Акселерометр

 

Акселерометр предназначен для использования в области измерительной техники в качестве преобразователя линейного ускорения с упругим подвесом подвижного элемента. Акселерометр содержит корпус, первую пластину, в которой образованы неподвижная часть, первый и второй подвижные элементы и соединяющий каждый подвижный элемент с неподвижной частью упругий подвес, вторую и третью пластины и дифференциальный емкостный преобразователь. Упругие подвесы первого и второго подвижных элементов выполнены с разной жесткостью, определяемой расчетными соотношениями. Обеспечивается повышение разрешающей способности акселерометра в нижней части диапазона измеряемых ускорений. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а точнее к преобразователям линейного ускорения с упругим подвесом подвижного элемента.

Известен акселерометр, содержащий корпус, пластину с закрепленной в корпусе неподвижной частью и соединенным с неподвижной частью упругим шарниром подвижным элементом, дифференциальный емкостный преобразователь с подвижным электродом на подвижном элементе и неподвижными электродами, установленными в корпусе, причем центр масс подвижного элемента расположен вне оси упругого шарнира [1].

Такой акселерометр имеет ограничение по разрешающей способности при измерении ускорений и обладает погрешностью от перекрестных связей вследствие углового перемещения подвижного элемента.

Наиболее близким по технической сущности является акселерометр [2], содержащий корпус, первую пластину из монокристаллического материала, например кремния, в которой образованы неподвижная часть, первый и второй подвижные элементы с двумя противоположными электродными поверхностями у каждого и соединяющий каждый подвижный элемент с неподвижной частью упругий подвес со степенью свободы линейного перемещения в направлении, перпендикулярном электропроводным поверхностям подвижных элементов; содержащий вторую и третью пластины, между которыми расположена первая пластина с образованием зазоров между одной из электропроводных подвижных элементов и второй пластиной, между второй электропроводной поверхностью и третьей пластиной, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах и подвижными электродами в виде электропроводных поверхностей подвижных элементов.

Недостатком этого акселерометра является недостаточная разрешающая способность измерения ускорений в нижней части диапазона измеряемых ускорений вследствие малых перемещений подвижных элементов.

Техническим результатом изобретения является повышение разрешающей способности измерения ускорений в нижней части диапазона измеряемых ускорений.

Указанный технический результат достигается в акселерометре, содержащем корпус, первую пластину из монокристаллического материала, например кремния, в которой образованы неподвижная часть, первый и второй подвижные элементы с двумя противоположно расположенными электропроводными поверхностями у каждого и соединяющий каждый подвижный элемент с неподвижной частью упругий подвес со степенью свободы линейного перемещения в направлении, перпендикулярном электропроводным поверхностям подвижных элементов; содержащий вторую и третью пластины, между которыми расположена первая пластина с образованием зазоров между одной из электропроводных поверхностей подвижных элементов и второй пластиной, между второй электропроводной поверхностью и третьей пластиной, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах и подвижными электродами в виде электропроводных поверхностей подвижных элементов, тем, что упругий подвес первого подвижного элемента выполнен с жесткостью ζ₁ к воздействию направленных перпендикулярно электропроводным поверхностям подвижного элемента сил, определяемой соотношением где m₁ - масса первого подвижного элемента; a₁ - величина ускорения в диапазоне измеряемых ускорений от нижнего предела a_н до верхнего предела a_в ускорений (a_н < a₁ < a_в); d₁ - зазор между каждым из неподвижных электродов и ближайшей электропроводной поверхностью первого подвижного элемента; упругий подвес второго подвижного элемента выполнен с жесткостью ζ₂ к воздействию направленных перпендикулярно электропроводным поверхностям подвижного элемента сил, определяемой соотношением где m₂ - масса второго подвижного элемента; d₂ - зазор между каждым из неподвижных электродов и ближайшей электропроводной поверхностью второго подвижного элемента.

В одном частном случае выполнения акселерометра массы первого и второго подвижных элементов выполнены равными.

В другом частном случае в акселерометре выполнены равными зазоры между каждым из неподвижных электродов и ближайшей электропроводной поверхностью каждого подвижного элемента.

В третьем частном случае вторая и третья пластины акселерометра выполнены из того же монокристаллического материала, что и первая пластина.

Путем выполнения жесткости ζ₁ упругого подвеса первого подвижного элемента такой, чтобы при ускорении a₁, лежащем в диапазоне измеряемых ускорений от нижнего предела a_н до верхнего предела a_в, первый подвижный элемент перемещался поступательно на величину, равную зазору между неподвижными электродами и электропроводной поверхностью первого подвижного элемента, обеспечивается повышение разрешающей способности акселерометра на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений вследствие увеличения относительного изменения емкости дифференциального емкостного преобразователя, образованной подвижным электродом первого подвижного элемента и неподвижными электродами, расположенными на второй и третьей пластинах в окрестности первого подвижного элемента.

Путем выполнения жесткости ζ₂ упругого подвеса второго подвижного элемента, при которой при верхнем пределе диапазона измеряемых ускорений второй подвижный элемент перемещается поступательно на величину, не превышающую значения зазора между вторым подвижным элементом и неподвижными электродами, обеспечивается измерение посредством акселерометра ускорений вплоть до верхнего предела диапазона.

Таким образом обеспечивается измерение ускорений от нижнего предела до верхнего предела с повышенной разрешающей способностью в нижней части диапазона измеряемых ускорений.

На фиг. 1 представлен общий вид акселерометра, на фиг. 2 - вид первой пластины сверху, на фиг. 3 - вид первой пластины снизу, на фиг. 4 - общий вид одного из частных выполнений акселерометра, на фиг. 5 - электрическая схема акселерометра.

Акселерометр (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлена первая пластина 2, в которой выполнены неподвижная часть 3, первый подвижный элемент 4 с двумя противоположно расположенными электропроводными поверхностями 5^I, 5^II и второй подвижный элемент 6 с двумя противоположно расположенными электропроводными поверхностями 7^I, 7^II. Первый подвижный элемент 4 соединен с неподвижной частью 3 первой пластины 2 упругим подвесом, состоящим из плоских упругих перемычек 8, 9. Одна из поверхностей упругой перемычки 8 совмещена с электропроводной поверхностью 5^I первого подвижного элемента 4. Одна из поверхностей упругой перемычки 9 совмещена с электропроводной поверхностью 5^II первого подвижного элемента 4. Вторые поверхности упругих перемычек 8, 9 расположены на расстояниях от электропроводных поверхностей 5^I, 5^II в толще первого подвижного элемента 4.

Второй подвижный элемент 6 соединен с неподвижной частью 3 первой пластины 2 упругим подвесом, состоящим из плоских упругих перемычек 10, 11. Одна из поверхностей упругой перемычки 10 совмещена с электропроводной поверхностью 7^I второго подвижного элемента 6. Одна из поверхностей упругой перемычки 11 совмещена с электропроводной поверхностью 7^II второго подвижного элемента 6. Вторые поверхности упругих перемычек 10, 11 расположены на расстояниях от электропроводных поверхностей 7^I, 7^II в толще второго подвижного элемента 6.

Корпус 1 закрыт крышкой 16.

Первая пластина 2 выполнена из монокристаллического кремния и в ней методом анизотропного травления образованы первый подвижный элемент 4, второй подвижный элемент 6 и упругие перемычки 8...11. Электропроводные поверхности 5^I, 5^II, 7^I, 7^II на первом подвижном элементе 4 и втором подвижном элементе 6 выполнены путем легирования кремния бором.

Первая пластина 2 расположена между второй пластиной 12 и третьей пластиной 14 с образованием зазора d₁ с каждой из электропроводных поверхностей 5^I, 5^II и неподвижными электродами 13, 15 и зазора d₂ с каждой из электропроводных поверхностей 7^I, 7^II и неподвижными электродами 13, 15.

Упругая перемычка 8 состоит из частей 8^I, 8^II, 8^III, 8^IV (фиг. 2). Упругая перемычка 10 состоит из частей 10^I, 10^II, 10^III, 10^IV.

Упругая перемычка 9 состоит из частей 9^I, 9^II, 9^III (фиг. 3). Упругая перемычка 11 состоит из частей 11^I, 11^II, 11^III, 11^IV. В общем случае упругие перемычки 8...11 могут состоять из любого количества частей.

Жесткость ζ₁ к действию направленных перпендикулярно электропроводным поверхностям 5^I, 5^II сил состоящего из упругих перемычек 8, 9 упругого подвеса первого подвижного элемента 4 выполнена в соответствии с соотношением
где m₁ - масса первого подвижного элемента 4;
a₁ - ускорение в диапазоне измеряемых ускорений от нижнего предела a_н до верхнего предела a_в ускорений (a_н < a₁ < a_в);
d₁ - зазор между каждым из неподвижных электродов 13, 15 и ближайшей из электропроводных поверхностей 5^I, 5^II первого подвижного элемента.

Жесткость ζ₂ к действию направленных перпендикулярно электропроводным поверхностям 7^I, 7^II сил состоящего из упругих перемычек 10, 11 упругого подвеса второго подвижного элемента 6 выполнена в соответствии с соотношением

где m₂ - масса второго подвижного элемента 6;
d₂ - зазор между каждым из неподвижных электродов 13, 15 и ближайшей из электропроводных поверхностей 7^I, 7^II второго подвижного элемента 6.

Для предотвращения замыкания между собой подвижного и неподвижных электродов на неподвижные электроды 13, 15 может быть напылен тонкий слой электроизоляционного материала.

В частном случае выполнения акселерометра (фиг. 4) в первой пластине 2 выполнены первый подвижный элемент 17, второй подвижный элемент 18, имеющие равные размеры и массы.

Вторая пластина 12 и третья пластина 14 выполнены из монокристаллического кремния. На второй пластине 12 выполнен неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя в виде электропроводной поверхности 19, образованной легированием кремния бором. На третьей пластине 14 выполнен неподвижный электрод в виде электропроводной поверхности 20, полученной легированием кремния бором.

Между электропроводными поверхностями 19, 20 на второй пластине 12 и третьей пластине 14 и электропроводными поверхностями подвижных элементов 17, 18 с каждой стороны образованы равные зазоры d₃ посредством плат 21, 22.

Дифференциальный емкостный преобразователь (фиг. 5) в виде конденсаторов C1, C2 включен в мостовую схему, в которую также включены резисторы R1, R2. Конденсатор C1 образован неподвижным электродом 13 на второй пластине 12 и подвижным электродом в виде соединенных вместе электропроводных поверхностей 5^I, 5^II, 7^I, 7^II первого подвижного элемента 4 и второго подвижного элемента 6. Конденсатор C2 образован неподвижным электродом 15 на третьей пластине 14 и тем же самым подвижным электродом, что и конденсатор C1. Мостовая схема запитывается напряжением U_~ от источника переменной ЭДС. Сигнал акселерометра U_a снимается с подвижного электрода и точки соединения резисторов R1, R2.

При выполнении акселерометра в соответствии с фиг. 4 в качестве неподвижного электрода конденсатора C1 служит электропроводная поверхность 19, в качестве неподвижного электрода конденсатора C2 - электропроводная поверхность 20.

Акселерометр (фиг. 1) работает следующим образом. При наличии ускорения, вектор которого направлен перпендикулярно электропроводным поверхностям 5^I, 5^II, 7^I, 7^II первого подвижного элемента 4 и второго подвижного электрода 6, под действием инерционных сил проиходит поступательное перемещение первого подвижного элемента 4 и второго подвижного элемента 6 в направлении, перпендикулярном электропроводным поверхностям 5^I, 5^II, 7^I, 7^II. Поступательное перемещение обусловлено конструкцией упругих подвесов, состоящих из упругих перемычек 8. . .11, из которых две (8, 10) расположены заодно с электропроводными поверхностями 5^I, 7^I первого 4 и второго 6 подвижных элементов, а две (9, 11) - заодно с электропроводными поверхностями 5^II, 7^II первого 4 и второго 6 подвижных элементов.

При поступательном перемещении первого подвижного элемента 4 и второго подвижного элемента 6 изменяются зазоры d₁ и d₂ между неподвижными электродами 13, 15 и электропроводными поверхностями 5^I, 5 ^II, 7^I, 7^II, изменяются емкости конденсаторов C1 и C2 (фиг. 5). При этом происходит разбаланс мостовой схемы, и на ее выходе появляется напряжение U_a, пропорциональное измеряемому ускорению, фаза которого определяется знаком ускорения.

При ускорении a(a_н<a) происходит большее относительное изменение емкостей C1, C2, чем при ускорении a(a₁<a≅a_в), так как в соответствии с выражением (1) жесткость упругого подвеса первого подвижного элемента 4 такова, что зазор d₁ между неподвижными электродами 13, 15 и электропроводными поверхностями 5^I, 5^II изменяется быстрее, чем зазор d₂ между неподвижными электродами 13, 15 и электропроводными поверхностями 7^I, 7^II при выполнении жесткости упругого подвеса второго подвижного элемента 6 в соответствии с выражением (2).

При ускорении a(a₁<a≅a_в) изменение зазора d₁ заканчивается и происходит изменение только зазора d₂. Поэтому относительное изменение емкостей конденсаторов C1, C2 уменьшается.

Это означает, что в нижнем диапазоне измеряемых ускорений a_н<a≅a₁ посредством акселерометра обеспечивается большая разрешающая способность измерений, чем в верхнем диапазоне измеряемых ускорений a₁<a ≅a_в.

При выполнении акселерометра в соответствии с фиг. 4
m₁=m₂=m, (3)
d₁=d₂=d₃. (4)
Тогда при подстановке (3), (4), в (1), (2) получается


Отсюда

Так как a₁<a, то жесткость ζ₁ упругого подвеса первого подвижного элемента 4 выполнена меньше жесткости ζ₂ упругого подвеса второго подвижного элемента 6 (ζ₁ < ζ₂).
Поэтому при наличии измеряемого ускорения вплоть до верхнего предела a_в происходит перемещение первого подвижного элемента 4 на величину, равную зазору d₃, и перемещение второго подвижного элемента 6 в пределах зазора d₃.

Источники информации
1. Патент Великобритании N 2162317, кл. G 01 P 15/13. Акселерометр. 1986 г.

2. Патент РФ N 2083989, кл. G 01 P 15/09. Акселерометр (прототип). 1997 г.

Формула изобретения

1. Акселерометр, содержащий корпус, первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная часть, первый и второй подвижные элементы, две противоположные поверхности каждого из которых выполнены электропроводными, и упругие подвесы, соединяющие подвижные элементы с неподвижной частью и имеющие степень свободы линейного перемещения в направлении, перпендикулярном электропроводным поверхностям подвижных элементов, при этом первая пластина расположена между второй и третьей пластинами с образованием зазоров между электропроводными поверхностями подвижных элементов и второй и третьей пластинами, на которых размещены неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя, подвижными электродами которого являются электропроводные поверхности подвижных элементов, отличающийся тем, что упругие подвесы подвижных элементов выполнены с жесткостями ζ₁ и ζ₂ в направлении, перпендикулярным электропроводным поверхностям подвижных элементов, определяемыми соотношениями

где m₁ m₂ - массы первого и второго подвижных элементов;
d₁ d₂ - зазоры между каждым из неподвижных электродов и близлежащими электропроводными поверхностями первого и второго подвижных элементов;
a₁ - величина ускорений в диапазоне измеряемых ускорений, a_н < a₁ < a_в;
a_в, a_н - верхний и нижний пределы диапазона измеряемых ускорений.

2. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что первый и второй подвижные элементы имеют равные массы.

3. Акселерометр по п. 1 или 2, отличающийся тем, что зазоры между неподвижными электродами и электропроводными поверхностями первого и второго подвижных элементов выполнены равными.

4. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что первая, вторая и третья пластины выполнены из одного монокристаллического материала, например кремния.

РИСУНКИ

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