Компенсационный маятниковый акселерометр

 

Изобретение предназначено для измерения ускорения. Акселерометр содержит корпус, в котором размещен маятниковый узел, выполненный из единой пластины монокристалла кремния и содержащий подвижную лопасть на упругом подвесе и опорную рамку с выступами. Два электроизолирующих средства закреплены по обеим сторонам опорной рамки на выступах. Две магнитные системы закреплены на соответствующем электроизолирующем средстве. Две катушки датчика момента с выводами расположены в зазоре соответствующего магнитопровода и закреплены на соответствующей стороне подвижной лопасти. Упругий подвес содержит по меньшей мере два упругих элемента, размещенных под углом 90° друг относительно друга симметрично относительно оси симметрии маятникового узла. Электроизолирующее средство выполнено в виде втулки, которая охватывает магнитопровод магнитной системы по внешней боковой поверхности, а опорная рамка маятникового узла упирается в торцы втулок, образующих общие плоскости с обращенными к маятниковому узлу торцами магнитопроводов. Обеспечивается повышение точности измерения вектора ускорения при сохранении или уменьшении габаритов и повышении виброустойчивости. 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

Настоящее изобретение относится к приборам для измерения ускорения, а более точно к компенсационным акселерометрам, в которых реагирующий на ускорение подвижный чувствительный элемент удерживается в нейтральном положении системой отрицательной обратной связи.

В технике известен акселерометр (см., например, патент США 3702073), который содержит корпус с размещенным в нем чувствительным элементом и двумя магнитными системами магнитоэлектрического датчика момента. Маятниковый узел акселерометра выполнен из единой пластины плавленного кварца и содержит подвижную часть, выполненную в виде лопасти, соединенную с опорной рамкой, являющейся неподвижной, с помощью двух гибких утоненных плоскопараллельных перемычек. Каждая сторона лопасти имеет металлическое покрытие, формируя конденсатор с внутренней поверхностью магнитной системы на каждой стороне лопасти. Зазор емкостного датчика (он же зазор газового демпфера) формируется с помощью трех равновысоких выступов, выполняемых по обе стороны опорной рамки.

Известно, что применение монокристаллического кремния, не ухудшая точностных характеристик акселерометра, дает значительный технологический выигрыш, снижая трудоемкость и, следовательно, стоимость акселерометра.

Основным недостатком рассмотренного акселерометра является невозможность использования в нем в качестве материала маятникового узла монокристаллического кремния вместо плавленного кварца. Однако кремниевый маятниковый узел в данной конструкции применить нельзя, так как кремний не является изолятором и требует окисления для создания изоляционного слоя. Поскольку окислением невозможно добиться значительной толщины изоляционного слоя, то между выполненными на окисленной поверхности кремния электродами и телом маятникового узла будут иметься большие емкости, шунтирующие рабочие емкости датчика угла и не позволяющие обеспечить нормальное функционирование акселерометра.

Ближайшим аналогом предлагаемого акселерометра является прибор, описанный в авторском свидетельстве СССР N 1679395.

Данный акселерометр также содержит корпус, чувствительный элемент и две магнитные системы магнитоэлектрического датчика момента. Маятниковый узел имеет лопасть, опорную рамку с выступами и две гибкие плоскопараллельные перемычки. Все эти элементы выполнены из единой пластины монокристаллического кремния.

Лопасть маятникового узла является подвижным электродом дифференциального датчика угла, а неподвижные электроды выполнены на промежуточных изолирующих кольцах. Промежуточные изолирующие кольца располагаются между маятниковым узлом и торцевыми поверхностями магнитных систем магнитоэлектрического датчика момента.

Данная конструкция позволяет использовать кремниевый маятниковый узел.

Однако расположение изолирующих колец между маятниковым узлом и магнитными системами датчика момента ведет к увеличению габаритов акселерометра в направлении его оси чувствительности, а также к снижению его надежности из-за необходимости выноса катушек, укрепленных на лопасти, на значительные расстояния от центра тяжести маятника.

Кроме того, традиционное расположение упругих перемычек в маятниковом узле не позволяет уменьшать габариты акселерометра в направлении, перпендикулярном оси чувствительности акселерометра.

В направлениях, перпендикулярных оси чувствительности акселерометра, отсутствуют средства защиты от ударных воздействий.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания компенсационного маятникового акселерометра, который имеет повышенную точность измерения вектора ускорения при сохранении или уменьшении габаритов и повышении виброустойчивости.

Поставленная задача решается тем, что в компенсационном маятниковом акселерометре, содержащем корпус, в котором размещен маятниковый узел, выполненный из единой пластины монокристалла кремния и содержащий подвижную лопасть на упругом подвесе и опорную рамку с выступами по обеим сторонам опорной рамки для позиционирования, два электроизолирующих средства, которые закреплены по обеим сторонам опорной рамки на выступах, и две магнитные системы, каждая из которых содержит магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник и закреплена на соответствующем электроизолирующем средстве, две катушки датчика момента с выводами, каждая из которых расположена в зазоре соответствующего магнитопровода и закреплена на соответствующей стороне подвижной лопасти, согласно изобретению упругий подвес содержит по меньшей мере два упругих элемента, размещенных под углом 90 град. друг относительно друга симметрично относительно оси симметрии маятникового узла, при этом каждое электроизолирующее средство выполнено в виде втулки, которая охватывает магнитопровод магнитной системы по внешней боковой поверхности, а опорная рамка маятникового узла своими выступами, размещенными по обеим сторонам, упирается в торцы втулок, образующих общие плоскости с обращенными к маятниковому узлу торцами магнитопроводов, при этом акселерометр дополнительно содержит средство для фиксации магнитных систем относительно маятникового узла, размещенное на маятниковом узле и каждом электроизолирующем средстве.

Целесообразно, чтобы акселерометр содержал установочное средство, закрепленное в корпусе и предназначенное для фиксации маятникового узла относительно корпуса, при этом одно из электроизолирующих средств жестко связано с установочным средством.

Полезно, чтобы средство для фиксации магнитных систем относительно маятникового узла содержало крепежную втулку, внутренняя цилиндрическая поверхность которой контактирует с внешней цилиндрической поверхностью каждого из электроизолирующих средств, и запорное кольцо, внешняя цилиндрическая поверхность которого контактирует с внутренней цилиндрической поверхностью крепежной втулки, причем электроизолирующие средства и маятниковый узел были бы сжаты между буртиком, выполненным на внутренней цилиндрической поверхности крепежной втулки, и запорным кольцом, и два кольца, закрепленных с двух сторон опорной рамки соосно с катушками, каждое из колец охватывало бы соответствующую изоляционную втулку, причем одно из колец было установлено на соответствующей втулке без зазора, а второе кольцо закреплено на соответствующей втулке с зазором.

Полезно также, чтобы крепежная втулка и запорное кольцо были выполнены из электропроводного материала, при этом акселерометр содержал две изоляционные платы с металлизированными с одной стороны поверхностями, причем каждая изоляционная плата закреплена изолированной стороной на внешней торцевой поверхности соответствующего магнитопровода, а металлизированные поверхности электрически были связаны с крепежной втулкой и запорным кольцом для образования электростатического экрана.

Выгодно, чтобы вершина угла 90^o между двумя упругими элементами находилась на лопасти.

Полезно, чтобы вершина угла 90^o между двумя упругими элементами находилась на опорной рамке.

Целесообразно, чтобы акселерометр содержал два дополнительных упругих элемента, при этом четыре упругих элемента упругого подвеса образовывали квадрат.

Полезно, чтобы в опорной рамке справа или слева от оси симметрии маятникового узла на участке между креплением упругого подвеса и ближайшим выступом была выполнена прорезь для устранения механических напряжений в упругом подвесе.

Выгодно, чтобы оба кольца были выполнены из материала, выбранного из группы, состоящей из кремния, кварца, стекла, ситалла и материала, коэффициент температурного расширения которого близок к коэффициенту температурного расширения кремния.

Целесообразно также, чтобы катушки были закреплены на лопасти посредством двух переходных шайб с центральным цилиндрическим отверстием, а полюсные наконечники магнитных систем имели обращенные к маятниковому узлу центральные цилиндрические выступы, входящие с зазором в центральные отверстия переходных шайб, при этом зазор между цилиндрической поверхностью одного из выступов и цилиндрической поверхностью центрального отверстия соответствующей переходной шайбы был бы выполнен много меньшим, чем зазор между катушками и магнитными системами.

Полезно, чтобы переходные шайбы для крепления катушек датчика момента были выполнены из изоляционного материала и имели контактные площадки для присоединения выводов катушек датчика момента.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: Фиг. 1 изображает компенсационный маятниковый акселерометр (продольный разрез), согласно изобретению; Фиг. 2 - маятниковый узел (частичный вырыв), согласно изобретению; Фиг. 3 - средство для фиксации магнитных систем относительно маятникового узла, согласно изобретению; Фиг. 4 - маятниковый узел (частичный вырыв), согласно изобретению; Фиг. 5 - крепежная втулка и запорное кольцо, согласно изобретению; Фиг. 6 - другой вариант выполнения маятникового узла (частичный вырыв), согласно изобретению; Фиг. 7 - еще один вариант выполнения маятникового узла (частичный вырыв), согласно изобретению; Фиг. 8 - еще один вариант выполнения маятникового узла (частичный вырыв), согласно изобретению; Фиг. 9 - полюсные наконечники магнитной системы, согласно изобретению;
Фиг. 10 - переходная шайба между лопастью маятникового узла и катушкой датчика момента, согласно изобретению.

Компенсационный маятниковый акселерометр содержит корпус 1 (фиг. 1), в котором размещен маятниковый узел 2, выполненный из единой пластины монокристалла кремния. Узел 2 содержит подвижную лопасть 3 на упругом подвесе 4 и опорную рамку 5 с выступами 6 по обеим сторонам опорной рамки 5 для позиционирования.

Два электроизолирующих средства 7, 8 закреплены по обеим сторонам опорной рамки 5 на выступах 6. Акселерометр содержит две магнитные системы 9, 10, каждая из которых включает магнитопровод 11, 12, постоянный магнит 13, 14 и полюсный наконечник 15, 16 соответственно. Каждый магнитопровод 11, 12 состоит из двух элементов 17, 18 и 19, 20 соответственно. Магнитная система 9 закреплена на соответствующем электроизолирующем средстве 7, а магнитная система 10 закреплена на электроизолирующем средстве 8. Маятниковый узел 2 и магнитопроводы 11, 12 электрически связаны со входом сервоусилителя акселерометра (на фиг. 1 не показан).

Две катушки 21, 22 датчика момента с выводами (не показаны) расположены в зазорах соответствующих магнитопроводов 9, 10 и закреплены на соответствующей стороне подвижной лопасти 3.

Упругий подвес 4 (фиг. 2) содержит по меньшей мере два упругих элемента 23, размещенных под углом 90 град. друг относительно друга симметрично относительно оси y-y симметрии маятникового узла 2.

Каждое электроизолирующее средство 7, 8 (фиг. 1) выполнено в виде втулки, которая охватывает элементы 17, 19 магнитопроводов 11, 12 магнитных систем 9, 10 по внешней боковой поверхности. Опорная рамка 5 маятникового узла 2 своими выступами 6, размещенными по обеим сторонам, упирается в торцы втулок, образующих общие плоскости с обращенными к маятниковому узлу торцами магнитопроводов 11, 12.

Акселерометр дополнительно содержит средство 24 для фиксации магнитных систем 9, 10 относительно маятникового узла 2, размещенное на маятниковом узле 2 и каждом электроизолирующем средстве 7, 8.

Акселерометр также содержит установочное средство 25, закрепленное в корпусе 1 и предназначенное для фиксации маятникового узла 2 относительно корпуса 1, при этом электроизолирующее средство 8 жестко связано с установочным средством 25.

Средство 24 (фиг. 3) для фиксации магнитных систем относительно маятникового узла содержит крепежную втулку 26, внутренняя цилиндрическая поверхность которой контактирует с внешней цилиндрической поверхностью каждого из электроизолирующих средств 7, 8, и запорное кольцо 27, внешняя цилиндрическая поверхность которого контактирует с внутренней цилиндрической поверхностью крепежной втулки 26. При этом электроизолирующие средства 7, 8 и маятниковый узел 2 сжаты между буртиком 28, выполненным на внутренней цилиндрической поверхности крепежной втулки 26, и запорным кольцом 27.

Два кольца 29, 30 закреплены с двух сторон опорной рамки 5 соосно с катушками 21, 22 соответственно (на фиг. 3 катушки не показаны). Каждое из колец 29, 30 охватывает соответствующую изоляционную втулку 7, 8, причем кольцо 30 установлено на втулке 8 без зазора, а кольцо 29 закреплено на соответствующей втулке 7 с зазором. Каждое из колец 29, 30 контактирует с выступами 6 на опорной рамке 5 (фиг. 4).

Крепежная втулка 26 (фиг. 3) и запорное кольцо 27 выполнены из электропроводного материала.

Акселерометр содержит также две изоляционные платы 31, 32 с металлизированными с одной стороны поверхностями, причем каждая изоляционная плата 31, 32 закреплена изолированной стороной на внешней торцевой поверхности соответствующего магнитопровода 9, 10 (на фиг. 5 не показаны). Металлизированные поверхности электрически связаны проводниками 33, 34 с крепежной втулкой 26 и запорным кольцом 27 для образования электростатического экрана.

Вершина угла 90 (фиг. 2) между двумя упругими элементами 23 находится на лопасти 3. Возможен другой вариант выполнения, когда вершина угла 90 между двумя упругими элементами 23 (фиг. 6) находится на опорной рамке 5.

Возможен еще один вариант выполнения, когда упругий подвес 4 (фиг. 7) содержит два дополнительных упругих элемента 35, при этом четыре упругих элемента 23, 35 упругого подвеса 4 образуют квадрат.

В опорной рамке 5 (фиг. 8) справа или слева от оси у-у симметрии маятникового узла 2 на участке между креплением упругого подвеса 3, имеющего упругие элементы 23, к опорной рамке 5 и ближайшим выступом 6 выполнена прорезь 36 для устранения механических напряжений в упругом подвесе 4. В описываемом варианте указанная прорезь 36 выполнена слева.

Оба кольца 29, 30 (фиг. 4) выполнены из материала, выбранного из группы, состоящей из кремния, кварца, стекла, ситалла и материала, коэффициент температурного расширения которого близок к коэффициенту температурного расширения кремния.

Катушка 22 (фиг. 9) закреплена на лопасти 3 посредством переходной шайбы 37 с центральным цилиндрическим отверстием 38. Полюсный наконечник 16 магнитной системы 10 имеет обращенный к маятниковому узлу 2 центральный цилиндрический выступ 39, входящий с зазором в центральное отверстие 38 переходной шайбы 37. Катушка 21 закреплена на лопасти 3 посредством переходной шайбы 40 с центральным цилиндрическим отверстием 41. Полюсный наконечник 15 магнитной системы 9 имеет обращенный к маятниковому узлу 2 центральный цилиндрический выступ 42, входящий с зазором в центральное отверстие 41 переходной шайбы 40.

Зазор между цилиндрической поверхностью выступа 39 и цилиндрической поверхностью центрального отверстия 38 переходной шайбы 37 выполнен много меньшим, чем зазор между внешней цилиндрической поверхностью катушки 22 и элементом 19 магнитопровода 12.

Переходные шайбы 37, 40 (фиг. 10) для крепления катушек датчика момента выполнены из изоляционного материала и имеют контактные площадки 43, 44 для присоединения выводов катушек датчика момента.

Катушки 21, 22 датчика момента последовательно соединены и электрически связаны с выходом сервоусилителя акселерометра.

Акселерометр имеет кожух 45 (фиг. 1).

Работа компенсационного маятникового акселерометра осуществляется следующим образом.

При наличии ускорения "а" по измерительной оси x-x (фиг. 1) чувствительный элемент акселерометра, состоящий из подвижной лопасти 3 и элементов конструкции, закрепленных на ней, отклоняется под действием инерционного момента mla,
где m - масса чувствительного элемента, 1 - расстояние от центра масс чувствительного элемента до оси подвеса z-z, а - ускорение по оси x-x.

Угловое перемещение чувствительного элемента изменяет величины электрических емкостей дифференциального емкостного датчика перемещения, где подвижным электродом является лопасть 3 маятникового узла, а неподвижными - кольцевые поверхности изолированных металлических магнитопроводов 11 и 12, противолежащих лопасти.

Изменение емкостей датчика перемещения преобразуется сервоусилителем акселерометра в постоянный ток, который подается в катушки 21 и 22 датчика момента. При протекании тока по катушкам датчика момента создается компенсационный момент, воздействующий на чувствительный элемент и возвращающий его в исходное положение. Постоянный ток, протекающий по катушкам датчика момента, является выходным сигналом акселерометра.

Предложенный компенсационный маятниковый акселерометр имеет повышенную точность измерения вектора ускорения при сохранении или уменьшении габаритов и повышении виброустойчивости.

Формула изобретения

1. Компенсационный маятниковый акселерометр, содержащий корпус, в котором размещен маятниковый узел, выполненный из единой пластины монокристалла кремния и содержащий подвижную лопасть на упругом подвесе и опорную рамку с выступами по обеим сторонам опорной рамки для позиционирования, два электроизолирующих средств, которые закреплены по обеим сторонам опорной рамки на выступах, и две магнитные системы, каждая из которых содержит магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник и закреплена на соответствующем электроизолирующем средстве, две катушки датчика момента с выводами, каждая из которых расположена в зазоре соответствующего магнитопровода и закреплена на соответствующей стороне подвижной лопасти, отличающийся тем, что упругий подвес содержит по меньшей мере два упругих элемента, размещенных под углом 90^o друг относительно друга симметрично относительно оси симметрии маятникового узла, при этом каждое электроизолирующее средство выполнено в виде втулки, которая охватывает магнитопровод магнитной системы по внешней боковой поверхности, а опорная рамка маятникового узла своими выступами, размещенными по обеим сторонам, упирается в торцы втулок, образующих общие плоскости с обращенными к маятниковому узлу торцами магнитопроводов, при этом акселерометр дополнительно содержит средство для фиксации магнитных систем относительно маятникового узла, размещенное на маятниковом узле и каждом электроизолирующем средстве.

2. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что содержит установочное средство, закрепленное в корпусе и предназначенное для фиксации маятникового узла относительно корпуса, при этом одно из электроизолирующих средств жестко связано с установочным средством.

3. Акселерометр по п.1 или 2, отличающийся тем, что средство для фиксации магнитных систем относительно маятникового узла содержит крепежную втулку, внутренняя цилиндрическая поверхность которой контактирует с внешней цилиндрической поверхностью каждого из электроизолирующих средств, и запорное кольцо, внешняя цилиндрическая поверхность которого контактирует с внутренней цилиндрической поверхностью крепежной втулки, причем электроизолирующие средства и маятниковый узел сжаты между буртиком, выполненным на внутренней цилиндрической поверхности крепежной втулки, и запорным кольцом, и два кольца, закрепленных с двух сторон опорной рамки соосно с катушками, каждое из колец охватывает соответствующую изоляционную втулку, причем одно из колец установлено на соответствующей втулке без зазора, а второе кольцо закреплено на соответствующей втулке с зазором.

4. Акселерометр по п.3, отличающийся тем, что крепежная втулка и запорное кольцо выполнены из электропроводного материала, при этом акселерометр содержит две изоляционные платы с металлизированными с одной стороны поверхностями, причем каждая изоляционная плата закреплена изолированной стороной на внешней торцевой поверхности соответствующего магнитопровода, а металлизированные поверхности электрически связаны с крепежной втулкой и запорным кольцом для образования электростатического экрана.

5. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что вершина угла 90^o между двумя упругими элементами находится на лопасти.

6. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что вершина угла 90^o между двумя упругими элементами находится на опорной раме.

7. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что содержит два дополнительных упругих элемента, при этом четыре упругих элемента упругого подвеса образуют квадрат.

8. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что в опорной раме справа или слева оси симметрии маятникового узла на участке между креплением упругого подвеса и ближайшим выступом выполнена прорезь для устранения механических напряжений в упругом подвесе.

9. Акселерометр по п.3, отличающийся тем, что оба кольца выполнены из материала, выбранного из группы, состоящей из керамики, кварца, стекла, ситалла и материала, коэффициент температурного расширения которого близок к коэффициенту температурного расширения кремния.

10. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что катушки закреплены на лопасти посредством двух переходных шайб с центральным цилиндрическим отверстием, а полюсные наконечники магнитных систем имеют обращенные к маятниковому узлу центральные цилиндрические выступы, входящие с зазором в центральные отверстия переходных шайб, при этом зазор между цилиндрической поверхностью одного из выступов и цилиндрической поверхностью центрального отверстия соответствующей переходной шайбы выполнен много меньшим, чем зазор между катушками и магнитными системами.

11. Акселерометр по п. 10, отличающийся тем, что переходные шайбы для крепления катушек датчика момента выполнены из изоляционного материала и имеют контактные площадки для присоединения выводов катушек датчика момента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10