Микромеханический акселерометр прямого преобразования

Изобретение предназначено для использования в качестве чувствительного элемента в системах ориентации, стабилизации, наведения и навигации. Акселерометр содержит два источника опорного напряжения, ключевое устройство, тактовый генератор, две неподвижные пластины конденсатора, центральную подвижную пластину конденсатора, чувствительный элемент, упругий подвес, инвертирующий повторитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот первого порядка, фильтр нижних частот второго порядка и интегродифференцирующий фильтр первого порядка. При этом выходы источников опорного напряжения соединены с первым и вторым входами ключевого устройства соответственно, 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. Неподвижные пластины конденсатора жестко присоединены к корпусу прибора напротив друг друга, чувствительный элемент присоединен к корпусу прибора посредством упругого подвеса, выходы ключевого устройства соединены с неподвижными пластинами 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 которого соединен с входом интегродифференцирующего фильтра первого порядка. Выход интегродифференцирующего фильтра первого порядка соединен с входом фильтра нижних частот первого порядка, выход которого является выходом акселерометра. Техническим результатом является увеличение точности измерения ускорения. 4 ил.

 

Изобретение 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 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 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 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 первого порядка, выход интегродифференцирующего фильтра первого порядка соединен с входом фильтра нижних частот первого порядка, выход фильтра нижних частот первого порядка является выходом микромеханического акселерометра прямого преобразования.

На фиг.1 приведена блок-схема микромеханического акселерометра прямого преобразования. На фиг.2 приведены логарифмические амплитудно-частотные характеристики передаточной функции относительной ошибки (являющейся отношением динамической ошибки к измеряемому ускорению) прототипа и предлагаемого микромеханического акселерометра прямого преобразования. На фиг.3 приведен график динамической ошибки предлагаемого микромеханического акселерометра прямого преобразования. На фиг.4 приведен график динамической ошибки прототипа.

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 к 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 первого порядка 14, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот первого порядка 15, выход фильтра нижних частот первого порядка 15 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 ± U₀ 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 к 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 C₂ 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,

k_у - 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,

G_y - линейная жесткость упругого подвеса чувствительного элемента,

ξ_у - 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 ω_г тактового генератора 4 с амплитудой, модулированной напряжением рассогласования мостовой схемы. Выходной сигнал синхронного детектора 12 поступает на вход фильтра нижних частот второго порядка 13 с передаточной функцией:

где Т_ф1 - постоянная времени фильтра нижних частот второго порядка,

k_ф1 - коэффициент передачи фильтра нижних частот второго порядка,

ξ_ф1 - коэффициент затухания фильтра нижних частот второго порядка.

Величина коэффициента затухания ξ_ф1 выбирается равной 0,707.

Фильтр нижних частот 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 нижних частот второго порядка 13, имеет вид:

где U - напряжение на выходе фильтра нижних частот второго порядка.

Из-за большого демпфирования чувствительного элемента соответствующее ему колебательное звено с постоянной времени Т_у 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 первого порядка 14 с передаточной функцией:

Постоянная времени T₄ интегродифференцирующего фильтра первого порядка 14 выбирается равной постоянной времени Т_ф1 фильтра нижних частот второго порядка.

Сигнал с выхода интегродифференцирующего фильтра первого порядка 14 поступает на вход фильтра нижних частот первого порядка 15 с передаточной функцией:

Фильтр нижних частот первого порядка 15 обеспечивает одинаковый уровень пульсации выходного сигнала предлагаемого микромеханического акселерометра по сравнению с прототипом.

Использование интегродифференцирующего фильтра первого порядка 14 и фильтра нижних частот первого порядка 15 позволяет реализовать микромеханический акселерометр прямого преобразования с передаточной функцией вида:

Передаточная функция относительной ошибки такого микромеханического акселерометра имеет вид:

где ΔW - динамическая ошибка акселерометра.

Постоянная времени Т₃ интегро-дифференцирующего фильтра первого порядка 14 и постоянная времени Т₅ фильтра нижних частот первого порядка определяются путем решения системы уравнений:

при этом передаточная функция относительной ошибки (8) имеет нуль второго порядка в точке р=0, что соответствует астатизму второго порядка, а следовательно, наклону логарифмической амплитудно-частотной характеристики в области частот ниже частоты среза -40 дБ/дек. Передаточная функция относительной ошибки прототипа имеет нуль первого порядка в точке р=0, что соответствует астатизму первого порядка, а следовательно, наклону логарифмической амплитудно-частотной характеристики в области частот ниже частоты среза -20 дБ/дек. Выбор постоянной времени Т₅ в соответствии с (9) обеспечивает одинаковый уровень пульсации выходного сигнала предлагаемого микромеханического акселерометра по сравнению с прототипом.

График логарифмической амплитудно-частотной характеристики передаточной функции относительной ошибки прототипа, являющейся отношением динамической ошибки к измеряемому ускорению, при следующих его числовых параметрах: U₀=5 B; m=0,0002 кг; h₀=0,00002 м; ω_г=628000 с^-1; =0,000355 с; ξ_у=15,28; (T₁=0,0108 с, Т₂=0,00001162 с); k_y=0,000634 н/м; k_ф1=3,5; Т_ф1=0,00561 с; ξ_ф1=0,707; ΔU_п=0.157·10^-5 В (ΔU_п - уровень пульсации выходного сигнала) приведен на фиг.2 (кривая 1).

График логарифмической амплитудно-частотной характеристики передаточной функции (8) предлагаемого микромеханического акселерометра прямого преобразования приведен на фиг.2 (кривая 2) при следующих его числовых параметрах: U₀=5 B; m=0,0002 кг; h₀=0,00002 м; ω_г=628000 с^-1; =0,000355 с; ξ_у=15,28; (T₁=0,0108 c, Т₂=0,00001162 c); k_y=0,000634 н/м; k_ф1=3,5; Т_ф1=0,0056] с; ξ_ф1=0707; Т₄=0,00561 с, постоянные времени Т₃ и Т₅ определены путем решения системы уравнений (9) и соответственно равны 0,024361 с и 0,00000675 с.

На фиг.3 приведен график динамической ошибки предлагаемого микромеханического акселерометра прямого преобразования при измерении ускорения с амплитудой 1 м/с² и частотой 6,28 с^-1. На фиг.4 приведен график динамической ошибки прототипа при измерении ускорения с амплитудой 1 м/с² и частотой 6,28 c^-1.

Из приведенных графиков видно, что, например, при гармоническом изменении ускорения с амплитудой 1 м/с² и частотой ω=6,28 с^-1 амплитуда ошибки прототипа в установившемся режиме составляет 0,1174 м/с², а амплитуда ошибки предлагаемого микромеханического акселерометра в установившемся режиме в 13,5 раз меньше и составляет 0,00875 м/с².

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 введены интегродифференцирующий фильтр первого порядка и фильтр нижних частот первого порядка, причем выход фильтра нижних частот второго порядка соединен с входом интегродифференцирующего фильтра первого порядка, выход интегродифференцирующего фильтра первого порядка соединен с входом фильтра нижних частот первого порядка, а выход фильтра нижних частот первого порядка является выходом микромеханического акселерометра прямого преобразования.