Компенсационный акселерометр



Компенсационный акселерометр
Компенсационный акселерометр
Компенсационный акселерометр
Компенсационный акселерометр
Компенсационный акселерометр

 


Владельцы патента RU 2545469:

Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" (ОАО "РПКБ") (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой компенсационный акселерометр и предназначено для использования в качестве измерительного преобразователя линейных ускорений. Акселерометр содержит корпус, первую пластину из монокристаллического кремния с подвижной и неподвижной частями и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения с двумя неподвижными электродами на второй пластине, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, установленной на двух подставках на подвижной части, груз на подвижной части, усилитель. Для минимизации угловой деформации подвижной части первой пластины при температурных воздействиях на ней в области расположения установленных симметрично относительно оси подвеса подставок выполнены прорези. Техническим результатом является повышение точности измерения ускорения. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям линейных ускорений.

Известен компенсационный акселерометр [1], содержащий корпус, пластину из монокристаллического кремния с подвижной частью, неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения, дифференциальный магнитоэлектрический силовой преобразователь с двумя постоянными магнитами на корпусе и установленной на подвижной части пластины компенсационной катушкой.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2], содержащий корпус, первую пластину из монокристаллического кремния с внешней подвижной частью, внутренней неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом в виде электропроводной поверхности первой пластины и двумя неподвижными электродами на второй пластине, расположенной на одной стороне неподвижной части первой пластины, третью пластину, расположенную на другой стороне неподвижной части первой пластины, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе со стороны второй пластины и установленной на подвижной части первой пластины посредством подставок кольцевой компенсационной катушкой со стороны второй пластины, груз на подвижной части первой пластины со стороны третьей пластины, усилитель, причем две подставки установлены симметрично относительно оси подвеса, расстояние от неподвижных электродов на второй пластине в их наибольшем распространении от оси подвеса выполнено меньшим радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки.

Недостатком такого компенсационного акселерометра является погрешность измерения ускорения вследствие изменения сигнала компенсационного акселерометра, не зависящего от ускорения, при изменении нулевого сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения при температурных воздействиях вследствие угловой деформации подвижной части из-за различных температурных коэффициентов линейного расширения материалов подставок, компенсационной катушки и первой пластины.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения ускорения.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем корпус, первую пластину из монокристаллического кремния с внешней подвижной частью, внутренней неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом в виде электропроводной поверхности первой пластины и двумя неподвижными электродами на второй пластине, расположенной на одной стороне неподвижной части первой пластины, третью пластину на другой стороне неподвижной части первой пластины, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе со стороны второй пластины и установленной на подвижной части первой пластины посредством подставок кольцевой компенсационной катушкой со стороны второй пластины, причем две подставки установлены симметрично относительно оси подвеса, груз на подвижной части первой пластины со стороны третьей пластины, усилитель, расстояние от оси подвеса неподвижных электродов на второй пластине в их наибольшем распространении от оси подвеса выполнено меньшим радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки, тем, что на подвижной части первой пластины в области расположения установленных симметрично относительно оси подвеса подставок выполнены прорези.

В одном частном случае прорези выполнены со стороны каждой подставки, обращенной к оси подвеса, каждая из этих двух прорезей расположена параллельно оси подвеса на расстоянии от оси подвеса, меньшем радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки.

В другом частном случае дополнительно образованы прорези, которые расположены перпендикулярно оси подвеса и размещены с каждой находящейся на окружности подвижной части стороны каждой подставки на расстоянии, меньшем радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки, наибольшее расстояние от оси подвеса неподвижных электродов на второй пластине и длина прорезей выполнены так, что прорези распространены в сторону оси подвеса до расстояния, большего расстояния от оси подвеса неподвижных электродов на второй пластине.

В следующем частном случае длины параллельных оси подвеса прорезей выполнены равными.

В еще одном частном случае длины перпендикулярных оси подвеса прорезей выполнены равными.

Посредством выполнения на подвижной части первой пластины прорезей минимизируется угловая деформация подвижной части при температурных воздействиях, испытываемых компенсационным акселерометром. При этом минимизируются изменения нулевого сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения, что уменьшает изменение не зависящего от ускорения сигнала компенсационного акселерометра при изменении температуры окружающей среды. В результате повышается точность измерения ускорения.

На фиг.1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг.2 - вид первой пластины, на фиг.3 - вид первой пластины в одном из частных исполнений, на фиг.4 - вид второй пластины, на фиг.5 - электрическая схема компенсационного акселерометра.

В компенсационном акселерометре (фиг.1) в корпусе 1 на стойке 2 установлена первая пластина 3 из монокристаллического кремния, имеющая внешнюю подвижную часть 4 и внутреннюю неподвижную часть 5. На стороне 6 неподвижной части 5, отстоящей на расстоянии d от подвижной части 4, расположена вторая пластина 7 с неподвижными электродами 8′, 8″ дифференциального емкостного преобразователя положения, подвижным электродом которого является электропроводная поверхность подвижной части 4, образованная легированием монокристаллического кремния бором.

С той же стороны 6 первой пластины 3 установлен дисковый постоянный магнит 9 магнитоэлектрического силового преобразователя, кольцевая компенсационная катушка 10 которого посредством подставок 11′, 11″ установлена на подвижной части 4 первой пластины 3.

На стороне 12 неподвижной части 5 первой пластины 3 расположена третья пластина 13. Расстояниями d образованы зазоры между подвижной частью 4 первой пластины 3, второй 7 и третьей 13 пластинами.

Со стороны 12 первой пластины 3 установлен груз 14.

Первая пластина 3, вторая пластина 7, третья пластина 13, постоянный магнит 9 с диаметральным направлением намагниченности закреплены на стойке 2 корпуса 1 гайкой 15.

Корпус 1 закрыт крышкой 16, загерметизирован и заполнен газовой средой, например сухим азотом.

В первой пластине 3 (фиг.2) подвижная часть 4 и неподвижная часть 5 соединены упругими перемычками 17′, 17″ так, что проходящая по середине каждой из них прямая 18-18 представляет собой ось подвеса подвижной части 4 относительно неподвижной части 5. Подставки 11′, 11″ установлены на подвижной части 4 так, что одна их поверхность совпадает с внешней поверхностью 19 подвижной части 4 и компенсационной катушки 10, а другая поверхность совмещена с внутренней поверхностью 20 компенсационной катушки 10 радиусом r.

В подвижной части 4 образованы направленные параллельно оси подвеса 18-18 прорези 21′ и 21″ соответственно на расстояниях от оси подвеса 18-18 L1 и L2, меньших радиуса r. Так как L1=L2, то прорези 21′ и 21″ расположены симметрично по отношению к оси подвеса 18-18 и друг к другу. Длины L3 и L4 соответственно прорезей 21′ и 21″ равны.

В частном случае (фиг.3) в подвижной части 4 образованы направленные к оси подвеса 18-18 прорези 22′, 22″, 22″′, 22″″. Прорезь 22′ расположена со стороны 23 подставки 11′, прорезь 22″ расположена со стороны 24 подставки 11′. Прорезь 22″′ расположена со стороны 25 подставки 11″, прорезь 22″″ расположена со стороны 26 подставки 11″. Прорези 22′, 22″ находятся от оси подвеса 18-18 в пределах от расстояния L5 до расстояния L6, меньших радиуса r, прорези 22″′, 22″″ расположены от оси подвеса 18-18 в пределах от расстояния L7 до расстояния L8, меньших радиуса r.

Когда наибольшие стороны прорезей 22′, 22″, 22″′, 22″″ перпендикулярны оси подвеса 18-18, то длина каждой из прорезей 22′, 22″ равна разности расстояний L5 и L6, длина каждой из прорезей 22″′, 22″″ равна разности расстояний L7 и L8. Длины прорезей 22′, 22″, 22″′ 22″″ могут быть равными.

На второй пластине 7 (фиг.4) неподвижный электрод 8′ выполнен так, что его сторона 27 находится на наибольшем расстоянии L9<r от оси подвеса 18-18. Сторона 28 неподвижного электрода 8″ расположена на наибольшем расстоянии L10<r от оси подвеса 18-18. При этом L9<L6, L10<L8.

В компенсационном акселерометре (фиг.5) неподвижный электрод 8′ соединен с первым выводом резистора R1, неподвижный электрод 8″ соединен с первым выводом резистора R2. Вторые выводы резисторов R1 и R2 соединены вместе и подключены к выходу источника переменного тока с напряжением Un, второй выход которого подключен к общему проводу. К общему проводу также подключен подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя положения в виде электропроводной поверхности подвижной части 4 первой пластины 3. Точки соединения резисторов R1, R2 с неподвижными электродами 8′, 8″ подключены к входу усилителя 29, состоящего из дифференциального усилителя, суммирующего усилителя, демодулятора и усилителя постоянного тока, к выходу которого подключена компенсационная катушка 10 магнитоэлектрического силового преобразователя.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии линейного ускорения под действием инерционной силы происходит изменение углового положения подвижной части 4, в результате чего изменяются емкости, образованные неподвижными электродами 8′, 8″ и подвижным электродом дифференциального емкостного преобразователя положения. На вход усилителя 29 поступает сигнал, который после преобразования и усиления подается на компенсационную катушку 10. В магнитоэлектрическом силовом преобразователе создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу, а ток в компенсационной катушке 10 является мерой линейного ускорения.

Вследствие разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов первой пластины 3, компенсационной катушки 10 и подставок 11′, 11″ при температурных воздействиях подвижная часть 4 подвергается деформации, при этом наибольшие напряжения и деформации создаются в зонах расположения подставок 11′, 11″.

При наличии прорезей 21′, 21″ (фиг.2) при температурных воздействиях минимизируются температурные деформации подвижной части 4 в зоне от подставок 11′, 11″ в сторону оси подвеса 18-18 в пределах расстояний L1, L2 от оси подвеса 18-18. Вследствие этого уменьшается изменение углового положения подвижной части 4 относительно неподвижных электродов 8′, 8″ дифференциального емкостного преобразователя положения, уменьшается изменение сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения, минимизируется изменение не зависящего от ускорения сигнала компенсационного акселерометра, обусловленного силами реакции упругого подвеса при изменении углового положения подвижной части 4. В результате повышается точность измерения ускорения за счет уменьшения температурной погрешности.

При выполнении прорезей 22′, 22″, 22″′, 22″″ в соответствии с фиг.3 уменьшаются температурные деформации подвижной части 4 по сторонам 23, 24 от подставки 11′ и сторонам 25, 26 от подставки 11″, что приводит к повышению точности измерения ускорения, как и в случае с выполнением прорезей 21′, 21″.

Источники информации

1. Патент США №4498342, НКИ 73/517И, МКИ G01P 15/13. Integrated silicon accelerometer with stress-free rebalancing. 1985 г.

2. Патент РФ №2193209, кл. G01P 15/13. Компенсационный акселерометр. 2001 г.

1. Компенсационный акселерометр, содержащий корпус, первую пластину из монокристаллического кремния с внешней подвижной частью, внутренней неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом в виде электропроводной поверхности первой пластины и двумя неподвижными электродами на второй пластине, расположенной на одной стороне неподвижной части первой пластины, третью пластину на другой стороне неподвижной части первой пластины, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе со стороны второй пластины и установленной на подвижной части первой пластины посредством подставок кольцевой компенсационной катушкой со стороны второй пластины, груз на подвижной части первой пластины со стороны третьей пластины, усилитель, причем две подставки установлены симметрично относительно оси подвеса, расстояние от оси подвеса неподвижных электродов на второй пластине в их наибольшем распространении от оси подвеса выполнено меньшим радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки, отличающийся тем, что на подвижной части первой пластины в области расположения установленных симметрично относительно оси подвеса подставок выполнены прорези.

2. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что прорези выполнены со стороны каждой подставки, обращенной к оси подвеса, каждая из этих двух прорезей расположена параллельно оси подвеса на расстоянии от оси подвеса, меньшем радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки.

3. Компенсационный акселерометр по п.2, отличающийся тем, что дополнительно образованы прорези, которые расположены перпендикулярно оси подвеса и размещены с каждой находящейся на окружности подвижной части стороны каждой подставки на расстоянии, меньшем радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки, наибольшее расстояние от оси подвеса неподвижных электродов на второй пластине и длина прорезей выполнены так, что прорези распространены в сторону оси подвеса до расстояния, большего расстояния от оси подвеса неподвижных электродов на второй пластине.

4. Компенсационный акселерометр по п.2, отличающийся тем, что длины прорезей выполнены равными.

5. Компенсационный акселерометр по п.3, отличающийся тем, что длины прорезей выполнены равными.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к датчикам первичной информации (приборам) для измерения линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что в компенсационном маятниковом акселерометре, в котором магнитоэлектрический датчик момента представляет собой две магнитные системы, состоящие из постоянных магнитов, закрепленных с торцевой части в магнитопроводы в виде обода, катушка датчика момента напылена на верхней и нижней поверхностях единой пластины монокристаллического кремния маятникового чувствительного элемента, измерительный узел выполнен в виде компактного пакета, склеенного в не менее чем в четырех местах контакта пазов на плоских изолирующих платах и платиках единой пластины монокристаллического кремния маятникового чувствительного элемента, подача и вывод электрического сигнала на элементы измерительного узла от элементов электроники осуществляется с помощью токопроводящих контактов, выполненных в виде штырей, крепление элементов магнитных систем, измерительного узла и элементов электроники осуществляется с помощью направленных навстречу друг другу пар винтов, закрепленных в общей трубке с внутренней резьбой, при этом в основаниях головок которых расположены уплотняющие прокладки, элементы электроники и термодатчик расположены в отдельном отсеке, который изолируется крышкой, а в месте контакта элементов магнитной системы и платы электроники расположена изолирующая прокладка, кроме того, в защитном кожухе предусмотрено отверстие для осуществления вакуумирования внутреннего пространства прибора.

Компенсационный акселерометр предназначен для применения в системах стабилизации и навигации. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с входом усилителя со стабильным коэффициентом усиления, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь.

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорений и может быть использовано в системах стабилизации и навигации. Сущность: устройство содержит чувствительный элемент (1), датчик положения (2), выход которого соединен с входом усилителя (4) со стабильным коэффициентом усиления, магнитоэлектрический силовой преобразователь (15), включенный в отрицательную обратную связь.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения ускорений в системах коррекции дальности полета реактивных снарядов.

Акселерометр предназначен для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Изобретение относится к системам навигации и может применяться в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения.

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.

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 и предназначено для использования в приборах компенсационного типа с дискретным выходом в системах стабилизации, навигации и наведения.

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.

Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент, датчик угла, фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующий усилитель. Генератор опорного напряжения соединен как с входом датчика угла, так и с входом фазового детектора отрицательной обратной связи. Выход компаратора соединен последовательно по информационным входам с входом датчика момента через преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, пороговый элемент, электронный ключ, генератор тока, соединенный с входом электронного ключа. Генератор вспомогательной частоты соединен с входами компаратора, пары ждущих синхронных генераторов, суммирующего двоичного счетчика и реверсивного двоичного счетчика. Один из выходов фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом датчика момента через фильтр. На вход компаратора введена стабилизирующая цепь, содержащая два контура, вход которой соединен с выходом фазового детектора отрицательной обратной связи. Выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра. Технический результат заключается в возможности измерения ускорений, при этом компенсационный акселерометр работает в автоколебательном режиме, с астатизмом и с расширенной полосой пропускания и значительным быстродействием. 3 ил.

Изобретение относится к средствам измерения линейных ускорений. Сущность: акселерометр содержит корпус (1), в котором размещены маятниковый пластинчатый чувствительный элемент (МЧЭ) (2), упругий подвес, посредством которого МЧЭ связан с корпусом (1); магнитоэлектрический датчик (3) момента, фотоэлектрический датчик (6) угла перемещения, компенсационный усилитель (10). Упругий подвес состоит из двух соосно расположенных металлических растяжек (7) с прямоугольным поперечным сечением, закрепленных в МЧЭ (2) и в корпусе (1), и устройства (8) крепления растяжек (7). Металлические растяжки (7) являются токопроводами к выводам катушек (5) магнитоэлектрического датчика (3) момента. При этом обе растяжки (7) установлены так, что их большая сторона сечения параллельна продольной оси катушек магнитоэлектрического датчика (3) момента. Технический результат: увеличение динамического диапазона измерений, обеспечение малой величины и высокой стабильности смещения нуля прибора, обеспечение надежности в условиях механических воздействий. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно - к инерционным датчикам порогового действия, осуществляющим регистрацию и запоминание в автономном режиме (без источника электропитания) информации о достижении ускорением заданных предельных уровней. Датчик предельных ускорений содержит корпус с установленным в нем инерционным телом, предварительно поджатым к упору упругим элементом, установленным с возможностью перехода из одного устойчивого положения в другое путем прощелкивания. Упругий элемент выполнен в виде гибкой тарельчатой пружины с краевыми гофрами, имеющей на участке рабочего хода отрицательную жесткость, при этом в центральном отверстии тарельчатой пружины установлено инерционное тело сферической формы. Технический результат: повышение точности срабатывания датчика при действии ускорений, действующих вдоль и под углом к оси датчика, в том числе ударных импульсов произвольной формы, и повышение устойчивости в условиях вибронагружений. 2 ил.
Наверх