Емкостной акселерометр

СНИ 9)( х РЕСПУ 1 ЛИН рц 4 С 0 0 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(21) 369 (22) 25. (46) 23, (72) В.С мов, В.И (53) 531 241/241. 84.8.85. БМоисейЛобан767 (08 11 31нко, В.Е. Евд Д В Лебедев 8) 22953 ритании1981.КСЕЛЕРОМЕТР,вижных электро.электрод на му уравновеши ьным емкостным ГОСУДФРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ ОССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНЕЫТ 19(56) 1. Патент СНА кл. 73-517, 1980.2, Патент Велико У 1583536, кл. С 1 (54)(57) ЕМКОСТНОЙ содержащий два непо да и один подвижный упругом подвесе, сх вания с дифференциал датчиком перемещения и усилителемдемодулятором, схему вычитания напря"жений, модулятор и ключ, о т л ич а ю щ и Й с я тем, что, с цельюувеличения верхнего предела измеренияускорений и повышения помехоустойчйвости, в центральном отверстии подвижной пластины, в ее плоскостиперпендикулярно оси чувствительности акселерометра установлены подвижный постоянный магнит и неподвижная катушка, причем выход схемыуравновешивания через ключ соединенс неподвижными электродами, а токовый выход модулятора соединен с неподвижной катушкой.Изобретение относится к областиинформационно-измерительной техникии может найти широкое применение дляточных измерений линейных ускорений,ускорений силы тяжести и параметровдвижения объектов.Известны высокочувствительныеакселерометры с электрической силовой компенсацией, использующие электростатическую подвеску и предназ Оначенные для измерения градиентовсилы тяжести 111.Недостатком данных акселерометроввявляется узкий рабочий диапазон.Наиболее близким к изобретению 15по технической сущности и достигаемому результату является устройствоемкостного акселерометра с электростатической силовой компенсацией 12.Однако известный акселерометр 20при высокой точности измерения характеризуется малыми значениями ускоре ний не более 10 5 -10 е, что в значительной мере ограничивает возможности его применения. Кроме того, для 25него присущи низкие помехоустойчи-вость и механическая прочность.Целью устройства является увеличение верхнего предела измерения ускорений на два порядка и более 30за счет частичной компенсацииусилия, создаваемого измеряемымускорением, и повышение помехоустойчивости,Поставленная цель достигается35тем, что в емкостной акселерометр,содержащий два неподвижныхэлектрода и один подвижный электродна упругом подвесе, схему уравновешивания с дифференциальным емкостным датчиком перемещения и усилителем-демодулятором, схему вычитаниянапряжений, модулятор и ключ, вцентральном отверстии подвижнойпластины в ее плоскости перпендикулярно оси чувствительности акселерометра установлены подвижный постоянный магнит и неподвижная катушка,причем выход схемы уравновешиваниячерез ключ соединен с неподвижнымиэлектродами, а токовый выход модулятора соединен с неподвижной катушкой.На чертеже приведена конструкция емкостного акселерометра и структурная схема.Между двумя неподвижными изолированными от корпуса пластинами 1 и 2 с электродами 3 и 4 расположена подвижная пластина 5 с электродами, закрепленная на упругомподвесе б, В центральной частипластин выполнены отверстия и наскобе 7 установлена микрокатушка 8,в основании которой расположенфиксирующий упор 9. Внутри каркасакатушки 8 расположен микромагнит 10,С другой стороны микромагнита наподвижной пластине 5 с края отверстия установлен второй фиксирующийупор 11,Микрокатушка 8 соединена с токовым выходом модулятора 12. Неподвижные электроды 3 и 4 через разделительные емкости С соединены свыходом высокочастотного генератора13, а через потенциальный ключ 14с выходом схемы уравновешивания,Генератор 13 питает дифференциальную схему емкостного моста 15, преобразующую перемещение в электричес,кий сигнал, который усиливаетсяусилителями 1 б и 17.Емкостной акселерометр работаетследующим образом.В исходном состоянии в первыйполупериод модуляции То /2 микромагнит 10 удерживается в крайнемверхнем положении на упоре 9 приположительном импульсе тока д вкатушке 8В это время ключ 14 раязомкнут. Измеряемое ускорение Хвоздействует на массу ш подвижнойопластины 5 ( блок 18) и преобразуется в силу Р, ш х , Сила Р вызыяХ овает смещение Х, пластины 5 за счетдеформации упругого подвеса 6. Смещение Х преобразуется емкостным датчиком 15 перемещения в электрическийсигнал Б,Х, который усиливается усилителем 1 б до напряжения БХ.1Во втором полупериоде модуляцииформируется отрицательный импульсУтока, выталкивающий из катушки микромагнит, который садится на фиксирующий упор 11 подвижной пластины 5,Инерционная чувствительная масса увеличивает свое значение на величинумассы микромагнита А ш ( блок 19),очему соответствует большее значениевходной силы Рхг =Рх 1 +АР х усилиеР преобразуетсяв перемещение Ха затем - в напряжение 11 =Б +ЬБ.хг хНа выходе усилителя 17 с помощью,например, разделительного конденсатора осуществляется вычитание постоян15Р, = 2-ЯБУОК, где Е - диэлектричес 3 1174 ной составляющей напряжения Бх ф присутствующей в обоих полупериодах модуляции, и выделение модуляционной составляющей, характеризуемой нулевым значением в первый полупериод модуляции и значением 60 во второй полупериод модуляции. Модуляционная составляющая напряжения усиливается в усилителе 17 до значения напряжения П,.которое через замкнутый во 10 втором полупериоде ключ 14 подводится вместе с постоянным напряжением Уд к электродам 3 и 4, Напряжение создает электростатическое усилие кая проницаемость, Б - площадь электродов, которое с точностью до величины некомпенсации ЬР уравновешивает усилие Ь Р.:При полном коэффициенте преобразования контура1уравновешивания К 1= - К К К410с х г25ф ЬРх Р 2,ЕБиЦХш, Ьа, Ьшо г где- начальный зазор междуэлектродами.При 8 =0,5 мм, Б=ЗО см , 11 о=100 В 30г 0=+10 В и при массе Ь шо =0,05 г номинальная величина компенсирующего ускорения Хо составляет величину порядка + 0,01 д. 861 4При значении массы подвижнойпластины ш =5 г в предлагаемом аксеолерометре предел измерения увеличивается на два порядка, так какувеличивается диапазон измеренияна два порядка и более. При этомточность измерения сохраняется прежней.Как следует из основного уравнения преобразования акселерометра,погрешность чувствительности определяется стабильностью параметровемкостного обратного преобразователя и практически не зависит от жесткости упругого подвеса, коэффициентов преобразования датчика перемещения и усиления.Таким образом, существенноев ш/дн " 1 О раз увеличение пределаизмерения компенсационного акселерометра осуществляется безснижения его точности, посколькупогрешность входного коэффициенташоК= -- практически равна нулю." дшаЗазор между микромагнитом и упорами составляет небольпую величинуЬ =0,1-0,2 мм.Переходные процессы ивремя задержки установки и снятия сподвижной пластины микромагнита составляет единицы миллисекунд н менее,что позволяет с достаточной точностьювыбрать частоту модуляции порядка нескольких десятков герц,учк Пожо оррек Закаэ 5180/4ВН ПодписСР б., д. 4 5 11 1Патент , г. Ужгород, ул. Проектная,Тираж ИИПИ Государствен делам изобрете 5, Москва, Ж