Емкостный акселерометр Советский патент 1991 года по МПК G01P15/13 G01P15/08 

3.. 1645906

13 и 14. Выходное напряжение вычита- теля 20 является выходным напряжением акселерометра. В сумматорах 13 и 14 сигнал усилителя 12 складывается с t аналоговым сигналом источника 15 опорного напряжения и поступает на входы коммутаторов 16 и 17 для использования в такте компенсации. 3 такте компенсации напряжения с сумматоров 13 и 14 через коммутаторы 16 и 17 поступают на входы гиперболических цепей усилителей 3 и 9, выходные напряжения которых приложены к электродам 6 и 7 и создают компенсирующее усилие, возвращающее чувствительную

пластину 1 в исходное положение. 3 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорений.

Цель изобретения - повышение быстродействия .

На фиг.1 изображена функциональная схема предложенного акселерометра; на фиг. 2 - его структурная схема на фиг.З - временные диаграммы работы.

Емкостный акселерометр содержит чувствительный элемент - подвижную пластину 1, тонкие перемычки 2,основание 3, электроды 4 и 5 на подвижной пластине, электроды 6 и 7.на основании, первый и второй операционные усилители (ОУ) 8 и 9, Фазочувст- вительные демодуляторы 10 и 11 дифференциальный усилитель 12 с пара- фазными выходами, первый и второй сумматоры 13 и 14, источник 15 опорного напряжения, коммутаторы 16 и 17 генератор 18 импульсов, делитель 19 частоты, вычитатель 20, первый и второй электронные ключи 21 и 22, первый и второй эталонные конденсаторы 23 и 24.

При работе акселерометра действуют следующие сигналы.

Генератор 18 формирует импульсы с периодом Т , на выходе делителя Q формируются импульсы с периодом 2Т (фиг.З). На импульсном выходе источника 15 опорного напряжения 15 формируется импульсное двухполярное напряжение Uou (фиг.З) с амплитудой и периодом Т0.

Работа акселерометра осуществляется периодически в два такта: такт измерения Тои (коммутаторы 16 и 17 в положении а) и такт компенсации TUK. (коммутаторы в положении б), и поясняется временными диаграммами фиг.З.

В такте измерения (Тоц) коммутаторы 16 и 17 и ключи 21 и 22 - в положении а, и на входы усилителей 8 и 9 поступает напряжение U0(j. Выходные напряжения усилителей Ди), и Ди, выпрямляются ( и ) фазочувствительными демодуляторами 10 и II с фильтрами (Р.С) на выходе и поступают на входы дифференциального усилителя 12. Разностное напряжение Дих t:M UX2. Усиливается, а выходные напряжения усилителя U х и U к складываются с опорным U0 в сумматорах 13 и 14 и вычитаются в вычитателе 20. Разность напря0

5

0

жений U ,

5

0

5

U

XI

- и

Х2

является выходным информативным напряжением. Сумма

напряжений UQ + Uxi и Uo + UX2. noc тупает на входы б коммутаторов 16 и 17 и служит для компенсации измеряемого ускорения.

В такте компенсации (Ток) коммутаторы 16 и 17, ключи 21 и 22 - в положении б. Напряжения U0 + U, и U0 + UXЈ поступают на входы гиперболических цепей усилителей 9 и 8, а их выходные напряжения U «, и UK2 приложены к электродам 7 и 6 и создают компенсирующее усилие Fn, возвращающее чувствительную пластину 1 к начальному положению.

Взаимосвязь звеньев уравновеТпиваю- щей системы акселерометра показана на структурной схеме (фиг.2).

Измеряемое ускорение X врз- действует на массу т0 пласти- ,ны 1 (фиг.2) и преобразуется

в силу F„

га X о

Усилие F. уравновешивается усилием- Рц электростатической компенсации. Разность усилий ДГ FX - FK через упругую перемычку 2 с жесткостью W преобразуется в смещение X, которое вызывает изменение емкостей между электродами 5 и

С

х

Xfc

Јо s СГ+х

6о S

т;гх 51645906

и электродами 4 и 6 F

где Јj диэлектриF

ус ря эл

усилие пропорционально выходному нап- ряжению и не зависит от зазора между элек гродами.

Структурная схема (фиг.2) содержит цепь прямого преобразования с

ческая проницаемость воздуха, S площадь электродов; $Q - зазор между электродами.

Изменение емкостей в такте измерения преобразуются гиперболической 10 коэффициентом передачи К цепью с усилителями 3 и 9 в электрииоСл ,, , г f. х и цепь обратном связи с

ческие сигналы: Дих, Ufl (Ј+x) ...1.. п 2UeC0

2

й- х

и AUXe ,uo-gl--(.x)

6oS

где

ко фициентом fi . Коэффи Со

15 циент преобразования разомкнутой

0| и С QЈ емкости эталонных конден- системы, т.е. добротность ее.опреде- саторов 23 и 24. Напряжения ЛUx и выпрямляются фаэочувствителънымн демодуляторами 10 и 1 и их выходные- напряжения подаются на входы диффе- 20 ренциального усилителя 2.

Разностное напряжение дих уси- лиьаегся в К раз и выходные напряжения U „, и U

ляется величиной

г 1

л k U0 Co кр й

W

(Ј0 s

const,

1

4U0- Co

а измеряемое ускорение Х- x

m0-L0

x ux.

X4 и ux Равные по величине и противоположные по знаку, суммирукгг- 25 (j, о р м у л а ся с и и в такте компенсации подаются на входы гиперболической цепи - усилителей 3 и 9, выходные напряжения которых

изобретения

Емкостный акселерометр, содержащий основание, крышку, чувствительную подвижную пластину из монокрисU

XI

Ь о + UX,

) fV(0+X)nUK2

- (uo + ux) x).

Таким образом, в такте измерения гиперболическая цепь линеаризации включена в прямую цепь преобразования перемещения X в электрический сигнал AU)(, в такте компенсации включена в цепь обратной связи для формирования компенсирующих напряжений U и U«Ј, которые создают компенсирующие усилия:

г

На чувствительный элемент I воздействует разность усилий FK F«« - -.Рц4, которая при Ux, х2 Равна

F

2Г0Св .. F я Ux i т.е. компенсирующее

усилие пропорционально выходному нап- ряжению и не зависит от зазора между элек гродами.

Структурная схема (фиг.2) содержит цепь прямого преобразования с

коэффициентом передачи К

2

й- х

...1.. п 2UeC0

ко фициентом fi . Коэффи Со

циент преобразования разомкнутой

системы, т.е. добротность ее.опред

системы, т.е. добротно

ляется величиной

г 1

л k U0 Co кр й

W

(Ј0 s

а измеряемое ускорение

изобретения

(j, о р м у л а

Емкостный акселерометр, содержащий основание, крышку, чувствительную подвижную пластину из монокристалла кремния, соединенную с основанием перемычками, изолированные электроды в основании, крышке и с двух сторон подвижной пластины, а также первьй эталонны1 конденсатор,

электронные ключи, операционнь;е усилители, генератор импульсов, делитель частоты, первый сумматор,источник опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью

повышения быстродействия, в него дополнительно введены второй эталонный конденсатор, второй сумматор,фаэо- чувствительные демодуляторы, вычи- татель, коммутаторы, дифференциальный усилитель с парафаэным выходом, при этом выходы первого и второго KOMMyTatopoB подключены соответственно через первый и второй эталонные конденсаторы к инверсным входам соответственно первого и второго операционных усилителей, в цепи отрицательных обратных связей которых включены подвижные и неподвижные электроды каждой из сторон подвижной пластины и крышки, выходы первого и второго операционных усилителей соответственно через первый и второй электронные ключи и первый и второй фазочувствительные демодуляторы подключены соответственно к неинверсному и инверсному входам дифференциального усилител., первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и рого сумматоров, выходы которых подключены к вторым входам соотъ но первого и второго коммутаторов, {первые входы которых подключены к импульсному выходу источника опорного напряжения, аналоговый выход которого соединен с вторыми входами

U an

.I ,,

и1 /////////,Ш ///ШР ъ.

сумматоров, а управляющий вход - с управляющими Уходами фазочувстви- тельных демодуляторов, входом дели- теля частоты и выходом генератора импульсов, причем выход делителя частоты соединен с управляющими входами коммутаторов и электронных ключей, а первый и второй выходы дифференциального усилителя подключены к входам вычитателя, выход которого является выходом акселерометра.

Фиг I

Фиг 3