Компенсационный акселерометр

 

Использование: в измерительной технике в системах управления, контроля и диагностирования машин и агрегатов, а также в автономных навигационных приборах. Сущность изобретения: компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя и два резистора, при этом выход первого усилителя подключен к первому резистору, а выход второго усилителя соединен со вторым резистором и является выходом устройства. Для повышения помехоустойчивости акселерометра при воздействии электрических помех в него введены источник опорного напряжения, генератор электрического сигнала, две транзисторные пары с различным типом проводимости, три резистора и два конденсатора, позволяющих за счет охвата усилителей отрицательной обратной связью осуществлять компенсацию электрических помех. Уровень подавления помех в статическом и динамическом режимах составляет не менее 60 дБ. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления, контроля, диагностирования машин и агрегатов, а также в автономных навигационных приборах.

Известны акселерометры, в которых определение ускорения получается путем измерения приращения емкости чувствительного элемента (1).

Однако данные акселерометры имеют низкую надежность вследствие наличия шарнирных соединений подвижного электрода и влияния неконтролируемых электростатических и электрических полей.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является акселерометр (2), содержащий чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя и два резистора, выход первого усилителя подключен к первому резистору, выход второго усилителя соединен со вторым резистором.

Недостатком этого устройства является низкая помехоустойчивость при воздействии электрических помех.

Технический результат изобретения повышение помехоустойчивости при воздействии электромагнитных помех.

Для достижения указанного результата в устройство, содержащее чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя и два резистора, при этом выход первого усилителя подключен к первому резистору, а выход второго усилителя соединен со вторым резистором и является выходом устройства, дополнительно введены источник опорного напряжения (ИОН), генератор электрических сигналов (ГЭС), транзисторная пара с одним типом проводимости (ТПОТП), транзисторная пара с другим типом проводимости (ТПДТП), три резистора и два конденсатора, при этом выходы ИОН и ГЭС объединены и подключены к подвижной пластине чувствительного элемента, эмиттеры первого и второго транзисторов ТПОТП и ТПДТП соединены соответственно и через первый и второй конденсаторы подключены соответственно к первому и второму неподвижным электродам чувствительного элемента, соединенным со вторыми выводами первого и второго резисторов соответственно, базы первого и второго транзисторов ТПОТП объединены и подключены к корпусу, а коллекторы первого и второго транзисторов ТПОТП соединены с первыми входами третьего и первого усилителей соответственно и через третий и четвертый резисторы соответственно подключены к выходу третьего усилителя, второй вход которого соединен с корпусом, базы и коллекторы первого и второго транзисторов ТПДТП объединены и через пятый резистор подключены к источнику питания, выход первого усилителя соединен с первым входом второго усилителя, а вторые входы обоих усилителей подключены к корпусу.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже, где 1 источник опорного напряжения(ИОН); 2 генератор электрического сигнала (ГЭС); 3 чувствительный элемент; 4,5,10,11,12 резисторы; 6,7 - конденсаторы; 8,9 транзисторные пары с различным типом проводимости (ТПРТП); 13,14,15 усилители.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 3, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, ИОН 1 и ГЭС 2, выходы которых объединены и подключены к подвижной пластине чувствительного элемента 3, ТПРТП 8,9, эмиттеры первого и второго транзисторов которых соединены соответственно и через конденсаторы 6,7 подключены соответственно к первому и второму неподвижным электродам чувствительного элемента 3, при этом базы первого и второго транзисторов ТПРТП 8 объединены и соединены с корпусом, а коллекторы первого и второго транзисторов ТПРТП 8 соединены с первыми входами усилителей 15 и 13 соответственно и через резисторы 10 и 11 соответственно подключены к выходу усилителя 15, второй вход которого соединен с корпусом, базы и коллекторы первого и второго транзисторов ТПРТП 9 объединены и через резистор 12 подключены к источнику питания, усилитель 14, выход которого является выходом устройства, через резистор 5 подключен ко второму неподвижному электроду чувствительного элемента 3, а первый вход усилителя 14 объединен с выходом усилителя 13 и через резистор 4 соединен с первым неподвижным электродом чувствительного элемента 3, при этом вторые входы усилителей 13 и 14 подключены к корпусу.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсутствии внешнего механического воздействия (ускорения) подвижная пластина чувствительного элемента 3 находится в среднем (равновесном) состоянии, при этом на нее подается с ИОН 1 отрицательный потенциал, близкий по величине к напряжению источника питания E_п, а с ГЭС 2 сигнал ВЧ. Через одинаковые воздушные зазоры между подвижной пластиной и неподвижными электродами чувствительного элемента 3 протекают равные емкостные токи, поступающие через конденсаторы 6,7 на ТПРТП 8, 9, которые в совокупности с резисторами 10, 11, 12 представляют собой детекторы сигнала. При идентичности транзисторных пар в равной степени изменяется средний ток смещения через переходы, задаваемый резистором 12, при этом на коллекторах ТПРТП 8 создаются равные потенциалы за счет протекания одинаковых коллекторных токов через резисторы 10, 11. Поскольку усилители 13, 14, 15 охвачены отрицательной обратной связью, а их вторые входы заземлены, то на коллекторах ТПРТП 8 и выходах усилителей 13, 14, 15 формируется нулевой потенциал, который через резисторы 4, 5 подается на неподвижные электроды чувствительного элемента 3. Таким образом, в зазоре между неподвижными электродами и подвижной пластиной при отсутствии воздействия ускорения действуют равные составляющие электрического поля, направленные встречно друг другу и которые в области расположения подвижной пластины компенсируются. С выхода усилителя 14 сигнал того же нулевого уровня поступает на выход устройства.

При воздействии на чувствительный элемент 3 внешнего ускорения, действующего вдоль оси чувствительности, на его неподвижных электродах возникает сигнал разбаланса, при этом через конденсаторы 6, 7 потекут различные по величине емкостные токи, поступающие на ТПРТП 8, 9 (детекторы). После детектирования изменяется соотношение постоянных коллекторных токов ТПРТП 8, при этом на коллекторе первого транзистора ТПРТП 8 сохраняется нулевой потенциал за счет усилителя 15 путем стабилизации суммарного тока ТПРТП 8, 9. На коллекторе второго транзистора ТПРТП 8 образуется нулевой потенциал (сигнал разбаланса) за счет перераспределения коллекторных токов в ТПРТП 8, 9, который поступает через усилитель 13 и резистор 4 на первый неподвижный электрод чувствительного элемента 3, а через инверсный вход усилителя 14 и резистор 5 сигнал разбаланса поступает на второй неподвижный электрод чувствительного элемента 3. Таким образом, на неподвижном электроде 1 образуется отрицательный потенциал, а на втором электроде положительный, т.е. взаимно компенсирующееся поле в воздушных зазорах чувствительного элемента 3 превращается в электрическое поле, направленное на компенсацию ускорений, воздействующих на подвижную пластину. При этом составляющие электрического поля в зазорах чувствительного элемента 3 складываются. Суммарный вектор электрического поля направлен встречно вектору ускорения, воздействующего на чувствительный элемент 3 Таким образом, подвижная пластина чувствительного элемента 3 возвращается в среднее (равновесное) положение. Продетектированный в ТПРТП 8, 9 НЧ сигнал рассогласования через усилители 13, 14 подается на выход устройства.

Подавление помех по цепи питания и помех за счет наводимых электрических полей осуществляется в устройстве с помощью усилителей 13, 14, 15 путем охвата их отрицательной обратной связью резисторами 4, 5, 10 и заземления (привязка корпуса к нулю) вторых входов этих усилителей. При этом помехи по цепям питания компенсируются усилителем 15, так как для данного усилителя являются синфазными, а помехи, наводимые электрическими полями, подавляются усилителями 13, 14, 15 путем сведения их к нулю за счет заземления.

Техническая эффективность предлагаемого устройства заключается в повышении помехоустойчивости при воздействии электрических помех, наводимых по цепям питания, и помех, наводимых электрическими полями. Уровень подавления помех в статическом и динамическом режимах составляет не менее 60 дБ.

Наиболее успешно заявленный компенсационный акселерометр может быть использован в устройствах для контроля и диагностирования оборудования, а также в навигационных приборах.

Формула изобретения

Компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, три усилителя и два резистора, при этом выход первого усилителя подключен к первому резистору, а выход второго усилителя соединен с вторым резистором и является выходом устройства, отличающийся тем, что в устройство введены источник опорного напряжения, генератор электрических сигналов, транзисторная пара с одним типом проводимости, транзисторная пара с другим типом проводимости, три резистора и два конденсатора, а чувствительный элемент выполнен в виде подвижной пластины, размещенной между двумя неподвижными электродами, при этом выходы источника опорного напряжения и генератора электрических сигналов объединены и подключены к подвижной пластине чувствительного элемента, эмиттеры первого и второго транзисторов транзисторной пары с одним типом проводимости и транзисторной пары с другим типом проводимости соединены соответственно и через первый и второй конденсаторы подключены соответственно к первому и второму неподвижным электродам чувствительного элемента, соединенных с вторыми выводами первого и второго резисторов соответственно, базы первого и второго транзисторов транзисторной пары с одним типом проводимости объединены и подключены к корпусу, а коллекторы первого и второго транзисторов транзисторной пары с одним типом проводимости соединены с первыми входами третьего и первого усилителей соответственно и через третий и четвертый резисторы соответственно подключены к выходу третьего усилителя, второй вход которого соединен с корпусом, базы и коллекторы первого и второго транзисторов транзисторной пары с другим типом проводимости объединены и через пятый резистор подключены к источнику питания, выход первого усилителя соединен с первым входом второго усилителя, а вторые входы обоих усилителей подключены к корпусу.

РИСУНКИ

Рисунок 1