Емкостной акселерометр Советский патент 1985 года по МПК G01P15/125 

М

00 9д

1и

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может найти широкое применение для точных измерений линейных ускорений ускорений силы тяжести и параметров движения объектов.

Известны высокочувствительные акселерометры с электрической силовой компенсацией, использующие электростатическую подвеску и предназначенные для измерения градиентов силы тяжести Qj,

Недостатком данных акселерометров является узкий рабочий диапазон.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство емкостного акселерометра с электро- статической силовой компенсацией .

Однако известный акселерометр при высокой точности измерения характеризуется малыми значениями ускорений не более 10 -10 g, что в значительной мере ограничивает возможности его применения. Кроме того, для него присущи низкие помехоустойчи-i вость и механическая прочность.

Целью устройства является увеличение верхнего предела измерения ускорений на два порядка и более за счет частичной компенсации усилия, создаваемого измеряемым ускорением, и повьшение помехоустойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что в емкостной акселерометр, содержащий два неподвижных электрода и один подвижный электрод на упругом подвесе, схему уравновешивания с дифференциальным емкостным датчиком перемещения и усили- телем-демодулятором, схему вычитания напряжений, модулятор и ключ, в центральном отверстии подвижной пластины в ее плоскости перпендикулярно оси чувствительности акселерометра установлены подвижный постоянный магнит и неподвижная катущка причем выход схемы уравновешивания через ключ соединен с неподвижными электродами, а токовый выход модулятора соединен с неподвижной катущкой.

На чертеже приведена конструкция емкостного акселерометра и структурная схема.

Между двумя неподвижными изолированными от корпуса пластинами 1

612

и 2 с электродами 3 и 4 расположена подвижная пластина 5 с электродами, закрепленная на упругом подвесе 6. В центральной части пластин выполнены отверстия и на скобе 7 установлена микрокатушка 8, в основании которой расположен фиксирующий упор 9. Внутри каркаса катушки 8 расположен микромагнит 10.

С другой стороны микромагнита на подвижной пластине 5 с края отверстия установлен второй фиксирующий упор 11.

Микрокатушка 8 соединена с токовым выходом модулятора 12. Неподвижные электроды 3 и 4 через разде- лительные емкости С соединены с выходом высокочастотного генератора 13, а через потенциальный ключ 14 с выходом схемы уравновешивания. Генератор 13 дифференциальную схему емкостного моста 15, преоОразующую перемещение в электричес,кий сигнал, который усиливается

усилителями 16 и 17.

Емкостной акселерометр работает следукяцим образом.

В исходном СОСТОЯНИЙ в первый полупериод модуляции Тр/2 микромагнит 10 удерживается в крайнем верхнем -положении на упоре 9 при положительном импульсе тока i в катушке 8. В это время ключ 14 разомкнут. Измеряемое ускорение X

воздействует на массу га подвижной пластины 5 ( блок 18) и преобразуется в силу . Сила F вызывает смещение X, пластины 5 за счет деформации упругого подвеса 6. Смещение K. преобразуется емкостным датчиком 15 перемещения в электрический сигнал Ui)( , который усиливается уси лителем 16 до напряжения U/. I

Во втором полупериоде модуляции

формируется отрицательный импульс

тока, выталкивающий из катушки микромагнит, который садится на фиксирующий упор 11 подвижной пластины 5. Инерционная чувствительная масса уве-личивает свое значение на величину массы микромагнита Д га ( блок 19), чему соответствует большее значение входной силы , +AF). Усилие Fу преобразуетсяв перемещение Х-,

а затем - в напряжение Ujj U)( +iU. На выходе усилителя 17 с помощью, например, разделительного конденсатора осуществляется вычитание постоян- ной составляющей напряжения Uy, « присутствуклцей в обоих полупериодах модуляции, и вьвделение модуляционно составлякяцей, характеризуемой нулев значением в первьй полупериод модуляции и значением &U во второй полупериод модуляции. Модуляционная соетавляннцая напряжения усиливается в усилителе 17 до значения напряжения U, /которое через замкнутый во втором полупериоде ключ 14 подводит ся вместе с постоянным напряжением Ujj .к электродам 3 и 4. Напряжение создает электростатическое усилие Ч F SU|jU, где 6 - диэлектрическая проницаемость, S - площадь электродов, которое с точностью до величины некомпенсации ЛР уравновешивает усилие А F)f. :При полном коэффициенте преобразования контура уравновешивания ., К К-/3 10 х F -1 -2-i OiM п ,- Шо где 8р - начальный зазор между электродами. При SQ 0,5 мм, см, в и при массе Д та 0,05 г номинальная величина компенсирующего ускорения X f,| составляет величину порядка ±0,0Ig. При значении массы подвижной пластины m 5 г в предлагаемом акселерометре предел измерения увеличивается на два порядка, так как увеличивается диапазон измерения на два порядка и более. При этом точность измерения сохраняете прежней. Как следует из основного уравнения преобразования акселерометра, погрешность чувствительности определяется стабильностью параметров емкостного обратного преобразователя и практически не зависит от жесткости упругого подвеса, коэффициентов преобразования датчика перемещения и усиления. Таким образом, существенное в т,, 10 раз увеличение пределл измерения компенсационного акселерометра осуществляется беч снижения его точности, поскольку погрешность входного коэффициента практически равна нулю. й niQ Зазор между мнкромагнитом и упорами составляет неболыоую величину Д О, 1-0,2 мм.Переходные процессы и время задержки установки и снятия с подвижной пластины мнкромагнита составляет единицы миллисекунд tf менее, что позволяет с достаточной точностью выбрать частоту модуляции порядка нескольких десятков герц. 6

ЕМКОСТНОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, -( содержащий два неподвижных электрода и один подвижный электрод на упругом подвесе, схему уравновешивания с дифференциальным емкостным датчиком перемещения и усилителемдемодулятором, схему вычитания напряжений, модулятор и ключ, отличающийся тем, что, с целью увеличения верхнего предела измерения ускорений и повышения помехоустойчивости, в центральном отверстии подвижной пластины, в ее плоскости перпендикулярно оси чувствительности акселерометра установлены подвижный постоянный магнит и неподвижная катушка, причем вькод схемы уравновешивания через ключ соединен с неподвижными электродами, а токовый выход модулятора соединен с не« подвижной катушкой.