Устройство для измерения ускорения Советский патент 1992 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к датчикам линейных ускорений и может найти применение в космической и ракетной технике.

Известны устройства для измерения ускорений, содержащие корпус с внутренней полостью, помещаемую в полость инерционную массу и средства контроля положения инерционной массы в полости 1 и 2.

Наиболее близким к изобретению является датчик, содержащий корпус, сферическую оболочку внутренней полости, помещенную в полость инерционную массу из электропроводного текучего материала с большим поверхностным натяжением и средства контроля положения инерционной массы внутри полости, которые устанавливаются вблизи ее внутренней поверхности и связываются электродами с внешней электрической схемой 2,

Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон измерений. Так, если ускорение измеряется за счет введения во внутреннюю полость устройства на определенную глубину изолированного от материала оболочки прямолинейного электрода, то величина измеряемого уско- рения строго фиксирована и определяется глубиной введения электрода и относительными объемами инерционной массы и полости. При этом датчик не обеспечивает всенаправленности измерений и может быть использован лишь как индикатор момента достижения ускорением заданной величины.

Использование емкостного преобразователя перемещения инерционной массы внутри полости на основе введенных в полость и связанных с внешними цепями про- водящих пластин не обеспечивает автономного измерения ускорений в широком диапазоне с высокой чувствительно- стью., так как максимальная величина измеряемого ускорения ограничена возможностью свободного парения инерционной массы между пластинами, а величина емкости образованного пластинами кон- денсатора, являющаяся мерой измеряемого ускорения, не позволяет достичь высокой точности измерения.

Измерение ускорения за счет регистрации оптического или радиоактивного излу- ченим с поверхности инерционной массы отличается низкой крутизной характеристики преобразования датчика и как следствие - слабой чувствительностью к изменению значительных по величине ускорений.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет выполнения оболочки внутренней полости корпуса устройства в виде полого герметичного правильного многогранника из монокристалли- ческих полупроводниковых пластин, на внутренних поверхностях которых равномерно и в равном количестве размещены средства контроля положения инерционной массы из электропроводного текуче- го материала с большим.поверхностным натяжением. Указанные средства контроля выполнены в виде точечных контактов заподлицо с внутренними поверхностями пластин, и каждый точечный контакт соединен токопроводящим каналом с внешней поверхностью пластины.

Работа устройства основана на свойстве инерционной массы из текучего материала с большим поверхностным натяжением,

находящейся в контакте с жесткой поверхностью, изменять площадь контакта с поверхностью при изменении действующей на инерционную массу силы реакции поверхности. Использование в качестве информационного параметра площади контакта инерционной массы из текучего материала с большим поверхностным натяжением с жесткой подстилающей поверхностью позволяет определять направление и величину измеряемого ускорения в более широком по сравнению с известными устройствами диапазоне.

На фиг.1 изображен общий вид устройства для измерения ускорения. На фиг.2 изображена инерционная маса из текучего материала с большим поверхностным натяжением в контакте с плоской жесткой поверхностью. На фиг.З изображено сечение одной из пластин, составляющих оболочку внутренней полости устройства, находящейся в контакте с инерционной массой.

Устройство для измерения ускорения содержит инерционную массу 1 из электропроводного текучего материала с большим поверхностным натяжением (например, из ртути), помещенную во внутреннюю полость корпуса устройства, оболочка которой выполнена как правильный многогранник (в рассматриваемом примере - двенадцатигранник) из монокристаллических полупроводниковых пластин 2...13.

Форма оболочки, или вид многогранника, а,следовательно, и форма монокристаллических полупроводниковых пластин определяются требованием обеспечения ортогональности внутренней поверхности полости устройства вектору измеряемого ускорения. Для всенаправленного датчика этому требованию удовлетворяет лишь сферическая форма внутренней поверхности полости, выполнить которую в монокристаллическом полупроводниковом материале при соблюдении условия идентичной кристаллографической ориентации невозможно. Поэтому оболочка внутренней полости устройства выполняется в виде правильного двенадцати- или двадцатигранника, поскольку из возможных правильных многогранников они наиболее близки к сферической форме.

Каждая из пластин 2.,.13 представляет собой подложку интегральной схемы, которая выполняется методами планарной Ttex- нологии на внешней стороне пластины и предназначена для вычисления площади контакта текучего материала инерционной массы 1 с внутренней поверхностью пластины.

На внутренних поверхностях 14 пластин выполнено равное количество равномерно размещенных пар точечных контактов 15, соединенных токопроводящи- ми каналами 16 с внешними поверхностями 17 образующих оболочку пластин. Каждый второй точечный контакт соединяется с общей шиной, и в этом случае схема обработки информации каждой из пластин может быть выполнена как счетчик числа замкнутых на общую шину контактов.

В целях исключения снижения чувствительности при измерении ускорений, сравнимых и превышающих ускорение силы тяжести, объем текучего материала инерционной массы 1 не должен превышать половины объема внутренней полости.

Устройство для измерения ускорения работает следующим образом. В состоянии невесомости инерционная масса 1 имеет форму шара и свободно парит в объеме полости без контакта с внутренними поверхностями 14 пластин оболочки. При движении объекта с некоторым ускорением инерционная масса 1 в процессе контакта с внутренней поверхностью оболочки полости деформируется и площадь ее контакта с пластиной (пластинами), к внешней поверхности которой направлен по нормали или под углом, близким к 90°, вектор ускорения, увеличивается. При этом направление на геометрический центр площади контакта в связанной с объектом системе координат противоположно направлению действия измеряемого ускорения, а значение площади контакта определяет значение модуля вектора ускорения.

Условия равновесия инерционной массы 1 из текучего материала с большим поверхностным натяжением, находящейся в контакте с жесткой плоской поверхностью 14,m a j ( 2 . . .4 ) л Rn op cos в ,.

Ж РО+- (1)

m

для ускорений, сравнимых и превышающих ускорение силы тяжести, и

Ро +

2а Rk

для ускорений, значительно меньших ускорения силы тяжести, где m - масса инерционного тела 1, а - модуль нормальной к поверхности 14 составляющей вектора измеряемого ускорения, РО - давление внутри полости, о- поверхностное натяжение материала инерционной массы,/э- плотность

10

15

материала инерционной массы - показывают, что площадь контакта 5 я РЙ прямо- пропорциональна ускорению, с которым движется поверхность, при ориентации вектора ускорения по нормали к поверхности.

С ростом РО от нуля (полость вакуумизи- рована) до атмосферного чувствительность устройства понижается, что обусловливает дополнительную возможность расширения диапазона измерений при неизменной массе инерционного тела,

Поскольку возможности перемещения инерционной массы 1 во внутренней полости устройства, а следовательно, и возможности контакта материала инерционной массы с внутренними поверхностями пластин оболочки не ограничены, устройство позволяет измерять ускорение, действую- 20 щее в любых направлениях относительно связанной с объектом системы координат.

Таким образом, конструкция предлагаемого устройства позволяет при измерении полного вектора ускорения расширить динамический диапазон измерений за счет использования свойств инерционной массы из текучего материала с большим поверхностным натяжением, находящейся в контакте с жесткой плоской поверхностью, изменять площадь контакта с указанной поверхностью пропорционально ускорению, с которым поверхность движется в ортогональном направлении.

Предлагаемое устройство, кроме того, отличается потенциально высокой чувствительностью, особенно при измерении ускорений, меньших ускорения силы тяжести, что обусловлено возможностями создания высокой плотности изолированных точеч- 40 ных контактов (проводящих участков) на единице площади монокристаллической полупроводниковой подложки, а также - возможностью непосредственного использования в микропроцессорной системе об- работки информации без дополнительных средств согласования.

Формула изобретения

Устройство для измерения ускорения, содержащее корпус в виде оболочки, во внутреннюю полость которой помещена инерционная масса из электропроводного текучего материала с большим поворотным натяжением и средства контроля положения инерционной массы, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, оболочка выполнена в виде полого герметичного правильного многогранника из монокристаллических полупроводниковых пластин, причем объем

25

30

35

50

55

материала инерционной массы составляет не более половины объема внутренней полости многогранника, а средства контроля выполнены в виде точечных контактов, в равном количестве и равномерно разме//7

Ю

щенных по площади внутренних поверхностей каждой из пластин заподлицо с этими поверхностями, при этом каждый точечный контакт соединен токопроводящим каналом с внешней поверхностью пластины,

Использование: изобретение относится к измерению параметров движения, в частности к датчикам линейных ускорений на основе деформируемой инерционной массы. Сущность изобретения: под воздействием ускорения инерционная масса из текучего электропроводного материала с большим поверхностным натяжением изменяет площадь контакта с внутренними поверхностями монокристаллических полупроводниковых пластин, образующих полый и герметичный правильный многогранник, во внутреннюю полость которого помещена инерционная масса 1. Величина площади контакта материала инерционной массы 1 с внутренними поверхностями пластин 2...13 определяет величину измеряемого ускорения, а соотношение площадей частей находящихся в контакте с инерционной массой 1 внутренних поверхностей пластин 2...13 определяет направление вектора измеряемого ускорения. Для измерения площади контакта инерционной массы 1 с внутренними поверхностями монокристаллических полупроводниковых пластин 2. 13 на этих внутренних поверхностях выполнены равномерно размещенные по площади пластин точечные контакты, соединенные токопроводящими каналами с внешними поверхностями пластин. Контакты выполнены заподлицо с внутренними поверхностями пластин так, чтобы число контактов на каждом пластине было четным и равным числу контактов на любой другой пластине. Каждый второй контакт при этом соединяется на внешней поверхности пластины с общей шиной, к которой подводится потенциал высокого уровня, соответствующий логической единице, а оставшиеся контакты - со схемой обработки информации, выполняемой на внешней поверхности каждой пластины методами планарной технологии и предназначенной для подсчета числа точечных контактов, замкнутых инерционной массой 1 на общую шину. 3 ил. сл VJ О GJ Ю 00 00

Фиг J

Редактор Т. Куркова

Составитель А. Верятин Техред М.Моргентал

Корректор Т. Вашкович