Емкостный частотный компенсационный акселерометр Советский патент 1991 года по МПК G01P15/125 G01P15/13 

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

Цель изобретения - повышение точности преобразования ускорения в частоту.

На фиг. 1 показана структурная схема акселерометра; на фиг. 2 - временные диаг- раммы его работы.

Акселерометр состоит из оснований 1, крышки 2 и подвижной пластины 3 инерционной массы,укрепленной в основании 1 с помощью перемычек 4, со сплошным изме- рительным электродом 5 на одной стороне и двумя электродами - опорным 6 и компенсирующим 7 - на противоположной. В основании 1 выполнены два неподвижных электрода: опорный 8 и измерительный 9, а на крышке 2 - опорный электрод 10 и компенсирующий 11. Электрод 5 электрически соединен с электродом бис инверсным входом операционного усилителя 12, выход которого соединен с электродом 9.Электроды 8 и 10 соединены с выходом модулятора 13. Выходы усилителя 12 и модулятора 13 соединены с входными резисторами RI и R2 первого суммирующего блока 14, выполнен- него на операционном усилителе 15 с резистором RS в цепи обратной связи, выход которого через демодулятор 16 соединен с входным резистором RA второго суммирующего блока 17, выполненного наоперацион- ном усилителе 18 с резистором RS на втором входе и резистором Re в цепи обратной связи. Резистор RS соединен с выходом источника 19 опорного напряжения Do. Выход усилителя 18 соединен со входом преобра- зователя 20 напряжения в частоту (ПНЧ). Выход ПНЧ 20 соединен с первым входом формирователя 21 калиброванных импульсов стабильной амплитуды U0 и длительности t0, второй вход которого соединен с выходом источника 19 опорного напряжения. Выход формирователя 21 соединен с компенсирующим электродом 11. Электрод 7 заземлен.

Устройство работает следующим обра- зом.

При наличии измеряемого ускорения действующая на пластину 3 инерционная сила уравновешивается одновременно компенсирующей силой электростатического компенсатора, образованного электродами 7 и 11, и усилиями датчика перемещения, в качестве которого служит конденсатор Сх, образованный электродами 5 и 9 и включенный в цепь обратной связи операционного усилителя 12. Образцовая емкость С0 сформирована параллельно соединенными опорными конденсаторами, образованными электродами 5, 8 и 6,10. Полная емкость двух параллельно соединенных конденсаторов удваивается и практически не меняется при перемещении пластины 3, что позволяет уменьшить площадь каждого из опорных электродов. Это сопутствует увеличению площади измерительного конденсатора, приводящего к увеличению компенсирующего усилия.

При наличии смещения пластины 3 Сх Со и на выходе усилителя 12 - активного емкостного делителя напряжения - формируется напряжение UXM UM C0/Cx противоположной полярности (фиг. 2). Напряжения UXM и UM алгебраически вычитаются суммирующим блоком 14. Разностное напряжение А11м; усиливается (К Рз/Ri) и выпрямляется фазочувствительным демодулятором 16, Выпрямленное и сглаженное напряжение ФЧД Аи в сумме с начальным опорным напряжением U0 через усилитель 18 поступает на вход ПНЧ 20, на выходе которого формируются импульсы начальной частоты fo. Импульсы fo поступают на вход формирователя 21 стабильной амплитуды Uo и длительности to, выходные импульсы которого поступают на электроды 11 и 7 электростатического компенсатора и создают компенсирующее усилие

Ј0S Uo

Й

FKO

to fo,

где д0 и S - начальный зазор между электродами и их площадь;

Ј0 - диэлектрическая постоянная воздуха.

Усилие FKO уравновешивает начальное усилие натяга упругого подвеса или силу Fg m0g тяжести пластины 3.

При наличии измеряемого ускорения, например X 0 действует вниз, начальный зазор до конденсатора Сх уменьшается на X и амплитуда выходного напряжения усилителя 12 снижается

UoCo

UXM

(5о-х).

Јо S

Разность амплитуд напряжений Дих UM - UXM преобразуется в напряжение постоянного тока AUx и далее с помощью преобразователя 20 - в частоту следования импульсов f0 + fx, при этом компенсирующее усилие

Uo

Ж

и возрастает на величину &М« рующую инерционное усилие Fx

i i- i- II fV Јo о Uo . r ДРк FX m0x -Ч,ro-tof

«Й

с точностью до статизма. Тогда измеряемое ускорение с достаточной точностью пропорционально частоте fx и выражается

Do to

&

Таким образом, в предлагаемом акселерометре электростатические усилия датчика перемещения соизмеримы с электростатическими усилиями компенсации и акселерометр имеет преимущества при измерении вертикальных ускорений в поле Земли при наличии начального ускорения Х0 д. компенсируемого одновременно с усилиями датчика перемещения импульсами начальной частоты fo.

Формула изобретения Емкостный частотный компенсационный акселерометр, включающий электромеханический преобразователь, содержащий основание с неподвижным измерительным электродом и крышку с неподвижным компенсирующим электродом, укрепленную в основании с помощью перемычек подвижную пластину инерционной массы, по разные стороны ..которой прикреплены измерительный и компенсационный электроды, противолежащие соответствующим электродам на основании и крышке, и электрическую схему преобразования, содержащую модулятор, операционный усилитель, источник опорного напряжения, демодулятор, управляющий вход которого соединен

с выходом модулятора, преобразователь напряжения в частоту и формирователь калиброванных импульсов стабильной амплитуды

и длительности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в электрическую схему введены два суммирующих блока, а в электромеханический преобразователь введены первый опорный электрод,

укрепленный на основании со стороны перемычек, второй и третий противолежащие опорные электроды, укрепленные на крышке и пластине со стороны перемычек, причем измерительный электрод на пластине и

третий опорный электрод соединены с инверсным входом операционного усилителя, а измерительный электрод на основании соединен с его выходом, выход модулятора соединен с первым и вторым опорными

электродами и первым входом первого суммирующего блока, второй вход которого со- единен с выходом операционного усилителя, выход первого суммирующего блок соединен с входом демодулятора, выход которого соединен с первым входом второго суммирующего блока, а выход последнего соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, выход которого соединен с первым входом формирователя

калиброванных импульсов, второй вход которого соединен с выходом источника ооп- рного напряжения и вторым входом второго суммирующего блока, неподвижный компенсирующий электрод соединен с выходом

формирователя калиброванных импульсов, а подвижный компенсационный электрод заземлен.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти широкое применение для измерения параметров движения объектов. Целью изобретения является повышение точности преобразования ускорения в частоту. При наличии измеряемого ускорения действующая на пластину инерционная сила уравновешивается одновременно компенсирующей силой электростатического компенсатора, образованного электродами 7 и 11, и усилиями датчика перемещения, в качестве которого служит конденсатор C_X, образованный электродами 5 и 9 и включенный в цепь обратной связи усилителя 12. Образцовая емкость C₀ сформирована параллельно соединенными опорными конденсаторами, образованными электродами 5, 8 и 6, 11. При этом полная емкость двух параллельно соединенных конденсаторов удваивается и практически не меняется при перемещении пластины 3. Электростатические усилия между электродами 5 и 9 датчика перемещения соизмеримы с электростатическими усилиями компенсации и акселерометр имеет преимущества при измерении вертикальных ускорений в поле Земли. 2 ил.

,UfUyM,

. UMT(JXM