Емкостный датчик перемещений


 


Владельцы патента RU 2521141:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к микромеханическим устройствам и может применяться в интегральных акселерометрах и гироскопах. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности емкостного датчика при измерении угловых перемещений. Технический результат достигнут посредством разделения пополам неподвижных электродов и перекрестного включения секторов в смежные плечи дифференциальных конденсаторов. В результате разделения электродов датчик стал нечувствителен к плоскопараллельной составляющей движений, при этом появилась возможность измерять одну компоненту, а именно угловую. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в

интегральных акселерометрах и гироскопах.

Известен аналогичный датчик перемещений, в котором применяются дифференциальные емкости, связанные с чувствительным элементом, синхронный детектор и запоминающая ячейка [1].

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с тем, что при наличии двух движений подвижного узла вместе с подвижным электродом, например линейного и углового, эти движения взаимно влияют друг на друга, внося тем самым погрешность в измерения.

В качестве прототипа выбран емкостный преобразователь перемещений, содержащий проводящий подвижный электрод, соединенный с объектом измерения перемещений, например, с маятником акселерометра, и два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично с зазорами относительно подвижного электрода [2].

Недостатком известного устройства является то, что в нем нет разделения составляющих перемещения, например линейного и углового, что в конечном итоге вносит погрешность в измерения.

Задача, на решение которой направлено изобретение - повышение точности преобразователя перемещений.

Задача решается тем, что каждый неподвижный электрод разделен пополам, а половинки с разных сторон подвижного электрода соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые включены на вход широтно-импульсного модулятора.

Этот технический результат достигается тем, что в емкостный датчик перемещений, содержащий: широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод, выполненный на пластине проводящего монокремния и соединенный с объектом измерения перемещений, например, с маятником акселерометра, и два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, в котором в соответствии с изобретением каждый неподвижный электрод разделен пополам, а половинки с разных сторон подвижного электрода соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые включены на вход широтно-импульсного модулятора.

На фигуре 1 приведена схема, поясняющая устройство заявляемого емкостного датчика перемещений. В состав схемы входят: подвижный электрод 1 на упругом подвесе, выполненный на пластине проводящего монокристаллического кремния, который может быть выполнен для работы как на изгиб, так и на кручение. Ось качания подвижного электрода 1 также может быть выбрана произвольно. В любом случае подвижный электрод 1 совершает сложное движение - линейное х от прогибов и угловое α, от поворотов. Неподвижные изоляционные обкладки 2 и 3, которые размещены симметрично относительно подвижного электрода 1 и с одинаковыми зазорами. На каждую из неподвижных изоляционных обкладок 2 и 3 нанесены двойные, симметрично относительно оси вращения подвижного электрода 1, проводящие электроды 4 и 5 на обкладке 2 и 6 и 7 на противоположной обкладке 3. Электрод 4 изоляционной обкладки 2 соединен с электродом 7 изоляционной обкладки 3, а электрод 5 изоляционной обкладки 2 с электродом 6 изоляционной обкладки 3. Суммарные емкости электродов 4 и 7, а также электродов 5 и 6 представляют дифференциальные конденсаторы, включенные на вход широтно-импульсного модулятора 8, сигнал с которого подают на вход объекта измерения перемещений.

Рассмотрим работу емкостного датчика перемещений. На фигуре 1 показано нейтральное положение подвижного электрода. Неподвижные проводящие электроды 4-7 и 5-6 находятся с одинаковыми зазорами h0 от подвижного. В широтно-импульсном модуляторе 8 нет рассогласования в длительностях прямого и инверсного выходов (инверсный выход на схеме показан кружочком). Выходной сигнал с широтно-импульсного модулятора 8 равен нулю.

Поскольку упругий подвес имеет сложную деформацию, то движение маятника состоит из двух составляющих: плоскопараллельного и углового. Полное движение является нелинейным. Информацию о силе инерции в линейном виде несет только угловое отклонение маятника. На фигуре 2 показана составляющая плоскопараллельного движения. Пусть движение осуществляется справа налево. При этом емкости, формируемые электродами 4 и 5, увеличиваются, а на противоположных электродах 6 и 7 емкости ровно на столько же уменьшаются. Суммарные емкости дифференциальных конденсаторов моста остаются без изменений. Таким образом датчик перемещения не чувствителен к плоскопараллельному движению.

На фигуре 3 показана составляющая углового движения маятника. Маятник плоскопараллельно смещается и одновременно поворачивается на некоторый угол α. Зазоры между электродами 4 и 7 и подвижным электродом 1 увеличиваются, а емкости уменьшаются. Соответственно между электродами 5 и 6 и подвижным электродом 1 зазоры уменьшаются, а емкости увеличиваются. Таким образом, в дифференциальных конденсаторах плечи изменяются по разному и емкостный датчик перемещения отображает полезную информацию. Этим цель изобретения достигнута.

Источники информации

1. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники //Микросистемная техника. 2002. №1. С.3-9.

2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, 504 с.

Емкостный датчик перемещений, содержащий: широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод, выполненный на пластине проводящего монокремния и соединенный с объектом измерения перемещений, и два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, отличающийся тем, что каждый неподвижный электрод разделен пополам, а половинки с разных сторон подвижного электрода соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые включены на вход широтно-импульсного модулятора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорения и может быть использовано в качестве первичного преобразователя в системах инерциальной навигации и сейсмометрии.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в микромеханических датчиках линейных ускорений. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений, скоростей и ускорений. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах. .

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к средствам измерения линейных ускорений, угловых скоростей и тепловых полей малой интенсивности в инфракрасной и терагерцовой области.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам угловых ускорений, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений, скоростей и ускорений объектов в бесплатформенных инерциальных навигационных системах.

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорения объекта в условиях вибрации и может быть использовано для контроля положения подвижного объекта. .

Изобретение относится к обнаружению вращательного и поступательного движения. .

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.

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения углового ускорения. Для измерения углового ускорения объекта производят измерение длительности интервалов времени между фронтами всех импульсов импульсным датчиком углового положения, определяют среднюю скорость на каждом интервале времени, создавая обращенное относительное движение частей импульсного датчика углового положения, различно связанных с контролируемым объектом, обеспечивая генерирование импульсным датчиком максимального количества импульсов на конечном участке торможения контролируемого объекта, и производят измерение значений углового ускорения при торможении. Устройство содержит инерционную массу 5, импульсный датчик углового положения 2, жестко установленный на контролируемом объекте 1, регистрирующее устройство 7 и вычислитель 8, а также обгонную муфту 6, установленную между контролируемым объектом 1 и инерционной массой 5, жестко закрепленную на валу оптического диска 3 импульсного датчика углового положения 2, в качестве которого выбран датчик-энкодер. Изобретение обеспечивает повышение точности определения углового ускорения на конечном участке торможения контролируемого объекта. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах ориентации и навигации. Линейный микроакселерометр содержит основание, крышку, рамку с инерционной массой, выполненной из кремния, установленную с возможностью линейного перемещения на упругих подвесах вдоль продольной оси, датчик положения и источник напряжения, при этом в устройство дополнительно введены два компаратора, два усилителя тока, ключ, электромагнитный силовой привод, состоящий из 2N катушек, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках с явно выраженными полюсами, направленными к торцевым сторонам инерционной массы, при этом магнитопроводящие сердечники размещены на противоположных торцевых сторонах рамки по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы в области каждого из торцов расположены магнитопроводы, замыкающие магнитные потоки катушек, причем входы катушек подключены к выходу ключа, входы которого через компараторы подключены к датчику положения, который выполнен оптическим, и состоит из излучателя и фотоприемников, при этом излучатель подключен к источнику напряжения, а между излучателем и фотоприемниками расположена оптическая щель. Технический результат - повышение точности измерения ускорения. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит положительный и отрицательный источники опорных напряжений, ключевую схему для переключения полярности источников опорных напряжений, генератор синхронизирующих импульсов, сумматор обратной связи, дифференциальные измерительные емкости, первый синхронный детектор. В устройство введен второй синхронный детектор. Выходы первого и второго синхронных детекторов соединены с неинвертирующим и инвертирующим входами фильтра нижних частот. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается линейного микроакселерометра с оптической системой. Микроакселерометр включает в себя корпус, две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя. Датчики положения выполнены в виде двух пар монохроматических излучателей с различным спектром излучения и двух фотоприемников с цветоделением, имеющих не менее двух выходов спектральных диапазонов. Излучатели расположены над инерционной массой, а фотоприемники размещены в корпусе соосно с фотоприемниками. Монохроматические излучатели снабжены ограничителями светового потока. Технический результат заключается в повышении точности измерений и упрощении конструкции. 1 ил.

Изобретение относится к области испытания механических систем, у которых главными деталями являются вращающиеся тела, о сопротивлениях движению которых судят по замедлению при выбеге, и может быть использовано для определения отрицательных ускорений вращающихся частей. Вращающуюся деталь снабжают датчиком оборотов с одной меткой, что исключает неточность угловой разметки, которая появилась бы при большом количестве меток. Реагирующий на одиночную метку датчик оборотов соединяют с регистрирующим прибором и компьютером. Регистрируют, например, в дискретной форме, зависимость числа оборотов, а при известном радиусе вращающейся детали - пути в функции времени на определенном отрезке временного интервала, аппроксимируют эту зависимость детерминированной, непрерывной, дифференцируемой функцией, вторая производная которой по времени дает зависимость замедления тела в функции времени. Изобретение обеспечивает повышение точности и эффективности определения замедлений вращающихся тел. 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический демпфер содержит демпфирующий узел, выполненный в виде сосредоточенной массы, соединенной с помощью упругих подвесов с демпфируемым узлом, с целью получения оптимального демпфирования, при этом в устройстве выполнено следующее соотношение между параметрами: Kд1 - абсолютный коэффициент демпфирования внешнего узла (демпфируемого); Kд2 - абсолютный коэффициент демпфирования внутреннего узла внешнего узла (демпфирующего); m1 - масса внешнего узла; m2 - масса внутреннего узла; G1 - жесткость подвеса внешнего узла; G2 - жесткость подвеса внутреннего узла; χ - коэффициент механической связи между внешним и внутренним узлами. Технический результат - оптимизация режима работы микромеханического демпфера. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического гироскопа выполнен из монокристаллического кремния, представляющий конструкцию «рамка в рамке». При этом во внешней рамке выполнен электростатический силовой преобразователь, компенсирующий в ней кориолисов момент, возникающий в ней при вторичных колебаниях, передаваемых от внутренней рамки. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит две дифференциальные измерительные емкости, источник опорного напряжения, пару ключей зарядки измерительных емкостей, генератор тактовых импульсов, инвертор напряжения, пару ключей для съема сигнала с измерительных емкостей и фильтр нижних частот. Полный цикл работы устройства осуществляется за два такта синхронизирующих импульсов: в первый такт обе измерительные емкости заряжаются от источника опорного напряжения через первую пару ключей. Во второй такт обе измерительные емкости одновременно разряжаются, через вторую пару ключей, на фильтр нижних частот, который формирует сигнал соответствующей величины и полярности. Технический результат заключается в повышении точности. 1 ил.

Изобретение относится к навигационным устройствам, в частности может быть использовано для определения направления на географический север. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения направления на географический север. Технический результат достигается за счет того, что устройство для определения направления на географический север, содержит помимо датчика углового движения также датчик, чувствительный к изменению угла наклона. Обработка сигналов производится путем исключения из сигнала датчика угловых движений сигналов, вызванных наклонами оси вращения, с использованием показаний установленного на ту же платформу датчика, чувствительного к изменениям угла наклона. Момент начала вращения платформы определяют из условия стабилизации электродных токов неподвижного молекулярно-электронного датчика. Для уменьшения времени стабилизации электродных токов предварительно механически перемешивают жидкость в канале датчика угловой скорости путем вибраций платформы или помещают в жидкости вне области расположения преобразующего элемента датчика угловой скорости дополнительные электроды, находящиеся при одинаковом электрическом потенциале. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх