Тензоакселерометр

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 4151) С 01 Р 15/12 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 121) 3522349/24-10(54)(57) ТЕНЗОАКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус с расположенной в нем консольно защемленной балкой с инерционной массой на конце, на которой методами планарной технологии выпол,.801138748 А нен кольцеобразный нагреватель, в последнем расположены тензопреобразователь и датчик температуры, о т л ич,а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности измерения, нагреватель и элементы тензопреобразователя выполнены на основе МДП-транзисторов, датчик температуры выполнен в виде инвертора на дополнительных МДП-транзисторах, внутренние ивнешние края нагревателя образованыистоком и стоком МДП-транзистора,которые вместе с входами тензопреоб-разователя и с входами датчика температуры подключены к внешнему источнику питания, а затвор МДП-транзистора нагревателя подключен к выходудатчика температуры,С: гЩ сюф СФ 00 4 4 йь .ОбИзобретение относится к измерительной технике и может бить использовано в датчиках механических величин,например вибрации, давления, линейныхускорений и т.п. 5Известен тенэоакселерометр, содержащий корпус с расположеннойРв нем консольно защемленной балкой" инерционной массойна конце, накоторой методамипланарной технологии 10выполнены тензопреобразователь иэлементы, стабилизирующие его температуру 13,Укаэанный тензоакселерометр обестгпечивает при соответствующем подборе 15компенсационных резисторов компенсацию температурных измерений тензочувствительности. Недостатки егозаключаются в применении методов термокомпенсации с использованием пассивных навесных резисторов и термисторов, включенных в тензопреобразователь, Эти методы предполагают использование для термокомпенсациигехнологически несовместимых навесных 15элементов,что приводит к существенному усложнению тензопреобразователей1 увеличение времени подготовки кработе, увеличению габаритов, весаи потребляемой мощности ), Выполнениеакселерометра с компенсацией по этому принципу приводит к резкому уменьшению точности измерения вследствиеменьшей точности поддержания стабильности температуры тензопреобразовате ля.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности является тензоакселерометр, содержащий корпус срасположенной в нем консольно защемленной балкой с инерционной массой наконце,на которой выполнены тенэореаисторы, включенные по мостовой схеме, и нагреватель в виде диффузионного резистора, расположенного вокруг тензорезис 45торов 2..Преимуществом известного тензоакселерометра является то, что всвязи с использованием кольцеобраэного нагревателя в виде диффузионного резистора повышается точностьизмерения, так как нагреватель расположен вокруг тензорезисторов и позво."ляет с большей точностью поддерживатьстабильность температуры тензопреобразователя./Недостатком известного тенэоакселерометра является то, что нагреватель, выполненный в виде диффузионного резистора, обеспечивает поддержание постоянной температуры путемрегулирования напряжения, подаваемого на диффузионный резистор с помощьюполевого транзистора,т,етребуетподключения к нагревателю дополнительного навесного элемента, Использование навесного элемента в виде полевого транзистора приводит, с однойстороны, к усложнению технологииизготовления тензоакселерометра,с другой стороны, увеличиваетсямощность потребления за счет большей рассеивающей мощности полевого .транзистора, работающего в режимегенератора тока, Это в ряде случаеввносит погрешность в измерения деформации и функционально связанныхс ней величин, уменьшая точностьизмерения.Цель изобретения - повышениеточности измерения.Поставленная цель достигаетсятем, что в тензоакселерометре, содержащем корпус с расположенной внем консольно защемленной балкой синерционной массой на конце, на которой метоцами планарной технологиивыполнен кольцеобразный нагреватель,в последнем расположены тензопреобразовагель и датчик температуры,нагреватель и элементы тензопреобразователя выполнены на основе МДП-транзисторов, датчик температуры выполнен в ниде инвертора на дополнительных МДП-транзисторах, внутренние ивнешние края нагревателя образованыистоком и стоком МДП-транзистора,которые вместе с входами тенэопреобразователя и с входами датчика температуры подключены к внешнему источникупитания, а затвор МДП-транзисторанагревателя подключен к выходу датчика температуры,На фиг.1 представлена конструктивная схема тензоакселерометра; нафиг.2 - балка тензоакселерометра собластью расположения на ней тензопреобразователя, датчика температурыи нагревателя; на фиг.3 - структурнаясхема термостабилнзации температуры;на фиг.4 - принципиальная электрическая схема.Тензоакселерометр содержит корпусконце, На балке 3 в зоне 5 деформации расположены кольцеобразный нагреватель 6, тензопреобразователь 7 и датчик 8 температуры.Принципиальная электрическая схема 5 тензоакселерометра (фиг.4) содержит тензопреобразователь, выполненный на основе тензочувствительных МДП- транзисторов 9-12, соединенных по мостовой схеме, датчика температуры в виде инвертора на дополняющих МДП-транзисторах 13 и 14 и нагревателя на основе МДП-транзистора 15. Последний электрически связан истокомистоком с входами тензопреобразовате ля и с входами датчика температуры,. а затвор связан с выходом датчика температуры.Устройство работает следующим образом. 2 СПо действием деформации малые изменения токов стока МДП-транзисторов вызывают большие изменения напряжения на выходе из-за большого выходного сопротивления МДП-транзис торов 9-12. Изменения напряжения на стоке регистрируется измерительными приборами на выходе. Параметры МДП-транзистора существенно зависят от температуры окружающей среды, .О что приводит к погрешностям измерения, вызванным влиянием температурных колебаний, кроме того, температурные зависимости параметров МДП- транзисторов выше,чем у диффузионных элементов, поэтому целесообразно использовать термостабилизацию как один из самых эффективных способов устранения температурных погрешностей, а не термокомпенсацию, При ста билизации температуры балки 3 температурный дрейф и температурная зависимость тензочувствительности будут отсутствовать или существенно уменьшаться. Поэтому для постоянства зависимости изменения напряжения на выходе тензопреобразователя, состоящего из МДП-транзисторов 9-12, под . деиствием деформации при изменении температуры окружающей среды на одном 50 кристалле с тензопреобразователем выполнены методами планарной технологии дополнительные стабилизирующие элементы: кольцеобразный нагреватель в виде МДП-транзистора 15, датчик температуры в виде инвертора на МДП-транзисторах 13 и 14. Для уменьшения температурных погрешностей тензопреобразователя, ввиду сложного характера температурных зависимостей используют систему термостабилизации разогревом (микростатирование при 60 С). Зависимость мощности, выделяемой в МДП-транзисторе 15 (нагревателе) при 60 дС, от изменения температуры окружающей среды в пределах +60 С измерялась по величине ЭДС термопары, а температура кристалла фиксировалась по прямому падению напряжения на датчике температуры,После замыкания петли термостабилизации путем соединения выхода инвертора датчика температуры с затвором разогревающего МДП-транзистора схема термостабилизации начинает. отрабатывать сигнал .рассогласования пока температура кристалла не становится равной заданной (+60 С).Время отрабатывания системы 1,5 с и оценивается при помощи осциллографа. Кроме того, в случае использования в качестве термостабилизирующего элемента МДП-транзистора не требуется дополнительного источника питания, так как МДП-транзистор (нагреватель) истоком и стоком связан с входами тензопреобразователя, а на затвор транзистора может быть подано напряжение непосредственно с выхода датчика температуры и тем самым осуществляется регулирование температуры чувствительного элемента без введения дополнительных усилительно-преобразующих схем, для управления требуется очень малая мощность, так как сопротивление затвор в ист, затвор-сток очень высоки и управляющий ток мал, значительно упрощается технология изготовления чувствительного элемента, а следовательно, упрощается конструкция тензоакселерометров в целом, резко снижается время их подготовки к работе.Испытания лабораторных образцов тензоакселерометров показали, что такие тензоакселерометры обспечивают выходной сигнал на уровне 1 В при деформации2.10 и температурный коэффициент чувствительности составляет величину,не превышающую 0,01 ЕОС. ( У йзвестного тензоакселерометра выходной сигнал на уровне 100 мВ при тех же уровнях деформации и температурный коэффициент . 0,1 Х фС ").В диапазоне измерения температуры окружаю-, щей среды на 120 С температура крис 11 ЗЗМ 8талла изменялась не более чем на 12 С. Точность поддержания температуоры можно увеличить путем увеличения теплосопротивления. При Е =24 В от, -йИт ношение выходного сигнала к темпера- . 5 турному изменению начального разбаланса равно 4,2 без термостабилизации и 170 с термостабилизацией при =1,3 10 ф,т.е, выходной сигнал при поддержании температуры кристалла, постоянной не зависит от температуры окружающей среды, отсутствует дрейф, нулевого уровня ( у известных акселерометров подобного типа без термостабилиэации дрейф нулевого уровня по рядка 100-400 мВ)т.е отношение полезного выходного сигнала к начальному разбалансу повышается, что приводит к повышению точности измерения.20Использование предлагаемого тензоакселерометра по сравнению с извест ным аксерометром - низкочастотным полупроводниковым АНЭ - 205 позволит обеспечить возможность создания тензоакселерометров с большим выходным сигналом, и высокой чувствительностью ( по предварительным испытаниям у лабораторных образцов выходной сигнал и чувствительность в 5 раз выше), благодаря высокой чувствительности тензоакселерометр обеспечит измерение деформации порядка 1 О ; повысить точность измерения вследствие исполь- зования для термостабилиэации кольцеобраэного нагревателя на основе ИДП- транзистора на 10%; снизить потребляемую мощность вследствие отсуствия бесполезного рассеивания мощности на нагревателе; возможность использования групповых методов стандартной ,планарной технологии МДП-интегральных схем; значительно уменьшить габариты, вес и объем тензоакселерометра; уменьшить время подготовки тензоакселерометра к работе.1138748 Ели Составитель Н,Мараховскаяактор С.Патрушева ТехредС,Мигунова Корректор О.Тиго аз 1068 одпи комитета СССоткрытийкая наб.,д,4 филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4 35 Тираж 897ВНЮПИ Государственногпо.делам изобретений113035;Москва,Ж,Рауш