Компенсационный акселерометр

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейного ускорения с электростатическим обратным преобразователем. В компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину с образованным в ней подвижным элементом, вторую и третью пластины, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым конденсаторами, образованными неподвижными электродами и подвижным электродом, усилитель, имеющий два противофазных выхода, введен имитатор дифференциального емкостного преобразователя с третьим конденсатором, емкость которого равна емкости первого конденсатора, и с четвертым конденсатором, емкость которого равна емкости второго конденсатора, первый вывод третьего конденсатора подключен к одному из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока, первый вывод четвертого конденсатора подсоединен ко второму выходу двухфазного генератора напряжения переменного тока, усилитель выполнен в составе первого и второго усилителей переменного тока, дифференциального усилителя, фазового демодулятора и усилителя постоянного тока с двумя противофазными выходами, подвижный электрод подключен к входу первого усилителя переменного тока, точка соединения вторых выводов третьего и четвертого конденсаторов соединена с входом второго усилителя переменного тока, выходы первого и второго усилителей переменного тока подключены к входам дифференциального усилителя. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения ускорения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейного ускорения с электростатическим обратным преобразователем.

Известен компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину с подвижным элементом, неподвижным элементом и соединяющим их упругим шарниром, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь положения подвижного элемента на второй и третьей пластинах, электростатический обратный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, усилитель [1].

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2], содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная рамка, подвижный элемент с двумя параллельными друг другу электропроводными поверхностями и соединяющий подвижный элемент с неподвижной рамкой упругий шарнир, вторую и третью пластины, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым конденсаторами, образованными неподвижными электродами и подвижным электродом, которым являются соединенные вместе электропроводные поверхности подвижного элемента, усилитель, имеющий два противофазных выхода, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения, каждый неподвижный электрод подсоединен к одному из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и к одному из противофазных выходов усилителя.

Недостатком этого компенсационного акселерометра является уменьшение точности измерения ускорения, вызванное наличием в его сигнале сигналов частот с высшими гармониками по сравнению с несущей частотой двухфазного генератора напряжения переменного тока вследствие несинфазности напряжений с двух выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения ускорения.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная рамка, подвижный элемент с двумя параллельными друг другу электропроводными поверхностями и соединяющий подвижный элемент с неподвижной рамкой упругий шарнир, вторую и третью пластины, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым конденсаторами, образованными неподвижными электродами и подвижным электродом, которым являются соединенные вместе электропроводные поверхности подвижного элемента, усилитель, имеющий два противофазных выхода, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока, каждый неподвижный электрод подсоединен к одному из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и к одному из противофазных выходов усилителя, тем, что в него введен имитатор дифференциального емкостного преобразователя с третьим конденсатором, емкость которого равна емкости, образованной первым неподвижным электродом и подвижным электродом первого конденсатора, и с четвертым конденсатором, емкость которого равна емкости образованного вторым неподвижным электродом и подвижным электродом второго конденсатора, первый вывод третьего конденсатора подключен к одному из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока, первый вывод четвертого конденсатора подсоединен ко второму выходу двухфазного генератора напряжения переменного тока, вторые выводы третьего и четвертого конденсаторов соединены вместе, усилитель выполнен в составе первого и второго усилителей переменного тока, дифференциального усилителя, фазового демодулятора и усилителя постоянного тока с двумя противофазными выходами, подвижный электрод подключен к входу первого усилителя переменного тока, точка соединения вторых выводов третьего и четвертого конденсаторов соединена с входом второго усилителя переменного тока, выходы первого и второго усилителей переменного тока подключены к входам дифференциального усилителя, выход которого подключен к входу фазового демодулятора, к выходу фазового демодулятора подключен вход усилителя постоянного тока.

В одном частном случае выполнения компенсационного акселерометра в имитаторе дифференциального емкостного преобразователя третий и четвертый конденсаторы образованы третьим, четвертым и пятым неподвижными электродами, расположенными на трех разных пластинах, пятый неподвижный электрод расположен на пластине, лежащей между двумя другими пластинами, третий конденсатор образован третьим и пятым неподвижными электродами, четвертый конденсатор образован четвертым и пятым неподвижными электродами.

В другом частном случае в компенсационном акселерометре в качестве монокристаллического материала первой пластины использован монокристаллический кремний.

Посредством введения в компенсационный акселерометр имитатора дифференциального емкостного преобразователя, первого и второго усилителей переменного тока, дифференциального усилителя, подключения выхода имитатора дифференциального емкостного преобразователя к входу второго усилителя переменного тока, подключения выходов первого и второго усилителей переменного тока к входам дифференциального усилителя в выходном сигнале дифференциального усилителя отсутствуют сигналы частот с высшими гармониками вследствие компенсации этих сигналов с выхода дифференциального емкостного преобразователя сигналами с выхода имитатора дифференциального емкостного преобразователя. В результате повышается точность измерения ускорения.

На фиг.1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг.2 - электрическая схема компенсационного акселерометра, на фиг.3 - частный случай выполнения имитатора дифференциального емкостного преобразователя, на фиг.4 - электрическая схема частного случая выполнения компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр (фиг.1) содержит корпус 1, в котором установлены первая пластина 2 из монокристаллического материала, например, кремния, вторая пластина 3 и третья пластина 4. В первой пластине 2 выполнены неподвижная рамка 5, подвижный элемент 6 с электропроводными поверхностями 7’, 7’’ и соединяющий неподвижную рамку 5 с подвижным элементом 6 упругий шарнир 8 в виде упругой перемычки. На второй пластине 3 расположен первый неподвижный электрод 9 дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине 4 расположен второй неподвижный электрод 10.

Между второй пластиной 3 и неподвижной рамкой 5 расположен платик 11 так, чтобы образовать зазор d между первым неподвижным электродом 9 и подвижным элементом 6. Такой же платик 12 расположен между третьей пластиной 4 и неподвижной рамкой 5, образуя зазор d.

Корпус 1 закрыт крышкой 13.

В дифференциальном емкостном преобразователе (фиг.2) выполнены первый конденсатор С1 и второй конденсатор С2. Конденсатор С1 образован первым неподвижным электродом 9 и подвижным электродом, в качестве которого служат электропроводные поверхности 7’, 7’’ подвижного элемента 6. Второй конденсатор С2 образован вторым неподвижным электродом 10 и тем же самым подвижным электродом в виде электропроводной поверхности 7 подвижного элемента 6.

Один выход двухфазного генератора 14 напряжения переменного тока подключен к первому неподвижному электроду 9 и первому выводу третьего конденсатора С3. Второй выход двухфазного генератора 14 подключен к второму неподвижному электроду 10 и к первому выводу четвертого конденсатора С4.

Емкость третьего конденсатора С3 выполнена равной емкости первого конденсатора С1, а емкость четвертого конденсатора С4 выполнена равной емкости второго конденсатора С2.

Подвижный электрод в виде электропроводной поверхности 7 подвижного элемента 6 подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока 15 и к входу первого усилителя переменного тока 16’.

Вторые выводы третьего конденсатора С3 и четвертого конденсатора С4 соединены вместе, и точка их соединения подключена к входу второго усилителя переменного тока 16’’. Выходы первого усилителя переменного тока 16′ и второго усилителя переменного тока 16’’ подключены к входам дифференциального усилителя 17, к выходу которого подключен вход фазового демодулятора 18. Вход усилителя постоянного тока 19 подключен к выходу фазового демодулятора 18. Один из противофазных выходов усилителя постоянного тока 19 через резистор R1 подключен к первому неподвижному электроду 9, второй противофазный выход усилителя постоянного тока 19 через резистор R2 подключен к второму неподвижному электроду 10.

Конденсаторы С5, С6, С7 включены в качестве разделительных конденсаторов.

В частном случае в имитаторе дифференциального емкостного преобразователя (фиг.3) на третьей пластине 20 образован третий неподвижный электрод 21, на четвертой пластине 22 образован четвертый неподвижный электрод 23. На пятой пластине 24, расположенной между третьей пластиной 20 и четвертой пластиной 22, образован пятый неподвижный электрод в виде соединенных между собой электропроводных площадок 25′, 25". Платиками 26, 27 пятая пластина 24 отделена от третьей пластины 20 и четвертой пластины 22.

Третий конденсатор С3 образован третьим 21 и пятым неподвижными электродами, четвертый конденсатор С4 образован четвертым 23 и пятым неподвижными электродами.

Для выполнения равенства емкостей первого С1 и третьего С3 конденсаторов площадь третьего неподвижного электрода 21 сделана равной площади первого неподвижного электрода 9, а зазор d между третьим неподвижным электродом 21 и пятым неподвижным электродом выполнен равным зазору d между первым неподвижным электродом 9 и подвижным электродом.

Аналогично выполнены равными площади второго неподвижного электрода 10 и четвертого неподвижного электрода 23, зазоры d, обеспечивая равенство емкостей второго С2 и четвертого С4 конденсаторов.

Для исполнения имитатора дифференциального емкостного преобразователя могут быть использованы вторая пластина 3 с первым неподвижным электродом 9, третья пластина 4 с вторым неподвижным электродом и первая пластина 2 с электропроводной поверхностью 7. При этом первая пластина 2 должна быть выполнена сплошной без упругого шарнира 8.

В частном случае выполнения имитатора дифференциального емкостного преобразователя (фиг.4) третий неподвижный электрод 21 третьего конденсатора С3 соединен с первым неподвижным электродом 9 первого конденсатора С1, четвертый неподвижный электрод 23 четвертого конденсатора С4 соединен с вторым неподвижным электродом 10 второго конденсатора С2. Образованный соединенными вместе электропроводными площадками 25’, 25’’ пятый неподвижный электрод, общий для третьего конденсатора С3 и четвертого конденсатора С4, подключен к входу второго усилителя переменного тока 16’’.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения под действием инерционной силы происходит угловое перемещение подвижного элемента 6, емкости первого С1 и второго С2 конденсаторов дифференциального емкостного преобразователя положения изменяются, и с его выхода на вход первого усилителя переменного тока 16’ поступает сигнал, содержащий сигнал рассогласования следящей системы компенсационного акселерометра несущей частоты, а также сигналы с частотами высших гармоник по сравнению с несущей частотой, вызванные несинфазностью напряжений с двух выходов двухфазного генератора 14 напряжения переменного тока. В поступающем на вход второго усилителя переменного тока 16’’ с выхода имитатора дифференциального емкостного преобразователя сигнале присутствуют частоты высших гармоник, вызванные несинфазностью напряжений с двух выходов двухфазного генератора 14 напряжения переменного тока, но отсутствует сигнал рассогласования следящей системы. В результате с выхода дифференциального усилителя 17 на вход фазового демодулятора 18 приходит усиленный сигнал рассогласования следящей системы, в котором отсутствуют сигналы с частотами высших гармоник. После преобразования в фазовом демодуляторе на вход усилителя постоянного тока 19 поступает сигнал рассогласования следящей системы постоянного тока.

Поступающими на первый неподвижный электрод 9 и второй неподвижный электрод 10 с двух противофазных выходов усилителя постоянного тока 19 напряжениями создается результирующая пондемоторная сила, возвращающая подвижный элемент 6 в первоначальное положение. При этом напряжение с выходов усилителя постоянного тока 19 является мерой измеряемого ускорения. Отсутствие в сигналах компенсационного акселерометра сигналов с частотами высших гармоник повышает точность измерения ускорения.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1620944, кл. G 01 P 15/08. Электростатический акселерометр, 1992 г.

2. Патент РФ №2149412, кл. G 01 P 15/08, 15/13. Компенсационный акселерометр, 1998 г.

1. Компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная рамка, подвижный элемент с двумя параллельными друг другу электропроводными поверхностями и соединяющий подвижный элемент с неподвижной рамкой упругий шарнир, вторую и третью пластины, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым конденсаторами, образованными первым и вторым неподвижными электродами и подвижным электродом, которым являются соединенные вместе электропроводные поверхности подвижного элемента, усилитель, имеющий два противофазных выхода, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока, каждый неподвижный электрод подсоединен к одному из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и к одному из противофазных выходов усилителя, отличающийся тем, что в него введен имитатор дифференциального емкостного преобразователя с третьим конденсатором, емкость которого равна емкости образованного первым неподвижным электродом и подвижным электродом первого конденсатора, и с четвертым конденсатором, емкость которого равна емкости образованного вторым неподвижным электродом и подвижным электродом второго конденсатора, первый вывод третьего конденсатора подключен к одному из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока, первый вывод четвертого конденсатора подсоединен к второму выходу двухфазного генератора напряжения переменного тока, вторые выводы третьего и четвертого конденсаторов соединены вместе, усилитель выполнен в составе первого и второго усилителей переменного тока, дифференциального усилителя, фазового демодулятора и усилителя постоянного тока с двумя противофазными выходами, подвижный электрод подключен к входу первого усилителя переменного тока, точка соединения вторых выводов третьего и четвертого конденсаторов соединена с входом второго усилителя переменного тока, выходы первого и второго усилителей переменного тока подключены к входам дифференциального усилителя, выход которого подключен к входу фазового демодулятора, к выходу фазового демодулятора подключен вход усилителя постоянного тока.

2. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что в имитаторе дифференциального емкостного преобразователя третий и четвертый конденсаторы образованы третьим, четвертым и пятым неподвижными электродами, расположенными на трех разных пластинах, пятый неподвижный электрод расположен на пластине, лежащей между двумя другими пластинами, третий конденсатор образован третьим и пятым неподвижными электродами, четвертый конденсатор образован четвертым и пятым неподвижными электродами.

3. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве монокристаллического материала первой пластины использован монокристаллический кремний.