Емкостный акселерометр

(5 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН А ВТОРСКОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 380/10 ии 5 э 7 Д ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМОРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике и мо жет быть использовано при измеренин ускорений. Цель изобретения - повышение быстродействия за счет умень шения числа рабочих тактов. Работа акселерометра осуществляется периодически в два такта: такт измерения и такт компенсации. В такте измерения на входы усилителей 8 и 9 поступает импульсный сигнал с источника 5 опорного напряжения. Выходные напряжения усилителей д и 9 детектируются фазочувствительными демодуляторами (фЧД) 10 и 11 и поступают на вход дифференциального усилителя 12,Выходные напряжения усилителя 2 подаЭются на вычитатель 20 и сумматоры1645906 13 и 14, Выходное напряжение вычитателя 20 является выходным напряжением акселерометра, В сумматорах 13 и 14 сигнал усилителя 12 складывается с5 аналоговым сигналом источника 15 опорного напряжения и поступает на входы коммутаторов 16 и 17 для использования в такте компенсации. В такте ком В такте измерения ( Г ац) коммутаторы 16 и 17 и ключи 21 и 22 - вположении а, и на входы усилителей8 и 9 поступает напряжение 11 ц. Выходные напряжения усилителей Д 11 Х 1,.и А БХ выпрямляются (П Х,н ПХ )фазочувствительными демодуляторами1 О и 11 с фильтрами (РС) на выходеи поступают на входы дифференциального усилителя 12. Разностное напря жение Д Цхх - о к усиливается, а выходные напряжения усилителя1 Х 1 и Цскладываются с опорнымБ 0 в сумматорах 13 и 14 и вычитаются в вычитателе 20. Разность напря жений о Х = ПХ 1 - П является выходным информативным напряжением. Гумманапряжений Б 0 + ПХ и Б + П поступает на входы б коммутаторов 16 и17 и служит для компенсации измеряемого ускорения.В такте компенсации (То) коммУтаторы 16 и 17, ключи 21 и 22 - вположении б. Напряжения Ц + ПиБ 0 + БХ поступают на входы гиперболических цепей усилителей 9 и 8, а ихвыходные напряжения П 1 и Б к приложены к электродам 7 и 6 и создаюткомпенсирующее усилие Р, возвращающее чувствительную пластину 1 к начальному положению.Взаимосвязь звеньев уравнов(Япивающей системы акселерометра показанана структурной схеме (фиг.2),Изобретение относится к информационно-измерительной технике и можетбыть использовано для измерения ускорений.Цель изобретения - повышение быстродействияНа фиг.1 изображена функциональная схема предложенного акселерометра; на фиг. 2 - его структурная схема;на фиг.З - временные диаграммы работы,Емкостный акселерометр содержитчувствительный элемент - подвижнуюпластину 1, тонкие перемычки 2,основание 3, электроды 4 и 5 на подвижной пластине, электроды 6 и 7 на основании, первый и второй операционные усилители (ОУ) 8 и 9, Фазочувствительные демодуляторы 1 О и 11,дифференциальный усилитель 12 с парафазными выходами, первый и второйсумматоры 13 и 14, источник 15 опорного напряжения, коммутаторы 16 и 17,генератор 18 импульсов, делитель 19частоты, вычитатель 20, первый и второй электронные ключи 21 и 22, первый и второй эталонные конденсаторы23 и 24.При работе акселерометра действуют следующие сигналы.Генератор 18 формирует импульсыс периодом Т , на выходе делителяформируются импульсы с периодом 2 Т(фиг.З). На импульсном выходе ис точника 15 опорного напряжения 15формируется импульсное двухполярноенапряжение Пц (фиг.З) с амплитудойи периодом ТРабота акселерометра осуществляется периодически в два такта: тактизмерения Т 0 ц (коммутаторы 16 и 17в положении а) и такт компенсацииТ к (коммутаторы в положении б), ипоясняется временными диаграммамифиг.З. пенсации напряжения с сумматоров 13и 14 через коммутаторы 16 и 17 поступают на входы гиперболических цепейусилителей 8 и 9, выходные напряжения которых приложены к электродам6 и 7 и создают компенсирующее усилие, возвращающее чувствительнуюпластину 1 в исходное положение. 3 ил. Измеряемое ускорение Х ф воздействует т н а массу апласти,ны(фиг.2) и преобразуется в силу Г = и Х . Усилие Г уравиовеиК ю Х шивается усилием Е электростатическкой компенсации. Разность усилий ГК = РХ - Р 1 через упругую перемычку 2 с жесткостью И преобразуется в смещение Х, которое вызывает изменение емкостей между электродами 5 и1645906и электродами 4 и 6 2 1 О коэФФициентом передачи Кх(ц сх р-О К и цепь обратной связи с21.1 оСоко ФФициентом = -., Козффи- с 15 пиент преобразования разомкнутойсистемы т.е. добротность ееопределяется величинойг-опяТК сопяТ,ф 401 о Соа измеряемое ускорение Х. = --хп .С,Д Х р чяются фазочувстнительнымв демодуляторами 10 и 11 и их выходные 4 напряжения подаются на входы диФФе ХСо(ЗОРо БР1(Я 2 1з-- (Ц + 2 Ео Я7 Ск( Я +ХЯ, гС Х-- , -- , где Е - диэлектриС.Ьческая проницаемость воздуха, Я площадь электродов; о - зазор межоду электродами.Изменение емкостей в такте измерения преобразуются гиперболической цепью с усилителями 8 и 9 в электрические сигналы: ЬБ Х( = 1 о(бо+Х) и АОХ - У- (6 - Х) гЭСо и С о - емкости эталонных конденсаторов 23 и 24. Напряжения ЬБ иХ( Б, вып ям.ренциального усилителя 12.ХРазностное напряжение ( усиливается в К раз и выходные напряже- ниЯ 0 х( и Бкг, Равные по величине и противоположные по знаку, суммируптся с Г и в такте компенсации подаются на входы гиперболической цепи усилителей 8 и 9, выходные напряжения которыхТаким образом, в такте измерения гиперболическая цепь линеаризации включена в прямую цепь преобразования перемещения Х в электрический сигнал Ьк, в такте компенсации включена в цепь обратной снязи для формирования компенсирующих напряжений (11 и Бк, которые создают компенсирующие усилия: 21 о СоГ 0 те. компенсирлощее усилие пропорционально выходному напряжению и не зависит от зазора между электродами.Структурная схема (фиг.2) содержит цепь прямого преобразования с ормулаи зоб ретения Гмкостный акселерометр, содержащий ос но наине, к рывку, чунс тнительную подвижную пластину из монокристалла кремния, соединенную с основанием перемычками, изолированные электроды в основании, крьппке и с двух стоон подвижной пластины, а также первый эталонны. конденсатор, электронные ключи, операционные усилители, генератор импульсов, делитель частоть 1, первый сумматор,источник опорного напряжения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него дополнительно введены второй эталонный конденсатор, второй сумматор,фазочувстнительные демодуляторы, вычитатель, коммутаторы, дифференциальный усилитель с парафаэным выходом, при этом выходы первого и второго коммутаТоров подключены соответстнен" но через первый и второй эталонные конденсаторы к инверсным входам соответственно первого и второго операционных усилителей, в цепи отрицательных обратных связей которых вклю" чены подвижные и неподвижные электроды каждой из сторон подвижной плас На чувствительный элемент 1 ноздействует разность усилий РкРк, -Р, которая при (1 Х = -Гкг равна тины и крьппки, выходы первого и второго операционных усилителей соответственно через первый и второйэлектронные ключи и первый и второйФазочувствительные демодуляторы под"аказ 13 Ь ВНЯП 1 И Гос Тираж 355 1 одписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раущская наб., л, /5 Производственно- издательский комбинат "11 атент", г.ужгород, у Гагарина, 10 ключены сооветственно к неинверсному и инверсноМу входам дифференциального усилителФ первый и второй выходы которого подключены к первымвходам соответственно первого и второго сумматоров, выходы которых по.включены к вторым входам сооть- -денно первого и второго коммутаторов,1 первые входы которых подключены кимпульсному выходу источника опорно -го напряжения, аналоговый выход которого соединен с вторыми входами сумматоров, а управляющий вход - с управляющими Входами фазочувстви 3тельных демодуляторов, входом дели- теля частоты и выходом генератора импульсов, причем выход делителя частоты соединен с управляющими входами коммутаторов и электронных ключей, а первый и второй выходы диффе ренпиального усилителя подключены квходам вычитателя, выход которого является выходом акселерометра.