Компенсационный акселерометр

 

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом является повышение надежности акселерометра. Акселерометр содержит первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижный элемент, подвижный элемент с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами. На второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя. На третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды. К первому неподвижному электроду подключены один из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и один из выходов усилителя. К третьему неподвижному электроду подключены второй выход генератора и второй выход усилителя. Второй и четвертый неподвижные электроды соединены вместе и подключены к входу усилителя и к источнику опорного напряжения. Первый и второй, третий и четвертый неподвижные электроды расположены на своих пластинах симметрично по отношению друг другу относительно одной оси или перпендикулярной к ней оси. 2 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейного ускорения.

Известен компенсационный акселерометр, содержащий пластину с неподвижной и подвижной частями, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, усилитель [1].

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2] , содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижный элемент, подвижный элемент с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами.

Недостатком такого акселерометра является необходимость электрического соединения подвижного элемента с другими элементами акселерометра.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности компенсационного акселерометра.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижный элемент, подвижный элемент с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами, тем, что на второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды, к первому неподвижному электроду подключены один из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и один из выходов усилителя с двумя противофазными выходами, к третьему неподвижному электроду подключены второй выход двухфазного генератора напряжения переменного тока и второй выход усилителя с двумя противофазными выходами, второй и четвертый неподвижные электроды соединены вместе и подключены к входу усилителя с двумя противофазными выходами и к источнику опорного напряжения постоянного тока, причем первый и второй неподвижные электроды, а также третий и четвертый неподвижные электроды расположены на своих пластинах симметрично по отношению друг другу относительно одной оси или перпендикулярной ей другой оси.

В одном частном случае выполнения компенсационного акселерометра подвижный элемент, первый, второй, третий и четвертый неподвижные электроды выполнены прямоугольными по форме.

В другом частном случае в компенсационном акселерометре первый, второй, третий и четвертый неподвижные электроды выполнены равными по площади.

Посредством выполнения на второй пластине первого и второго неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя, выполнения на третьей пластине третьего и четвертого неподвижных электродов, подключения к первому неподвижному электроду одного их выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и одного из выходов усилителя с двумя противофазными выходами, подключения к третьему неподвижному электроду второго выхода двухфазного генератора напряжения переменного тока и второго выхода усилителя с двумя противофазными выходами, соединения вместе второго и четвертого неподвижных электродов и подключения их ко входу усилителя с двумя противофазными выходами и к источнику опорного напряжения постоянного тока обеспечиваются выполнение частей дифференциального емкостного преобразователя, соединение элементов акселерометра для его функционирования без электрического соединения подвижной части с элементами акселерометра. В результате повышается надежность акселерометра, так как не нарушается его функционирование независимо от наличия электрического контакта с неподвижным элементом.

На фиг.1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг.2 - вид первой пластины, на фиг.3 - вид второй пластины, на фиг.4 - вид третьей пластины, на фиг.5 - одна из реализаций выполнения неподвижных электродов, на фиг.6 - частный случай выполнения первой пластины, на фиг.7 - частный случай выполнения неподвижных электродов, на фиг.8 - электрическая схема компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр (фиг.1) содержит корпус 1 с установленной в нем первой пластиной 2 из монокристаллического материала, например кремния, в которой образованы неподвижный элемент 3 и подвижный элемент 4 с электропроводными поверхностями 5', 5''. Электропроводные поверхности 5', 5'' выполнены путем легирования поверхностей подвижного элемента 4 бором. Подвижный элемент 4 выполнен в виде консоли с продольной осью 6-6 по направлению длины консоли. Подвижный элемент 4 соединен с неподвижным элементом 3 посредством упругого шарнира 7.

В корпусе 1 также установлены вторая пластина 8 с первым неподвижным электродом 9 и вторым неподвижным электродом 10 дифференциального емкостного преобразователя, а также третья пластина 11 с третьим неподвижным электродом 12 и четвертым неподвижным электродом 13. Между поверхностью 5' подвижного элемента 4 и неподвижными электродами 9, 10 образован зазор d путем установки электроизоляционной платы 14 между первой пластиной 2 и второй пластиной 8. Аналогичный зазор образован между поверхностью 5'' подвижного элемента 4 и неподвижными электродами 12, 13 путем установки электроизоляционной платы 15.

Корпус 1 закрыт крышкой 16.

В первой пластине 2 (фиг.2) подвижный элемент 4 образован путем анизотропного травления кремния с выполнением промежутка 17 между неподвижным элементом 3 и подвижным элементом 4. Ось 18-18 упругого шарнира, состоящего из двух упругих перемычек 7', 7'', расположена перпендикулярно продольной оси 6-6 подвижного элемента 4.

На второй пластине 8 (фиг.3) выполнены первый неподвижным электрод 9 и второй неподвижным электрод 10 дифференциального емкостного преобразователя, расположенные симметрично относительно оси 19-19, перпендикулярной продольной оси 6-6 подвижного элемента 4.

На третьей пластине 11 (фиг.4) расположены третий неподвижный электрод 12 и четвертый неподвижный электрод 13.

Вторая пластина 8 и третья пластина 11 выполнены их электроизоляционного материала, первый 9, второй 10, третий 12, четвертый 13 неподвижные электроды на второй пластине 8 и третьей пластине 11 образованы напылением электропроводного материала, например алюминия.

Первый неподвижный электрод 9 и второй неподвижный электрод 10 могут быть расположены на второй пластине 8 симметрично относительно продольной оси 6-6 подвижного элемента 4 (фиг.5). Аналогичным образом могут быть расположены третий неподвижный электрод 12 и четвертый неподвижный электрод 13 на третьей пластине 11.

В частном случае в первой пластине 2 подвижный элемент 4 может быть выполнен в виде прямоугольника (фиг.6), прямоугольные первый неподвижный электрод 9 и второй неподвижный электрод 10 расположены на второй пластине 8 симметрично относительно продольной оси 6-6 подвижного элемента 4 (фиг.7).

Первый 9, второй 10, третий 12, четвертый 13 неподвижные электроды могут быть выполнены равными по площади.

В компенсационном акселерометре (фиг.8) конденсатор С1 дифференциального емкостного преобразователя образован первым неподвижным электродом 9, вторым неподвижным электродом 10 и электропроводной поверхностью подвижного элемента 4. Конденсатор С2 дифференциального емкостного преобразователя образован третьим неподвижным электродом 12, четвертым неподвижным электродом 13 и электропроводной поверхностью подвижного элемента 4. Первый неподвижный электрод 9 подключен через конденсатор С3 к одному выходу двухфазного генератора 20 напряжения переменного тока. Третий неподвижный электрод 12 подключен через конденсатор С4 к второму выходу двухфазного генератора 20 переменного тока. К соединенным вместе второму неподвижному 10 и четвертому неподвижному электроду 13 подключен источник опорного напряжения 21 постоянного тока и через конденсатор С5 вход усилителя 22 с двумя противофазными выходами. Один из противофазных выходов усилителя 22 с двумя противофазными выходами через резистор R1 подключен к первому неподвижному электроду 9. Второй противофазный выход усилителя 22 с двумя противофазными выходами через резистор R2 подключен к третьему неподвижному электроду 12.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения под действием инерционной силы происходит угловое перемещение подвижного элемента 4 относительно оси 18-18 упругого шарнира. При этом изменяются емкости конденсаторов C1, C2, и с выхода дифференциального емкостного преобразователя на вход усилителя 22 с двумя противофазными выходами поступает сигнал рассогласования следящей системы компенсационного акселерометра. После его преобразования и усиления в усилителе 22 с двумя противофазными выходами на первый неподвижный электрод 9 и третий неподвижный электрод 12 подается выходное напряжение с одного из соответствующих выходов усилителя 22 с двумя противофазными выходами, и в дифференциальном емкостном преобразователе за счет взаимодействия наведенных зарядов на подвижном элементе 4 от источника опорного напряжения 21 постоянного тока и выходных напряжений усилителя 22 с двумя противофазными выходами создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу. В результате рассогласование следящей системы компенсационного акселерометра устраняется, и выходное напряжение усилителя 22 с двумя противофазными выходами служит мерой ускорения. При этом измерение углового положения подвижного элемента 4 и создание компенсационной силы осуществляется без электрического соединения подвижного элемента 4 с другими элементами компенсационного акселерометра.

Источники информации 1. Патент РФ 2051542, МПК 6 G 01 P 15/13. Компенсационный акселерометр. 1995 г.

2. Патент РФ 2137141, МПК 6 G 01 P 15/13. Компенсационный акселерометр. 1999 г.

Формула изобретения

1. Компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижный элемент, подвижный элемент с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами, отличающийся тем, что на второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя на третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды, к первому неподвижному электроду подключены один из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и один из выходов усилителя с двумя противофазными выходами, к третьему неподвижному электроду подключены второй выход двухфазного генератора напряжения переменного тока и второй выход усилителя с двумя противофазными выходами, второй и четвертый неподвижные электроды соединены вместе и подключены к входу усилителя с двумя противофазными выходами и к источнику опорного напряжения постоянного тока, причем первый и второй неподвижные электроды, а также третий и четвертый неподвижные электроды расположены на своих пластинах симметрично по отношению друг к другу относительно одной оси или перпендикулярной к ней другой оси.

2. Компенсационный акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что подвижный элемент, первый, второй, третий и четвертый неподвижные электроды выполнены прямоугольными по форме.

3. Компенсационный акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что первый, второй, третий и четвертый неподвижные электроды выполнены равными по площади.

РИСУНКИ

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