Линейный микроакселерометр


 


Владельцы патента RU 2561303:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" (ГУАП) (RU)

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 и может быть использовано в системах ориентации и навигации.

Известен акселерометр (патент RU №2063047, МПК G01P 15/08, опуб. 27.06.1996), содержащий инерционную массу на упругом подвесе, выполненную в виде прямоугольной пластины, датчик положения и компенсационный преобразователь, включающий две магнитные системы, каждая из которых состоит из магнитопровода и основного постоянного магнита с полюсным наконечником.

При движении объекта с ускорением в направлении оси чувствительности прибора инерционная масса отклоняется относительно неподвижных пластин. Отклонение пластины регистрирует и преобразует в ток датчик положения. Компенсационный преобразователь развивает при этом силу, равную инерционной силе пластины. Причем ток, протекающий через обмотки катушек, пропорционален кажущемуся ускорению объекта в направлении оси чувствительности.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения ускорения.

Известен акселерометр (патент RU №2313100, МПК G01P 15/13, опубл. 20.01.2007), содержащий инерционную массу на упругом подвесе, выполненную в виде кварцевой пластины, датчика положения, образованного поверхностями с металлическим напылением с двух сторон, расположенными на инерционной массе и обращенными к ней поверхностями, размещенными в корпусе, источник тока и компенсационный преобразователь, состоящий из двух катушек, закрепленных на инерционной массе, и двух постоянных магнитов, расположенных в корпусе.

При действии ускорения вдоль оси чувствительности инерционная масса отклоняется от своего среднего положения. Это отклонение фиксируется датчиком положения, сигнал с которого подается на катушки компенсационного преобразователя. Ток, протекая по катушкам, образует магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов. Возникающая при этом сила компенсирует инерционную силу подвижной пластины и возвращает ее в исходное положение. По величине тока, протекающего по катушкам, судят о величине ускорения, действующего на акселерометр.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения ускорения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство "ADXL50" (Doscher J. Accelerometer Design and Applications. Analog Devices. 1998), содержащее основание, крышку, рамку с инерционной массой, выполненной из кремния, установленную с возможностью линейного перемещения на упругих подвесах вдоль продольной оси, датчик положения, состоящий из подвижных обкладок, размещенных на инерционной массе, и неподвижных, жестко закрепленных в корпусе, генератор, схему измерения и источник напряжения.

В исходном состоянии противофазные сигналы прямоугольной формы и одинаковой амплитуды подаются от генератора на две смежные неподвижные обкладки. В результате образуются две емкости между подвижной и неподвижными обкладками, которые при отсутствии ускорения равны, поэтому на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды и, следовательно, разностный сигнал на выходе равен нулю. При ускорении, действующем на акселерометр, меняются величины емкостей и, следовательно, разностный выходной сигнал, причем его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения ускорения.

Задачей является создание линейного микроакселерометра, измеряющего ускорения с более высокой точностью.

Технический результат, обеспечивающий решение задачи, состоит в повышении точности измерения ускорения.

Технический результат достигается тем, что в линейный микроакселерометр, содержащий 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, 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 достигается за счет того, что инерционная масса совершает автоколебания вдоль оси чувствительности под действием знакопеременного сигнала постоянного тока, формируемого в цепи обратной связи электромагнитного силового привода, управляемого оптическим датчиком положения. Наличие входного воздействия приводит к смещению центра колебаний и возникновению временной модуляции сигнала. Измерение временной модуляции сигнала позволяет повысить точность измерения ускорения.

Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении изобретения, в силу того, что содержащиеся в заявленном устройстве основание, крышка, рамка с инерционной массой, оптический датчик положения, источник напряжения, два компаратора, два усилителя тока, ключ и электромагнитный силовой привод используются для более точного измерения линейного ускорения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги характеризующиеся совокупностями признаков тождественным всем признакам заявленного углового акселерометра отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует «изобретательскому уровню».

Сущность изобретения поясняется фиг.1, где представлена конструктивная схема датчика и введены следующие обозначения:

1. Основание

2. Крышка

3. Рамка

4. Инерционная масса

5. Упругие подвесы

6. Излучатель

7. Первый фотоприемник

8. Второй фотоприемник

9. Источник напряжения

10. Оптическая щель

11. Первая катушка

12. Вторая катушка

13. Первый магнитопроводящий сердечник

14. Второй магнитопроводящий сердечник

15. Первый магнитопровод

16. Второй магнитопровод

17. Ключ

18. Первый усилитель тока

19. Второй усилитель тока

20. Первый компаратор

21. Второй компаратор

Предлагаемый линейный микроакселерометр состоит из основания 1, крышки 2 и рамки 3 с инерционной массой 4, выполненной из кремния и установленной с возможностью линейного перемещения на упругих подвесах 5 вдоль продольной оси. Оптический датчик положения инерционной массы 4 выполнен из излучателя 6 и фотоприемников 7, 8, при этом излучатель 6 подключен к источнику напряжения 9, а между излучателем 6 и фотоприемниками 7, 8 расположена оптическая щель 10. Электромагнитный силовой привод состоит из 2N катушек 11, 12, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках 13, 14 с явно выраженными полюсами, направленными к торцевым сторонам инерционной массы 4, при этом магнитопроводящие сердечники 13, 14 размещены на противоположных торцевых сторонах рамки 2 по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы 4 в области каждого из торцов расположены магнитопроводы 15, 16. Катушки 11, 12 подключены к выходу ключа 17 через усилители тока 18, 19 соответственно. Входы ключа 17 соединены через компараторы 20, 21 с фотоприемниками 8, 9.

Излучатель 6 может быть выполнен, например, на основе серийно выпускаемого светодиода Kingbright КР-1608НС [1].

Фотоприемники 7, 8 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых фотоприемников Kingbright КР-1608Р1С [1].

Источник напряжения 9 может быть выполнен, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (источника напряжения) Mitsubishi Electric М5294 [2].

Ключ 17 может быть выполнен, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы NJM2520V [3].

Усилители тока 18, 19 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (операционного усилителя) Mitsubishi Electric М5216[2].

Компараторы 20, 21 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (компаратора) Mitsubishi Electric М51203 [2].

Линейный микроакселерометр работает следующим образом.

После включения питания основание 1, крышка 2 и инерционная масса 4 в рамке 3 находятся в состоянии покоя. Ключ 17 находится в предустановленном состоянии «1». Напряжение с выхода ключа 17 начинает поступать на первый усилитель тока 18. Созданный им в первой катушке 11 электрический ток наводит в первом магнитопроводящем сердечнике 13 магнитное поле, которое, стремясь замкнуться через первый магнитопровод 15, притягивает инерционную массу 4. В результате инерциальная масса 4 смещается на упругих подвесах 5 в сторону первой катушки 11 до тех пор, пока оптическая щель 10 не попадет в оптическую ось между излучателем 6, питающимся от источника напряжения 9, и первым фотоприемником 7. В этот момент сигнал с первого фотоприемника 7, преобразованный первым компаратором 20, переводит ключ 17 в состояние «0», в результате чего напряжение с выхода ключа 17 начинает поступать на второй усилитель тока 19, сигнал с которого поступает на вторую катушку 12. При этом выключается первый усилитель тока 18, сигнал с которого перестает поступать на первую катушку 11. Созданный вторым усилителем тока 19 во второй катушке 12 электрический ток наводит во втором магнитопроводящем сердечнике 14 магнитное поле, которое, стремясь замкнуться через второй магнитопровод 16, притягивает инерционную массу 4 в противоположный сторону ко второй катушке 12 до тех пор, пока оптическая щель 10 не попадет в оптическую ось между излучателем 6, питающимся от источника напряжения 9, и вторым фотоприемником 8. В этот момент сигнал со второго фотоприемника 8, преобразованный вторым компаратором 21, переводит ключ 17 в состояние «1» и цикл повторяется сначала. Тем самым инерциальная масса 4 начинает совершать автоколебания на собственной частоте, а сигнал с фотоприемников 7, 8 принимает вид меандра со скважностью 50%. При воздействии внешнего ускорения происходит смещение центра колебаний инерционной массы 4. Это смещение вызывает изменение скважности сигнала с фотоприемников 7, 8, которое пропорционально действующему ускорению.

Увеличение точности измерений достигается за счет введения режима автоколебаний, оптического датчика положения и электромагнитного силового привода, и уменьшения вследствие этого вредных моментов, действующих на инерционную массу.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:

- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике, а именно в акселерометрах для измерения линейного ускорения, например, в инерциальных системах навигации;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Источники информации

1. Библиотека электронных компонентов. Выпуск 1: Оптоэлектронные приборы фирмы Kingbright. - М.: ДОДЭКА, 1999. - 64 с.

2. Библиотека электронных компонентов. Выпуск 17: Аналоговые и цифро-аналоговые микросхемы фирмы «Mitsubishi Electric». - М: ДОДЭКА, 2000. - 48 с.

3. Микросхемы для аудио- и радиоаппаратуры - 2. - М.: Издательский дом "Додека XXI", 2001. - 288 с.

Линейный микроакселерометр, содержащий 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, отличающийся тем, 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.



 

Похожие патенты:

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.

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.
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.

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. 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.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в МЭМС акселерометрах и гироскопах. Емкостный датчик перемещений содержит широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод и выполненные на изоляционных обкладках неподвижные электроды, размещенные симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, каждый неподвижный электрод разделен пополам, а одинаковые части, размещенные с разных сторон подвижного электрода на одинаковом расстоянии от оси качания, соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые при равных зазорах имеют одинаковую емкость, при этом неподвижные электроды, находящиеся на одной изоляционной обкладке, разделены асимметрично относительно оси качания и перекрывают всю площадь подвижного электрода, а ответные неподвижные электроды выполнены симметрично относительно плоскости подвижного электрода. Технический результат - повышение чувствительности и точности преобразователя перемещений. 3 ил.
Наверх