Электростатический акселерометр

 

Изобретение отиосится к акселерометрам , в которых измерение ускорения производится на основании усилий , необходимых для удержания инерционного элемента в состоянии покоя. Цель изобретения - повышениеточности измерения. Устройство содержит инерционный элемент 1, электроды 2 и 3, размещенные в корпусе. Электроды 2 и 3 соединены со схемой 4 определения положения, которая измеряет разность емкостей между инерционньм элементом 1 и электродами 2 и 3, Разностный сигнал подается на схему 5 для выработки сигналов контроля расположения , которые могут быть либо постоянными, либо переменными. Электрод 3 соединен со схемой 8 для компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента 1.Вибрирующий электрод 15 составляет часть схемы 16 компенсации постоянной составляющей потенциала инерционного элемента I. 6 ил. СО 00 о 00 О5

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (59 4 С 01 P 15/125 ф(р р x r р q q

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К flATEHTY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. КОМИТЕТ СССР .

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3359480/24-10 (22) 27.11,81 (31) 8025272 (32) 28.11.80 (33) РК (46) 30,04.87. Бюл. № 16 (71) Оффис Насьональ д Этюд э де Ðåшерш Аэроспасьаль О,Н.Е,P.À, (FR) (72) Алэн Бернар (FR), (53) 531.768 (088.8) (56) Патент Великобритании

¹ 1134655, кл, G 1 N, 1968, Патент Франции ¹ 2124055> кл. 6 01 Р 15/00, опублик, 1973, (54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ AKCEIIEPOMETP (57) Изобретение относится к акселерометрам, в которых измерение ускорения производится на основании усилий, необходимых для удержания инер„,Я0„„1 08206 А 3 ционного элемента в состоянии покоя.

Цель изобретения — повышение точности измерения. Устройство содержит инерционный элемент 1, электроды 2 и 3, размещенные в корпусе, Электроды 2 и 3 соединены со схемой 4 опре" деления положения, которая измеряет разность емкостей между инерционным элементом 1 и электродами 2 и 3, Разностный сигнал подается на схему 5 для выработки сигналов контроля расположения, которые могут быть либо постоянными, либо переменными. Электрод 3 соединен со схемой 8 для компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента 1.Вибрирующий электрод 15 составляет часть схемы 16 компенсации постоянной составляющей потенциала инерционного элемента 1. 6 ил.

1 130820

Изобретение относится к акселерометрам, в которых измерение ускорения производится на основании усилий, необходимых для удержания инерционного элемента в состоянии покоя или

30

Средняя точка 25 дифференциального трансформатора 22 соединена с входом операционного усилителя 26 с емкостью С обратной связи, Выход этого операционного усилителя соединен с двумя синхронными детекторами 27 и 28, на которые поступают сигналы

I с угловыми частотами Q и Ю от соот55 подаче назад в положение, определяемое относительно корпуса устройства, в частности к акселерометрам, где эти усилия- вырабатываются электростатически,и налравлено на их улучшение с точки зрения повышения их точности.

Цель изобретения — повышение точности измерения., На фиг,1 изображена блок-схема акселерометра; на фиг. 2 — схема для определения положения инерционного элемента; на фиг, 3 и 4 — блоки компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента; на фиг.

5 — блок компенсации постоянной сос- 20 тавляющей потенциала инерционного элемента; на фиг, б — вычислительная схема.

На фиг.1 обозначен инерционный элемен 1 и электроды акселерометра.

Инерционныи элемент выполнен сферическим (в виде шара) и плавает в корпусе (не показан). Три пары полюсных электродов, расположенных в корпусе вместе с измерительным элементом (шаром), создают последовательность емкостей (конденсаторов),Каждый электрод играет роль как электрода определения положения, так и электрода контроля положения, На фиг,1 показаны оба электрода 2 и 3 в одной паре.

Электроды 2 и З.соединены со схемой 4 определения положения. Эта схема, в частности; измеряет разность емкостей (С -С ) между инерционным элементом и электродами 2 и 3, а также величину (С 1 + С ) — С, где

С вЂ” известная емкостная величина.

Разностный сигнал (С,-C ) подается на схему 5 для выработки сигналов контроля расположения. Сигналы контроля расположения, выработанные схемой 5, подаются на электроды 2 и 3.

Эти сигналы могут быть либо постоянными, либо переменными.

Величина (С,+С ) — С передается на вычислительную схему 6, которая выдает измеренную величину ускорения на блок 7 индикации.

Электрод 3 в электродной системе акселерометра соединен со схемой

8 для компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента. Выход схемы 8 соединен с электродами 9 и 10.

Если сигнал контроля положения переменный, то необходима вторая схема 11 для компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента, причем эта схема идентична схеме 8, но работает на другой частоте. Ее вход подсоединяется к электроду 12, а выходы — к электродам 13 и 14. Вибрирующий электрод

15 в электродной системе акселерометра составляет часть схемы 16 компенсации постоянной составляющей потенциала инерционного элемента. Вход схемы 16 соединен с электродами 2 и 3 определения положения и контро-. ля положения, а выходы — с теми же электродами.

На фиг. 2 представлена измерительная схема 4 сигнала определения положения, содержащая инерционный элемент (шар) 1 и электроды 2 и 3, создающие емкости С, и С с шаром 1, а также часть кожуха, не снабженную электродами, создающую емкость С с шаром, которая значительно больше, чем С1 и С2

Электроды 2 и 3 соединены посредством конденсаторов 17 и 18 с клеммами вторичной обмотки дифференциального трансформатора 19. На первичную обмотку дифференциального трансформатора подается напряжение от источника 20 переменного напряжения с угловой частотой (а . Средняя точка 21 вторичной обмотки дифференциального трансформатора. 19 соединена с одной из клемм вторичной обмотки второго дифференциального трансформатора 22, Другая клемма вторичной обмотки дифференциального трансформатора 22 заземлена посредством конденсатора 23 известной емкости С, Первичная обмотка дифференциального трансформатора 22 соединена с источником 24 переменного тока с угловой частотой И, 3 13082 ветствующих источников 20 и 24 переменного напряжения.

Сигналы, возникающие на выходе Р синхронного детектора 27, пропорциональные (С<-С ), подаются на схему 5 выработки сигнала контроля положения, Схема 5 в основном содержит элемент

29 коррекции и дифференциальный усилитель 30, Когда сигналы контроля положения являются переменными с час->0 тотой Q;, схема содержит модулятор

31, у которого эта высота является несущей. Выход схемы 5 сигнапа контроля положения соединен с электродами 2 и 3 посредством резисторов 32 и 33.

Сигнал, возникающий на выходе р пропорциональный величине (С, +С ) -С, когда потенциал V/<ä / шара на частоте g является нулевым, подается на 20 вычислительную схему 6.

Для исключения любых погрешностей при измерении ускорения, вносимых паразитными емкостями Cpq, Ср, Сру между электродами и проводниками, находящимися на потенциале земли, и контроля положения окружены защитными электродами 34 и

35, Последние соединены с экраном 36, который также охватывает источники переменного напряжения и трансформаторы и соединен со средней точкой 25 вторичной обмотки трансформатора 22 и с одним входом операционного усилителя 26. 35

Если е представляет собой амплитуду на клеммах вторичной обмотки дифференциальных трансформаторов 19 и 22, то входные сигналы на схему 4 40 измерения сигналов определения положения могут быть записаны в виде: (с,-с,j е;

ТЪ

С,+ е;

° -%

Сведение к нулю постоянной или слабо изменяющейся компоненты инерционного элемента аналогично показанному на фиг, 3 и 4, за исключением того, что измерение этой постоянной величины не может быть осуществлено при использовании фиксированного электрода. Должен использоваться вибрирующий электрод.

Вибрирующий электрод 15 состоит яз пьезоэлектрического (керамического) элемента, который подключен к источнику 45 с угловой частотой 5;1 .

Этот электрод модулирует емкость С р = ((C, + с,) — cÄ)e — <с,— — С,) Ч (), (2) С + С где V(ca ) (3)

С, Ñ, 1 =1

V/à / имеет отношение к амплитуде составляющей потенциала инерционного элемента на частоте G) . (Равенство (2) для р содержит па-. разитную величину V(4l ) поэтому необходимо предпринять меры для исключения постоянного потенциала Ч и потенциала V/ы / при угловой частоте д инерционного элемента. Если к тому же сигналы контроля положения являются переменными с частотой М;, то потенциал инерционного элемента на этой частоте также должен быть исключен.

Целью схем 8, 11 и 16 является устранение этих потенциалов за счет сведения к нулю.

На фиг. 3 и 4 показаны схемы компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента на частотах сд (фиг,3) и У; (фиг.4).

Переменный потенциал инерционного элемента усиливается в операционном усилителе соответственно 37 или

38 и детектируется в синхронном детекторе 39 или 40. Детектированный сигнал подается на интеграторы 41 или 42, а оттуда — на модулятор 43 или 44. С выхода модулятора 43 или

44 сигнал одновременно подается на симметричные электроды 9 и 10 или

13 и 14.

На синхронный детектор 39 и модулятор 43 поступает. сигнал с частотой Q от источника 24 переменного напряжения. На синхронный детектор

40 и модулятор 44 поступает эталонный сигнал с частотой Я,", которая является частотой сигнала контроля положения, от модулятора 31 (фиг.2).

Ввиду независимости частот с и М; обе операции сведения к нулю должны осуществляться отдельными схемами, которые показаны на фиг, 3 и 4 одна из которых работает на

I частоте Q,,а другая — на частоте Q;, На фиг. 5 показана схема, компенсирующая постоянную составляющую потенциала инерционного элемента.

5 130820 а поэтому и потенциал. Ч, заданный уравнением, которое принимает вид:

Ч = Lv sin 52 t; Чо Чо

С, + С, . (4) (5) Электростатический акселерометр, содержащий кожух с расположенным в нем .инерционным элементом в виде шара, систему электродов„ расположенную в соответствии с координатными осями и образующую электростати" ческий подвес, схему определения положения шара, содержащую первый емкостный мост„ конденсаторы которого соединены с вторичной обмоткой первого дифференциального трансформатора, первичная обмотка которого подключена к источнику переменного напряжения, операционный усилитель с емкостью в цепи обратной связи, выход которого соединен с одним из входов синхронного детектора„ второй вход которого соединен с источником переменного напряжения, а вход подключен к одному из электродов, схему контроля положения шара, содержащую элемент коррекции, вход которого соединен с выхоцом синхронного детектора, а выход — с последовательно соединенными дифференциальным усилителем и модулятором, и блок индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения. точности измерения, в него введены второй емкостный мост, второй дифференциальный трансформатор, одна из клемм вторичной обE б

С

Х (6) 40 3c с;

1 оХ Яб (7) Потенциал gv подается на электроды 2 и 31 усиливается операционным усилителем 46 и детектируется синх- 10 ронным детектором 47, Детектированный сигнал подается на интегратор 48, а оттуда — на усилитель 49, Выходной сигнал с последнего подается на электроды 2 и 3 детектирования поло- 15 жения и контроля положения, Так как в трехмерном акселерометре имеется три пары электродов определения положения и контроля положения, то одна из этих пар служит также для устра- 20 нения постоянного потенциала инер-. ционного элемента.

На фиг,6 показана вычислительная схема 6, На эту схему поступают следующие сигналы: сигналы определения положения р, р (фиг.2); сигналы контроля положения V, Ч (фиг.2), идущие на электроды 2 и 3, а также другие сигналы определения положения и контроля положения, идущие от элект- 30 родов и направляющиеся к парам электродов относительно других координатных осей.

Поперечное сечение электрода предполагается весьма малым, так что кон- 35 денсаторы электрод — шар могут быть сравнимы с плоскими кондЕнсаторами с емкостью, заданной уравнением где F — диэлектрическая постоянная; б - mroiqaps поверхности, Х вЂ” переменная высота конденсатора.

После дифференцирования уравнения (6) относительно X получается следующее уравнение:

Блок 50 позволяет вычислить разность (С -С ),в то время как блок 51 вычисляет сУммУ (С, +С ) ° Сумматор-вычитатель 52 выдает сигналы, представляющие С, и С . Эти сигналы возводятся в квадрат в блоке 53 возведения.

Полученные таким образом сигналы

6 6 пропорциональны Ч С,, Ч С и эквивалентным величинам Vr, V С, Ч С и

VC< относительно других пар электродов °

Величины V, и V, а также эквивалентные величины V, Ч,, V< и Ч относительно других пар электродов возводятся в квадрат в блоках 54 и

55 возведения и других (не показаны), а полученные таким образом квадраты умножаются на ЧС, до Ч С в умножителях от 56 до 61 с тем чтобы по-! лучились величины от VC, (V„) до С (Ч6)

Сумматоры 62-64 осуществляют следующие сложения:

vc,/v, / + vr.,/v,/;

vc,/v,/ + vr.,/v,/ ;

vc /v / + vc /vá / а сигналы, выходящие из этих сумматоров, являются составляющими соответственно Р, F и Р электростатичес-. кой силы F.

Ф о р м у л а. и з о б р е т. е н и я

130S206 мотки которого заземлена через введенный конденсатор, а другая клемма вторичной обмотки соединена со средней точкой вторичной обмотки первого дифференциального трансформатора, второй источник переменного напряжения, соединенный с первичной обмоткой второго дифференциального трансформатора, средняя точка вторичной обмотки которого соединена с входом !О операционного усилителя и одним из защитных электродов, при этом вход операционного усилителя соединен с

-другим защитным электродом, а также второй синхронный детектор, один из !5 входов которого соединен с вторым источником переменного напряжения, а другой вход — с выходом операционного усилителя и одним иэ входов первого синхронного детектора, а также 2О вычислительная схема, подключенная к блоку индикации и включающая блоки вычитания и сложения, входы которых соединены с выходом схемы определения положения шара, сумматор-вычита- 25 тель„ входы которого соединены с выходами блоков вычитания и сложения, блок вычисления градивнта, вход ко торого соединен с выходом сумматоравычитателя, квадраторы, входы кото- ЗО рых соединены с соответствующими электродами, умножители, входы которых подключены к выходам блока вычисления градиента и выходам квадраторов,,сумматоры, входы которых сое- 35 динены с выходами умножителей, а выходы — с входами блока индикации, а также два блока компенсации переменной составляющей потенциала инерпионного элемента, каждый из которых содержит операционный усилитель с емкостью в цепи обратной связи, вход которого соединен с соответствующими симметричными электродами, а выход подключен к входу синхронного детектора, интегратор, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, второй вход которого подключен к соответствующему источнику переменного напряжения, а выход — к вычислительной схеме, и модулятор, один вход которого соединен с выходом интегратора, другой вход — с выходом второго источника переменного напряжения схемы определения положения, а выход подключен к соответствующей паре электродов, а также блок компенсации постоянной составляющей потенциала инерционного элемента, содержащий источник питания, вход которого соединен с соответствующими электродами, синхронный детектор, один из входов которого соединен с выходом источника питания, а другой — с выходом операционного усилителя, вход которого подключен к соответствующим электродам, интегратор, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, а выход — с входом усилителя, выход которого подключен к соответствующим электродам, при этом выход синхронного, детектора подключен к входу вычислительной схемы.

1308206

1308206

1308206

Составитель Н. Мараховская

Редактор М.Петрова Техред В.Кадар

Корректор А.Знмокосов

Заказ 164б/59 Тиран 777

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., д.4/5

П одписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óêãîðîä, ул.Проектная, 4