Способ управления электростатическим подвесом инерционной массы

Авторы патента:

Кукушкин Антон Владимирович (RU)

Демидов Анатолий Николаевич (RU)

Сумароков Виктор Владимирович (RU)

G01P15/00 - Измерение ускорения и замедления; измерение импульсов ускорения

Владельцы патента RU 2712993:

Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" (RU)

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при разработке электростатического подвеса инерционной массы чувствительных элементов инерциальных систем. Способ управления электростатическим подвесом инерционной массы дополнительно содержит этапы, на которых в формируемом импульсном напряжении создают длительность импульсов пропорционально величине откорректированного напряжения, затем, если откорректированное напряжение больше нуля и инерционная масса удаляется от первого электрода подвеса, сформированное импульсное напряжение подают на первый электрод, а на второй электрод, расположенный с противоположной стороны инерционной массы, подают напряжение равное нулю, если откорректированное напряжение меньше нуля и инерционная масса удаляется от второго электрода подвеса, сформированное импульсное напряжение подают на второй электрод, а на первый электрод подают напряжение равное нулю, при нахождении инерционной массы в центре зазора между электродами на них подают нулевые напряжения. Технический результат – повышение надежности функционирования электростатического подвеса инерционной массы.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при разработке электростатического подвеса инерционной массы чувствительных элементов инерциальных систем, в частности, инерционной массы электростатических акселерометров, предназначенных для измерения линейных ускорений.

Известен способ управления электростатическим подвесом (далее - подвесом) инерционной массы [Васюков С.А., Дробышев Г.Ф. Теория и применение электростатических подвесов // Издательство МГТУ им. Баумана, 2009, стр. 103]. Согласно этому способу инерционную массу располагают между электродами, затем преобразуют смещение инерционной массы из центра зазора к одному из электродов в напряжение, которое подвергают частотной коррекции (далее - в откорректированное напряжение). Формируют импульсное напряжение с постоянной амплитудой импульсов U_o и периодом T_o их следования, с длительностью импульсов равной половине периода. Далее длительность импульсов, равную Т_о/2, уменьшают на величину, пропорциональную откорректированному напряжению, и в течение времени от 0 до Т_о/2 сформированное импульсное напряжение подают на электрод подвеса, к которому произошло смещение инерционной массы. Затем длительность импульсов, равную Т_о/2, увеличивают на величину, пропорциональную откорректированному напряжению, и в промежуток времени от Т_о/2 до T_o подают на другой электрод подвеса, расположенный с противоположной стороны инерционной массы. Из-за длительности действия силы со стороны противоположного электрода инерционная масса возвращается в центр зазора между электродами.

Недостатком указанного способа является низкая точность удержания инерционной массы в центре подвеса. Указанный недостаток обусловлен колебаниями инерционной массы, вызванными тем, что в промежуток времени от 0 до Т_о/2 сформированное импульсное напряжение подают на один электрод, а в промежуток времени от Т_о/2 до T_o на другой электрод, установленный с противоположной стороны инерционной массы. При этом сначала на инерционную массу со стороны подвеса действует сила в одном направлении, затем в другом, противоположном направлении, приводя инерционную массу к колебаниям с периодом T_o.

Известен способ управления электростатическим подвесом инерционной массы, который принимаем за прототип [Васюков С.А., Дробышев Г.Ф. Теория и применение электростатических подвесов // Издательство МГТУ им. Баумана, 2009, стр. 102, 211]. Согласно этому способу инерционную массу располагают между электродами, затем преобразуют смещение массы из центра зазора к одному из электродов в напряжение, которое подвергают частотной коррекции. Формируют импульсное напряжение с постоянной амплитудой импульсов U_o и с постоянным периодом их следования T_o и с длительностью импульса равной половине периода. Далее, в зависимости от знака откорректированного напряжения, который определяет направление смещения инерционной массы, уменьшают или увеличивают длительность импульса, равную Т_о/2, на величину AT, пропорциональную откорректированному напряжению. Сформированное импульсное напряжение подают на электрод, к которому произошло смещение инерционной массы. Одновременно на другой электрод, расположенный с противоположной стороны инерционной массы, подают сформированное импульсное напряжение с длительностью импульсов Т_о/2, увеличенной или уменьшенный на величину ΔT, пропорциональную откорректированному напряжению. Сформированные напряжения, поданные одновременно на электроды подвеса, создают силы, действующие с двух сторон на инерционную массу. При этом из-за большей длительности действия силы со стороны противоположного электрода инерционная масса возвращается в центр зазора между электродами. На электроды подаются импульсные напряжения с одинаковой длительностью импульсов.

Недостатком указанного способа является низкая надежность подвеса. Указанный недостаток обусловлен наличием вероятности возбуждения подвеса, потери его работоспособности из-за наличия в подвесе положительной обратной связи. Так, в соответствии с реализованным в прототипе алгоритмом управления, при действии на инерционную массу внешнего ускорения, со стороны подвеса возникает сила, создающая ускорение A инерционной массы, компенсирующее действие внешнего ускорения:

где: C_o - емкость между электродом подвеса и инерциальной массой при ее центральном расположении в зазоре;

d_o - расстояние между электродом и инерционной массой при центральном расположении инерционной массы в зазоре;

m_o - инерционная масса;

- относительное смещение инерционной массы в зазоре;

Δх - величина смещения инерционной массы из центра зазора.

Приα<<1 имеем:

Член выражения (2), содержащий отношение определяет отрицательную обратную связь, возвращающую инерционную массу в центр зазора. Второй член «+α» определяет положительную обратную связь. При подвес неустойчив. При этом инерционная масса переместится к одному из электродов и останется там. Подвес прекращает функционирование.

Решаемой технической проблемой заявляемого изобретение является совершенствование способа управления электростатическим подвесом инерционной массы.

Достигаемый технический результат - повышение надежности функционирования электростатического подвеса инерционной массы.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления электростатическим подвесом инерционной массы, включающем размещение инерционной массы в зазоре между электродами подвеса, преобразование смещения инерционной массы из центрального положения в зазоре в напряжение, которое подвергают частотной коррекции, определение по знаку откорректированного напряжения направления смещения инерционной массы, формирование импульсного напряжения с постоянной амплитудой импульсов и постоянным периодом их следования, в формируемом импульсном напряжении дополнительно:

- создают длительность импульсов пропорционально величине откорректированного напряжения,

- затем, если откорректированное напряжение больше нуля и инерционная масса удаляется от первого электрода подвеса, сформированное импульсное напряжение подают на первый электрод, а на второй электрод, расположенный с противоположной стороны инерционной массы, подают напряжение равное нулю; если откорректированное напряжение меньше нуля и инерционная масса удаляется от второго электрода подвеса, сформированное импульсное напряжение подают на второй электрод, а на первый электрод подают напряжение равное нулю,

- при нахождении инерционной массы в центре зазора между электродами на них подают нулевые напряжения.

Реализация предлагаемого способа происходит следующим образом. Инерционную массу размещают в зазоре между электродами подвеса. Преобразуют смещение инерционной массы из середины зазора в напряжение, которое затем подвергают частотной коррекции. По знаку откорректированного напряжения определяют направление смещения массы. Формируют импульсное напряжение с постоянной амплитудой U_o импульсов и постоянным периодом T_o их следования. В формируемом импульсном напряжении создают длительность ΔT импульсов пропорционально величине откорректированного напряжения. Затем, если откорректированное напряжение больше нуля (инерционная масса удаляется от первого электрода подвеса) сформированное импульсное напряжение подают на первый электрод, а на второй электрод, расположенный с противоположной стороны инерционной массы, подают напряжение равное нулю; если откорректированное напряжение меньше нуля (инерционная масса удаляется от второго электрода подвеса) сформированное импульсное напряжение подают на второй электрод, а на первый электрод подают напряжение равное нулю.

При действии на инерционную массу внешнего ускорения оно парируется ускорением А', создаваемым подвесом только со стороны одного электрода:

Данное выражение получено из формулы (1) с учетом измененного алгоритма управления.

При α<<1 имеем:

Член выражения (4), содержащий отношение определяет отрицательную обратную связь, возвращающую инерционную массу в центр зазора. Член, характеризующий положительную обратную связь, отсутствует. Отсутствие положительной обратной связи исключает возможность возбуждения подвеса и потери его работоспособности.

Таким образом, поставленная цель достигнута.

На предприятии предлагаемая реализация способа проверена при испытаниях экспериментального образца электростатического акселерометра.

Способ управления электростатическим подвесом инерционной массы, включающий размещение инерционной массы в зазоре между электродами подвеса, преобразование смещения инерционной массы из центрального положения в зазоре в напряжение, которое подвергают частотной коррекции, определение по знаку откорректированного напряжения направления смещения инерционной массы, формирование импульсного напряжения с постоянной амплитудой импульсов и постоянным периодом их следования, отличающийся тем, что в формируемом импульсном напряжении создают длительность импульсов пропорционально величине откорректированного напряжения, затем, если откорректированное напряжение больше нуля и инерционная масса удаляется от первого электрода подвеса, сформированное импульсное напряжение подают на первый электрод, а на второй электрод, расположенный с противоположной стороны инерционной массы, подают напряжение равное нулю, если откорректированное напряжение меньше нуля и инерционная масса удаляется от второго электрода подвеса, сформированное импульсное напряжение подают на второй электрод, а на первый электрод подают напряжение равное нулю, при нахождении инерционной массы в центре зазора между электродами на них подают нулевые напряжения.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах. Для измерения углового ускорения используется инерционная масса, на которую устанавливаются катушки датчика момента обратной связи и втулка с двумя регулировочными винтами, что позволяет увеличить ударопрочность, расширить частотный диапазон измерения углового ускорения.

Датчик наклона и вибрации // 2707583

Изобретение может быть использовано в энергетике, строительстве и других отраслях, где необходимо контролировать наклон и вибрацию при малых величинах параметров и малых частотах виброперемещения.

Устройство для измерения ускорения и способ изготовления такого устройства для измерения ускорения // 2700037

Изобретение относится к устройству (1) для измерения ускорения, содержащему пьезоэлектрическую систему (2), сейсмическую массу (3) и систему (4) предварительного напряжения.

Двухосевой микромеханический акселерометр // 2693030

Изобретение относится к области микросистемной техники, в частности к приборам для измерения линейного ускорения. Акселерометр содержит подложку из диэлектрического материала, анкерные блоки, неподвижно закрепленные на подложке, инерционную массу, Ω-образные упругие элементы, образующие подвес для осуществления развязки в двух ортогональных направлениях, наружную раму, внутри которой на Ω-образных упругих элементах подвеса закреплена промежуточная рамка, имеющая упругую связь с инерционной массой.

Акселерометр // 2690367

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии. Акселерометр содержит последовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь, N-разрядный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, N-разрядный цифроаналоговый преобразователь, электромагнит, пробную массу.

Устройство для измерения ускорения и способ изготовления такого устройства для измерения ускорения // 2686573

Группа изобретений относится к устройству для измерения ускорения. Устройство для измерения ускорения содержит пьезоэлектрическую систему, сейсмическую массу и систему предварительного напряжения, при этом сейсмическая масса имеет два элемента массы, положительные пьезоэлектрические заряды электрически снимаются с первого элемента массы в качестве сигналов ускорения, отрицательные пьезоэлектрические заряды электрически снимаются со второго элемента массы в качестве сигналов ускорения.

Противостоящие акселерометры для пульсометра // 2683847

Группа изобретений относится к медицине, а именно к пульсоксиметру, использующему акселерометр для обнаружения пульса субъекта. Пульсометр для обнаружения пульса субъекта в соответствии со способом, содержит: основу, причем основа выполнена с возможностью расположения соответствующих вертикальных осей (ZR) и (ZL) акселерометров (41R) и (41L) перпендикулярно поверхности тела субъекта и расположения соответствующих продольных осей (XR) и (XL) и соответствующих поперечных осей (YR) и (YL) акселерометров (41R) и (41L) параллельно поверхности тела субъекта, многоосевые акселерометры (41R, 41L), прикрепленные к основе для генерирования сигналов (AZR, AZL) отличающихся режимов, отражающих измерение акселерометрами физиологического движения субъекта, создаваемого системой кровообращения, относительно осей (42R, 42L) измерения ускорения для генерирования сигналов (AXR, AXL, AYR, AYL) общего режима, отражающих измерение акселерометрами (41R, 41L) постороннего движения субъекта, характеризующего движение тела или части тела субъекта, возникающее вследствие приложения силы, источник которой является посторонним по отношению к телу, относительно осей (42R, 42L) измерения ускорения, причем основа содержит носовой зажим, выполненный с возможностью установки акселерометров (41R, 41L) на носу субъекта, причем носовой зажим дополнительно включает поворотный носовой зажим, конструктивно выполненный с возможностью прикрепления акселерометров (41R, 41L) к правой и левой сторонам переносицы субъекта, посредством чего расположенная ниже носовая кость жестко поддерживает угловую ориентацию акселерометров (41R, 41L) относительно друг друга и относительно носа; и детектор пульса, функционально соединенный с многоосевыми акселерометрами (41R, 41L) для генерирования сигнала (PS) пульса как функции вертикальной ориентации осей (42R, 42L) измерения ускорения посредством суммирования сигналов (AZR, AZL) отличающихся режимов и удаления сигналов (AXR, AXL, AYR, AYL) общего режима, с возможностью использования векторов ускорения силы тяжести по осям (42R) и (42L) XYZ для определения угла между акселерометрами (41R) и (41L) или относительно отдельных базовых осей.

Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр // 2683810

Изобретение относится к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр дополнительно содержит восемь дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, шесть дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, два подвижных электрода электростатических приводов, восемь неподвижных электродов электростатических приводов, двенадцать дополнительных опор, шестнадцать П-образных систем упругих балок, четыре Г-образные системы упругих балок, дополнительную инерционную массу, выполненную из полупроводникового материала и расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки.

Способ изготовления корпуса молекулярно-электронного датчика // 2675571

Изобретение относится к способам изготовления устройств для измерений сейсмического или акустического сигналов. Техническим результатом является повышение жесткости конструкции преобразующего элемента и его неподвижности относительно корпуса.

Сейсмический датчик // 2663091

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в процессе проведения сейсмической съемки. Описано устройство для сейсмической съемки, содержащее корпус, ускоряемую массу, по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью обнаружения перемещения ускоряемой массы относительно корпуса, электронную схему, соединенную с упомянутым по меньшей мере одним датчиком и выполненную с возможностью получения и обработки выходного сигнала этого датчика, и источник питания, выполненный с возможностью подачи электрической энергии в электронную схему и представляющий собой составную часть ускоряемой массы.