КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
COMPENSATION ACCELEROMETER

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям линейных ускорений.
Известен компенсационный акселерометр [1], содержащий корпус, пластину из монокристаллического кремния с подвижной частью, неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения, дифференциальный магнитоэлектрический силовой преобразователь с двумя постоянными магнитами на корпусе и установленной на подвижной части пластины компенсационной катушкой.
Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2], содержащий корпус, первую пластину из монокристаллического кремния с внешней подвижной частью, внутренней неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом в виде электропроводной поверхности первой пластины и двумя неподвижными электродами на второй пластине, расположенной на одной стороне неподвижной части первой пластины, третью пластину, расположенную на другой стороне неподвижной части первой пластины, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе со стороны второй пластины и установленной на подвижной части первой пластины посредством подставок кольцевой компенсационной катушкой со стороны второй пластины, груз на подвижной части первой пластины со стороны третьей пластины, усилитель, причем две подставки установлены симметрично относительно оси подвеса, расстояние от неподвижных электродов на второй пластине в их наибольшем распространении от оси подвеса выполнено меньшим радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки.
Недостатком такого компенсационного акселерометра является погрешность измерения ускорения вследствие изменения сигнала компенсационного акселерометра, не зависящего от ускорения, при изменении нулевого сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения при температурных воздействиях вследствие угловой деформации подвижной части из-за различных температурных коэффициентов линейного расширения материалов подставок, компенсационной катушки и первой пластины.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения ускорения.
Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем корпус, первую пластину из монокристаллического кремния с внешней подвижной частью, внутренней неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом в виде электропроводной поверхности первой пластины и двумя неподвижными электродами на второй пластине, расположенной на одной стороне неподвижной части первой пластины, третью пластину на другой стороне неподвижной части первой пластины, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе со стороны второй пластины и установленной на подвижной части первой пластины посредством подставок кольцевой компенсационной катушкой со стороны второй пластины, причем две подставки установлены симметрично относительно оси подвеса, груз на подвижной части первой пластины со стороны третьей пластины, усилитель, расстояние от оси подвеса неподвижных электродов на второй пластине в их наибольшем распространении от оси подвеса выполнено меньшим радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки, тем, что на подвижной части первой пластины в области расположения установленных симметрично относительно оси подвеса подставок выполнены прорези.
В одном частном случае прорези выполнены со стороны каждой подставки, обращенной к оси подвеса, каждая из этих двух прорезей расположена параллельно оси подвеса на расстоянии от оси подвеса, меньшем радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки.
В другом частном случае дополнительно образованы прорези, которые расположены перпендикулярно оси подвеса и размещены с каждой находящейся на окружности подвижной части стороны каждой подставки на расстоянии, меньшем радиуса внутренней поверхности компенсационной катушки, наибольшее расстояние от оси подвеса неподвижных электродов на второй пластине и длина прорезей выполнены так, что прорези распространены в сторону оси подвеса до расстояния, большего расстояния от оси подвеса неподвижных электродов на второй пластине.
В следующем частном случае длины параллельных оси подвеса прорезей выполнены равными.
В еще одном частном случае длины перпендикулярных оси подвеса прорезей выполнены равными.
Посредством выполнения на подвижной части первой пластины прорезей минимизируется угловая деформация подвижной части при температурных воздействиях, испытываемых компенсационным акселерометром. При этом минимизируются изменения нулевого сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения, что уменьшает изменение не зависящего от ускорения сигнала компенсационного акселерометра при изменении температуры окружающей среды. В результате повышается точность измерения ускорения.
На фиг.1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг.2 - вид первой пластины, на фиг.3 - вид первой пластины в одном из частных исполнений, на фиг.4 - вид второй пластины, на фиг.5 - электрическая схема компенсационного акселерометра.
В компенсационном акселерометре (фиг.1) в корпусе 1 на стойке 2 установлена первая пластина 3 из монокристаллического кремния, имеющая внешнюю подвижную часть 4 и внутреннюю неподвижную часть 5. На стороне 6 неподвижной части 5, отстоящей на расстоянии d от подвижной части 4, расположена вторая пластина 7 с неподвижными электродами 8′, 8″ дифференциального емкостного преобразователя положения, подвижным электродом которого является электропроводная поверхность подвижной части 4, образованная легированием монокристаллического кремния бором.
С той же стороны 6 первой пластины 3 установлен дисковый постоянный магнит 9 магнитоэлектрического силового преобразователя, кольцевая компенсационная катушка 10 которого посредством подставок 11′, 11″ установлена на подвижной части 4 первой пластины 3.
На стороне 12 неподвижной части 5 первой пластины 3 расположена третья пластина 13. Расстояниями d образованы зазоры между подвижной частью 4 первой пластины 3, второй 7 и третьей 13 пластинами.
Со стороны 12 первой пластины 3 установлен груз 14.
Первая пластина 3, вторая пластина 7, третья пластина 13, постоянный магнит 9 с диаметральным направлением намагниченности закреплены на стойке 2 корпуса 1 гайкой 15.
Корпус 1 закрыт крышкой 16, загерметизирован и заполнен газовой средой, например сухим азотом.
В первой пластине 3 (фиг.2) подвижная часть 4 и неподвижная часть 5 соединены упругими перемычками 17′, 17″ так, что проходящая по середине каждой из них прямая 18-18 представляет собой ось подвеса подвижной части 4 относительно неподвижной части 5. Подставки 11′, 11″ установлены на подвижной части 4 так, что одна их поверхность совпадает с внешней поверхностью 19 подвижной части 4 и компенсационной катушки 10, а другая поверхность совмещена с внутренней поверхностью 20 компенсационной катушки 10 радиусом r.
В подвижной части 4 образованы направленные параллельно оси подвеса 18-18 прорези 21′ и 21″ соответственно на расстояниях от оси подвеса 18-18 L1 и L2, меньших радиуса r. Так как L1=L2, то прорези 21′ и 21″ расположены симметрично по отношению к оси подвеса 18-18 и друг к другу. Длины L3 и L4 соответственно прорезей 21′ и 21″ равны.
В частном случае (фиг.3) в подвижной части 4 образованы направленные к оси подвеса 18-18 прорези 22′, 22″, 22″′, 22″″. Прорезь 22′ расположена со стороны 23 подставки 11′, прорезь 22″ расположена со стороны 24 подставки 11′. Прорезь 22″′ расположена со стороны 25 подставки 11″, прорезь 22″″ расположена со стороны 26 подставки 11″. Прорези 22′, 22″ находятся от оси подвеса 18-18 в пределах от расстояния L5 до расстояния L6, меньших радиуса r, прорези 22″′, 22″″ расположены от оси подвеса 18-18 в пределах от расстояния L7 до расстояния L8, меньших радиуса r.
Когда наибольшие стороны прорезей 22′, 22″, 22″′, 22″″ перпендикулярны оси подвеса 18-18, то длина каждой из прорезей 22′, 22″ равна разности расстояний L5 и L6, длина каждой из прорезей 22″′, 22″″ равна разности расстояний L7 и L8. Длины прорезей 22′, 22″, 22″′ 22″″ могут быть равными.
На второй пластине 7 (фиг.4) неподвижный электрод 8′ выполнен так, что его сторона 27 находится на наибольшем расстоянии L9<r от оси подвеса 18-18. Сторона 28 неподвижного электрода 8″ расположена на наибольшем расстоянии L10<r от оси подвеса 18-18. При этом L9<L6, L10<L8.
В компенсационном акселерометре (фиг.5) неподвижный электрод 8′ соединен с первым выводом резистора R1, неподвижный электрод 8″ соединен с первым выводом резистора R2. Вторые выводы резисторов R1 и R2 соединены вместе и подключены к выходу источника переменного тока с напряжением Un, второй выход которого подключен к общему проводу. К общему проводу также подключен подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя положения в виде электропроводной поверхности подвижной части 4 первой пластины 3. Точки соединения резисторов R1, R2 с неподвижными электродами 8′, 8″ подключены к входу усилителя 29, состоящего из дифференциального усилителя, суммирующего усилителя, демодулятора и усилителя постоянного тока, к выходу которого подключена компенсационная катушка 10 магнитоэлектрического силового преобразователя.
Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии линейного ускорения под действием инерционной силы происходит изменение углового положения подвижной части 4, в результате чего изменяются емкости, образованные неподвижными электродами 8′, 8″ и подвижным электродом дифференциального емкостного преобразователя положения. На вход усилителя 29 поступает сигнал, который после преобразования и усиления подается на компенсационную катушку 10. В магнитоэлектрическом силовом преобразователе создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу, а ток в компенсационной катушке 10 является мерой линейного ускорения.
Вследствие разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов первой пластины 3, компенсационной катушки 10 и подставок 11′, 11″ при температурных воздействиях подвижная часть 4 подвергается деформации, при этом наибольшие напряжения и деформации создаются в зонах расположения подставок 11′, 11″.
При наличии прорезей 21′, 21″ (фиг.2) при температурных воздействиях минимизируются температурные деформации подвижной части 4 в зоне от подставок 11′, 11″ в сторону оси подвеса 18-18 в пределах расстояний L1, L2 от оси подвеса 18-18. Вследствие этого уменьшается изменение углового положения подвижной части 4 относительно неподвижных электродов 8′, 8″ дифференциального емкостного преобразователя положения, уменьшается изменение сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения, минимизируется изменение не зависящего от ускорения сигнала компенсационного акселерометра, обусловленного силами реакции упругого подвеса при изменении углового положения подвижной части 4. В результате повышается точность измерения ускорения за счет уменьшения температурной погрешности.
При выполнении прорезей 22′, 22″, 22″′, 22″″ в соответствии с фиг.3 уменьшаются температурные деформации подвижной части 4 по сторонам 23, 24 от подставки 11′ и сторонам 25, 26 от подставки 11″, что приводит к повышению точности измерения ускорения, как и в случае с выполнением прорезей 21′, 21″.
Источники информации
1. Патент США №4498342, НКИ 73/517И, МКИ G01P 15/13. Integrated silicon accelerometer with stress-free rebalancing. 1985 г.
2. Патент РФ №2193209, кл. G01P 15/13. Компенсационный акселерометр. 2001 г.