Емкостной акселерометр

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ И ФПМ ЕСПИЬЛИН (!9) (1О (З1)а G 01 Р 15 08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHONlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДФРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ OCOP

По ДЕЛам ИЗОЬРЕТЕНИЙ И ОТНЕЫТ1й (21 ) 3694241/24-10 (22) 25.01. 84. (46) 23.08.85. Бюл. Ф 31 (72) В.С. Моисейченко, В.Е. Евдокимов, В.И. Лобан и Д.В. Лебедев (53) 531.767 (088.8) (56) 1. Патент СНА Ф 3229530, кл. 73-517, 1980.

2. Патент Великобритании

Р 1583536, кл. С ) N, 1981 . (54)(57) ЕИКОСТНОЙ AKCEJIEPONETP, 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, о т л ич а ю щ и Й с я тем, что, с целью увеличения верхнего предела измерения ускорений и повышения помехоустойчйвости, в центральном отверстии подвижной пластины, в ее плоскости перпендикулярно оси чувствительности акселерометра установлены подвижный постоянный магнит и неподвижная катушка, причем выход схемы уравновешивания через ключ соединен с неподвижными электродами, а токовый выход модулятора соединен с неподвижной катушкой.

1174861 2

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 предназ- l0 наченные для измерения градиентов силы тяжести (lj .

Недостатком данных акселерометров

Ь является узкий рабочий диапазон.

Наиболее близким к изобретению 15 по технической сущности и достигаемому результату является устройство емкостного акселерометра с электростатической силовой компенсацией 12).

Однако известный акселерометр 2g при высокой точности измерения характеризуется малыми значениями ускоре-6 ний не более 10 5 -10 g что в значительной мере ограничивает возможности его применения. Кроме того, для 25 него присущи низкие помехоустойчи-< вость и механическая прочность.

Целью устройства является увеличение верхнего предела измерения ускорений на два порядка и более 30 . за счет частичной компенсации усилия, создаваемого измеряемым ускорением, и повышение помехоустойчивости, Поставленная цель достигается

35 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 катушка, причем выход схемы уравновешивания через ключ соединен с неподвижными электродами, а токовый выход модулятора соединен с неподвижной катушкой.

На чертеже приведена конструкция емкостного акселерометра и структурная схема.

Между двумя неподвижными изолированными от корпуса пластинами 1 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 разделительные емкости С соединены с выходом высокочастотного генератора

13, а через потенциальный ключ 14 с выходом схемы уравновешивания.

Генератор 13 питает дифференциальную схему емкостного моста 15, преобразующую перемещение в электричес,кий сигнал, который усиливается усилителями 16 и 17.

Емкостной акселерометр работает следующим образом.

В исходном состоянии в первый полупериод модуляции То /2 микромагнит 10 удерживается в крайнем верхнем .положении на упоре 9 при положительном импульсе тока i в катушке 8. B это время ключ 14 раII зомкнут. Измеряемое ускорение Х воздействует на массу ш подвижной о пластины 5 (блок 18) и преобразуется в силу F,,ш х, Сила F„ вызыя

Х о 1 вает смещение Х, пластины 5 за счет деформации упругого подвеса 6. Смещение Х преобразуется емкостным датчиком 15 перемещения в электрический сигнал U<, который усиливается усилителем 16 до напряжения Uy.

Во втором полупериоде модуляции формируется отрицательный импульс тока, выталкивающий из катуш<и микромагнит, который садится на фиксирующий упор ll подвижной пластины 5.

Инерционная чувствительная масса увеличивает свое значение на величину массы микромагнита d rn (блок 19), о чему соответствует большее значение входной силы FX2 =Fx +др х усилие

Fg преобразуетсяв перемещение Х а затем - в напряжение U =U +dU.

Х Х

На выходе усилителя 17 с помощью, например, разделительного конденсатора осуществляется вычитание постоян)

15 р = — /AU ц, где Я вЂ” диэлектричес3 1174 ной составляющей напряжения U х» ю присутствующей в обоих полупериодах модуляции, и выделение модуляционной составляющей, характеризуемой нулевым значением в первый полупериод модуляции и значением 6)з во второй полупериод модуляции. Модуляционная составляющая напряжения усиливается в усилителе 17 до значения напряжения U, êîòîðîå через замкнутый во »0 втором полупериоде ключ 14 подводится вместе с постоянным напряжением

U> к электродам 3 и 4. Напряжение создает электростатическое усилие кая проницаемость, S — площадь электродов, которое с точностью до величины некомпенсации ЬР уравновешивает усилие Ь Гх.:При полном коэффициенте преобразования контура

1 уравновешивания К8= — г К < К К ° 4 >10 х» г .

25 х Рх

Х г», ш, апшо где g — начальный зазор между электродами.

При "о =0 5 мм 8=30 см ))„=100 ВЗО

U=é)0 В и при массе Ь шо =0,05 г номинальная величина компенсирующе-! го ускорения Х „д,„» составляет величину порядка + 0,0)g.

861 4

При значении массы подвижной

I пластины m =5 г в предлагаемом аксеО лерометре предел измерения увеличивается на два порядка, так как увеличивается диапазон измерения на два порядка и более. При этом точность измерения сохраняется прежней.

Как следует из основного уравне. ния 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 n /дш " 10 раз увеличение предела измерения компенсационного акселерометра осуществляется без снижения его точности, поскольку погрешность входного коэффициента

»»» î — практически равна нулю. тдmq

Зазор между микромагнитом и упорами составляет неболь»пую величину

Ь =0„1-0,2 мм.Переходные процессы и время задержки установки и снятия с подвижной пластины микромагнита составляет единицы миллисекунд н менее, что позволяет с достаточной точностью выбрать частоту модуляции порядка нескольких десятков герц, 1174861

Составитель 1О Мручко

Редактор Л. Гратилло Техред А.Бабинец

Корректор М. Пожо

1!

Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 5180/47 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5