Электростатический акселерометр

Авторы патента:

G01P15/125 - с помощью емкостного датчика

Владельцы патента RU 2423712:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорения подвижных объектов. Акселерометр содержит корпусную пластину из проводящего монокремния, в которой выполнен подвижный электрод-маятник, электроды емкостного преобразователя перемещений и секционные электроды обратного электростатического преобразователя момента, положительный и отрицательный источники опорных напряжений, которые соединены с электродами обратного преобразователя через ключевое устройство, переключающее их полярность, а выход акселерометра соединен с входом управления электродами обратного электростатического преобразователя момента через устройство переключения полярности выходного напряжения. Изобретение позволяет повысить точность измерений за счет устранения массопереноса между подвижным и неподвижными силовыми электродами. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорений подвижных объектов: роботов, летательных аппаратов, водного и наземного транспорта и др.

Известен также [1] электростатический акселерометр, содержащий маятник из проводящего монокремния, соединенный с корпусной пластиной упругим подвесом в виде балки и неподвижные стеклянные обкладки. Недостатком которого является низкая точность измерений.

Известен также [2] электростатический акселерометр, содержащий корпусную пластину из проводящего монокремния, в которой выполнен подвижный электрод-маятник соединенный с корпусной пластиной упругим подвесом в виде балки, неподвижные стеклянные обкладки, расположенные симметрично с обеих сторон корпусной пластины и жестко с ней соединены, электроды емкостного преобразователя перемещений.

Недостатками такого акселерометра является низкая точность обратного преобразователя в котором имеет место расход электродов силового преобразователя.

Наиболее близким к заявляемому является электростатический акселерометр [3], содержащий корпусную пластину из проводящего монокремния, в которой выполнен подвижный электрод-маятник, соединенный с корпусной пластиной упругим подвесом в виде балки, неподвижные стеклянные обкладки, расположенные симметрично с обеих сторон корпусной пластины и жестко с ней соединены, электроды емкостного преобразователя перемещений и секционные электроды обратного электростатического преобразователя момента, положительный и отрицательный источники опорных напряжений.

Недостатками известного акселерометра является низкая точность, обусловленная наличием массопереноса между силовыми электродами, поскольку их питание осуществляется постоянным током. Массоперенос происходит всегда с электродов с отрицательной полярностью на электроды с положительной полярностью, например, с подвижного электрода на неподвижные и наоборот.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение точности за счет устранения массопереноса между электродами силового преобразователя посредством введения ключевой схемы, преобразующей опорные постоянные напряжения в переменные, а также за счет введения устройства переключения полярности и преобразования изменений постоянного выходного напряжения в эквивалентные изменения переменного напряжения.

Для достижения поставленной цели в электростатический акселерометр, содержащий корпусную пластину из проводящего монокремния, в которой выполнен подвижный электрод-маятник, соединенный с корпусной пластиной упругим подвесом в виде балки, неподвижные стеклянные обкладки, расположенные симметрично с обеих сторон корпусной пластины и жестко с ней соединены, электроды емкостного преобразователя перемещений и секционные электроды обратного электростатического преобразователя момента, положительный и отрицательный источники опорных напряжений, отличающийся тем, что источники опорных напряжений соединены с электродами обратного преобразователя через введенное ключевое устройство, переключающее их полярность, а выход акселерометра соединен со входом управления электродами обратного электростатического преобразователя момента через введенное устройство переключения полярности выходного напряжения, причем переключение полярности выходного напряжения и переключение полярности источников опорных напряжений осуществляется синхронно с частотой, кратной частоте переменного напряжения, питающего емкостный мост преобразователя перемещений.

На чертеже приведена схема заявляемого устройства, включающая проводящую кремниевую пластину 1, в которой методом микроэлектронной технологии выполнен подвижный электрод-маятник 2. С обеих сторон с кремниевой пластиной 1 соединены стеклянные обкладки с металлизированными на ней проводящими электродами: датчика перемещений 3 и силовыми электродами электростатического датчика момента 4. Проводящий электрод-маятник 2 соединен с кремниевой пластиной 1 упругими подвесами 5, выполненными в виде гибкой балки. В заявляемое акселерометр введено ключевое устройство 6 на ключах Кл1-Кл4, ко входам которого включены положительный (+и_оп) и отрицательный (-и_оп) источники опорных напряжений 7. Выходы ключевого устройства соединены через линеризующие резисторы R с электродами 4 электростатического датчика момента. Все резисторы, задействованные в схеме, имеют один номинал 2-10 кОм. В суммирующую точку 8 линеризатора характеристики электростатического датчика момента включено через введенные ключи Кл5 и Кл6, а также операционный усилитель 10 устройство переключения полярности напряжения 9, управляющего электростатическим датчиком момента. В качестве управляющего напряжения используется выходное напряжение акселерометра, подведенное к устройству переключения полярности по цепи обратной связи.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. В нейтральном положении подвижный электрод-маятник 2 находится по середине неподвижных электродов преобразователей перемещений 3 и силовых электродов 4. На выходе акселерометра имеет место нуль.

При воздействии ускорения электрод-маятник 2 отклоняется от нейтрального положения. Выходной сигнал акселерометра становится отличающимся от нуля и этот сигнал по цепи отрицательной обратной связи поступает на силовые электроды 4. Возникающий электрический момент отработки всегда направлен противоположно моменту от силы инерции и всегда стремится переместить электрод-маятник в нейтральное положение. В связи с изобретением посредством введения переключающего устройства 6 полярности источников опорных напряжений 7 и устройства переключения полярности выходного сигнала 9 и 10, поступающего в точку суммирования 8 резистивного линеризатора характеристики сигнала обратной связи, питание силовых электродов осуществляется переменным напряжением. Тем самым исключается массоперенос между силовыми неподвижными электродами 4 и электродом-маятником 2. В соответствии с физической сущностью электростатического силового преобразователя, выражающейся в притяжении между подвижным и неподвижными электродами (т.е. силы отталкивания не имеют места), в заявляемом изобретении притяжение всегда происходит в сторону большей разницы между опорным и выходным напряжениями.

Таким образом, поставленная цель изобретения - повышение точности работы акселерометра за счет устранения массопереноса между электродом-маятником и неподвижными силовыми электродами достигнута.

Источники информации

1. Патент США №3877313, кл. 73/517, 1975.

2. Патент США №4483194, кл. 73/517, 1982.

3. Авторское свидетельство СССР №1620944, G01B 15/08, от 15.01.1991 г.

Электростатический акселерометр, содержащий корпусную пластину из проводящего монокремния, в которой выполнен подвижный электрод-маятник, соединенный с корпусной пластиной упругим подвесом в виде балки, неподвижные стеклянные обкладки, расположенные симметрично с обеих сторон корпусной пластины и жестко с ней соединены, электроды емкостного преобразователя перемещений и секционные электроды обратного электростатического преобразователя момента, положительный и отрицательный источники опорных напряжений, отличающийся тем, что источники опорных напряжений соединены с электродами обратного преобразователя через введенное ключевое устройство, переключающее их полярность, а выход акселерометра соединен с входом управления электродами обратного электростатического преобразователя момента через введенное устройство переключения полярности выходного напряжения, причем переключение полярности выходного напряжения и переключение полярности источников опорных напряжений осуществляется синхронно с частотой, кратной частоте переменного напряжения, питающего емкостный мост преобразователя перемещений.

Похожие патенты:

Датчик линейного ускорения // 2265857

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах диагностирования промышленных роботов. .

Акселерометр // 2191390

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к линейным осевым акселерометрам, предназначенным для применения в навигационных системах летательных аппаратов, морских судов и на транспорте.

Чувствительный элемент акселерометра // 2186400

Измеритель перемещения тела // 2175114

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения измерительного центра инерционной массы чувствительного элемента приборов, в которых используется магнитный или электростатический подвес тела.

Акселерометр // 2148831

Акселерометр // 2148830

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

Измеритель линейного ускорения // 2148829

Чувствительный элемент устройства для измерения линейного ускорения // 2147751

Изобретение относится к области измерительной техники, конкретно к той ее части, которая занимается вопросами измерения линейных ускорений подвижных объектов: самолетов, ракет, космических аппаратов и других транспортных средств.

Акселерометр // 2136004

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям линейного ускорения с дискретным выходным сигналом. .

Способ измерения линейного ускорения и устройство для его осуществления // 2132559

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр // 2477863

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения

Чувствительный элемент интегрального акселерометра // 2526789

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении интегральных акселерометров. Чувствительный элемент интегрального акселерометра выполнен из проводящего монокристаллического кремния и содержит маятник 3, соединенный с помощью упругих подвесов 2 с каркасной рамкой 1, обкладки 4, соединенные с каркасной рамкой 1 через площадки 6, расположенные на каркасной рамке 1. На обкладках 4 выполнены выемки 7 в местах соединения с площадками 6, расположенными на каркасной рамке 1. На поверхностях выемок 7 и площадок 6 сформированы последовательно слои диэлектрика 10 и металла 11 для улучшения качества соединения. Дифференциальный конденсатор, необходимый для функционирования интегрального акселерометра, образован проводящей поверхностью кремниевого проводящего маятника 3 и металла 11, нанесенного на обкладки 4 со стороны маятника 3 с образованием емкостного зазора 5. Техническим результатом является улучшение метрологических характеристик путем усовершенствования конструкции чувствительного элемента интегрального акселерометра. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Микромеханический акселерометр // 2543686

Изобретение относится к устройствам для измерения линейных ускорений и может быть использовано для одновременного измерения ускорений вдоль трех взаимно перпендикулярных осей. Сущность: акселерометр содержит инерционную массу (1), которая закреплена во внутренней раме (2) с помощью торсионов (3- 6). Торсионы (3-6) размещены в микромеханическом акселерометре с возможностью совершения поступательных колебаний инерционной массы (1) вдоль оси Х. На инерционной массе (1) закреплены подвижные электроды (7, 8) датчика перемещения, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны. На внутренней раме (2) закреплены подвижные электроды (9, 10) датчика перемещения, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны. Внутренняя рама (2) закреплена во внешней раме (11) с помощью торсионов (12-15). Торсионы (12-15) размещены в микромеханическом акселерометре с возможностью совершения поступательных колебаний внутренней рамы (2) вдоль оси Y. Внешняя рама (11) закреплена в корпусе (16) с помощью торсионов (17-20). Торсионы (17-20) размещены в микромеханическом акселерометре с возможностью совершения поступательных колебаний внешней рамы (11) вдоль оси Z. На внешней раме (11) закреплены подвижные электроды (21, 22) датчика перемещения. Корпус (16) закреплен на подложке (23), на которой закреплены неподвижные электроды (24, 25) датчика перемещения, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны. Неподвижные электроды (24, 25) образуют конденсаторы с подвижными электродами (7, 8) в плоскости их пластин, образуя при этом емкостной датчик перемещения инерционной массы (1) относительно подложки (23). На подложке (23) закреплены неподвижные электроды (26, 27) датчика перемещения, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны. Неподвижные электроды (26, 27) образуют конденсаторы с подвижными электродами (9, 10) в плоскости их пластин, образуя при этом емкостной датчик перемещения внутренней рамы (2) относительно подложки (23). На подложке (23) закреплены неподвижные электроды (28, 29) датчика перемещения. Неподвижные электроды (28, 29) образуют конденсаторы с подвижными электродами (21, 22) в плоскости их пластин, образуя при этом емкостной датчик перемещения внешней рамы (11) относительно подложки (23). Инерционная масса (1), внутренняя рама (2), внешняя рама (11), торсионы (3-6, 12-15, 17-20), подвижные электроды (7-10, 21, 22) датчиков перемещения расположены с зазором относительно подложки (23). Инерционная масса (1), внутренняя рама (2), внешняя рама (11), торсионы (3-6, 12-15, 17-20), подвижные электроды (7-10, 21, 22) датчиков перемещения, неподвижные электроды (24-29) датчиков перемещения, корпус (16) выполнены из полупроводникового материала, например, из монокристаллического кремния. Подложка (23) может быть изготовлена из диэлектрика, например, из боросиликатного стекла. Технический результат: возможность проведения одновременных измерений ускорений вдоль трех взаимно перпендикулярных осей X, Y, Z. 1 ил.

Электронная система компенсационного акселерометра // 2638919

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для построения электронной системы преобразователя линейных ускорений. Электронная система компенсационного акселерометра содержит дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель, состоящий из усилителя переменного тока, фазового детектора и усилителя постоянного тока с двумя противофазными выходами. При этом в качестве усилителя переменного тока выступает зарядовый усилитель, в качестве усилителя постоянного тока выступает интегратор с двумя противофазными выходами, а на выходе введен дополнительный усилитель постоянного тока. Технический результат заключается в повышении точности измерения ускорения за счет снижения шумов, снижения нелинейности передаточной характеристики, расширения частотного диапазона преобразования, увеличения диапазона измеряемых ускорений, снижения температурной и временной нестабильности смещения нулевого сигнала компенсационного акселерометра. 1 ил.