Компенсационный акселерометр

 

Акселерометр предназначен для использования в измерительной технике. Акселерометр содержит первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная рамка, подвижная рамка и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым неподвижными электродами, усилитель с двумя противофазными выходами. Подвижный элемент выполнен симметричным относительно оси упругого шарнира. Упругий шарнир выполнен из двух упругих перемычек, расположенных вдоль оси шарнира по разные стороны от подвижного элемента. Первый и второй неподвижные электроды выполнены из двух площадок, расположенных на второй или третьей пластинах по разные стороны от оси упругого шарнира. Одни из поверхностей упругих перемычек совмещены с одной из поверхностей первой пластины. Толщина каждой перемычки выполнена меньше толщины первой пластины. Обеспечивается расширение диапазона измеряемых ускорений. 1 з.п.ф-лы. 5 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].

Его недостатком является ограничение верхнего предела диапазона измеряемых ускорений вследствие неполного использования площади поверхности подвижного элемента для создания компенсационной электростатической силы.

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 неподвижными электродами и подвижным электродом, образованным соединенными вместе электропроводными поверхностями подвижного элемента, усилитель с двумя противофазными выходами, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения и к входу усилителя, каждый неподвижный электрод подсоединен к одному из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и к одному из противофазных выходов усилителя.

В этом компенсационном акселерометре лимитируется расширение диапазона измеряемых ускорений вследствие отсутствия возможности изменения отношения максимального компенсационного момента к инерционному моменту в поле сил ускорения свободного падения путем изменения плеч действия компенсационной и инерционной сил.

Техническим результатом изобретения является повышение диапазона измеряемых ускорений компенсационного акселерометра.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем первую пластину из монокристаллического материала, например кремния, в которой образованы неподвижная рамка, подвижный элемент с двумя параллельными друг другу электропроводными поверхностями и соединяющий подвижный элемент с подвижной рамкой упругий шарнир, вторую и третью пластины, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым неподвижными электродами и подвижным электродом, образованным соединенными вместе электропроводными поверхностями подвижного элемента, усилитель с двумя противофазными выходами, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя, каждый неподвижный электрод подсоединен к одному из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и к одному из противофазных выходов усилителя, тем, что подвижный элемент выполнен симметричным относительно оси упругого шарнира, которая расположена параллельно электропроводным поверхностям подвижного элемента, упругий шарнир выполнен из двух упругих перемычек, расположенных вдоль оси упругого шарнира и соединяющих с неподвижной рамкой две противоположных стороны подвижного элемента, две противоположные поверхности каждой упругой перемычки выполнены параллельными электропроводным поверхностям подвижного элемента, одна из этих поверхностей в каждой упругой перемычке совмещена с одной из электропроводных поверхностей подвижного элемента, каждая упругая перемычка выполнена с толщиной, меньшей толщины подвижного элемента в направлении оси, перпендикулярной электропроводным поверхностям подвижного элемента, каждый неподвижный электрод выполнен из первой и второй площадок, на второй пластине расположены первая площадка первого неподвижного электрода и первая площадка второго неподвижного электрода по разные стороны от оси упругого шарнира симметрично ей, на третьей пластине расположены вторая площадка первого неподвижного электрода и вторая площадка второго неподвижного электрода по разные стороны от оси упругого шарнира симметрично ей, первая и вторая площадки каждого неподвижного электрода расположены на второй и третьей пластинах по разные стороны от оси упругого шарнира относительно друг друга, первая и вторая площадки каждого неподвижного электрода соединены вместе, подвижный элемент выполнен с толщиной ₁, определяемой соотношением: где ₂ - толщина упругой перемычки; d - зазор между поверхностями второй или третьей пластин и близлежащей электропроводной поверхностью подвижного элемента; - относительная диэлектрическая проницаемость среды между подвижным элементом и неподвижными электродами; _o - абсолютная диэлектрическая проницаемость; U_o - напряжение источника опорного напряжения; U_м - максимальное выходное напряжение каждого из противофазных выходов усилителя; l - длина подвижного элемента в направлении, перпендикулярном оси шарнира; - плотность материала подвижного элемента;
a_в - верхний предел диапазона измеряемых ускорений.

В частном случае в компенсационном акселерометре вторая и третья пластины выполнены из монокристаллического материала, например кремния.

Путем выполнения подвижного элемента симметричным относительно оси упругого шарнира, выполнения упругого шарнира из двух упругих перемычек, расположенных вдоль оси упругого шарнира и соединяющих с неподвижной рамкой две противоположные стороны подвижного элемента, выполнения двух противоположных поверхностей каждой упругой перемычки параллельными электропроводным поверхностям подвижного элемента, совмещения одной из этих поверхностей в каждой упругой перемычке с одной из электропроводных поверхностей подвижного элемента, выполнения каждой упругой перемычки с толщиной, меньшей толщины подвижного элемента, выполнения каждого неподвижного электрода из первой и второй площадок, расположения на второй пластине первых площадок первого и второго неподвижных электродов по разные стороны от оси упругого шарнира, расположения на третьей пластине вторых площадок первого и второго неподвижных электродов по разные стороны от оси упругого шарнира, расположения первой и второй площадок каждого неподвижного электрода по разные стороны от оси упругого шарнира относительно друг друга, соединения вместе первой и второй площадок каждого неподвижного электрода, выполнения толщины подвижного элемента в соответствии с расчетным соотношением обеспечивается выполнение компенсационного аскелерометра с малым инерционным моментом за счет малого плеча действия инерционной силы и значительным компенсационным моментом за счет большой площади неподвижных электродов и большего плеча действия компенсационной силы по сравнению с плечом действия инерционной силы. В результате повышается верхний предел диапазона измеряемых ускорений.

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 - электрическая схема компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлена первая пластина 2 из монокристаллического кремния, в которой образованы неподвижная рамка 3, подвижный элемент 4 с параллельными друг другу электропроводными поверхностями 5, 6 и соединяющий подвижный элемент 4 с неподвижной рамкой 3 упругий шарнир, содержащий упругие перемычки 7, 8.

Поверхности 9, 10 упругой перемычки 7 параллельны поверхностям 5, 6 подвижного элемента 4, поверхности 11, 12 упругой перемычки 8 параллельны поверхностям 5, 6 подвижного элемента 4. Поверхности 9, 11 упругих перемычек 7, 8 совмещены с поверхностью 5 подвижного элемента 4. Подвижный элемент 4 выполнен с толщиной ₁, большей толщины ₂ каждой из упругих перемычек 7, 8.

Между первой пластиной 2 и корпусом 1 установлена вторая пластина 13 через плату 14 с образованием зазора d между поверхностью 6 подвижного элемента 4 и поверхностью второй пластины 13. На первую пластину 2 установлена третья пластина 15 через плату 16 с образованием зазора d между поверхностью 5 подвижного элемента 4 и поверхностью третьей пластины 15.

Электропроводные поверхности 5, 6 подвижного элемента 4 могут быть образованы, например, путем легирования бором поверхностных частей подвижного элемента 4 из монокристаллического кремния.

Подвижный элемент 4 (фиг. 2) выполнен путем анизотропного травления кремния с образованием промежутков 17', 17'' между ним и неподвижной рамкой 3. Подвижный элемент 4 выполнен симметричным относительно оси упругого шарнира 18-18, параллельной поверхности 5. Упругие перемычки 7, 8 расположены вдоль оси упругого шарнира 18-18 и соединяют противоположные стороны 19', 19'' подвижного элемента 4 с противоположными сторонами 20', 20'' неподвижной рамки 3.

На второй пластине 13 (фиг. 3) выполнены первая площадка 21 первого неподвижного электрода и первая площадка 22 второго неподвижного электрода дифференциального емкостного преобразователя. Первая площадка 21 и первая площадка 22 расположены по разные стороны от оси упругого шарнира 18-18 симметрично относительно друг друга.

На третьей пластине 15 (фиг. 4) выполнены вторая площадка 23 первого неподвижного электрода и вторая площадка 24 второго неподвижного электрода дифференциального емкостного преобразователя, расположенные по разные стороны от оси упругого шарнира 18-18 симметрично относительно друг друга.

В случае выполнения второй и третьей пластин 13, 15 из электроизоляционного материала площадки 21 ... 24 образуются путем напыления электропроводного материала, например алюминия, на поверхности пластин. При использовании в качестве материала второй и третьей пластин 13, 15 монокристаллического кремния площадки 21 ... 24 образуются путем легирования кремния бором.

Первая площадка 21 и вторая площадка 23 первого неподвижного электрода расположены по разные стороны от оси упругого шарнира 18-18. Аналогично относительно оси упругого шарнира 18-18 расположены первая площадка 22 и вторая площадка 24 второго неподвижного электрода.

В дифференциальном емкостном преобразователе (фиг. 5) выполнен конденсатор C1, образованный подвижным электродом, состоящим из соединенных вместе электропроводных поверхностей 5, 6 подвижного элемента, и соединенными вместе первой 21 и второй 22 площадками первого неподвижного электрода. Конденсатор C2 дифференциального емкостного преобразователя образован тем же самым подвижным электродом и соединенными вместе первой 22 и второй 24 площадками второго неподвижного электрода.

К первому неподвижному электроду подключен через конденсатор C3 один из выходов двухфазного генератора напряжения 25 переменного тока, к второму неподвижному электроду через конденсатор C4 подключен второй выход двухфазного генератора 25 напряжения переменного тока.

Подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя подключен к источнику опорного напряжения 26 постоянного тока и через конденсатор C5 к входу усилителя 27, один из противофазных выходов которого через резистор R1 подключен к первому неподвижному электроду, а второй противофазной выход через резистор R2 подключен к второму неподвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения a по измерительной оси компенсационного акселерометра, направленной перпендикулярно поверхностям 5, 6 подвижного элемента 4, на него действует инерционный момент M_и:
(1)
где b, l - соответственно длина и ширина каждой из площадок 21 ... 24;
₁ - толщина подвижного элемента 4;
- плотность материала подвижного элемента 4;
₂ - толщина каждой из упругих перемычек 7, 8.

Под действием инерционного момента происходит угловое перемещение подвижного элемента 4 относительно оси упругого шарнира 18-18, емкости конденсаторов C1, C2 дифференциального емкостного преобразователя изменяются, и с его выхода на вход усилителя 27 поступает сигнал рассогласования следящей системы компенсационного акселерометра. После преобразования и усиления сигнала рассогласования на каждом из противофазных выходов усилителя 27 появляется напряжение U постоянного тока.

В результате на неподвижный элемент 4 действует компенсационный момент M_к устраняющий рассогласование следящей системы компенсационного акселерометра и описываемый выражением:
(2)
где - относительная диэлектрическая проницаемость среды между подвижным элементом 4 и неподвижными электродами;
_o - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
U_o - напряжение источника опорного напряжения 26;
d - зазор между каждой второй 13 или третьей 15 пластинами и ближайшей электропроводной поверхностью 5 или 6 подвижного элемента 4.

При этом
M_к = M_и. (3)
В результате подстановки в (3) выражений (1), (2) получается

Таким образом, измеряемое компенсационным акселерометром ускорение пропорционально выходному напряжению усилителя.

На верхнем пределе a_в диапазона измеряемых ускорений на каждом выходе усилителя 27 напряжение
U = U_м, (5)
где U_м - максимальное выходное напряжение на каждом из противофазных выходов усилителя 27.

В результате выражение (4) преобразуется к виду:

Из выражения (6) следует, что повышение верхнего предела диапазона измеряемых ускорений может быть достигнуто путем увеличения длины площадок неподвижных электродов и уменьшения толщин упругих перемычек и подвижного элемента.

На основании выражения (6) для выполнения компенсационного акселерометра на заданный верхний предел диапазона измеряемых ускорений подвижный элемент должен иметь толщину, определяемую соотношением:

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1620944, кл. G 01 P 15/08. Электростатический акселерометр, 1992 г.

2. Электростатический уравновешенный акселерометр. НТИ N 2 (63), 1992 г. "Пилотажно-навигационное оборудование за рубежом". Изд. ГОНТИ, 1992 г.

Формула изобретения

1. Компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину из монокристаллического материала, например кремния, 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 неподвижным электродами и подвижным электродом, образованным соединенными вместе электропроводными поверхностями подвижного элемента, усилитель с двумя противофазными выходами, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя, каждый неподвижный электрод подсоединен к одному из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и к одному из противофазных выходов усилителя, отличающийся тем, что подвижный элемент выполнен симметричным относительно оси упругого шарнира, которая расположена параллельно электропроводным поверхностям подвижного элемента, упругий шарнир выполнен из двух упругих перемычек, расположенных
вдоль оси упругого шарнира и соединяющих с неподвижной рамкой две противоположные стороны подвижного элемента, две противоположные поверхности каждой упругой перемычки выполнены параллельными электропроводным поверхностям подвижного элемента, одна из этих поверхностей в каждой упругой перемычке совмещена с одной из электропроводных поверхностей подвижного элемента, каждая упругая перемычка выполнена с толщиной, меньшей толщины подвижного элемента в направлении оси, перпендикулярной электропроводным поверхностям подвижного элемента, каждый неподвижный электрод выполнен из первой и второй площадок, на второй пластине расположены первая площадка первого неподвижного электрода и первая площадка второго неподвижного электрода по разные стороны от оси упругого шарнира симметрично ей, на третьей пластине расположены вторая площадка первого неподвижного электрода и вторая площадка второго неподвижного электрода по разные стороны от оси упругого шарнира симметрично ей, первая и вторая площадки каждого неподвижного электрода расположены на второй и третьей пластинах по разные стороны от оси упругого шарнира относительно друг друга, первая и вторая площадки каждого неподвижного электрода соединены вместе, подвижный элемент выполнен с толщиной ₁, определяемой соотношением

где ₂ - толщина упругой перемычки;
d - зазор между поверхностями второй и третьей пластин и близлежащей электропроводной поверхностью подвижного элемента;
- относительная диэлектрическая проницаемость среды между подвижным элементом и неподвижными электродами;
_o - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
U_o - напряжение источника опорного напряжения;
U_м - максимальное выходное напряжение каждого из противофазных выходов усилителя;
l - длина подвижного элемента в направлении, перпендикулярном оси шарнира;
- плотность материала подвижного элемента;
a_в - верхний предел диапазона измеряемых ускорений.

2. Компенсационный акселерометр в соответствии с п.1, отличающийся тем, что вторая и третья пластины выполнены из монокристаллического материала, например кремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5