Способ измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических систем

Изобретение относится к микромеханике и предназначено для измерения частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств. Способ включает формирование на неподвижных обкладках конденсатора гармонических сигналов с постоянной составляющей при установке на подвижной обкладке постоянного смещения, равного нулю. При этом выделяется вторая гармоника суммы зарядов, протекающих через конденсаторы, образованные подвижной и неподвижной обкладками чувствительного элемента. Амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства определяется отношением второй гармоники полученной суммы зарядов к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности и повысить точность измерения амплитудно-частотных характеристик. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к микромеханике и предназначено для измерения частотных характеристик (АЧХ) подвижных элементов микромеханических устройств (ММУ), таких как акселерометры, датчики давления, микрогироскопы, микрозеркала, имеющие емкостной съем сигнала.

Известны лазерный виброметр для измерения вибраций [1], способ измерения динамических характеристик компенсационного акселерометра [2] и способ контроля качества изготовления микромеханических устройств [3]. Размеры частей ММУ колеблются от сотен до долей микрон. В частности, толщина торсионов составляет порядка 8-10 мкм. Визуальный контроль затруднителен и часто единственным способом обеспечения параметров микромеханических устройств является косвенный метод контроля, а именно измерение АЧХ подвижных (чувствительных) элементов, которые характеризуют обобщенный критерий качества изготовления ММУ. Недостатками устройства [1] являются высокая стоимость, трудоемкость процесса измерения и необходимость визуального доступа к подвижному элементу ММУ. Способ [2] предназначен для измерений характеристик акселерометров компенсационного типа, содержащих датчик силы и датчик смещения, что не позволяет использовать его для микромеханических устройств прямого преобразования, содержащих только две неподвижные и одну подвижную обкладки дифференциальной емкости.

Известный способ [3] является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и предназначен для контроля качества изготовления микромеханических устройств, которые состоят из задатчика силы и датчика перемещения. Задатчик силы электростатического типа выполнен в виде дифференциальной емкости. Датчик перемещения выполнен в виде дифференциальной емкости, подключенной к преобразователю емкость - напряжение (микросхема MS3110 в устройстве, реализующем способ [3]). Эквивалентная функциональная схема подобного датчика - четыре конденсатора, выводы одной из обкладок каждого из четырех конденсаторов электрически соединены друг с другом. Два из четырех конденсаторов попарно образуют дифференциальную емкость, то есть при перемещении ЧЭ одна из емкостей увеличивается, а другая уменьшается. Таким образом, способ [3] также предназначен для контроля ММУ компенсационного типа (например, компенсационных микромеханических акселерометров). Невозможность применения способов [2, 3] к ММУ прямого преобразования ограничивает их функциональные возможности и снижает точность проводимых измерений.

Способ [3] заключается в подаче гармонического сигнала (амплитудой порядка 50 В) на вход электростатического задатчика силы и измерении гармонического сигнала на датчике перемещения подвижного элемента. Общий вывод дифференциальной емкости подключается к входу преобразователя емкость - напряжение. На входе преобразователя для обеспечения его нормальной работы никаких других сигналов, кроме как сформированных самой микросхемой и подаваемых на электроды датчика перемещения, не должно быть. В устройстве, предложенном для реализации прототипа [3], на вход преобразователя подается гармонический сигнал, что приводит к появлению дополнительных помех в измерениях. Подвижный электрод под воздействием электростатической силы начинает перемещаться, вследствие чего одна электроемкость увеличивается, другая уменьшается. Чем больше амплитуда колебаний подвижного элемента, тем больше переменная асимметрия емкостей и тем больше помеха для преобразователя емкость - напряжение. Создаваемые помехи могут быть относительно небольшими в том случае, когда обе емкости задатчика силы равны и не меняются в процессе измерения. Однако данное условие может быть достигнуто в отсутствие сигнала на задатчике силы. Следует отметить, что существует вероятность вывода из строя микросхемы за счет пробоя входного каскада. Других преобразователей, в которых отсутствовал бы данный недостаток, в прототипе не приведено.

Задачей предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей и повышение точности.

Для достижения поставленной задачи на обкладках конденсатора дифференциальной переменной емкости, состоящего из подвижного элемента и двух неподвижных, на неподвижные подаются в противофазе гармонические сигналы одинаковой частоты и амплитуды с постоянной составляющей. На подвижной обкладке поддерживается постоянное, равное нулю напряжение и выделяется вторая гармоника суммы заряда, протекающего через конденсаторы, образованные подвижной и неподвижной обкладками чувствительного элемента, при этом АЧХ ММУ вычисляется отношением полученной второй гармоники заряда к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора.

Поставленная задача достигается более эффективно, если сумму зарядов, протекающих через подвижный электрод, преобразовать в выходное напряжение, при этом амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства равна отношению второй гармоники выходного напряжения к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора.

Таким образом, для измерения АЧХ проложенным способом достаточно всего одной пары неподвижных обкладок и одной подвижной обкладки, образующих дифференциальный конденсатор переменной емкости, без обязательного наличия дополнительных обкладок (как в прототипе), реализующих задатчик силы подвижного элемента ММУ, чем достигается расширение функциональных возможностей.

К тому же преобразование суммы зарядов, протекающих через подвижный электрод ММУ, в напряжение повышает точность измерений АЧХ подвижных элементов ММУ.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, предназначенного для реализации предложенного способа, где

1 - генератор со средней точкой;

2 - средняя точка генератора;

3 - источник постоянного напряжения;

4, 5 - симметричные выводы генератора;

6, 7 - неподвижные электроды ММУ;

8 - подвижный электрод ММУ;

9 - вход зарядочувствительного усилителя;

10 - резистор;

11 - конденсатор;

12 - операционный усилитель;

13 - выход зарядочувствительного усилителя;

14 - анализатор спектра или селективный микровольтметр.

На фиг.2 приведены эпюры зависимостей от времени параметров устройства и чувствительного элемента ММУ:

а - напряжения, подаваемого на первый неподвижный электрод;

б - напряжения, подаваемого на второй неподвижный электрод;

в - электростатической силы, действующей на подвижный электрод;

г - электрической емкости С1;

д - электрической емкости С2.

На фиг.3 приведена АЧХ ММУ МПСФ-20 (ТУ АЕСН.431269.003ТУ), измеренная с использованием предлагамеого способа.

Устройство для реализации предлагаемого способа, структурная схема которого представлена на фиг.1, включает в себя генератор 1 с симметричным выходом и средней точкой. На среднюю точку 2 генератора 1 с источника напряжения 3 подается постоянное напряжение смещения (порядка 70 В), а симметричные выводы генератора 4, 5 подключены к неподвижным электродам 6, 7 ММУ. Подвижный электрод 8 подключен к входу 9 зарядочувствительного усилителя, образованного резистором 10, конденсатором 11, операционным усилителем 12. Первый вывод резистора 10, первый вывод конденсатора 11 и отрицательный вывод операционного усилителя 12 замкнуты и образуют вход 9 зарядочувствительного усилителя. Вторые выводы резистора 10, конденсатора 11 и выход операционного усилителя 12 замкнуты и образуют выход 13 зарядочувствительного усилителя. Отрицательный вход операционного усилителя 12 подключен к нулевому потенциалу. Выход 13 подключен к входу анализатора спектра 14.

Предлагаемый способ измерения АЧХ основан на электростатическом взаимодействии между подвижной (фиг.1, поз.8) и неподвижными обкладками (фиг.1, поз.6, 7) ЧЭ, образующих дифференциальный конденсатор переменной емкости. На неподвижные обкладки этого конденсатора подаются гармонические сигналы U1 и U2 частоты w с постоянной составляющей Uo (фиг.2,А и 2,Б соответственно), а на подвижном электроде поддерживается нулевое напряжение:

U1=Uo+Uг·sin(wt),

U2=Uo-Uг·sin(wt),

где напряжение Uo соответствует напряжению в точке поз.2 фиг.1;

напряжение U1 соответствует напряжению в точке поз.4 фиг.1;

напряжение U2 соответствует напряжению в точке поз.5 фиг.1.

Значение постоянной составляющей Uo должно превышать амплитуду Uг гармонической составляющей Uo>Uг, таким образом задается условие U1,U2>0. Переменная составляющая за счет силы кулоновского взаимодействия (фиг.2,в) заставляет колебаться подвижный электрод ЧЭ.

Отклонение подвижной обкладки пропорционально приложенной силе.

В общем случае электрическая емкость конденсаторов С1, С2, образуемых обкладками ЧЭ и общим электродом, выражается следующим образом:

С1=Co·(1+Aмех·sin(wt)),

C2=Co·(l-Aмех·sin(wt)),

электрическая емкость С1 образована обкладками поз.6 и поз.8 фиг.1;

электрическая емкость С2 образована обкладками поз.7 и поз.8 фиг.1;

изменение емкостей С1, С2 представлено на фиг.2,г и 2,д соответственно.

Коэффициент Амех (фиг.2) зависит от амплитуды Uг и амплитуды механических колебаний подвижного элемента ММУ, а Со - электрическая емкость конденсаторов в отсутствие у подаваемого напряжения гармонической составляющей, причем Со=С12.

Коэффициент передачи зарядочувствительного усилителя (образованного резистором поз.10, конденсатором поз.11, операционным усилителем поз.10 фиг.1) для сигнала U1 вычисляется следующим образом

где Uвых - напряжение на выходе зарядочувствительного усилителя.

Значения Roc (омическое сопротивление резистора поз.10 фиг.1) и Соc (электрическая емкость конденсатора поз.11 фиг.1) выбираются таким образом, чтобы Roc в рабочем диапазоне частот было намного больше реактивного сопротивления XСос емкости Сос.

При необходимости в качестве сопротивления Roc может быть использован Т-образный RC-фильтр.

Напряжение U1 создает на выходе зарядочувствительного усилителя сигнал:

в силу симметрии напряжение U2 создает на выходе усилителя сигнал

По принципу суперпозиции:

Uвых=Uвых1+Uвых2=k·(Uo+Uг·sin(wt))·(1+Aмех·sin(wt))+k·(Uo-Uг·sin(wt))·(1-Aмех·sin(wt))=2·k·(Uo+Aмех·Uг·sin2(wt))=2·k·Uo+k·Uг·Aмех·(1-cos(2wt))=2·k·Uo+k·Uг·Aмех-k·Uг·Aмех·cos(2wt)

Напряжение Uвых соответствует напряжению в точке поз.13 фиг.1

Амплитуда второй гармоники выходного сигнала зависит от коэффициентов k, Uг, Aмех. Величины k, Uг постоянные, это означает, что на амплитуду второй гармоники выходного сигнала влияет коэффициент Амех, характеризующий амплитуду механических колебаний подвижного элемента ММУ. Анализ амплитуды второй гармоники с помощью анализатора спектра (поз.14 фиг.1) при изменении частоты на задающем генераторе (поз.1 фиг.1) реализует поставленную задачу - измерение АЧХ подвижного элемента ММУ.

Для проверки данного способа был собран макет устройства (фиг.1). В качестве генератора со средней точкой 1 был взят генератор Г3-109; в качестве источника постоянного напряжения 2 - источник питания Б5-50; в качестве ММУ (с элементами 6, 7, 8) выбрано микрозеркало ММУ типа МПСФ-20 (ТУ АЕСН.431269.003ТУ). В зарядочувствительном усилителе конденсатор 10 выбран номиналом 510пФ, резистор выбран номиналом 470 МОм, операционный усилитель 12 - Analog Devices AD8610. Для поз.14 выбран селективный микровольтметр В6-9, имеющий частотный диапазон измерения в селективном режиме 20 Гц - 100 кГц и диапазон входных напряжений от 1 мкВ до 1 В.

На генераторе Г3-109 устанавливалась частота 20 Гц, амплитуда напряжения 50 В. На источнике Б5-50 устанавливалось напряжение 70 В. Значение, отображаемое на микровольтметре при частоте 20 Гц, принималось равным 0 дБ. При плавном изменении частоты на генераторе и фиксированных остальных параметрах производилась запись показаний микровольтметра для соответствующей частоты. По формуле (где Uвых - показания микровольтметра, υ - частота в герцах, задаваемая на генераторе) строилась АЧХ, представленная на фиг.3.

Проведено сопоставление полученной АЧХ с АЧХ, измеренной оптическим способом (в котором амплитуда механических колебаний подвижного элемента ММУ определялась амплитудой колебания лазерного луча, отраженного и отклоненного микрозеркалом МПСФ-20). Было получено хорошее совпадение АЧХ, полученных оптическим способом и предложенных в изобретении.

Источники информации

1. Патент US 5883715.

2. Патент SU 1839835.

3. Патент RU 2244271 - прототип.

1. Способ измерения амплитудно-частотных характеристик чувствительных элементов микромеханических устройств, содержащих подвижный элемент, являющийся средней обкладкой дифференциального конденсатора переменной емкости, заключающийся в формировании на неподвижных обкладках конденсатора гармонических сигналов с постоянной составляющей при установке на подвижной обкладке постоянного смещения, равного нулю, отличающийся тем, что выделяется вторая гармоника суммы заряда, протекающего через конденсаторы, образованные подвижной и неподвижной обкладками чувствительного элемента, при этом амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства вычисляется отношением полученной второй гармоники заряда к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно производится преобразование суммы заряда, протекающего через конденсаторы, образованные подвижной и неподвижной обкладками чувствительного элемента, в пропорционально зависимое выходное напряжение, при этом амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства вычисляется отношением второй гармоники выходного напряжения к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматики и сигнализации, а также для проверки исправности тормозной системы транспортных средств и предупреждения их опрокидывания.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактной и дистанционной регистрации вибраций и перемещений поверхности, способной отражать радиоволны.

Изобретение относится к измерению механических колебаний и может быть использовано в системах автоматики и сигнализации, а именно для определения опасных вибраций при воздействии их на человека.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматики и сигнализации, а также для проверки исправности тормозной системы транспортных средств.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для бесконтактного измерения и непрерывного контроля амплитуды колебаний турбинных и компрессорных лопаток в эксплуатационных условиях.

Изобретение относится к контролю качества микромеханических устройств, используемых в акселерометрах, гироскопах, датчиках давления. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике для бесконтактного измерения и непрерывного контроля параметров колебаний турбинных и компрессорных лопаток.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения амплитуды низкочастотных колебаний, например, при испытаниях на усталостную прочность авиаконструкций.

Изобретение относится к устройствам контроля пространственных величин, например пространственной вибрации, и может быть использовано в системах контроля, диагностики, защиты и навигации

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения амплитуды, скорости и ускорения механических колебаний контролируемого объекта

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве контрольно-сигнального устройства для контроля квазистатических и низкочастотных параметров состояния машин в процессе эксплуатации. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, уменьшении времени готовности и обеспечении помехоустойчивости. Технический результат достигается благодаря тому, что в устройство для контроля сигналов дополнительно введены шины начального напряжения и сигнализации, пороговый элемент, аналоговый ключ с управляющим входом, третий резистор, диод, катод которого соединен с шиной питания и входом интегрирующей RC-цепи, выход которой соединен с анодом диода и входом порогового элемента, выход которого соединен с первым выводом второго резистивного делителя и управляющим входом аналогового ключа, вход которого соединен с шиной начального напряжения, а выход - с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого через третий резистор соединен с общей шиной, шина среднего значения соединена с первым входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с шиной сигнализации, второй вывод второго резистивного делителя соединен либо с шиной питания, либо с общей шиной. 5 ил.

Использование: изобретение относится к измерительной технике для диагностирования технического состояния машин с вращающимися элементами. Сущность: система содержит установленные на нем в зоне по меньшей мере одной измерительной плоскости по длине вала 1 равномерно по его окружности информационные элементы угловых перемещений вала, например, в виде зубцов 3 установленного на валу 1 зубчатого кольца 2. На валу 1 установлен также информационный элемент отметчика оборотов его вращения в виде одиночного зуба 6 на отдельном зубчатом кольце 7 или в виде выделенного меньшими размерами в общем зубчатом кольце 2 одного из его зубцов 3.1. Кроме того, вне вала 1 установлены неподвижные измерительные датчики 4 по одному в каждой его измерительной плоскости и неподвижный датчик отметчика оборотов, установленный в плоскости расположения его информационного элемента. Система также содержит соединенный с указанными датчиками аппаратно-программный блок для преобразования и математической обработки полученной от датчиков информации. Отличие: в каждой измерительной плоскости дополнительно установлен второй измерительный датчик 5, аналогичный первому датчику 4 и расположенный по отношению к нему под углом 180° с противоположной стороны вала 1 в той же измерительной плоскости. Число информационных элементов в каждой измерительной плоскости является четным. Каждый информационный элемент угловых перемещений вала составляет пару с другим аналогичным информационным элементом (зубцом 3), расположенным на том же диаметре с противоположной стороны вала 1. В способе на каждом обороте вала определяют временные интервалы ti, между опорным импульсом отметчика оборотов (зуба 3.1) и текущими импульсами, для каждой пары последовательных импульсов с номерами i и i+k/2 определяют полусумму интервалов времени Δti=0,5(ti+k/2+ti), мгновенные значения угловых смещений текущих импульсов φi=Δti·ωj относительно опорного импульса и распределение по окружности вала мгновенных значений угловых перемещений, обусловленных крутильными колебаниями Δφi=φi-φ0i. Технический результат: повышение точности и достоверности диагностирования. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проектировании и поузловой доводке элементов ступеней турбомашин, а именно рабочих колес, колес направляющих и сопловых аппаратов. Способ характеризуется тем, что подсчитывают количество лопаток рабочего колеса, подсчитывают количество лопаток направляющего или соплового аппарата, вычисляют предполагаемые резонансные частоты колебаний рабочего колеса в рабочем диапазоне частот вращения турбомашины. Затем экспериментально выявляют резонансные частоты колебаний рабочего колеса, сопоставляют значения предполагаемых и экспериментально выявленных резонансных частот колебаний. По результату сопоставления определяют качественную составляющую и/или количественную составляющую характеристики колебательного движения элемента турбомашины. Технический результат заключается в ускорении и упрощении процесса поузловой доводки элементов ступеней турбомашин, а именно рабочих колес, колес направляющих и сопловых аппаратов, посредством установления зависимости частоты и формы колебаний от конструктивных параметров исследуемой ступени турбомашины. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

Изобретение предназначено для бесконтактного определения амплитуды, частоты и фазы колебаний лопаток турбоагрегатов и может быть использовано для определения дефектов лопаток турбомашин в процессе их эксплуатации. Способ заключается в установлении на неподвижном узле турбомашины оборотного импульсного датчика и возбудителя - оборотной отметки, а также в корпусе турбомашины, в плоскости вращения контролируемого лопаточного колеса над траекторией движения торцов лопаток устанавливают неподвижный бесконтактный периферийный датчик. Датчик регистрирует информационные сигналы взаимодействия периферийного первичного преобразователя с торцом лопаток. На основании данных справочной литературы определяют аналитическое выражение, решают систему нелинейных уравнений. Технический результат заключается в увеличении точности и достоверности определения амплитуды, частоты и фазы колебаний всех лопаток вращающегося колеса турбомашины. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относитcя к метрологии, в частности к средствам контроля природных и техногенных явлений, сопровождающихся эмиссией инфразвука. Переносная инфразвуковая система состоит из трех модульных радиомикрофонов, каждый из которых содержит поляризованный микрофон свободного поля, используемый совместно с микрофонным усилителем и повторителем на операционном усилителе, аналого-цифровой 24-битный преобразователь последовательного приближения (SAR), результаты преобразования которого через блок гальванической развязки поступают в контроллер управления на 32-битном микропроцессоре с GPS-приемником. Данные с GPS-приемника используются для привязки измеренных данных к точному времени и координатам модульного радиомикрофона. Система также содержит радиомодем, осуществляющий передачу данных в виде пакетов на базовый модуль. Базовый модуль состоит из трех радиомодемов, контроллера управления, конвертера интерфейса СОМ-USB, компьютера. При этом базовый модуль связан с компьютером через преобразователь основных напряжений питания, а модульный радиомикрофон имеет аккумулятор, обеспечивающий радиомикрофон питанием через преобразователь основных напряжений. Технический результат – повышение эффективности работы системы за счет обеспечения беспроводной передачи данных. 2 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах контроля технологических процессов. Система датчиков содержит технологический измерительный преобразователь, вибродатчик без внешнего питания и технологический трансмиттер. Технологический измерительный преобразователь расположен внутри термокармана и выполнен с возможностью выработки первого сигнала датчика. Вибродатчик без внешнего питания выполнен с возможностью выработки второго сигнала датчика, отражающего вибрацию термокармана. Технологический трансмиттер выполнен с возможностью приема, обработки и передачи первого и второго сигналов датчиков. Технический результат – повышение эффективности контроля технологического процесса за счет исключения повреждения термокармана, в котором установлен технологический измерительный преобразователь. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения вибрации. Устройство содержит схему приемника, интерфейсную схему, схему возбуждения, в состав которой входят возбудитель без обратной связи, входные аналоговые фильтры, аналого-цифровой преобразователь, фазовый детектор, генератор сигнала возбуждения, выходные аналоговые фильтры, вибрирующий элемент, содержащий пьезоэлектрические кристаллические элементы. Первый и второй пьезоэлементы располагаются рядом с первым и вторым зубцами. Также в состав устройства входят усилитель измерительного сигнала вибрации, усилитель возбуждения, цифроаналоговый преобразователь, синтезатор сигнала возбуждения, цифровой сигнальный процессор, кодек. Способ измерения предполагает измерение вибрации, дискретизацию сигнала вибрации, измерение угла сдвига фаз, сравнение измеренного угла сдвига фаз с целевым углом сдвига фаз, определение командной частоты, формирование сигнала возбуждения с командной частотой, если измеренный угол сдвига фаз равен целевому углу сдвига фаз. Создание механической вибрации с помощью полученного сигнала возбуждения. Технический результат – уменьшение нестабильности в алгоритме управления возбуждением. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к микромеханике и предназначено для измерения частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств

Наверх