Емкостный акселерометр

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (р!) G 01 P 15/13, 15/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4616380/10 (22) 07.12.33 (46) 30.04.91. Вюл. h 16 (71) Пенинградский политехнический институт им. M.И.Калинина (72) В.M.Àðòåìîâ, 3.A Кудряшов, B.Е.Евдокимов и В.С.Моисейченко (53) 531.763 (033.3) (56) Патент CI|IA У 204/902, кл < 01 P 15/03, 1930.

Авторское свидетельство СССР Р- 1150549, кл. G 01 Р 15/13, 1935. (54) ВИКОСТН! 1Й АКСЕЛЕ Р01.1ЕТР (57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике и мо„„SU„„1645906 A 1

2 жет быть использовано при измеренйй ускорений. Цель изобретения — повышение быстродействия за счет уменьшения числа рабочих тактов. Работа акселерометра осуществляется периодически в два такта: такт измерения и такт компенсации. В такте измерения на входы усилителей 8 и 9 поступает импульсный сигнал с источника !5 опорного напряжения. Выходные напряжения усилителей 3 и 9 детектируются фазочувствительными демодуляторами (ФЧД) 10 и 11 и поступают на вход дифференциального усилителя 12.Выходные напряжения усилителя l2 пода1 ются на вычитатель 20 и сумматоры

1645906

13 и 14, Выходное напряжение вычитателя 20 является выходным напряжением акселерометра. В сумматорах 13 и 14 сигнал усилителя 12 складывается с 5 аналоговым сигналом источника 15 опорного напряжения и поступает на входы коммутаторов 16 и 17 для использования в такте компенсации. В такте ком1

В такте измерения (Т д„) коммутаторы 16 и )7 и ключи 21 и 22 — в положении а, и на входы усилителей

8 и 9 поступает напряжение U ц. Выходные напряжения усилителей 411у1 и БК » выпрямляются (Uyq н Бк ) фазочувствительными демодуляторами

l 0 и l I с фильтрами (PC) на выходе и поступают на входы дифференциального усилителя 12. Разностное напря25 meHHe Q U X U х = U Х Усиливается, а выходные напряжения усилителя

U и U « складываются с опорным

U< в сумматорах 13 и 14 и вычитаются в вычитателе 20. Разность напря30 жений U )(= U )(l — U yg является выходным информативным напряжением. Гумма напряжений "о + "Х1 и Uo + U<< поступает на входы б коммутаторов 16 и

17 и служит для компенсации измеряемого ускорения.

В такте компенсации (То ) "Oèìóтаторы 16 и 17, ключи 21 и 22 — в положении б. Напряжения Ц + П и

U + U>< поступают на входы гипербо40 лических цепей усилителей 9 и 8, а их выходные напряжения U g< и U к приложены к электродам 7 и 6 и создают компенсирующее усилие F„, возвращающее чувствительную пластину 1 к на45 чальному положению.

Взаимосвязь звеньев уравнов<Янивающей системы акселерометра показана на структурной схеме (фиг.2), Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорений.

Цель изобретения — повышение быстродействия °

На фиг.l изображена функциональная схема предложенного акселерометра; на фиг. 2 — его структурная схема; на фиг.3 — временные диаграммы работы.

Емкостный акселерометр содержит чувствительный элемент — подвижную пластину 1, тонкие перемычки 2,основание 3, электроды 4 и 5 на подвижной пластине, электроды 6 и 7 на основании, первый и второй операционные усилители (ОУ) 8 и 9, Фазочувст- 1 вительные демодуляторы 10 и ll,дифференциальный усилитель 12 с парафазными выходами, первый и второй сумматоры 13 и 14, источник 15 опорного напряжения, коммутаторы 16 и 17, генератор 18 импульсов, делитель 19 частоты, вычитатель 20, первый и второй электронные ключи 21 и 22, первый и второй эталонные конденсаторы

23 и 24.

При работе акселерометра действуют следующие сигналы.

Генератор 18 формирует импульсы с периодом Т, на выходе делителя формируются импульсы с периодом 2Т (фиг.3). На импульсном выходе ис точника 15 опорного напряжения 15 формируется импульсное двухполярное напряжение Uo (фиг.3) с амплитудой и периодом Т4.

Работа акселерометра осуществляется периодически в два такта: такт измерения Т оц (коммутаторы 16 и 17 в положении а) и такт компенсации

T gg (коммутаторы в положении б), и поясняется временными диаграммами фиг ° Зе пенсации напряжения с сумматоров 13 и 14 через коммутаторы 16 и 17 поступают на входы гиперболических цепей усилителей 8 и 9, выходные напряжения которых приложены к электродам

6 и 7 и создают компенсирующее усилие, возвращающее чувствительную пластину 1 в исходное положение. 3 ил.

Измеряемое ускорение Х" воздействует на массу m пласти,ны (фиг.2) и преобразуется в силу Г = и Х . Усилие Г уравновеи

К e Х шивается усилием F электростатическ кой компенсации. Разность усилий

/F1 = F — F< через упругую перемычку 2 с жесткостью И преобразуется в смещение Х, которое вызывает изменение емкостей между электродами 5 и

1645906 и электродами 4 и б

1О коэффициентом передачи К ---- х

11

Ц С х .р-о-„ - К и цепь обратной связи с

21.1оСо ко >ффициентом = --. -.----. Козфо>и -„,, с

l5 ииент преобразования разомкнутой системы> т.е. добротность ее,определяется величиной

2 3

-опя Т сопяТ, 401о Со а нзмeрaемоe ускорение Х. = — — --- х

m . „С

Д р чяются фазочувс твительнымн демодуляторами 10 и 11 и их выходныс

4 напряжения подаются на входы дифф х "Х °

С 01

ЗО

UkI = (Ц + Цк ) — — — (8 +Х) иЦ

1 о Кi f S o кг=

2

UK(!

--к----у- --- (U + (Ь +Х) 2

Eo S

К1 2

Ц ) .Ы

Х1 -Ео Б-

Цка Z

С о<

U ) Х2 f S

Fo Б

МЯ

1 а — (Ц

2 о

Ео S

7 С

К1 Е +Х

Я, г

С к = --,---,— —, где Яо — диэлектри<-Ь ческая проницаемость воздуха, S площадь электродов; dl — зазор межо ду электродами.

Изменение емкостей в такте измерения преобразуются гиперболической цепью с усилителями 8 и 9 в электрические сигналы: ЬЦ„= Ц --o --(g +Х) и AUI, -U --- — (g -Х) о о р Г > д

Со и С о>> — емкости эталонных конденсаторов 23 и 24. Напряжения 5U и

Х(4 U, вып ям ренциального усилителя 12.

Х

Разностное напряжение QU уси— лиьается в К раз и выходные напряжения U >< и Цк2, равные по величине и противоположные по знаку, суммируются с U> и s такте компенсации подаются на входы гиперболической цени усилителей 8 и 9, выходные напряжения которых

- (U +U) — - — -(P Х) С о х Я ц о о

Таким образом, в такте измерения гиперболическая цепь линеаризации включена в прямую цепь преобразования перемещения Х в электрический сигнал ЦК> в такте компенсации включена в цепь обратной связи для формирования компенсирующих напряжений U < и U которые создают компенсирующие усилия:

На чувствительный элемент I воздействует разность усилий Рк FK<

- ° Fg<> которая при Цк> = -t1x2 равна

2ГоСо

F --:- -м- U т ° е. компенсирующее к> у илие пропорционально выходному напряжению и не зависит от зазора между электродами.

Структурная схема (фиг.2) содержит цепь прямого преобразования с о р м у л а н з о б р е т е н и я

Гмкостный акселерометр, содержащий ос но наине, крышку, чунс т нительную подвижную пластину из монокристалла кремния, соедннсннуг с основанием перемычками, изолированные электроды в основании, крышке и с двух стооон подвижной пластины, а также первый эталонны. конденсатор, электронные ключи, операционные усилители, генератор импульсов, делитель частоты, первый сумматор,источник опорного напряжения, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него дополнительно введены второй эталонный конденсатор, второй сумматор,фазочувствительные демодуляторы, вычитатель> коммутаторы, дифференциальный усилитель с парафаэным выходом, при этом выходы первого и второго коммутаТоров подключены соответствен" но через первый и второй эталонные конденсаторы к инверсным входам соответственно первого и второго операционных усилителей, в цепи отрицательных обратных связей которых вклю" чены подвижные и неподвижные электроды каждой из сторон подвижной пластины и крьппки> выходы первого и второго операционных усилителей соответственно через первый и второй электронные ключи и первый и второй фазочувствительные демодуляторы под1б45оОб айаг 2 аП, а = — и и„

"г=а

vx> а

6г

4 а и, и, ° их, „Ь

Составитель А.Альшаев

Техред A,Êðàâ÷óê

К корректор р. Èeêìàð

Редактор М.Келемещ >аказ 1343 Тираж 355 !1одписное

ВНЯП1И Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раущская наб., л. 4/5

Производственно-издательский комбинат "11атент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 ключены соответственно к неинверсному и инверснойу входам дифференциального усилителя„ первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и второгQ сумматоров, выходы которых п в.ключены к вторым входам cooTb -веH но первого и второго коммутаторов, 1первые входы которых подключены к импульсному выходу источника опорно— го напряжения, аналоговый выход которого соединен с вторыми входами сумматоров, а управляющий вход — с управляющими Входами фазочувстви) тельных демодуляторов, входом дели- теля частоты и выходом генератора импульсов, причем выход делителя частоты соединен с управляющими входами коммутаторов и электронных ключей, а первый и второй выходы диффе1p pEHIIHBJIE HoI o усилителя подключены к входам вычитателя, выход которого является выходом акселерометра.