Тензометрический линейный акселерометр Российский патент 2025 года по МПК G01P15/12 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения ускорения с использованием сил инерции и сил для возвращения инерционной массы в нулевое положение.

Известно большое число акселерометров, в которых для возвращения инерционной массы в нулевое положение используются магнитоэлектрические силы. Примером является линейный акселерометр АЛЕ 048 М по патентам №2138822 и №2192016, в котором используется магнитоэлектрический обратный преобразователь и емкостной чувствительный элемент. Основным достоинством акселерометров с возвращением инерционной массы в нулевое положение является низкое значение основной погрешности, не превышающее 0,1%. Однако применение емкостного чувствительного элемента ограничивает его применение в условиях широкого диапазона температур из-за существенной температурной погрешности емкостных чувствительных элементов. Меньшей температурной погрешностью обладают тензорезистивные полно мостовые чувствительные элементы, если они постоянно находятся в нулевом положении. При этом мостовая схема должна быть запитана от источника постоянного напряжения. Использование магнитоэлектрического преобразователя в акселерометрах при этом увеличивает их весогабаритные показатели. Известные тензометрические акселерометры без возврата инерционной массы в нулевое положение обладают большой температурной мультипликативной погрешностью при питании мостовой схемы источником постоянного напряжения. Питание их мостовой схемы от источника постоянного тока приводит к большой аддитивной температурной погрешности. Известный тензометрический акселерометр по патенту №1791782 выполнен по интегральной технологии, такие акселерометры не применяются в условиях температур, изменяемых в широком диапазоне. Вышеприведенный анализ тензометрических акселерометров требует для реализации малой погрешности применения возврата инерционной массы в нулевое положение и питания полного моста от источника постоянного напряжения, а с целью уменьшения габаритов применения электростатических сил для возврата инерционной массы. Такого сочетания свойств в известных тензометрических преобразователях не обнаружено. Таким образом, целью предложения является снижение температурной погрешности акселерометров при уменьшенных его габаритах. Указанная цель достигается применением для возврата инерционной массы в нулевое положение схемы электродинамического уравновешивания, которая управляется сигналом с выхода тензомоста, размещенного на упругом подвесе инерционной массы. Причем, тензомост запитывается от источника постоянного напряжения, а схема электродинамического уравновешивания реализуется схемой импульсного индуктивно емкостного преобразователя повышающего напряжения, приложенного между двумя гальванически разделенными деталями инерционной массы и двумя электрически изолированными деталями корпуса, которые с инерционной массой образуют два конденсатора из-за малого зазора между корпусными деталями и деталями инерционной массы.

Устройство представлено на рис. 1 и рис. 2.

На рис. 1 изображена конструктивная схема акселерометра.

На рис. 2 приведена функциональная схема электродинамического уравновешивания инерционной массы, которая обеспечивает ее возврат в нулевое положение.

Представленное на рис. 1 устройство содержит две электрически взаимно изолированные детали инерционной массы 1, упругий подвес 2 инерционной массы, две детали корпуса 3 электрически изолированы между собой изоляторами 5; тензорезисторы 4, объединенные в полный тензометрический мост, размещены на упругом подвесе 2. Детали корпуса 3 соединяются между собой диэлектрическими болтами 6. Таким образом создается предельно малый зазор между инерционной массой и деталями корпуса и реализуются два конденсатора, которые и являются исполнительными механизмами электродинамической схемы уравновешивания. А тензорезисторный мост 4 упругой балки является чувствительным элементом (ЧЭ) этой схемы.

На рис. 2 приведены: тензомостовая схема ЧЭ 4, дифференциальный усилитель сигнала ЧЭ 7, компаратор с зоной нечувствительности 8, транзисторы Т1 и Т2, диоды D1 и D2, инвертор 9, сумматор напряжений 10, два логических элемента «И» 11, тактовый генератор 12, катушки индуктивности L1 и L2, конденсаторы С1 и С2 образованны взаимно изолированными деталями инерционной массы и корпуса и зазором между ними (смотри рис. 1). Элементы L1, D1, T1, C1, тактовый генератор 12 и схема И1 образуют повышающий преобразователь напряжения, которым заряжается конденсатор С1. Причем, частота тактового генератора выбирается равной собственной частоте LC-цепи: При действии ускорения инерционная масса 1 должна отклониться от начального положения. При этом выходное напряжение с ЧЭ должно измениться. Это напряжение усиливается дифференциальным усилителем и сравнивается на компараторе 9 с начальным напряжением. В зависимости от направления отклонения инерционной массы, на выходе компаратора появится либо отрицательное, либо положительное напряжение. Если полярность этого сигнала положительная, то инвертор 9 закроет транзистор Т2. Транзистор Т1 при этом будет коммутироваться импульсами с выхода генератора 12 и повышенным напряжением будет заряжаться конденсатор С1. При смене полярности напряжения на компараторе аналогично будет работать цепь L2, D2, Т2, С2, заряжая конденсатор С2. При заряде С2 сила Кулона изменяет направление действия. Тем самым обеспечивается поддержание инерционной массы в начальном положении, которое соответствует отсутствию ускорения. При отсутствии ускорения компаратор находится в состоянии, при котором на его выходе напряжение равно нулю. Транзисторы Т1 и Т2 закрыты, напряжения на емкостях приобретают одинаковое напряжение, равное напряжению источника. Выходным сигналом акселерометра является разность между напряжениями на конденсаторах С1 и С2, поэтому при отсутствии ускорения выходное напряжение акселерометра равно нулю. Для этого тактовый генератор выполнен как широтно-импульсный преобразователь абсолютного значения напряжения с выхода дифференциального усилителя. При изменении ускорения, изменяется напряжение на конденсаторах. Для инерционной массы сферической действует следующий закон: где U,r,Δx,m - соответственно напряжение на конденсаторе, радиус инерционной массы, размер зазора между инерционной массой и ее масса. Например, при выбранных весогабаритных параметрах инерционной массы: m=10^-2 кг, r=2⋅10^-2 м, Δх=10^-3 м, ускорение пропорционально квадрату напряжения на конденсаторах: а=ConstU²,Const=π⋅r⁴ε₀/m⋅x⁴≈4,45⋅10^-4. В схеме с повышающими преобразователями при стандартном источнике питания, равном 27 В, если выбрана частота коммутации, равной собственной частоте можно обеспечить напряжение на емкости равным 100 В. При этих параметрах максимальное измеряемое ускорение составит: а=4,45 м/сек². Собственная частота упругих колебаний акселерометра определяется известным выражением: Тем самым доказана применимость сил Кулона для возврата инерционной массы в начальное положение. Формула 1 следует из закона Кулона: F=g²/4πε₀Δx², g=UC - заряд емкости, и из определения емкости: С=ε₀S/1x,S - площадь обкладок конденсатора.

Общими элементами известных акселерометров и предлагаемого в данной заявке являются наличие инерционной массы и тензометрированного упругого подвеса. Отличительными элементами акселерометров, в которых используются силы для возврата инерционной массы в начальное положение, является применение в качестве чувствительного элемента тензометрической полно мостовой схемы, а в качестве возвращающей силы применение силы Кулона. Отличительным элементом от известных тензоакселерометров, является применение электродинамической схемы уравновешивания, описанной выше. За счет применения электродинамической схемы возврата инерционной массы в исходное положение, уменьшается основная погрешность тензорезисторного акселерометра при уменьшенных габаритах схемы уравновешивания. Питание схемы полного тензомоста постоянным напряжением при этом уменьшает температурную погрешность акселерометра.

Предложенный тензометрический линейный акселерометр, содержащий инерционную массу, подвешенную на упругой тензометрированной балке с полномостовой схемой, выходом подключенной к дифференциальному инструментальному усилителю, мостовая схема подключена к источнику постоянного напряжения, отличающийся тем, что дополнительно введена для возврата инерционной массы в начальное положение схема электродинамического уравновешивания, содержащая компаратор, который сравнивает сигнал с выхода инструментального усилителя с начальным напряжением, выход компаратора управляет двумя транзисторами, которые коммутируют две идентичные LDC цепи, в которой две емкости образованы двумя взаимно электрически изолированными деталями корпуса и двумя взаимно изолированными деталями инерционной массы. Емкости подключены к источнику постоянного напряжения через эти цепи, причем указанные цепи коммутируются в зависимости от состояния компаратора, при коммутации одной из цепей, вторая цепь закрыта. LDC цепи совместно с соответствующими транзисторами Т1 или Т2 и с тактовым генератором образуют два независимых преобразователя повышающих напряжение на конденсаторах. Частота коммутации транзисторов выбирается равной собственной частоте схемы электродинамического уравновешивания, которая выбирается на два порядка большей собственной частоты упругих колебаний и задается тактовым генератором. При этом тактовый генератор выполнен как широтноимпульсный преобразователь абсолютного значения напряжения с выхода дифференциального усилителя. Выходным сигналом акселерометра является разность между напряжениями на конденсаторах.

Применение предложенной схемы для возврата инерционной массы в начальное состояние, в которой используются силы Кулона, в сравнении с тензометрическими акселерометрами, снижаются температурные мультипликативные погрешности. Предложенный акселерометр рекомендуется для измерения малых значений линейных ускорений. При выполнении акселерометра по технологии микроэлектромеханики (МЭМС) можно достигнуть очень малых габаритов. Так при толщине кристалла кремния, равного одному сантиметру, радиусом инерционной массы в один сантиметр и зазоре между обкладками конденсатора, равном 0,1 миллиметру, можно получить уравновешивающую силу, определенную выражением: F≈2,7⋅10^-3U². При напряжении между обкладками конденсаторов, равном 10 В, F≈0,27H. МЭМС технология позволяет выполнить инерционную массу с параметром m≈(1-8)⋅10^{-3 кг}, а≈(34-270)м/сек².

Изобретение относится к области измерительной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в тензометрическом линейном акселерометре для возврата инерционной массы в нулевое положение используется схема электродинамического уравновешивания, которой управляет сигнал с выхода тензомоста, размещенного на упругом подвесе инерционной массы. Причем тензомост запитывается от источника постоянного напряжения, а схема электродинамического уравновешивания реализуется схемой импульсного индуктивно-емкостного преобразователя повышающего напряжения, приложенного между двумя гальванически разделенными деталями инерционной массы и двумя электрически изолированными деталями корпуса, которые с инерционной массой образуют два конденсатора из-за малого зазора между корпусными деталями и деталями инерционной массы. Технический результат – снижение температурной погрешности акселерометра, уменьшение габаритов устройства. 2 ил.

Тензометрический линейный акселерометр, содержащий инерционную массу, подвешенную на упругой тензометрированной балке с полномостовой схемой, своим выходом подключенной к дифференциальному инструментальному усилителю, и мостовую тензорезисторную схему, питающуюся от источника постоянного напряжения, отличающийся тем, что дополнительно введена для возврата инерционной массы в начальное положение схема электродинамического уравновешивания, содержащая компаратор, который сравнивает сигнал с выхода инструментального усилителя с начальным напряжением, выход компаратора управляет двумя транзисторами, которые коммутируют LDC цепь, в которой две емкости образованы двумя взаимно электрически изолированными деталями корпуса и двумя взаимно изолированными деталями инерционной массы, емкости подключены к источнику постоянного напряжения через указанные выше цепи так, что они образуют совместно с транзисторами и тактовым генератором, коммутирующим транзисторы, два независимых преобразователя, повышающих напряжение на конденсаторах, частота коммутации выбрана равной собственной частоте схемы электродинамического уравновешивания которая выбирается на два порядка большей частоты упругих колебаний, а выходом акселерометра является разность между напряжениями на конденсаторах, причем тактовый генератор выполнен как широтно-импульсный преобразователь абсолютного значения напряжения с выхода дифференциального усилителя.