Электростатический акселерометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 5 1 4 ОС ПО ЕТЕНИ ПАТЕНТУ де РГК)(54) (57) роме ЕПкие РОИЕТРкселеускоиусиния лии,АРСТВЕННЫЙ. КОМИТЕТ СССР ЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Оффис Насьональ дфЭтюд эшерш Аэроспасьаль О,Н,Е,Р,А,(56) Патент ВеликобританииВ 1134655, кл. С 1 Н, 1968,Патент Франции У 2124055,кл. 6 01 Р 15 ГОО, опублик, 19 ЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ АКСзобретение относитсяам, в которых измеренпроизводится на основанеобходимых для удержания 08206 АЗ ционного элемента в состоянии покоя.Цель изобретения - повышение точности измерения. Устройство содержитинерционный элемент 1, электроды 2и 3, размещенные в корпусе, Электроды 2 и 3 соединены со схемой 4 опре"деления положения, которая измеряетразность емкостей между инерционнымэлементом 1 и электродами 2 и 3, Разностный сигнал подается на схему 5для выработки сигналов контроля расположения, которые могут быть либопостоянными, либо переменными. Электрод 3 соединен со схемой 8 для компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента 1.Вибрирующий электрод 15 составляетчасть схемы 16 компенсации постоянной составляющей потенциала инерционного элемента 1, 6 ил.1 130820Изобретение относится к акселерометрам, в которых измерение ускорения производится на основании усилий, необходимых для удержания инерционного элемента в состоянии покоя или 25 30 Электроды 2 и 3 соединены посредством конденсаторов 17 и 18 с клеммами вторичной обмотки дифференциального трансформатора 19, На первичную обмотку дифференциального трансформатора подается напряжение от источника 20 переменного напряжения с угловой частотой у . Средняя точка 21 вторичной обмотки дифференциального трансформатора. 19 соединена с одной из клемм вторичной обмотки второго дифференциального трансформатора 22, Другая клемма вторичной обмотки дифФеренциального трансформатора 22 заземлена посредством конденсатора 23 известной емкости С, Первичная обмотка дифференциального трансформатора 22 соединена с источником 24 переменного тока с угловой частотой И 35 40 45 50 Средняя точка 25 дифференциального трансформатора 22 соединена с входом операционного усилителя 26 с емкостью С обратной связи, Выход этого операционного усилителя соединен с двумя синхронными детекторами 27 и 28, на которые поступают сигналыс угловыми частотами у и Ю от соот 55 подаче назад в положение, определяемое относительно корпуса устройства,в частности к акселерометрам, гдеэти усилия вырабатываются электростатически,и направлено на их улучшение 10с точки зрения повышения их точности.Цель изобретения - повышение точности измерения.,На Фиг,1 изображена блок-схемаакселерометра; на фиг. 2 - схема дляопределения положения инерционногоэлемента; на Фиг, 3 и 4 - блоки компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента; на фиг,5 - блок компенсации постоянной составляющей потенциала инерционного элемента; на Фиг, б - вычислительнаясхема. На Фиг,1 обозначен инерционныйэлемен 1 и электроды акселерометра.Инерционныи элемент выполнен сферическим (в виде шара) и плавает вкорпусе (не показан). Три пары полюсных электродов, расположенных в корпусе вместе с измерительным элементом (шаром), создают последовательность емкостей (конденсаторов),Каждый электрод играет роль как электрода определения положения, так иэлектрода контроля положения, Нафиг,1 показаны оба электрода 2 и 3в одной паре,Электроды 2 и З.соединены со схемой 4 определения положения, Эта схема, в частности; измеряет разностьемкостей (С-С ) между инерционнымэлементом и электродами 2 и 3, атакже величину (С 1 + С) - С, гдеСо - известная емкостная величина,Разностный сигнал (С,-С) подается на схему 5 для выработки сигналовконтроля расположения, Сигналы контроля расположения, выработанные схемой 5, подаются на электроды 2 и 3,Эти сигналы могут быть либо постоянными, либо переменными.Величина (С,+С ) - С передаетсяна вычислительную схему б, котораявыдает измеренную величину ускорения на блок 7 индикации.Электрод 3 в электродной системе акселерометра соединен со схемой8 для компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента. Выход схемы 8 соединен сэлектродами 9 и 10.Если сигнал контроля положенияпеременный, то необходима втораясхема 11 для компенсации переменнойсоставляющей потенциала инерционного элемента, причем эта схема идентична схеме 8, но работает на другойчастоте. Ее вход подсоединяется кэлектроду 12, а выходы - к электродам 13 и 14, Вибрирующий электрод15 в электродной системе акселерометра составляет часть схемы 16 компенсации постоянной составляющей потенциала инерционного элемента, Входсхемы 16 соединен с электродами 2и 3 определения положения и контро-.ля положения, а выходы - с теми жеэлектродами,На фиг. 2 представлена измерительная схема 4 сигнала определения положения, содержащая инерционный элемент (шар) 1 и электроды 2 и 3 создающие емкости С, и С с шаром 1, атакже часть кожуха, не снабженнуюэлектродами, создающую емкость Сс шаром, которая значительно больше,чем С 1 и С 23 13082ветствующих источников 20 и 24 переменного напряжения.Сигналы, возникающие на выходесинхронного детектора 27, пропорциональные (С,-С ), подаются на схему 5выработки сигнала контроля положения,Схема 5 в основном содержит элемент29 коррекции и дифференциальный усилитель 30, Когда сигналы контроляположения являются переменными с час тотой я;, схема содержит модулятор31, у которого эта высота являетсянесущей. Выход схемы 5 сигнала контроля положения соединен с электродами 2 и 3 посредством резисторов 32 15и 33.1Сигнал, возникающий на выходе 11пропорциональный величине (С, +С ) -Ся,когда потенциал Ч/а / шара на частоте Я является нулевым, подается на 20вычислительную схему 6.Для исключения любых погрешностейпри измерении ускорения, вносимых паразитными емкостями Ср 1 е Ср 2, Срмежду электродами и проводниками, находящимися на потенциале земли,и контроля положения окруженызащитными электродами 34 и35, Последние соединены с экраном 36,который также охватывает источникипеременного напряжения и трансформаторы и соединен со средней точкой 25вторичной обмотки трансформатора 22и с одним входом операционного усилителя 26. 35 06 Если е представляет собой амплитуду на клеммах вторичной обмотки дифференциальных трансформаторов 19 и 22, то входные сигналы на схему 4 40 измерения сигналов определения положения могут быть записаны в виде: с, - с,) е;)ЪС,+е; Сведение к нулю постоянной или слабо изменяющейся компоненты инерционного элемента аналогично показанному на фиг, 3 и 4, за исключением того, что измерение этой постоянной величины не может быть осуществлено при использовании фиксированного электрода. Должен использоваться вибрирующий электрод. 45 50 Вибрирующий электрод 15 состоит из пьезоэлектрического (керамического) элемента, который подключен к источнику 45 с угловой частотой й , Этот электрод модулирует емкость С%МЧ/и / имеет отношение к амплитуде составляющей потенциала инерционного элемента на частоте Сд .Равенство (2) длясодержит паразитную величину Ч(я), поэтому необходимо предпринять меры для исключения постоянного потенциала Ч ипотенциала Ч/ы/ при угловой частоте д инерционного элемента. Если ктому же сигналы контроля положенияявляются переменными с частотой М;,то потенциал инерционного элементана этой частоте также должен бытьисключен.Целью схем 8 11 и 16 являетсяустранение этих потенциалов за счетсведения к нулю,На фиг. 3 и 4 показаны схемы компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента начастотах сд (фиг,3) и У; (фиг.4).Переменный потенциал инерционного элемента усиливается в операционном усилителе соответственно 37 или38 и детектируется в синхронном детекторе 39 или 40. Детектированныйсигнал подается на интеграторы 41или 42, а оттуда - на модулятор 43или 44. С выхода модулятора 43 или44 сигнал одновременно подается насимметричные электроды 9 и 10 или13 и 14.На синхронный детектор 39 и модулятор 43 поступает. сигнал с частотой а от источника 24 переменногонапряжения. На синхронный детектор40 и модулятор 44 поступает эталонный сигнал с частотой Я , котораяявляется частотой сигнала контроляположения, от модулятора 31 (фиг.2),Ввиду независимости частот с 0и а; обе операции сведения к нулюдолжны осуществляться отдельнымисхемами, которые показаны на фиг, 3и 4 одна из которых работает на1частоте Я , а другая - на частоте И;.На фиг. 5 показана схема, компенсирующая постоянную составляк)щую потенциала инерционного элемента.(5) 5 Электростатический акселерометр, содержащий кожух с расположенным в нем .инерциойным элементом в виде шара, систему электродов расположенную в соответствии с координатными осями и образующую электростати" ческий подвес, схему определения положения шара содержащую первый емкостный мост конденсаторы которого соединены с вторичной обмоткой первого дифференциального трансформатора, первичная обмотка которого подключена к источнику переменного напряжения, операционный усилитель с емкостью в цепи обратной связи, выход которого соединен с одним из входов синхронного детектора второй вход которого соединен с источником переменного напряжения, а вход подключен к одному из электродов, схему контроля положения шара, содержащую элемент коррекции, вход которого соединен с выхоцом синхронного детектора а выход - с последовательно соединенными дифференциальным усилителем и модулятором, и блок индикации, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй емкостный мост, второй дифференциальный трансформатор, одна из клемм вторичной обс," бСХ(7) Потенциал Ч подается на электроды 2 и 31 усиливается операционным усилителем 46 и детектируется синх ронным детектором 47, Детектированный сигнал подается на интегратор 48, а оттуда - на усилитель 49, Выходной сигнал с последнего подается на электроды 2 и 3 детектирования поло жения и контроля положения, Так как в трехмерном акселерометре имеется три пары электродов определения положения и контроля положения, то одна из этих пар служит также для устра нения постоянного потенциала инерционного элемента.На фиг,6 показана вычислительная схема 6, На эту схему поступают следующие сигналы; сигналы определения положения о, р (Лиг.2); сигналы контроля положения Ч Ч, (фиг.2), идущие на электроды 2 и 3, а также другие сигналы определения положения и контроля положения, идущие от элект родов и направляющиеся к парам электродов относительно других координатных осей.Поперечное сечение электрода предполагается весьма малым, так что кон денсаторы электрод - шар могут быть сравнимы с плоскими кондЕнсаторами с емкостью заданной уравнением где Я - диэлектрическая постоянная;б " площадь поверхности,Х - переменная высота конденсатора.После дифференцирования уравнения (6) относительно Х получается следующее уравнение: Блок 50 позволяет вычислить разность (С-С ),в то время как блок 51 вычисляет сумму (С, +С ),Сумматор-вычитатель 52 выдает сигналы, представляющие С, и С , Эти сигналы возводятся в квадрат в блоке 53 возведения. Полученные таким образом сигналы 6 6пропорциональны ЧС Ч С и эквивалентным величинам ЧС, Я С, Ч С и 7 С относительно других пар электродовВеличины Ч, и Ч , а также эквивалентные величины ЧЗэ ЧЧи Ч 6 относительно других пар электродов возводятся в квадрат в блоках 54 и 55 возведения и других (не показаны), а полученные таким образом квадраты умножаются на ЧС, до Ч С в умно- жителях от 56 до 61 с тем чтобы по лучились величины от ЧС, (Ч) до 7 С(Ч 6)Сумматоры 62-64 осуществляют следующие сложения:7 С/Ч / 4 7 С/Ч 2 /ЧС,/Ч,/ + ЧС,/Ч,/;ЧС /Ч/ + ЯСь/Ч / а сигналы, выходящие из этих сумматоров, являются составляющими соответственно Р, Р и Р электростатичес кой силы Р. Ф о р м у л а. и з о б р е т. е н и ямотки которого заземлена через введенный конденсатор, а другая клеммавторичной обмотки соединена со средней точкой вторичной обмотки первого дифференциального трансформатора,второй источник переменного напряжения, соединенный с первичной обмоткой второго дифференциального трансформатора, средняя точка вторичнойобмотки которого соединена с входом Юоперационного усилителя и одним иззащитных электродов, при этом входоперационного усилителя соединен сдругим защитным электродом, а такжевторой синхронный детектор, один из 5входов которого соединен с вторымисточником переменного напряжения,а другой вход " с выходом операционного усилителя и одним иэ входов первого синхронного детектора, а также 20вычислительная схема, подключеннаяк блоку индикации и включающая блоки вычитания и сложения, входы которыхсоединены с выходом схемы определения положения шара, сумматор-вычитатель входы которого соединены с выходами блоков вычитания и сложенияблок вычисления градиента вход которого соединен с выходом сумматоравычитателя, квадраторы, входы кото- ЗОрых соединены с соответствующимиэлектродами, умножители, входы которых подключены к выходам блока вычисления градиента и выходам квадраторовсумматоры, входы которых соединены с выходами умножителей, а выходы - с входами блока индикации, а также два блока компенсации переменной составляющей потенциала инерционного элемента, каждый из которых содержит операционный усилитель с емкостью в цепи обратной связи, вход которого соединен с соответствующими симметричными электродами, а выход подключен к входу синхронного детектора, интегратор, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, второй вход которого подключен к соответствующему источнику переменного напряжения, а выход - к вычислительной схеме, и модулятор, один вход которого соединен с выходом интегратора, другой вход - с выходом второго источника переменного напряжения схемы определения положения, а выход подключен к соответствующей паре электродов, а также блок компенсации постоянной составляющей потенциала инерционного элемента, содержащий источник питания, вход которого соединен с соответствующими электродами, синхронный детектор, один из входов которого соединен с выходом источника питания, а другой - с выходом операционного усилителя, вход которого подключен к соответствующим электродам, интегратор, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, а выход - с входом усилителя, выход которого подключен к соответствующим электродам, при этом выход синхронного, детектора подключен к входу вычислительнойсхемы.308206 СоставительТехред В.Кад рахов ск Корректор А. Знмокосов едактор М,Петров каз 164 б 59 Тираа 777 ПГосударственного комитета СССРлам изобретений и открытийМосква, Ж-Э 5, Раувская наб д.4/ н НИИП по 1130