Электростатический акселерометр Советский патент 1985 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения ускорения подвижных объектов. Известен электростатический акселерометр, содержащий корпус, две пар электродов, установленных в корпусе, и маятник, выполненный из непроводящего монокристаллического материала CU. Известен электростатический акселерометр, содержащий только одну пару электродов, которые обеспечивают как измерение отклонений маятника, так и создание компенсирующего момен та C2LКак в первом, так и во втором уст ройствах необходим дополнительный источник возбуждения для ДУ, а это возбуждение приводит к появлению нежелательных сил, действующих на маятник при его отклонении от нулево го положения. Кроме того, маятник выполнен из непроводящего материала, чтобы можно было нанести на нем изолированные электроды. При этом упругий элемент, на котором подвешен маятник, вьшолняет роль токоподводов что приводит к появлению вредных моментов. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является электростатический акселерометр, в котором маятник вьшолнен в виде монокристаллнческого проводящего элемента 3. Недостатком известного акселерометра является низкая точность задания компенсирующего, момента. Целью изобретения является устранение данного недостатка. Указанная, цель достигается тем, что в электростатическом акселеромет ре, содержащем корпус с внутренней полостью, заполненной газом, помещен ный в ней электропроводньЕй маятник на упругом подвесе в виде балок из монокристаллического электропроводного материала, первый и второй элек роды конденсатора, расположенные по разные стороны маятника, эталонньй конденсатор, а также цепи обнаружени и управления с группой сутФШрующих и вычитающих операционных усилителей (ОУ) и ключей, маятник соединен с первой обкладкой эталонного конден сатора, и через первый и второй ключи - с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, а первый и второй электроды непосредственно соединены с выходами соответственно первого и второго операционных усилителей с высоким выходным напряжением, инвертирующие входы которых соединены с общим проводом схемы, а вькоды этих усилителей соединены с неинвертирующими входами соответственно третьего, четвертого и пятого операционных усилителей и соответственно с первым и вторьм входами суммирующего усилителя, неинвертирующие входы третьего и четвертого операционных усилителей соединены с общим проводом схемы, а инвертирующий вход пятого усилителя соединен с источником опорного напряжения, выход третьего операционного усилителя через третий ключ соединен с входом первого усилителя, а выходы четвертого и пятого усилителей соединены соответственно через четвертый и пятый ключи с входами второго усили теля, вторая обкладка эталонного конденсатора соединена с перВ.ЫМ выходом блока управления, управляющие входы ключей соединены соответственно с ВТ.ОРЫМ, третьим, четвертым и пятым выходами блока управления, а выход суммирующего усилителя соединен с входом блока импульсного управления. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого акселерометра; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов в различных точках схемы. Акселерометр состоит из корпуса с внутренней полостью (условно не показан), в котором на упругом подвесе помещен маятник 1 из монокристаллического электропроводного материала, первого 2 и второго 2 электродов на внутренней полости корпуса, противолежащих маятнику и образующих с ним соответственно конденсаторы с1 и с,, эталонного конденсатора 3 емкостью С, первого А и второго 5 ОУ с высоким выходным напряжением, первого 7. и второго 8 аналоговых ключей, третьего 9, четвертого 10 и пятого 11 ОУ и третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 аналоговых ключей, источника 15 опорного напряжения, суммирзтощего усилителя 16 и блока 17 импульсного управления. Акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения маятник отклоняется от исходного нулевого положения. Это отклонение измеряется во время интервалов обнаружения, соответствующих интервалам , tJ.-t (фиг. 2). Во время интервалов компенсации, соответствующих интервалам , ty-tg (фиг, 2) создает ся момент, компенсирующий момент инерционных сил. Во время интервалов подготовки, соответствующих интерва лам tg-t.-, , , (фиг. схема акселерометра устанавливается в исходное положение. Интервалы обнаружения и компенсации, разделяемы интервалами подготовки, периодически повторяются. о В течение интервала подготовки ключи 7, 12 и 13 замкнуты, а ключи и 14 разомкнуты. Так как усилители и 10 своими инвертирующими входами соединены с землей, а неинвертирующим - с выходами усилителей 4 и 5 с ответственно, то на выходе этих уси лителей будет поддерживаться напряжение, равное нулю. В течение интервала обнаружения ключи 12 и 13 размыкаются, а ключ 1 замыкается. Состояние ключей 7 и 8 не изменяется (ключ 7 замкнут, а ключ 8 разомкнут). Выход усилителя соединен через ключ 14 со входом уси лителя 5 и поэтому на выходе послед него устанавливае.тся напряжение . Усилитель 4 и конденсаторы , с; и С образуют схему усилителя заряда. На первом выходе блока 17 импуль ного управления поддерживается напр жение t). Тогда . (и,и)1сд, где ic - коэффициент пропорционально ти, определяемьй геометрией маятника; /Ь - угол отклонения маятника. Напряжение р, анализируется 3 блоке 17 импульсного управления. 9 , что соответствует /3 О, течение интервала компенсации необходимо заряжать конденсатор С,, и„ О необходимо заряжать С В интервале компенсации, в соответствии с сигналом, вьфабатываемым блоком 17 импульсного управления, заряжается конденсатор С или С. Возможны два варианта коммутации аналоговых ключей. В первом варианте (заряжается конденсатор , и это соответствует интервалу t.,-tg ) ключи 7 и 13 замкнуты, а остальные - разомкнуты. При этом конденсаторы С, , и С включены в цепь обратной связи усилителя 4. Во втором варианте (заряжается конденсатор С, и это соответствует интервалу tj-t) ключи 8 и 12 замкнуты, а остальные - разомкнуты. При этом конденсаторы С , С иС / включены в цепь обратной связи усилителя 5. Таким образом, на интервале компенсации к маятнику прикладывается постоянный компенсирующий момент, не зависящий от изменения емкостей и С в течение этоконденсаторовго интервала. Таким образом, предложенная конструкция акселерометра имеет техническое преимущество в сравнении с известным объектом, так как в ней величина компенсирующего момента не зависит от изменения емкостей конденсаторов, образованных электродами и маятником в процессе задания этого момента, благодаря чему повышается точность работы акселерометра. Причем это техническое преимущество достигается без введения в конструкцию электромеханического узла акселеро- , метра дополнительных узлов, а лишь благодаря изменению электронной части акселерометра.

Л:

-гоов

16

иг

7 „ч-хГ

6 г

фиг. f

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус с внутренней полостью, заполненной газом, помещенный в ней маятник на упругом подвесе в виде балки из монокристаллического электропроводного материала, первый и второй электроды конденсатора, расположенные по разные стороны маятника, эталонный конденсатор, а также цепи обнаружения и управления с группой суммирующих и вычитающих операционных усилителей и ключей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности работы акселерометра, маятник соединен с первой обкладкой эталонного конденсатора и через первьй и второй ключи - с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, а первый и второй электроды непосредственно соединены с выходами соответственно первого и второго операционных усилителей, инвертирующие входы которых соединены с общим проводом схемы, а выходы этих усилителей соединены с неинвертирующими входами соответственно третьего, четвертого и пятого операционных усилителей и соответственно с первым и вторым входами суммирующего усилителя, неинвертирующие входы третьего и четвертого операционных усилителей соединены с общим проводом схемы, а инвертирующий вход пятого усилителя соединен с ис(Л точником опорного напряжения, выход третьего операционного усилителя через третий ключ соединен с входом первого усилителя, а выходы четвертого и пятого усилителей соединены соответственно через четвертый и пятый ключи с входом второго усилителя, вторая обкладка эталонного СП конденсатора соединена с первым выо ходом блока управления, управлякщие СП входы ключей соединены соответствен4 но с вторым, третьим, четвертым со и пятым выходами блока управления, а выход суммирующего усилителя соединен с входом блока управления.