Компенсационный акселерометр

 

Устройство предназначено для использования в области измерительной техники и является компенсационным преобразователем линейного ускорения с электростатическим обратным преобразователем. Акселерометр содержит первую, вторую и третью пластины, консольный подвижный элемент, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, генератор переменного тока, усилитель с двумя противофазными выходами, к которым подключены неподвижные электроды. Каждый неподвижный электрод выполнен из нескольких прямоугольных частей, подключаемых к выходам усилителя в зависимости от диапазона измерений, что позволяет изменять диапазон измеряемых ускорений без изменения основных конструктивных элементов акселерометра. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно, к компенсационным преобразователям линейного ускорения с электростатическим обратным преобразователем.

Известен компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину с неподвижным элементом, подвижным элементом и соединяющим их упругим шарниром, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь положения подвижного элемента с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, электростатический обратный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, усилитель [1].

Его недостатком является ограничение верхнего предела диапазона измеряемых ускорений из-за неполного использования площади поверхности подвижного элемента для создания компенсационной электростатической силы.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2] , содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижный элемент, подвижный элемент в виде консоли с электропроводной поверхностью и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, двухфазный генератор напряжения переменного тока, дифференциальный емкостный преобразователь, неподвижные электроды которого расположены на второй и третьей пластинах, а подвижный электрод образован электропроводной поверхностью подвижного элемента и подсоединен к источнику опорного напряжения и к входу усилителя с двумя противофазными выходами, причем поверхности подвижного элемента и неподвижных электродов расположены напротив друг друга, продольные оси неподвижных электродов расположены по направлению длины консоли подвижного элемента, ось упругого шарнира перпендикулярна продольной оси неподвижного электрода.

Недостатком такого компенсационного акселерометра является ограничение диапазона измеряемых ускорений вследствие того, что нельзя изменить диапазон измеряемых ускорений без изменения основных конструктивных параметров компенсационного акселерометра, таких как, например, масса подвижного элемента, зазор между подвижными и неподвижными электродами дифференциального емкостного преобразователя и т.д.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение возможности выполнения верхнего и нижнего пределов диапазона измеряемых ускорений без изменения основных конструктивных параметров компенсационного акселерометра.

Указанный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижный элемент, подвижный элемент в виде консоли с электропроводной поверхностью и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, двухфазный генератор напряжения переменного тока, дифференциальный емкостный преобразователь, неподвижные электроды которого расположены на второй и третьей пластинах, а подвижный электрод образован электропроводной поверхностью подвижного элемента и подсоединен к источнику опорного напряжения и к входу усилителя с двумя противофазными выходами, причем поверхности подвижного элемента и неподвижных электродов расположены напротив друг друга, продольные оси неподвижных электродов расположены по направлению длины консоли подвижного элемента, ось упругого шарнира перпендикулярна продольной оси неподвижного электрода, тем, что каждый неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя выполнен из n частей прямоугольной формы, расположенных последовательно по продольной оси неподвижного электрода, каждая часть выполнена с расположением двух ее параллельных сторон перпендикулярно продольной оси неподвижного электрода по всей его ширине, k частей каждого неподвижного электрода в порядке расположения вдоль его продольной оси подключены соответственно к выходам двухфазного генератора напряжения переменного тока и одновременно к противофазным выходам усилителя, при этом верхний предел a_b диапазона измеряемых ускорений определяется соотношением: где a_bm максимальный верхний предел диапазона измеряемых ускорений; Si - площадь проекция i-ой части неподвижного электрода на подвижный элемент; l_i - расстояние центра проекции i-ой части неподвижного электрода на подвижный элемент от оси упругого шарнира; S - площадь подвижного электрода; h - расстояние центра масс подвижного элемента от оси упругого шарнира; k = 1,2 .... n; где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды между подвижным и неподвижным электродами дифференциального емкостного преобразователя;
ε_o - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
U_o - напряжение источника опорного напряжения;
U_m - максимальное выходное напряжение каждого из противофазных выходов усилителя;
m - масса подвижного элемента;
d - зазор между подвижным и каждым неподвижным электродами.

В частном случае в компенсационном акселерометре части неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя выполнены с равными площадями.

Путем выполнения каждого неподвижного электрода дифференциального емкостного преобразователя из n частей прямоугольной формы, расположенных последовательно по продольной оси неподвижного электрода, расположения двух параллельных сторон каждой части перпендикулярно продольной оси неподвижного электрода по всей его ширине, подключения к выходам усилителя и генератора напряжения переменного тока разного количества частей неподвижных электродов при разном расположении частей по их продольной оси обеспечивается изменение компенсационного момента, создаваемого в компенсационном акселерометре, при неизменном инерционном моменте, в результате чего изменяется верхний предел диапазона измеряемых компенсационным акселерометром ускорений.

При подключении к усилителю и генератору напряжения переменного тока частей неподвижного электрода, расположенных в области свободного конца консоли подвижного элемента, достигается увеличение относительного изменения емкостей дифференциального емкостного преобразователя на единицу перемещения подвижного элемента, в результате чего повышается порог чувствительности компенсационного аскелерометра, и нижний предел диапазона измеряемых компенсационным акселерометром смещается в сторону меньших ускорений.

На фиг. 1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг. 2...4 вид соответственно первой, второй и третьей пластин, на фиг. 5 - общая электрическая схема компенсационного акселерометра, на фиг. 6 - электрическая схема частного случая выполнения компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр (фиг. 1) содержит корпус с установленной в него первой пластиной 2 из монокристаллического материала, например кремния, в которой образованы неподвижный элемент 3 и подвижный элемент 4 с электропроводными поверхностями 5. Электропроводные поверхности 5 выполнены путем легирования поверхностей подвижного элемента 4 бором. Подвижный элемент 4 выполнен в виде консоли с продольной осью 6-6 по направлению длины консоли. Подвижный элемент 4 соединен с неподвижным элементом 3 посредством упругого шарнира 7.

В корпусе 1 также установлены вторая пластина 8 с неподвижным электродом 9 дифференциального емкостного преобразователя и третья пластина 10 с неподвижным электродом 11. Между поверхностью 5 подвижного элемента 4 и неподвижным электродом 9 образован зазор d путем установки электроизоляционной платы 12 между первой пластиной 2 и второй пластиной 8. Аналогично образован зазор между поверхностью 5 подвижного элемента 4 и неподвижным электродом 11 путем установки платы 13.

Корпус 1 закрыт крышкой 14.

В первой пластине 2 (фиг. 2) подвижный элемент 4 образован путем анизотропного травления кремния с выполнением промежутка 15 между неподвижным элементом 3 и подвижным элементом 4. Ось 16-16 упругого шарнира, состоящего из двух упругих перемычек 7', 7'', расположена перпендикулярно продольной оси 6-6 консоли подвижного элемента 4. Центр масс подвижного элемента 4 расположен на расстоянии L от оси 16-16 упругого шарнира.

На второй пластине 8 (фиг. 3) расположены n частей 17', 17''...17⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 9. Части 17', 17''...17⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода выполнены прямоугольниками по форме и расположены последовательно вдоль продольной оси 6-6. Параллельные друг другу стороны 18', 18''...18⁽²ⁿ⁾ частей 17', 17''. ...17⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода расположены по всей ширине b неподвижного электрода 9 перпендикулярно продольной оси 6-6.

В данном случае контур подвижного элемента 4 совпадает с общим контуром всех частей 17',17''....17⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 9, поэтому расстояние l₁ центра 19' части 17', l₂ центра 19'' части 17'' и далее l_n центра 19⁽ⁿ⁾ части 17⁽ⁿ⁾ от оси 16-16 упругого шарнира совпадают с расстоянием их проекций на подвижный элемент 4.

Аналогично выполнены части 20',20''...20⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 11 на третьей пластине 10 (фиг. 4).

Части 17', 17''...17⁽ⁿ⁾, 20', 20''...20⁽ⁿ⁾ неподвижных электродов образованы напылением элеткропроводного материала, например алюминия, на поверхности второй пластины 8 и третьей пластины 10.

Части 17', 17''....17⁽ⁿ⁾, 20', 20''...20⁽ⁿ⁾ неподвижных электродов выполнены с одинаковыми площадями.

Дифференциальный емкостный преобразователь компенсационного акселерометра (фиг. 5) выполнен из конденсаторов C1 и C2. Конденсатор C1 образован соединенными вместе частями 17', 17''....17⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 9 на второй пластине 8 и электропроводной поверхностью 5 подвижного элемента 4. Конденсатор C2 образован соединенными вместе частями 20', 20''...20⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 11 и электропроводной поверхностью 5 подвижного элемента 4.

Части 17', 17''...17⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 9 подключены через конденсатор C3 к одному выходу двухфазного генератора напряжения 21 переменного тока. Части 20', 20''...20⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 11 через конденсатор C4 подключены к второму выходу двухфазного генератора напряжения 21.

Подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя, образованный электропроводными поверхностями 5 подвижного элемента 4, подключен к источнику опорного напряжения 22 постоянного тока и через конденсатор C5 к входу усилителя 23. Один из противофазных выходов усилителя 23 через резистор R1 подключен к частям 17', 17''...17⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 9, второй выход усилителя 23 через резистор R2 подключен к частям 20', 20''....20⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 11.

В частном случае выполнения компенсационного акселерометра (фиг. 6) к двухфазному генератору напряжения 21 и к противофазным выходам усилителя 23 подключены первые две части 17', 17'' неподвижного электрода 9 и первые две части 20', 20'' неподвижного электрода 11.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения a по измерительной оси компенсационного акселерометра, перпендикулярной продольной оси 6-6 неподвижного электрода и оси 16-16 упругого шарнира, на подвижный элемент 4 воздействует инерционный момент M_u
M_u = mLa, (1)
где m - масса подвижного элемента;
L - расстояние центра масс подвижного элемента от оси 16-16 упругого шарнира.

Под действием инерционного момента подвижный элемент 4 отклоняется от положения равновесия, емкости конденсатора C1 и C2 изменяются, и с выхода дифференциального емкостного преобразователя на вход усилителя 23 поступает сигнал рассогласования следящей системы компенсационного акселерометра. После его преобразования и усиления в усилителе 23 с каждого противофазного выхода усилителя 23 на части 17', 17''...17⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 9 и части 20', 20''...20⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 11 поступает напряжение и в дифференциальном емкостном преобразователе за счет взаимодействия напряжения источника опорного напряжения 22 и выходных напряжений усилителя 23 формируется компенсационный момент M_к:

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды между подвижным и неподвижными электродами дифференциального емкостного преобразователя;
ε_o - абсолютная диэлектрическая процинаемость;
S - площадь подвижного электрода;
U_o - напряжение источника опорного напряжения;
U - выходное напряжение каждого из противофазных выходов усилителя;
L - расстояние центра масс подвижного элемента от оси упругого шарнира;
d - зазор между подвижным и неподвижным электродами.

Посредством компенсационного момента производится уравновешивание инерционного момента и рассогласование следящей системы компенсационного акселерометра устраняется. Тогда
M_и = M_к (3)
Отсюда с учетом выражений (1), (2) получается

Таким образом, измеряемое ускорение пропорционально выходному напряжению усилителя.

При включении всех частей 17', 17''...17⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 9 и всех частей 20', 20''...20⁽ⁿ⁾ неподвижного электрода 11 на максимальном верхнем пределе a_вм диапазона измеряемых ускорений
a = a_вм, (5)
U = U_м, (6)
где U_м - максимальное выходное напряжение на каждом противофазном выходе усилителя на максимальном верхнем пределе диапазона измеряемых ускорений.

При подстановке (5), (6) в (4) получается

При включении в дифференциальный емкостный преобразователь частей 17', 17'' и 20', 20'' (фиг. 6) компенсационный момент M'_к составляет:

где n - количество частей каждого из неподвижных электродов.

Посредством этого момента компенсируется инерционный момент M'_и:
M'_и = mLa'_в, (9)
где a'_в - верхний предел диапазона измеряемых ускорений при включении частей 17', 17'', 20', 20'' неподвижных электродов.

При приравнивании выражений (8), (9) и сравнении полученного результата с выражением (7) получается:

Если, например n = 5, то верхний предел диапазона измеряемых ускорений в соответствии с выражением (10) составляет:
a'_в = 0,16 a_вм,
В общем случае включения n частей неподвижных электродов верхний предел a_в диапазона измеряемых ускорений

где si - площадь проекций i-ой части неподвижного электрода на подвижный элемент;
li - расстояние центра проекция i-ой части неподвижного электрода на подвижный элемент от оси упругого шарнира;
k = 1,2 ....n.

Таким образом возможно изменение верхнего предела диапазона измеряемых компенсационным акселерометром ускорений путем подключения разного количества частей неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя и путем варьирования расположением частей неподвижных электродов относительно оси упругого шарнира.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1620944 кл. G 01 P 15/08. Электростатический акселерометр. 1992 г.

2. Электростатический уравновешенный акселерометр. НТИ N 2 (63), 1992 г. , "Пилотажно-навигационное оборудование за рубежом". Изд. ГОНТИ, 1992 г.

Формула изобретения

1. Компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижный элемент, подвижный элемент в виде консоли с электропроводной поверхностью и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, двухфазный генератор напряжения переменного тока, дифференциальный емкостной преобразователь, неподвижные электроды которого расположены на второй и третьей пластинах, а подвижный электрод образован электропроводной поверхностью подвижного элемента и подсоединен к источнику опорного напряжения и к входу усилителя с двумя противофазными выходами, причем поверхности подвижного элемента и неподвижных электродов расположены напротив друг друга, продольные оси неподвижных электродов расположены по направлению длины консоли подвижного элемента, ось упругого шарнира перпендикулярна продольной оси подвижного элемента, отличающийся тем, что каждый неподвижный электрод выполнен из n частей прямоугольной формы, расположенных последовательно по продольной оси неподвижного электрода, каждая часть выполнена с расположением двух ее параллельных сторон перпендикулярно продольной оси неподвижного электрода по всей его ширине, k частей каждого неподвижного электрода в порядке расположения вдоль его продольной оси подключены соответственно к выходам двухфазного генератора напряжения переменного тока и одновременно к противофазным выходам усилителя, при этом верхний предел a_b диапазона измеряемых ускорений определяется соотношением

где a_вм - максимальный верхний предел диапазона измеряемых ускорений;
S_i - площадь проекции i-й части неподвижного электрода на подвижный элемент;
l_i - расстояние центра проекции i-ой части неподвижного электрода на подвижный элемент от оси упругого шарнира;
S - площадь подвижного электрода;
L - расстояние центра масс подвижного элемента от оси упругого шарнира;
k = 1, 2 ... n;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды между подвижным и неподвижным электродами дифференциального емкостного преобразователя;
ε_o - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
U_o - напряжение источника опорного напряжения;
U_м - максимальное выходное напряжение каждого из противофазных выходов усилителя;
m - масса подвижного элемента;
d - зазор между подвижным и каждым неподвижным электродами.

2. Компенсационный акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что части неподвижных электродов выполнены с равными площадями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6