УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения величины и направления ускорения движущихся объектов, вибрационного ускорения различных конструкций, измерения ударов, представляющих импульсные ускорения разного уровня и направления.
Область применения устройства - на транспортных средствах, в медицине, в промышленных системах контроля, измерения и управления, в системах навигации.
В настоящее время для измерения ускорения используются различные виды устройств, основанных на разнообразных физических принципах. Известно устройство (акселерометр) для определения величины ускорения, в котором используется пленочный пьезоэлектрик.
Пленочные пьезоэлектрические акселерометры выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Эта пленка закреплена на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения [1].
Недостатками данного устройства являются плохая повторяемость характеристик в серийном производстве, высокая чувствительность к изменению температуры и давления. Это устройство не может контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы. И поэтому его основная область применения - схемы управления надувными подушками безопасности.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство (емкостной акселерометр), представляющее собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которой вытравлены из плоского куска поликремневой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне. Инерционная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Ее структура образует подвижную обкладку конденсатора переменной емкости. Растяжки по концам инерционной массы, удерживающие ее на весу, являются как бы механическими пружинами постоянной упругости. Сила инерции при воздействии ускорения уравновешивается силой упругости этих пружин. В результате смещения инерционной массы емкость между подвижной обкладкой и каждой из неподвижных обкладок изменяется. Это изменение фиксируется с помощью электронной схемы, которая преобразует изменение емкости конденсатора в выходной сигнал - электрический заряд, напряжение или ток [2].
Общим признаком предлагаемого устройства и прототипа является использование в качестве чувствительного элемента плоского конденсатора.
Недостатками известного устройства, принятого автором за прототип, являются нелинейная зависимость емкости конденсатора от перемещения подвижной обкладки и неполная восстанавливаемость при вибрациях и ударах. Кроме этого, это устройство чувствительно к загрязнениям и влажности, а также к присутствию вблизи обкладок конденсатора различных материалов, которые изменяют свойства диэлектрического материала и емкостную связь.
Целью предлагаемого устройства является повышение точности измерения и упрощение конструкции устройства, Поставленная цель достигается тем, что в устройстве измеряется разность потенциалов между обкладками конденсатора постоянной емкости или заряд на его обкладках, которые появляются в результате инерционного движения электронов в обкладках при ускоренном движении конденсатора.
Техническая сущность устройства заключается в том, что в известном устройстве содержится плоский конденсатор постоянной емкостью ~10 пФ, усилитель напряжения, источник питания и регистрирующий прибор.
Отличительными признаками устройства являются использование инерционного эффекта для электронов обкладок и измерение разности потенциалов или заряда обкладок.
Заявитель считает, что предлагаемое устройство обладает существенными отличиями от прототипа.
На фиг.1 изображена схема устройства. На фиг.2 представлен результат ударного воздействия на чувствительный элемент устройства - график зависимости разности потенциалов от времени.
0
Чувствительный элемент предлагаемого устройства представляет собой плоский конденсатор 1 малой емкости С~10 пф, который размещается в специальном металлическом корпусе 2, для защиты от внешних наводок. Для регистрации сигнала используется усилитель 3 и прибор 5.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При ускоренном движении конденсатора в направлении перпендикулярном его поверхности между его обкладками в результате инерционного эффекта возникает разность потенциалов, пропорциональная величине ускорения. Величина разности потенциалов мала, поэтому необходимо перед ее регистрацией использовать усилитель 3. Т.к. чувствительный элемент (плоский конденсатор) обладает чрезвычайно высоким выходным сопротивлением, для усиления напряжения его необходимо подключить к входу усилителя напряжения, собранного на основе полевого транзистора 4 с малым током затвора. Сигнал с усилителя подается на вход регистрирующего прибора 5. Полярность сигнала изменяется в зависимости от направления движения конденсатора.
Реализация данного устройства позволит:
1. Снизить стоимость прибора по сравнению с известными устройствами.
2. Обеспечить возможность измерения величины и направления ускорения движущихся объектов, вибрационного ускорения различных конструкций, измерения ударов, представляющих импульсные ускорения разного уровня и направления.
Источники информации:
1. Серридж М., Лихт Т.Р. Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам предусилителям. - «Брюль и Къер», 1987.
2. Маркелов А. Инерциальные МЭМС - датчики // Новости электроники. - 2007. - №5. (Прототип).