ЛИНЕЙНЫЙ МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТР
LINEAR MICROACCELEROMETRE

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения линейного ускорения, например, в инерциальных системах навигации.
Известен акселерометр (патент RU №2063047, МПК G01P 15/08, 27.06.1996), содержащий маятниковую инерционную массу на упругом подвесе, выполненную в виде прямоугольной пластины, датчик положения и компенсационный преобразователь, включающий две магнитные системы, каждая из которых состоит из магнитопровода и основного постоянного магнита с полюсным наконечником.
При движении объекта с ускорением в направлении оси чувствительности прибора инерционная масса отклоняется относительно неподвижных пластин. Отклонение пластины регистрирует и преобразует в ток датчик положения. Компенсационный преобразователь развивает при этом силу, равную инерционной силе пластины. Причем ток, протекающий через обмотки катушек, пропорционален кажущемуся ускорению объекта в направлении оси чувствительности.
Недостатками известного устройства являются малый частотный диапазон измеряемого входного воздействия, массогабаритные характеристики.
Известен акселерометр (патент RU №2313100, МПК G01P 15/13, 2006.03.20), содержащий инерционную массу на упругом подвесе, выполненную в виде кварцевой пластины, датчика положения, образованного поверхностями с металлическим напылением с двух сторон, расположенными на инерционной массе и обращенными к ней поверхностями, размещенными в корпусе, источник тока и компенсационный преобразователь, состоящий и двух катушек, закрепленных на инерционной массе, и двух постоянных магнитов, расположенных в корпусе.
При действии ускорения вдоль оси чувствительности инерционная масса отклоняется от своего среднего положения. Это отклонение фиксируется датчиком положения, сигнал с которого подается на катушки компенсационного преобразователя. Ток, протекая по катушкам, образует магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов. Возникающая при этом сила компенсирует инерционную силу подвижной пластины и возвращает ее в исходное положение. По величине тока, протекающего по катушкам, судят о величине ускорения, действующего на акселерометр.
Недостатками известного устройства являются малый частотный диапазон измеряемого входного воздействия, массогабаритные характеристики.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство "ADXL50" (Doscher J. Accelerometer Design and Applications. Analog Devices. 1998), содержащее инерционную массу на упругих подвесах, состоящую из дифференциальной конденсаторной структуры с воздушным диэлектриком, подвижные обкладки которой вытравлены из плоского куска поликремниевой пленки, а неподвижные жестко закреплены в корпусе и лежат в одной плоскости параллельно друг другу и подвижным обкладкам, датчик положения, компенсационный преобразователь, корпус, крышку и источник тока.
В исходном состоянии противофазные сигналы прямоугольной формы и одинаковой амплитуды подаются от генератора на две смежные неподвижные обкладки. В результате образуются две емкости между подвижной и неподвижными обкладками, которые при отсутствии ускорения равны, поэтому на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды и, следовательно, разностный сигнал на выходе равен нулю. При ускорении, действующем на акселерометр, меняются величины емкостей и, следовательно, разностный выходной сигнал, причем его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.
Недостаткам данного устройства является низкая точность измерения линейного ускорения.
Задачей является создание линейного микроакселерометра, измеряющего линейные ускорения с большей точностью.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности измерения линейных ускорений при сохранении массогабаритных характеристик.
Технический результат достигается тем, что в линейный микроакселерометр, содержащий инерционную массу на упругих подвесах, датчик положения, компенсационный преобразователь, источник тока, корпус и крышку, дополнительно введены вторая инерционная масса на упругих подвесах, второй датчик положения, второй компенсационный преобразователь, два ключа и два компаратора, инерционные массы выполнены в виде прямоугольных пластин из монокристаллического кремния и расположены в одной плоскости последовательно друг за другом вдоль оси чувствительности с возможностью линейного перемещения, компенсационные преобразователи для каждой инерционной массы выполнены в виде двух постоянных магнитов, размещенных на крышке и корпусе, и напыленных на поверхности прямоугольных пластин перпендикулярно оси чувствительности токопроводящих дорожек, замкнутых по периметру, датчики положения для каждой инерционной массы выполнены в виде двух пар излучателей и фотоприемников, где первые из них расположены в отверстиях крышки над прямоугольными пластинами, а вторые соосно с ними размещены в корпусе, причем каждая пара расположена таким образом, что торцы прямоугольной пластины являются модуляторами светового потока от излучателей к фотоприемникам, при этом первый вход первого компаратора соединен с выходом первого фотоприемника, второй вход соединен с выходом второго фотоприемника, выход первого компаратора соединен с первым входом ключа, ко второму входу которого подсоединен источник тока, выходы первого ключа через упругие подвесы соединены с токопроводящими дорожками первой инерционной массы, первый вход второго компаратора соединен с выходом третьего фотоприемника, второй вход соединен с выходом четвертого фотоприемника, выход второго компаратора соединен с первым входом второго ключа, ко второму входу которого подсоединен источник тока, выходы второго ключа через упругие подвесы соединены с токопроводящими дорожками второй инерционной массы.
Технический результат достигается за счет того, что инерционная масса совершает колебания вдоль оси чувствительности под действием знакопеременного сигнала постоянного тока, формируемого в цепи обратной связи. При этом наличие входного воздействия приводит к смещению центра колебаний и возникновению временной модуляции сигнала.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении изобретения в силу того, что содержащиеся в заявленном устройстве инерционные массы, упругие подвесы, постоянные магниты, корпус, крышка, излучатели, фотоприемники, токопроводяшие дорожки, ключ, источник тока, компаратор могут быть эффективно использованы для измерения линейного ускорения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного линейного микроакселерометра, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена конструктивная схема датчика и введены следующие обозначения:
1 - Первая инерционная масса
2 - Вторая инерционная масса
3 - Упругие подвесы
4 - Постоянные магниты
5 - Токопроводящие дорожки
6 - Крышка
7 - Корпус
8 - Излучатели первого датчика положения
9 - Излучатели второго датчика положения
10 - Фотоприемники первого датчика положения
11 - Фотоприемники второго датчика положения
12 - Первый компаратор
13 - Второй компаратор
14 - Первый ключ
15 - Второй ключ
16 - Источник тока
В предлагаемом линейном микроакселерометре две инерционные массы 1, 2 размещены на упругих подвесах 3 в зазоре между полюсами постоянных магнитов 4 с возможностью линейного перемещения и выполнены в виде прямоугольных пластин из монокристаллического кремния, на поверхности которых напылены, перпендикулярно оси чувствительности, токопроводящие дорожки 5, замкнутые по периметру. Постоянные магниты 4 закреплены на крышке 6 и корпусе 7. Датчики положения для каждой инерционной массы 1, 2 выполнены в виде двух пар излучателей 8, 9 и фотоприемников 10, 11, где первые из них 8, 9 расположены в отверстиях крышки 6, над прямоугольными пластинами, а вторые 10, 11 соосно с ними размещены в корпусе 7, причем каждая пара расположена таким образом, что торцы прямоугольной пластины являются модуляторами светового потока от излучателей 8, 9 к фотоприемникам 10, 11. При этом первый и второй входы компаратора 12 соединены с выходами фотоприемников 10, а первый и второй входы компаратора 13 с выходами фотоприемников 11, выходы компараторов 12 и 13 соединены с первым и вторым входами ключей 14, 15 соответственно, а к первому и второму входам ключей 14, 15 подсоединен источник тока 16, выходы ключей 14, 15 через упругие подвесы 3 соединены с токопроводящими дорожками 5 соответствующих инерционных масс 1, 2.
Линейный микроакселерометр работает следующим образом.
В исходном состоянии инерционная масса 1 на упругих подвесах 3 перекрывает поток излучения одного из излучателей 8. При этом второй излучатель 8 открыт, в результате на выходе второго фотоприемника 10 появляется сигнал, который приводит к срабатыванию компаратора 12. Выходное напряжение компаратора 12 управляет ключом 14, который подключает источник тока 16 к токопроводящим дорожкам 5 инерционной массы 1. Магнитное поле постоянных магнитов 4, взаимодействуя с полем тока, протекающего в токопроводящих дорожках 5, перемещает их вдоль оси чувствительности так, что инерционная масса 1 перекрывает поток излучения второго излучателя 8 и открывает поток первого излучателя 8. На выходе первого фотоприемника 10 появляется сигнал, который приводит к срабатыванию компаратора 12 и переводит его в другое устойчивое состояние. При этом ключ 14 подключает источник тока 16 к токопроводящим дорожкам инерционной массы 1 так, что по ним течет ток противоположного направления. Далее процесс переключения будет повторяться. Аналогичный процесс происходит с инерционной массой 2, которая в исходном состоянии перекрывает поток излучения одного из излучателей 9 так, что поток второго излучателя 9 при этом открыт. В результате на выходе второго фотоприемника 11 появляется сигнал, который приводит к срабатыванию компаратора 13. Выходное напряжение компаратора 13 управляет ключом 15, который подключает источник тока 16 к токопроводящим дорожкам 5 инерционной массы 2. Магнитное поле постоянных магнитов 4, взаимодействуя с полем тока, протекающего в токопроводящих дорожках 5, перемещает их вдоль оси чувствительности так, что инерционная масса 2 перекрывает поток излучения второго излучателя 9 и открывает поток первого излучателя 9. Таким образом, инерционные массы 1, 2 совершают автоколебания с некоторой частотой и амплитудой в противофазе, при этом на выходах ключей 14, 15 имеет место последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна измеряемой физической величине.
Повышение точности измерений достигается за счет введения режима автоколебаний и уменьшения вследствие этого вредных моментов, действующих на инерционные массы.
Таким образом приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике, а именно в линейных акселерометрах для измерения линейного ускорения, например в инерциальных системах навигации;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".