Емкостный датчик перемещений

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.

 

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в МЭМС акселерометрах и гироскопах.

Известен датчик [1] перемещений, содержащий дифференциальные емкости, соединенные с чувствительным элементом, и синхронный детектор.

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.

Наиболее близким к заявленному изобретению является преобразователь [2] перемещений, содержащий широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод, выполненный на пластине проводящего монокремния, соединенный с объектом измерения перемещений, два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, размещенных 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.

Недостатком известного устройства является то, что при произвольном выборе оси качания, разбиение неподвижных электродов пополам не приводит к повышению точности, так как принцип измерения не выполняется. На фиг. 1 показана конструкция емкостного датчика перемещений с осью 5 качания, лежащей вне площади подвижного электрода. При перекрестном соединении измерительных конденсаторов 1, 2 и 3, 4 резко падает точность измерения углового перемещения подвижного электрода, т.к. измерение емкости дифференциальных конденсаторов минимально. Точность повышается только в случае, когда неподвижные электроды разделены осью 5 качания пополам (фиг. 2), т.е. ось качания является осью симметрии неподвижных электродов. При угловом движении подвижного электрода дифференциальное изменение емкостей 1, 2 и 3, 4 будет максимальным.

Еще одним недостатком является то, что площадь неподвижных обкладок не полностью перекрывает площадь подвижного электрода, что снижает емкость измерительных конденсаторов и тем самым уменьшает точность и чувствительность датчика перемещений.

Технический результат заключается в повышении чувствительности и точности преобразователя перемещений.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является увеличение емкости измерительных конденсаторов за счет увеличения площадей неподвижных электродов до границ подвижной массы.

Поставленная задача решается за счет того, что в емкостном датчике перемещений, содержащем 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, в соответствии с изобретением 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.

Одним отличительным признаком изобретения является то, что неподвижные электроды, находящиеся на одной изоляционной обкладке, разделены асимметрично относительно оси качания.

Еще одним отличительным признаком изобретения является то, что неподвижные электроды, размещенные симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, перекрывают всю площадь подвижного электрода.

На фиг. 3 представлена конструкция емкостного датчика перемещений, состоящего из двух изоляционных обкладок 6, подвижной массы 7. Подвижная масса закреплена на неподвижном основании посредством упругого подвеса, который может быть выполнен для работы как на изгиб, так и на кручение. На изоляционных обкладках выполнены пары неподвижных электродов 1, 2 и 3, 4 различной площади, перекрывающие всю площадь подвижного электрода.

Устройство работает следующим образом. Под действием ускорения по измерительной оси 8 подвижная масса 7 совершает сложное движение - угловое вокруг оси 5 за счет массы небаланса 9 и плоскопараллельное относительно плоскости неподвижных электродов. Так как информацию о проекции ускорения на измерительную ось 5 в линейном виде несет только угловое перемещение подвижной массы, то в нее должна быть внесена масса небаланса 9 относительно оси 5 качания и, как следствие, не симметрия подвижной массы относительно оси 5.

Данная конструкция емкостного датчика перемещений является не чувствительной к линейному движению подвижной массы, т.к. перекрестное соединение неподвижных электродов 1, 2 и 3, 4 приводит к тому, что суммарные емкости дифференциальных конденсаторов моста остаются неизменными. Угловое движение подвижной массы вызывает небаланс дифференциального моста, соединенного с входом широтно-импульсного модулятора.

Источники информации

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

2. Патент РФ №2521141. Емкостный датчик перемещений.

Емкостный датчик перемещений, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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».

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Устройство относится к измерительной технике, а именно к датчикам угловых ускорений, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции. Датчик угловых ускорений с жидкостным ротором содержит чувствительный элемент и тороидальный корпус, заполненный жидкостью. Чувствительный элемент 1 представляет собой цилиндр 3, выполненный из диэлектрического материала в виде сужающего устройства с конфузором и диффузором, в котором диаметрально противоположно установлены металлические электроды Э1, Э2. В плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, установлены сверху и снизу обмотки возбуждения OB1, ОВ2, запитываемые двухполярным стабилизированным током. Тороидальный корпус присоединяется соосно к цилиндру 3. Образованная кольцевая полость заполняется рабочей жидкостью с определенной электропроводностью и вязкостью, например водой. Электрический сигнал, пропорциональный ускорению, снимается с электродов Э1 и Э2 и подается на измерительное устройство ИУ. С выхода измерительного устройства выдается сигнал, пропорциональный угловому ускорению. Технический результат заключается в повышении чувствительности датчика и расширении диапазона измерения угловых ускорений. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введены четыре дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсатор с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь дополнительных опор, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, восемь дополнительных «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с трех сторон, четыре неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений объединены в один, а инерционная масса выполнена с перфорацией. Технический результат - возможность измерения величин угловой скорости и линейного ускорения вдоль осей Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра, и X, Y, расположенных в плоскости подложки устройства. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введены четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, девять дополнительных неподвижных электродов электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, шестнадцать «П»-образных систем упругих балок, выполненные в виде пластин из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, и двадцать одна дополнительная опора, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала. Технический результат - возможность измерения величин угловой скорости вдоль осей Y, расположенной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей Χ, Y, Z. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для навигации и ориентации в пространстве и может быть использовано для определения направления на географический север. Устройство для определения направления на географический север содержит молекулярно-электронный датчик угловых движений, установленный на платформе, способной вращаться с угловой скоростью, изменяющейся по знаку и абсолютной величине, при этом устройство содержит датчик, измеряющий угловую скорость вращения платформы относительно неподвижного основания, и контроллер, управляющий вращением платформы и выполняющий совместную обработку данных молекулярно-электронного датчика угловых движений и датчика, измеряющего угловую скорость вращения платформы относительно неподвижного основания. Технический результат – повышение точности определения направления на географический север, повышение точности измерений. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к датчику ускорения и способу изготовления такого датчика ускорения. Датчик ускорения содержит подложку с поверхностью подложки и пробную массу, которая выполнена с возможностью перемещения относительно подложки в направлении (x) отклонения, по существу параллельном поверхности подложки первом направлении (x). Пробная масса содержит гребенчатый электрод, выполненный с возможностью перемещения вместе с пробной массой и содержащий несколько зубьев, которые проходят в первом направлении (x). Датчик ускорения содержит, кроме того, противоположный электрод, неподвижно соединенный с подложкой и содержащий неподвижный гребенчатый электрод, а неподвижный гребенчатый электрод содержит несколько зубьев, которые проходят в направлении, противоположном первому направлению (x). Зубья подвижного гребенчатого электрода входят в зацепление с зубьями неподвижного гребенчатого электрода. Датчик ускорения содержит, кроме того, экранирующий электрод, неподвижно соединенный с подложкой и выполненный с возможностью увеличения демпфирования пробной массы во время движения отклонения пробной массы. Технический результат – увеличение демпфирования движения отклонения пробной массы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение может быть использовано в линейных и угловых акселерометрах и может найти применение в сейсмодатчиках, приборах для стабилизации движущихся объектов и инерциальной навигации. Предложена схема подключения к электронной плате молекулярно-электронного преобразователя, состоящего из четырех электродов, помещенных в замкнутый корпус, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами, в которой катоды подключены к двум соединенным с землей посредством резисторов R1 и R2 входам операционного усилителя, в обратной связи которого установлен резистор R3, причем величины всех резисторов удовлетворяют соотношению R2=R1/(1-R1/R3). Величины резисторов могут удовлетворять условиям R1/R3<<1 и R2/R3<<1. Изобретение обеспечивает преобразование разностного катодного тока в электрическое напряжение, сохраняющего неизменными потенциалы катодов, обеспечивая тем самым линейность преобразования, и, одновременно, обеспечивающего меньшее по сравнению с аналогичными решениями потребление тока. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к экспериментальной гидромеханике морских инженерных сооружений и касается методов испытания трансформации волн в опытовом бассейне на наклонном дне и оборудования для его проведения. Устройство включает бассейн, оборудованный волнопродуктором, волногасителем, волнографами и наклонным дном, к которому прикреплен блок датчиков для измерения нагрузок от ударов волн. В зоне разрушения волны установлена фотовидеоаппаратура для записи процесса разрушения. Показания с волнографов, датчиков и изображение с фотовидеоаппаратуры синхронизированы во времени и записываются на компьютер. Технический результат заключается в возможности регистрации и обработки получаемых значений в реальном времени. 1 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