Микросистемный акселерометр



Микросистемный акселерометр
Микросистемный акселерометр
Микросистемный акселерометр
Микросистемный акселерометр

 


Владельцы патента RU 2450278:

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 в интегральных акселерометрах и микрогироскопах с силовой компенсацией. За счет применения пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора и выполнения оптимального соотношения настройки между пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющими регулятора достигается повышение точности датчиков с силовой компенсацией. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах и микрогироскопах с силовой компенсацией.

Известен микросистемный акселерометр [1], содержащий магнитную систему, расположенную на неподвижном основании, возвращающую обмотку, расположенную на подвижном узле, и систему температурных компенсаторов со специально подобранными температурными коэффициентами, встроенных между магнитной системой и корпусом. Заявленная точность достигается без учета нагрузочного резистора, т.е. при выходном сигнале по току.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерений при выходе по напряжению, поскольку в выходной сигнал существенную долю погрешности вносит нагрузочный резистор.

Известен микросистемный акселерометр [2], содержащий магнитную систему, расположенную на неподвижном основании, возвращающую обмотку, расположенную на подвижном узле. Известный микросистемный компенсационный акселерометр имеет следующие недостатки:

1 - устройство является склонным к потере устойчивости в связи с применением интегратора и требует газодинамического демпфирования;

2 - устройство имеет большую погрешность нулевого сигнала (до 0.1% от предела измерений при сухом азоте), вызванную релаксацией в газе демпфирования.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является компенсационный акселерометр [3], содержащий чувствительный к ускорениям маятник, выполненный в кремниевой пластине и соединенный с ней упругими подвесами, емкостный датчик перемещений, интегратор в прямой цепи и магнитоэлектрическую систему отработки воздействия ускорений.

Известный микросистемный компенсационный акселерометр имеет следующие недостатки:

1 - в статический коэффициент передачи акселерометра входит значение жесткости упругих подвесов, которая зависит от окружающей температуры;

2 - устройство является склонным к потере устойчивости в связи с применением интегратора и требует газодинамического демпфирования;

3 - устройство имеет большую погрешность нулевого сигнала (до 0.1% от предела измерений при сухом азоте), вызванную релаксацией в газе демпфирования.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности датчиков с силовой компенсацией за счет выполнения оптимального соотношения между дифференциальной, пропорциональной и интегрирующими составляющими управляющего сигнала отработки и вакуумирования чувствительного элемента.

Этот технический результат достигается тем, что в микросистемный компенсационный акселерометр, содержащий чувствительную массу, выполненную в кремниевой пластине и соединенную с ней упругими подвесами, емкостный датчик перемещений и магнитную систему с возвращающей обмоткой, в соответствии с изобретением в его прямую цепь контура регулирования введено корректирующее устройство в виде пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора со следующей передаточной функцией

где α1 - коэффициент передачи регулятора по дифференциальной составляющей, α2 - коэффициент передачи регулятора по пропорциональной составляющей, α3 - коэффициент передачи регулятора по интегрирующей составляющей, α4 - постоянная времени фильтра сглаживания шумов дифференциатора, причем , α2=1, α4 - период релаксации шумов дифференциатора, J - момент инерции чувствительной массы относительно оси качания, Gу - жесткость упругих подвесов чувствительной массы, s - оператор Лапласа.

Существенное отличие изобретения заключается в том, что в нем осуществляется оптимальное демпфирование в электрическом контуре и повышение статической точности за счет применения пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора и его настройки в соответствии с заявкой.

Заявляемое устройство иллюстрируется чертежами, показанными на фигурах 1, 2 и 3, где на фиг.1 показан боковой вид предложенного устройства в разрезе. В кремниевой пластине 1 выполнена посредством анизотропного травления по контуру 2 чувствительная масса (маятник) в виде двух пластин 3 и 5, жестко соединенных по линии качания (ось y). Чувствительная масса посредством упругих подвесов 4 соединена с кремниевой пластиной 1. На нижней поверхности чувствительной массы нанесен слой 7 магнитопровода с вытравленными двумя прямоугольными окнами 8, в которые вставлены постоянные магниты 6. Таким образом, получены между постоянными магнитами и магнитопроводом зазоры, в которых размещаются проводники возвращающей обмотки. Для выравнивания магнитной индукции в зазоре по высоте постоянных магнитов 6 и магнитопровода 7 образованы полюсные наконечники. С другой стороны кремниевой пластины к ней приварена неподвижная обкладка с электродами емкостного датчика перемещений (на фигуре не показана).

На фиг.2 показано устройство при виде сверху. На пластине-подложке 1 выполнен нагрузочный резистор 2 в виде меандровой дорожки. Своими концами нагрузочный резистор подключен к контактным площадкам 4. Рядом расположены проводники двух одинаковых обмоток 3 и 5. Одна из обмоток 3 является силовой для отработки обратной связи, вторая обмотка 5 предназначена для тестирования микросистемного акселерометра.

На фиг.3 приведена структурная схема заявляемого устройства. На схеме приняты следующие обозначения: - передаточная функция подвижного узла (маятника); Kчэ=ml - коэффициент передачи чувствительного элемента; m - чувствительная масса; l - рычаг маятника; Kпп=Uопl/h - коэффициент передачи датчика перемещений; h - зазор между поверхностью чувствительной массы и неподвижной обкладкой; Uоп - опорное напряжение; Wкор(s) - передаточная функция корректирующего устройства (функция определена формулой 1); Kус - коэффициент передачи масштабного усилителя; - коэффициент передачи силового звена обратной связи; Rн - сопротивление нагрузки; B - магнитная индукция в зазоре; n - число витков в возвращающей обмотке (в заявляемом устройстве один виток); L - длина одного витка.

На фиг.4 приведена принципиальная схема реализации корректирующего устройства в соответствии с формулой изобретения. На ОУ1 реализовано первое слагаемое формулы (1) - дифференциатор, где R1C11, и апериодический фильтр R1C24. На ОУ2 реализован интегратор, где R2C33. Коэффициент передачи регулятора по пропорциональной составляющей реализован отношением резисторов R6/R52. Суммирование пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих осуществляется с помощью ОУ3. Корректирующее устройство своим входом в соответствии со структурной схемой включается к выходу масштабного усилителя, а выходом - ко входу силового звена обратной связи.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. В нейтральном положении, без действия ускорений, чувствительная масса является неподвижной, а на выходе устройства имеет место нулевой сигнал по напряжению. При действии линейного ускорения того или иного знака, чувствительная масса осуществляет угловое движение, емкостный мост разбалансируется и напряжение, усиленное электронным усилителем, поступает на вход пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора. В первую очередь вступает в действие дифференцирующая цепочка, ускоряя прохождение сигнала и тем самым в электрическом контуре демпфирование движению чувствительной массы. После этого в действие вступает цепочка пропорционального регулирования, отслеживая положение чувствительной массы. Напряжение сигнала, поступившего в возвращающую обмотку, создает магнитоэлектрическую силу, противодействующую инерционной. При этом чувствительная масса принудительно приводится в исходное состояние. К концу движения сигнал в интегрирующей цепочке имеет максимальное значение, удерживая чувствительную массу в близком к нейтральному положению. При резких скачках чувствительной массы в действие почти одновременно вступают все три составляющие регулирования, тем самым эффективно демпфируется движение.

Из анализа контура регулирования микросистемного акселерометра коэффициент передачи в статике определяется в виде:

Нагрузочный резистор выполнен из одного и того же материала, что и возвращающая обмотка, и его температурные изменения оцениваются в основном изменением длины проводника. На подложке нагрузочный резистор расположен рядом с возвращающей обмоткой, поэтому их отношение является величиной стабильной и вносит в коэффициент чувствительности незначительную погрешность. Что касается величины магнитной индукции B, то современная промышленность может обеспечить нулевой температурный коэффициент постоянным магнитам с применением присадок из редкоземельных металлов, например из сплава «кобальт-самарий-гадалиний». Таким образом, точность заявляемого устройства не зависит от температурных изменений.

Преимуществами заявленного устройства в сравнении с известным являются: 1 - достигнутая статическая точность, определяемая только точностью технологического изготовления элементов устройства; 2 - оптимальное демпфирование, полученное за счет применения и настройки пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора в соответствии с изобретением.

Источники информации

1. Вавилов В.Д., Поздяев В.И. Конструирование интегральных датчиков. - М: изд-во МАИ, 1993, - 68 с.

2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Нижний Новгород: изд-во НГТУ, 2003, С.500.

3. Патент России №2231795, М.кл. G01B 15/08, от 10 декабря 2002 г.

Микросистемный акселерометр, содержащий чувствительную массу, выполненную в кремниевой пластине и соединенную с ней упругими подвесами, прикрепленную к ней неподвижную диэлектрическую обкладку с электродами емкостного датчика перемещений, контур регулирования, содержащий прямую цепь с масштабирующим усилителем и цепь обратной связи, отличающийся тем, что в прямую цепь контура регулирования включено корректирующее устройство в виде пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, содержащего дифференциатор, с которым совмещены фильтр сглаживания шумов и интегратор, со следующей передаточной функцией
,
где α1 - коэффициент передачи регулятора по дифференциальной составляющей, α2 - коэффициент передачи регулятора по пропорциональной составляющей, α3 - коэффициент передачи регулятора по интегрирующей составляющей, α4 - постоянная времени фильтра сглаживания шумов дифференциатора, причем , α2=1, α4=τ - период релаксации шумов дифференциатора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации и навигации. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации и навигации. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборах измерения механических величин. .

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности к приборам измерения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при изготовлении прецизионных маятниковых компенсационных акселерометров.

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности к приборам измерения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при изготовлении маятниковых компенсационных акселерометров, имеющих упругий подвес.

Изобретение относится к точному приборостроению и может быть использовано преимущественно в прецизионных инерциальных системах управления движением, например, самолетов, ракет, подводных лодок и других объектов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в интегральных акселерометрах и микрогироскопах с силовой компенсацией. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа с дискретным выходом в системах стабилизации, навигации и наведения.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам корректировки коэффициента усиления емкостного элемента

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейного ускорения

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа в системах стабилизации и навигации

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности к приборам измерения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при изготовлении маятниковых компенсационных акселерометров, предназначенных для измерения значительных линейных ускорений

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических компенсационных акселерометрах. Чувствительный элемент содержит инерционную массу, упругие элементы, катушку обратной связи, проводящие дорожки для электрической связи катушек обратной связи со схемой управления, стеклянные обкладки, внешнюю рамку, с расположенными на ней площадками крепления к стеклянным обкладкам. Упругие элементы расположены по оси симметрии инерционной массы. Один конец которых закреплен с внешней рамкой, другой - с инерционной массой. На одной стороне инерционной массы закреплена катушка обратной связи, другая сторона инерционной массы является пластиной емкостного датчика угла. Магнитопровод с постоянными магнитами и катушками обратной связи образуют магнитную систему акселерометра. Соединение катушек обратной связи со схемой управления осуществляется проводящими дорожками, раположенными над упругими элементами, вдоль оси симметрии инерционной массы и оси крутильных колебаний упругих элементов. Изобретение позволяет повысить точность измерений. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа с дискретным выходом в системах стабилизации, навигации и наведения. Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующую отрицательную обратную связь с выхода компаратора на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ. Кроме того, введены фильтр с выхода схемы сравнения на вход триггера и аналого-цифровой преобразователь, пороговый элемент и интегратор с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход компаратора. Выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра. Введение в компенсационный акселерометр фильтра, интегратора, аналого-цифрового преобразователя, порогового элемента, и интегрирующей отрицательной обратной связи позволяет стабилизировать параметры компенсационного акселерометра, повысить точность измерения и расширить полосу пропускания за счет реализации в устройстве автоколебательного режима. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа с дискретным выходом в системах стабилизации, навигации и наведения. Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующую отрицательную обратную связь с выхода компаратора на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ. Кроме того, введена местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход фазового детектора отрицательной обратной связи через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, пороговый элемент, интегродифференцирующее звено и звено запаздывания. Выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом компаратором через дифференцирующее звено. Выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра. Введение в компенсационный акселерометр местной отрицательной обратной связи позволяет стабилизировать параметры компенсационного акселерометра, а реализация в интегрирующей отрицательной обратной связи интегродифференцирующего и дифференцирующего звена позволяет повысить точность измерения и расширить полосу пропускания за счет реализации автоколебательного режима. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям линейного ускорения. Компенсационный акселерометр содержит корпус со стойкой, первую пластину из монокристаллического кремния, вторую пластину с двумя неподвижными электродами дифференциального емкостного преобразователя положения, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом, усилитель, причем последовательно по длине стойки от основания стойки установлены постоянный магнит, вторая пластина, первая пластина и третья пластина. В соответствии с изобретением на стойку установлена втулка из инвара, на которой расположены вторая пластина, первая пластина и третья пластина. Вторая и третья пластины выполнены из пирекса. Технический результат - повышение точности измерения ускорения. 3 ил.
Наверх