Электростатический акселерометр

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„. SU „115 549,1цд С 01 Р 15/13

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К ABTOPCHGMV СВИДЕТЕПЬСПБУ (21) 3674839/24-10 (22) 20. 12. 83 (46) 15.04.85. Бюл. - 14 (72) А.Г.Овсянников и А.В.Полынков (71) МВТУ им. Н. Э. Баумана (53) 621. 517 (088. 8) (56) 1. Патент США И- 3877313, кл . 73/516, 1975.

2. Патент США 9 2047902, кл. 0 01 P 15/t3, 1980.

3. Патент США У 4102202, кл. 73/517 В, 1978 (прототип). (54) (57) ЭЛЕ1:ТРОСТАТИЧЕСКИЙ 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, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности работы акселерометра, маятник соединен с первой обкладкой эталонного конденсатора 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 усили— телей, 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<О 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 усилиВвю4 теля, вторая обкладка эталонного конденсатора соединена с первым вы- ходом блока управления, управляющие входы ключей соединены соответствеи- © но с вторым, третьим, четвертым 4Ъ и пятым выходами блока управления, Ч© а выход суммирующего усилителя соединен с входом блока управления.

1150549

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения ускорения подвижных объектов.

Известен электростатический акселерометр, содержащий корпус, две пары электродов, установленных в корпусе, и маятник, выполненный из непроводящего монокристаллического материала «1 .

Известен электростатический акселерометр, содержащий только одну пару электродов, которые обеспечивают как измерение отклонений маятника, так и создание компенсирующего момента «23.

Как в первом, так и во втором устройствах необходим дополнительный источник возбуждения для ДУ, а это возбуждение приводит к появлению нежелательных сил, действующих на маятник при его отклонении от нулевого положения. Кроме того, маятник выполнен из непроводящего материала, чтобы можно было нанести на нем изолированные электроды. При этом упругий элемент, на котором подвешен маятник, выполняет роль токоподводов, что приводит к появлению вредных моментов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является электростатический акселерометр, в котором маятник выполнен в виде монокристалли- 35 ческого проводящего элемента (3).

Недостатком известного акселерометра является низкая точность задания компенсирующего. момента.

Целью изобретения является устра- 40 нение данного недостатка.

Указанная. цель достигается тем, что в электростатическом акселерометре, содержащем корпус с внутренней полостью, заполненной газом, помещен-45 ный в ней электропроводный маятник на упругом подвесе в виде балок из монокристаллического электропроводного материала, первый и второй электроды конденсатора, расположенные по 50 разные стороны маятника, эталонный конденсатор, а также цепи обнаружения и управления с группой суммирующих и вычитающих операционных усилителей (ОУ) и ключей, маятник соединен 55 с первой обкладкой эталонного конденсатора и через первый и второй ключи — с инвертирующими входами перваго и второго операционных усилителей, а первый и второй электроды непосредственно соединены с выходами соответственно первого и второго операцион ных усилителей с высоким выходным напряжением, 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 н 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 усилителя, вторая обкладка эталонного конденсатора соединена с первым выходом блока управления, управляющие входы ключей соединены соответственно с вторым, третьим, четвертым и пятым выходами блока управления, а выход суммирующего усилителя соединен с входом блока импульсного управления.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого акселероиетра; 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 конденсато(IS ры С„ и С„, эталонного конденсатора 3 емкостью С, первого 4 и второго 5 ОУ с высоким выходным напряжением, первого 7. и второго 8 аналоговых ключей, третьего 9, четвертого 1О и пятого 11 ОУ и третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 аналоговых ключей, источника 15 опорного напряжения, суммирующего усилителя 1á и блока 17 импульсного управления.

Лкселерометр работает следующим образом.

1150549

При наличии ускорения маятник отклоняется от исходного нулевого положения. Это отклонение измеряется во время интервалов обнаружения, соответствующих интервалам t -t с -t< (фиг. 2). Во время интервалов компенсации, соответствующих интервалам t>-tÄ, t -t а (фиг. 2) создается момент, компенсирующий момент инерционных сил. Во время интервалов подготовки, соответствующих интервалам с -с„., с -с, с -с,с -с (фиг.2) схема акселерометра устанавливается в исходное положение. Интервалы обнаружения и компенсации, разделяемые 15 интервалами подготовки, периодически повторяются.

В течение интервала подготовки ключи 7, 12 и 13 замкнуты, а ключи 8. и 14 разомкнуты. Так как усилители 9 и 10 своими инвертирующими входами соединены с землей, а неинвертирующим — с выходами .усилителей 4 и 5 соответственно, то на выходе этих усилителей будет поддерживаться 25 напряжение, равное нулю.

В течение интервала обнаружения ключи 12 и 13 размыкаются, а ключ 14 замыкается. Состояние ключей 7 и 8 не изменяется (ключ 7 замкнут, а 30 ключ 8 разомкнут). Выход усилителя 11 соединен через ключ 14 со входом усилителя 5 и поэтому на выходе послед- . него устанавливается напряжение

U =U ù . Усилитель 4 и конденсаторы

С „, С„" и С образуют схему усилителя заряда.

На первом выходе блока 17 импульснбго управления поддерживается напряжение Up=0. Тогда 40

u> =-(u, - u,) =ap, где к — коэффициент пропорциональности, определяемый геометрией маятника;

P — угол отклонения маятника.

Напряжение 0> анализируется э блоке 17 импульсного управления.

Если 0>) О, что соответствует р (О, то в течение интервала компенсации

I необходимо заряжать конденсатор С,, fl при U (0 необходимо заряжать С

В йнтервале компенсации, в соответствии с сигналом, вырабатываемым блоком 17 импульсного управления, заряжается конденсатор С„ или С.. ! ((Возможны два варианта коммутации аналоговых ключей.

В первом варианте (заряжается конденсатор С„, и это соответствует

I интервалу t -с ) ключи 7 и 13 замкнуты, а остальные — разомкнуты. При

Р и этом конденсаторы С„, С„и С включены в цепь обратной связи усилителя 4.

Во втором варианте (заряжается конденсатор С„, и это соответствует

И интервалу с -t+) ключи 8 и 12 замкнуты, а остальные — разомкнуты.

При этом конденсаторы С„, С1 и:С (1 включены в цепь обратной связи усилителя 5.

Таким образом, на интервале компенсации к маятнику прикладывается постоянный компенсирующий момент, не зависящий от изменения емкостей

И конденсаторов С и С„ в течение этого 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 акселеромстра.

1150549

89 7 Поумсное

4 уд.Проектная,