Емкостный частотный компенсационный акселерометр

 

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<SB POS="POST">X</SB>, образованный электродами 5 и 9 и включенный в цепь обратной связи усилителя 12. Образцовая емкость C<SB POS="POST">0</SB> 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я) G 01 P 15/125, 15/13

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

gikРЛ:, "ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

6 (21) 4638199/10 (22) 16.01.89 (46) 15.07.91. Бюл, N 26 (71) Ленинградский политехнический институт им. М.И. Калинина и Научно-исследовательский институт физических измерений, г.

Пенза (72) В.М. Артемов, Э,А. Кудряшов, Д.В, Лебедев и В.С. Моисейченко (53) 531.768(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

И 1478127, кл. G 01 Р 15/125, 1987, Патент Великобритании

М 2047902, кл. G 01 P 15/13. 1980. (54) ЕМКОСТНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР (57) Изобретение относится к измерительной технике и может найти широкое применение для измерения параметров движения объектов. Целью изобретения является повышение точности преобразования ускоре„„ „„1663560 А1 ния 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 Сх, образованный электродами 5 и 9 и включенный в цепь обратной связи усилителя 12. Образцовая емкость С0 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.

1663560

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 диаграммы 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 измерительным электродом 5 на одной стороне и двумя электродами — опорным 6 и компенсирующим 7 — на противоположной. B 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 6 и с 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 Rl и Кг первого суммиоующего блока 14, выполненного на операционном усили еле 15 с резистором Кэ в цепи обратной связи, выход которого через демодулятор 16 соединен с входным резистором Rp второго суммирующего блока 17, выполненного на операционном усилителе 18 с резистором Rg на втором входе и резистором Rs в цепи обратной связи. Резистор В5 соединен с выходом источника 19 опорного напряжения Оо, Выход усилителя 18 соединен со входом преобразователя 20 напряжения в частоту (ПНЧ).

Выход ПНЧ 20 соединен с первым входом формирователя 21 калиброванных импульсов стабильной амплитуды Up и длительности то, второй вход которого соединен с выходом источника 19 опорного напряжения, Выход формирователя 21 соединен с компенсирующим электродом 11, Электрод

7 заземлен, Устройство работает следующим образом.

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 Со сфор35

Ео8 Up г ко 2 9 о о

Оо где до и S — начальный зазор между электродами и их площадь; ео — диэлектрическая постоянная воздуха

Усилие Ек, уравновешивает начальное усилие натяга упругого подвеса или силу

Fg = mpg тяжести пластины 3.

При наличии измеряемого ускорения, например Х > 0 действует вниз, начальный зазор äo конденсатора С, уменьшается на Х и амплитуда выходного напряжения усилителя 12 снижается аахм — 8 (до — х), Up Co

Ео

Разность амплитуд напряжений

AUx = Ом — 0»м преобразуется в напряжение постоянного тока Ь0» и далее с помощью преобразователя 20 — в частоту

СЛЕДОВаНИЯ ИМПУЛЬСОВ fp+ fx, flPM ЭТОМ КОМ пенсирующее усилие ооS Uo г

Рк - — и возрастает на величину »

Рующую инерционное усилие Fx мирована 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 Cx " Co и на выходе усилителя 12 — активного емкостного делителя напряжения—

15 формируется напряжение Охм = Ом Со/Сх противоположной полярности (фиг. 2), Напряжения Охм и 0м алгебраически вычитаются суммирующим блоком 14. Раэностное напряжение ЛОм, усиливается (К = Вэ/Rl) и выпрямляется фазочувствительным демодулятором 16, Выпрямленное и сглаженное напряжение ФЧД Л0» в сумме с началь- ным опорным напряжением Up 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 то, выходные импульсы которого поступают на электроды 11 и 7 электростатического кампенсатора и создают компенсирующее усилие

1663560.г = о, u u,„, л и„=п

t х 0. Er u

Фиг. г

Составитель А. Полынков

Редактор О. Спесивых Техред М.Моргентал Корректор И. Муска

Заказ 2264 Тираж 352 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

П w

Л гк = Fx = про x — ° то тх

2 <Я с точностью до статизма. Тогда измеряемое ускорение с достаточной точностью пропорционально частоте 4, и выражается

Хll о 5, 4 то

Х 2

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 Хо = g, 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 и с выходом модулятора, преобразователь напряжения в частоту и формирователь калиброванных импульсов стабил ьной амплитуды

5 идлительности, отл ича ющи йся тем, что, с целью повышения точности, в электрическую схему введены два суммирующих блока, а в электромеханический преобразователь введены первый опорный электрод, 10 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

15 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

20 электродами и первым входом первого суммирующего блока, второй вход которого соединен с выходом операционного усилителя, выход первого суммирующего блок соединен с входом демодулятора, вы,25 ход которого соединен с первым входом второго суммирующего блока, а выход последнего соединен с входом преобразователя напряжения B часто у, выход которого соединен с первым входом формирователя

30 калиброванных импульсов, второй вход которого.соединен с выходом источника оопрного напряжения и вторым входом второго суммирующего блока, неподвижный компенсирующий электрод соединен с выходом

35 формирователя калиброванных импульсов, а подвижный компенсационный электрод заземлен.