразователя конденсаторов, изменение которых при перемещении инерционной массы разнонаправлено, сравниваются на логических элементах «исключающее или», тем самым определяется разность между шириной импульсов. Фактически применение ШИМ преобразования значения емкости в скважность импульсов и сравнение ширины импульсов на элементе «исключающее или» реализует дифференциальный сигнал, пропорциональный разности между емкостями двух конденсаторов. Этот сигнал пропорционален перемещению инерционной массы, а значит и линейному ускорению корпуса датчика, поскольку перемещению массы, соответствует перемещение упругого подвеса, создающего компенсирующую силу для перемещения инерционной массы. Выходные сигналы с логических элементов «исключающее или» усиливаются по току для обеспечения требуемый длины линии связи с потребителем. При этом преобразователь может быть выполнен на ситаловой подложке по технологии гибридной интегральной схемы и жестко размещен на инерционной массе.

Общими признаками с прототипом являются:

- выполнение акселерометра в виде рамки с инерционной массой, подвешенной через упругие элементы,

- оснащение акселерометра гребенчатыми конденсаторами,

- питание резистивно-емкостного моста напряжением постоянного тока,

- применение коммутации моста транзисторами, которые управляются кварцованным генератором

Отличительными признаками являются:

- выполнение подвеса инерционной массы на двух S-образных упругих элементов

- размещение одноосевых акселерометров в этажерке,

- преобразование разности емкостей конденсаторных пар, емкость которых изменяется разно направленно, в скважность импульсов и тем самым обеспечение передачи информацию в линию в виде скважности импульсов. Потребитель может эти импульсы преобразовать в цифровой код применением известных преобразователей. Например, заполняя информационные импульсы, импульсами более высокой частоты и определяя число этих импульсов.

За счет общих и отличительных признаков уменьшены габариты двухосевого акселерометра. Поскольку существенно уменьшилось число упругих элементов, упростилась конструкция акселерометра. За счет преобразования разности емкостей в скважность импульсов, уменьшилось число электронных элементов, что позволяет предложенный преобразователь выполнить в гибридном исполнении с размещением платы преобразователя на инерционной массе, что также приводит к уменьшению габаритов. К тому же, поскольку в конечном итоге применена дифференциальная схема преобразования разности емкостей в скважность импульсов, то повышена точность преобразования. Размещение одноосевых акселерометров в единой этажерке, которая одновременно выполняет роль корпуса прибора, которая выполняется металлической, обеспечивает достойную экранизацию прибора от внешних помех.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных ускорений по двум взаимно ортогональным осям путем измерения электрической емкости конденсаторов, образованных подвижным электродом на инерционной массе и неподвижным электродом на неподвижном основании. Двухосевой акселерометр содержит одноосевые акселерометры, выполненные в виде рамки, с которой через упругие подвесы соединена инерционная масса, акселерометр оснащен гребенчатыми конденсаторами, а конденсаторы с резисторами образуют резистивно-емкостной мост, подключенный к источнику постоянного тока, причем мост коммутируется транзисторами, управляемыми кварцованным генератором. Акселерометр отличается тем, что подвес инерционной массы к рамке, выполнен из двух S-образных упругих элемента и два одноосевых акселерометра размещены в этажерке друг над другом, причем напряжение с двух конденсаторов, емкость которых изменяется разнонаправлено. подключено к первым входам двух компараторов, вторые входы которых соединены с опорным напряжением, а выходы компараторов подключены к двум входам логического элемента «исключающее или», выход которого соединен с усилителем тока и в виде скважности импульсов несет по линии информацию о ускорении по одному из каналов, причем плата преобразователей размещена на инерционной массе. Технический результат – повышение точности преобразования разности емкостей без усложнения схемы преобразователя. 3 ил.

Двухосевой акселерометр, содержащий одноосевые акселерометры, выполненные в виде рамки, с которой через упругие подвесы соединена инерционная масса, акселерометр оснащен гребенчатыми конденсаторами, а конденсаторы с резисторами образуют резистивно-емкостной мост, подключенный к источнику постоянного тока, причем мост коммутируется транзисторами, управляемыми кварцованным генератором, отличающийся тем, что подвес инерционной массы к рамке выполнен из двух S-образных упругих элемента и два одноосевых акселерометра размещены в этажерке друг над другом, причем напряжение с двух конденсаторов, емкость которых изменяется разно направлено подключено к первым входам двух компараторов, вторые входы которых соединены с опорным напряжением, а выходы компараторов подключены к двум входам логического элемента «исключающее или», выход которого соединен с усилителем тока и в виде скважности импульсов несет по линии информацию об ускорении по одному из каналов, причем плата преобразователей размещена на инерционной массе.