Микромеханический акселерометр прямого преобразования
Владельцы патента RU 2297008:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) (RU)
Изобретение предназначено для использования в качестве чувствительного элемента в системах ориентации, стабилизации, наведения и навигации. Устройство содержит два источника опорного напряжения, ключевое устройство, тактовый генератор, две неподвижные пластины и центральную подвижную пластину конденсатора, чувствительный элемент, упругий подвес, инвертирующий повторитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот второго порядка и интегродифференцирующий фильтр второго порядка. Выход первого источника опорного напряжения соединен с первым входом ключевого устройства, выход второго источника опорного напряжения соединен с вторым входом ключевого устройства, прямой выход тактового генератора соединен с третьим входом ключевого устройства и соединен также с вторым входом синхронного детектора, инверсный выход тактового генератора соединен с четвертым входом ключевого устройства, первая неподвижная пластина конденсатора и вторая неподвижная пластина конденсатора жестко присоединены к корпусу прибора напротив друг друга, чувствительный элемент присоединен к корпусу прибора посредством упругого подвеса, первый выход ключевого устройства соединен с первой неподвижной пластиной конденсатора, второй выход ключевого устройства соединен с второй неподвижной пластиной конденсатора, центральная подвижная пластина конденсатора жестко присоединена к чувствительному элементу и соединена с входом инвертирующего повторителя, выход инвертирующего повторителя соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот второго порядка, выход фильтра нижних частот второго порядка соединен с входом интегродифференцирующего фильтра второго порядка, выход интегродифференцирующего фильтра второго порядка является выходом микромеханического акселерометра прямого преобразования. Техническим результатом является увеличение точности измерения ускорения. 4 ил.
Устройство относится к гироскопической технике и предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах ориентации, стабилизации, наведения и навигации.
Известен акселерометр (Е.А.Никитин, А.А.Балашова. Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров. - М.: Машиностроение, 1969, стр.169), содержащий инерционную массу, корпус прибора, направляющую, пружину, демпфер, датчик сигнала.
Недостатком такого акселерометра является низкая чувствительность, обусловленная трением в направляющей инерционной массы, большие масса и габариты.
Наиболее близким (прототипом) является микромеханический акселерометр прямого преобразования (В.Я.Распопов. Микромеханический акселерометр прямого преобразования. - М.: Датчики и Системы, N8, 2002, с.5-8), содержащий первый источник опорного напряжения, второй источник опорного напряжения, ключевое устройство, тактовый генератор, корпус прибора, первую неподвижную пластину конденсатора, вторую неподвижную пластину конденсатора, центральную подвижную пластину конденсатора, чувствительный элемент, упругий подвес, инвертирующий повторитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот второго порядка, причем выход первого источника опорного напряжения соединен с первым входом ключевого устройства, выход второго источника опорного напряжения соединен с вторым входом ключевого устройства, прямой выход тактового генератора соединен с третьим входом ключевого устройства и соединен так же с вторым входом синхронного детектора, инверсный выход тактового генератора соединен с четвертым входом ключевого устройства, первая неподвижная пластина конденсатора и вторая неподвижная пластина конденсатора жестко присоединены к корпусу прибора напротив друг друга, чувствительный элемент присоединен корпусу прибора посредством упругого подвеса, первый выход ключевого устройства соединен с первой неподвижной пластиной конденсатора, второй выход ключевого устройства соединен с второй неподвижной пластиной конденсатора, центральная подвижная пластина конденсатора жестко присоединена к чувствительному элементу и соединена с входом инвертирующего повторителя, выход инвертирующего повторителя соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот второго порядка, выход фильтра нижних частот второго порядка является выходом микромеханического акселерометра прямого преобразования.
Недостатком такого микромеханического акселерометра является низкая точность измерения, обусловленная большой динамической ошибкой в полосе пропускания.
Задачей изобретения является повышение точности измерения ускорения.
Задача решается тем, что предлагаемый микромеханический акселерометр прямого преобразования содержит первый источник опорного напряжения, второй источник опорного напряжения, ключевое устройство, тактовый генератор, корпус прибора, первую неподвижную пластину конденсатора, вторую неподвижную пластину конденсатора, центральную подвижную пластину конденсатора, чувствительный элемент, упругий подвес, инвертирующий повторитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот второго порядка, интегродифференцирующий фильтр второго порядка, причем выход первого источника опорного напряжения соединен с первым входом ключевого устройства, выход второго источника опорного напряжения соединен с вторым входом ключевого устройства, прямой выход тактового генератора соединен с третьим входом ключевого устройства и соединен также с вторым входом синхронного детектора, инверсный выход тактового генератора соединен с четвертым входом ключевого устройства, первая неподвижная пластина конденсатора и вторая неподвижная пластина конденсатора жестко присоединены к корпусу прибора напротив друг друга, чувствительный элемент присоединен корпусу прибора посредством упругого подвеса, первый выход ключевого устройства соединен с первой неподвижной пластиной конденсатора, второй выход ключевого устройства соединен с второй неподвижной пластиной конденсатора, центральная подвижная пластина конденсатора жестко присоединена к чувствительному элементу и соединена с входом инвертирующего повторителя, выход инвертирующего повторителя соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот второго порядка, выход фильтра нижних частот второго порядка соединен с входом интегродифференцирующего фильтра второго порядка, выход интегродифференцирующего фильтра второго порядка является выходом микромеханического акселерометра прямого преобразования.
На фиг.1 приведена блок-схема микромеханического акселерометра прямого преобразования. На фиг.2 приведены логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики передаточной функции интегродифференцирующего фильтра второго порядка. На фиг.3 приведен график логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик передаточной функции (являющейся отношением выходного сигнала к входному) прототипа. На фиг.4 приведен график логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик передаточной функции (являющейся отношением выходного сигнала к входному) предлагаемого микромеханического акселерометра прямого преобразования.
Выход источника опорного напряжения 1 соединен с первым входом ключевого устройства 3, выход второго источника опорного напряжения 2 соединен со вторым входом ключевого устройства 3, прямой выход тактового генератора 4 соединен с третьим входом ключевого устройства 3 и соединен также с вторым входом синхронного детектора 12, инверсный выход тактового генератора 4 соединен с четвертым входом ключевого устройства 3, первая неподвижная пластина конденсатора 6 и вторая неподвижная пластина конденсатора 7 жестко присоединены к корпусу прибора 5 напротив друг друга, чувствительный элемент 9 присоединен корпусу прибора 5 посредством упругого подвеса 10, первый выход ключевого устройства 3 соединен с первой неподвижной пластиной конденсатора 6, второй выход ключевого устройства 3 соединен с второй неподвижной пластиной конденсатора 7, центральная подвижная пластина конденсатора 8 жестко присоединена к чувствительному элементу 9 и соединена с входом инвертирующего повторителя 11, выход которого соединен с первым входом синхронного детектора 12, выход синхронного детектора 12 соединен с входом фильтра нижних частот второго порядка 13, выход которого соединен с входом интегродифференцирующего фильтра второго порядка 14, выход которого является выходом микромеханического акселерометра прямого преобразования.
Микромеханический акселерометр прямого преобразования работает следующим образом. Постоянное напряжение уровня +U0 с выхода первого источника опорного напряжения 1 поступает на первый вход ключевого устройства 3, на второй вход которого поступает постоянное напряжение уровня -U0 с выхода второго источника опорного напряжения 2. Тактовый генератор 4 (может быть выполнен на логических инверторах и работает по принципу мультивибратора, см. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Тула: ИПП «Гриф и К», 2002, с.107) имеет прямой и инверсный выходы. Прямой выход тактового генератора 4 соединен с третьим входом ключевого устройства 3, а инверсный выход тактового генератора 4 соединен с четвертым входом ключевого устройства 3. Тактовый генератор 4 управляет работой ключевого устройства 3 таким образом, что на первом выходе ключевого устройства 3 образуются прямоугольные импульсы с амплитудой ±U0 и частотой, равной частоте тактового генератора 4, а на втором выходе ключевого устройства 3 образуются прямоугольные импульсы с амплитудой и частотой, равной частоте тактового генератора 4, но сдвинутые по фазе на 180° относительно импульсов на первом выходе ключевого устройства 3. Первая неподвижная пластина конденсатора 6 и вторая неподвижная пластина конденсатора 7 жестко присоединены к корпусу прибора 5 напротив друг друга, чувствительный элемент 9 присоединен корпусу прибора 5 посредством упругого подвеса 10. Первый выход ключевого устройства 3 соединен с первой неподвижной пластиной конденсатора 6, а второй выход ключевого устройства 3 соединен со второй неподвижной пластиной конденсатора 7. Центральная подвижная пластина конденсатора 8 жестко присоединена к чувствительному элементу 9. Первая неподвижная пластина конденсатора 6 и центральная подвижная пластина конденсатора 8 образуют измерительную емкость C1. Вторая неподвижная пластина конденсатора 7 и центральная подвижная пластина конденсатора 8 образуют измерительную емкость С2. Измерительные емкости C1 и С2 включены последовательно и представляют собой два плеча емкостного моста, а два других плеча емкостного моста - это первый источник опорного напряжения 1 и второй источник опорного напряжения 2. В нулевом положении чувствительного элемента 9 емкости C1 и С2 одинаковы, поэтому выходное напряжение на электрическом центре - центральной подвижной пластине конденсатора 8 равно 0. При действии линейного ускорения чувствительный элемент начинает двигаться, разность емкостей C1 и С2 приводит к появлению выходного сигнала на центральной подвижной пластине конденсатора 8. Передаточная функция, связывающая напряжение на центральной подвижной пластине конденсатора 8 и ускорение, имеет вид:
где ΔU - напряжение на центральной подвижной пластине конденсатора 8,
W - измеряемое ускорение,
Ку - коэффициент передачи чувствительного элемента,
h0 - зазор между центральной подвижной пластиной и неподвижной пластиной конденсатора при нулевом положении чувствительного элемента,
m - масса чувствительного элемента,
- постоянная времени чувствительного элемента,
Gy - линейная жесткость упругого подвеса чувствительного элемента,
ξу - коэффициент затухания колебаний чувствительного элемента, определяемый параметрами чувствительного элемента и демпфирующей среды.
Выходной сигнал с центральной подвижной пластины конденсатора 8 поступает на вход инвертирующего повторителя 11 с большим входным сопротивлением и единичным коэффициентом усиления. Сигнал с выхода инвертирующего повторителя 11 поступает на первый вход синхронного детектора 12, на второй вход которого поступает сигнал с прямого выхода тактового генератора 4. Синхронный детектор 12 обеспечивает чувствительность к знаку перемещения чувствительного элемента 9. Выходной сигнал синхронного детектора 12 является меандром, частота которого равна частоте ωг тактового генератора 4 с амплитудой, модулированной напряжением рассогласования мостовой схемы. Выходной сигнал синхронного детектора 12 поступает на вход фильтра низкой частоты второго порядка 13 с передаточной функцией:
где Тф1 - постоянная времени фильтра низкой частоты второго порядка,
kф1 - коэффициент передачи фильтра низкой частоты второго порядка,
ξф1 - коэффициент затухания фильтра низкой частоты второго порядка.
Величина коэффициента затухания ξф1 выбирается исходя из соотношения 
, где k=1, n=4 (см. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - С.10).
Фильтр низкой частоты второго порядка 13 осуществляет преобразование переменного напряжения на выходе синхронного детектора 12 в сигнал постоянного напряжения. Передаточная функция, связывающая ускорение и сигнал на выходе фильтра низких частот второго порядка 13, имеет вид:
где U - напряжение на выходе фильтра низких частот второго порядка.
Из-за большого демпфирования чувствительного элемента соответствующее ему колебательное звено с постоянной времени Тy преобразуется в два апериодических звена и передаточная функция (3) преобразуется к виду:
где T1 - первая (большая по величине) постоянная времени чувствительного элемента, Т2 - вторая (меньшая по величине) постоянная времени чувствительного элемента. Сигнал с выхода фильтра нижних частот второго порядка 13 поступает на вход интегродифференцирующего фильтра второго порядка 14 с передаточной функцией:
Постоянная времени Т3 интегродифференцирующего фильтра второго порядка 14 выбирается равной постоянной времени T1 чувствительного элемента 9, а постоянная времени Т4 интегродифференцирующего фильтра второго порядка 14 выбирается равной постоянной времени Т2 чувствительного элемента 9, постоянная времени Тф2 интегродифференцирующего фильтра второго порядка 14 выбирается равной постоянной времени Tф1 фильтра низкой частоты второго порядка 13. Величина коэффициента затухания ξф2 выбирается исходя из соотношения 
где k=2, n=4 (см. Джонсон Д. и др. Справочник по активным фильтрам. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - С.10). Постоянная времени Tф1 по величине меньше постоянной времени T1 и больше постоянной времени 
. Логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики передаточной функции интегродифференцирующего фильтра второго порядка 14 приведены на фиг.2. Использование интегродифференцирующего фильтра второго порядка 14 обеспечивает существенное уменьшение динамической ошибки микромеханического акселерометра в полосе пропускания, так как позволяет реализовать микромеханический акселерометр прямого преобразования с передаточной функцией вида:
а передаточная функция (6) соответствует передаточной функции фильтра Баттерворта четвертого порядка и имеет максимально плоскую амплитудно-частотную характеристику в полосе пропускания.
График логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик передаточной функции, являющейся отношением выходного сигнала к входному, прототипа при следующих его числовых параметрах:
Uо=5 В; m=0,0002 кг; h0=0,00002 м; ωг=628000 с-1; Ту=0,000355 с; ξу=15,28; (T1=0,0108 c, Т2=0,00001162 с); ky=0,000634 н/м; kф1=3,5; Тф1=0,00561 с; ξф1=0,707; ΔUп=0.157·10-5 В (ΔUп - уровень пульсации выходного сигнала) приведен на фиг.3.
График логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик передаточной функции (6) предлагаемого микромеханического акселерометра прямого преобразования при следующих его числовых параметрах: Uo=5 B; m=0,0002 кг; h0=0,00002 м; ωг=628000 с-1; Тy=0,000355 с; ξy=15,28; (T1=0,0108 c, Т2=0,00001162 с); ky=0,000634 н/м; kф1=3,5; Тф1=0,0015 с; ξф1=0,3826835; Тф2=0,0015 с; ξф2=0,9238795; Т3=0,0108 с; Т4=0,00001162 с, приведен на фиг.4. Значение постоянной времени Тф1=0,0015 с определено по формуле:
и обеспечивает одинаковый уровень пульсации выходного сигнала предлагаемого микромеханического акселерометра прямого преобразования по сравнению с прототипом.
Из приведенных графиков видно, что, например, при гармоническом изменении ускорения с частотой ω=6,28 с-1 имеет место уменьшение значения ЛАЧХ предлагаемого микромеханического акселерометра на величину - 4,84·10-6 дБ при фазовом отставании выходного сигнала - 1,4 град, уменьшение значения ЛАЧХ прототипа на той же частоте равно -0,02 дБ при фазовом отставании выходного сигнала - 6,77 град. При гармоническом изменении ускорения с частотой ω=12,56 с-1 имеет место уменьшение значения ЛАЧХ предлагаемого микромеханического акселерометра на величину - 1,95·10-5 дБ при фазовом отставании выходного сигнала - 2,816 град, уменьшение значения ЛАЧХ прототипа на той же частоте равно - 0,08 дБ при фазовом отставании выходного сигнала - 13,48 град. При гармоническом изменении ускорения с частотой ω=18,84 с-1 имеет место уменьшение значения ЛАЧХ предлагаемого микромеханического акселерометра на величину - 4,41·10-5 дБ при фазовом отставании выходного сигнала - 4,2 град, уменьшение значения ЛАЧХ прототипа на той же частоте равно уже - 0,1766 дБ при фазовом отставании выходного сигнала - 20,1 град. Кроме того, предлагаемый микромеханический акселерометр имеет расширенную полосу пропускания при одинаковом уровне пульсации выходного сигнала по сравнению с прототипом.
Таким образом, совокупность признаков устройства микромеханического акселерометра прямого преобразования, реализация которых может быть выполнена в соответствии с фиг.1, позволяет повысить точность измерения ускорения.
Микромеханический акселерометр прямого преобразования, содержащий первый источник опорного напряжения, второй источник опорного напряжения, ключевое устройство, тактовый генератор, корпус прибора, первую неподвижную пластину конденсатора, вторую неподвижную пластину конденсатора, центральную подвижную пластину конденсатора, чувствительный элемент, упругий подвес, инвертирующий повторитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот второго порядка, причем выход первого источника опорного напряжения соединен с первым входом ключевого устройства, выход второго источника опорного напряжения соединен с вторым входом ключевого устройства, прямой выход тактового генератора соединен с третьим входом ключевого устройства и соединен также с вторым входом синхронного детектора, инверсный выход тактового генератора соединен с четвертым входом ключевого устройства, первая неподвижная пластина конденсатора и вторая неподвижная пластина конденсатора жестко присоединены к корпусу прибора напротив друг друга, чувствительный элемент присоединен к корпусу прибора посредством упругого подвеса, первый выход ключевого устройства соединен с первой неподвижной пластиной конденсатора, второй выход ключевого устройства соединен с второй неподвижной пластиной конденсатора, центральная подвижная пластина конденсатора жестко присоединена к чувствительному элементу и соединена с входом инвертирующего повторителя, выход инвертирующего повторителя соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот второго порядка, отличающийся тем, что дополнительно введен интегро-дифференцирующий фильтр второго порядка, причем выход фильтра нижних частот второго порядка соединен с входом интегро-дифференцирующего фильтра второго порядка, а выход интегро-дифференцирующего фильтра второго порядка является выходом микромеханического акселерометра прямого преобразования.
