ЛИНЕЙНЫЙ МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТР
LINEAR MICROACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах ориентации и навигации.
Известен акселерометр (патент RU №2063047, МПК G01P 15/08, опуб. 27.06.1996), содержащий 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.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения ускорения.
Известен акселерометр (патент RU №2313100, МПК G01P 15/13, опубл. 20.01.2007), 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 из 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.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения ускорения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство "ADXL50" (Doscher J. Accelerometer Design and Applications. Analog Devices. 1998), содержащее основание, крышку, рамку с инерционной массой, выполненной из кремния, установленную с возможностью линейного перемещения на упругих подвесах вдоль продольной оси, датчик положения, состоящий из подвижных обкладок, размещенных на инерционной массе, и неподвижных, жестко закрепленных в корпусе, генератор, схему измерения и источник напряжения.
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.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения ускорения.
Задачей является создание линейного микроакселерометра, измеряющего ускорения с более высокой точностью.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи, состоит в повышении точности измерения ускорения.
Технический результат достигается тем, что в линейный микроакселерометр, содержащий основание, крышку, рамку с инерционной массой, выполненной из кремния, установленную с возможностью линейного перемещения на упругих подвесах вдоль продольной оси, датчик положения и источник напряжения, дополнительно введены два компаратора, два усилителя тока, ключ, электромагнитный силовой привод, состоящий из 2N катушек, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках с явно выраженными полюсами, направленными к торцевым сторонам инерционной массы, при этом магнитопроводящие сердечники размещены на противоположных торцевых сторонах рамки по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы в области каждого из торцов расположены магнитопроводы, замыкающие магнитные потоки катушек, причем входы катушек подключены к выходу ключа, входы которого через компараторы подключены к датчику положения, который выполнен оптическим и состоит из излучателя и фотоприемников, при этом излучатель подключен к источнику напряжения, а между излучателем и фотоприемниками расположена оптическая щель.
Технический результат достигается за счет того, что инерционная масса совершает автоколебания вдоль оси чувствительности под действием знакопеременного сигнала постоянного тока, формируемого в цепи обратной связи электромагнитного силового привода, управляемого оптическим датчиком положения. Наличие входного воздействия приводит к смещению центра колебаний и возникновению временной модуляции сигнала. Измерение временной модуляции сигнала позволяет повысить точность измерения ускорения.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении изобретения, в силу того, что содержащиеся в заявленном устройстве основание, крышка, рамка с инерционной массой, оптический датчик положения, источник напряжения, два компаратора, два усилителя тока, ключ и электромагнитный силовой привод используются для более точного измерения линейного ускорения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги характеризующиеся совокупностями признаков тождественным всем признакам заявленного углового акселерометра 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 фиг.1, где представлена конструктивная схема датчика и введены следующие обозначения:
1. Основание
2. Крышка
3. Рамка
4. Инерционная масса
5. Упругие подвесы
6. Излучатель
7. Первый фотоприемник
8. Второй фотоприемник
9. Источник напряжения
10. Оптическая щель
11. Первая катушка
12. Вторая катушка
13. Первый магнитопроводящий сердечник
14. Второй магнитопроводящий сердечник
15. Первый магнитопровод
16. Второй магнитопровод
17. Ключ
18. Первый усилитель тока
19. Второй усилитель тока
20. Первый компаратор
21. Второй компаратор
Предлагаемый линейный микроакселерометр состоит из основания 1, крышки 2 и рамки 3 с инерционной массой 4, выполненной из кремния и установленной с возможностью линейного перемещения на упругих подвесах 5 вдоль продольной оси. Оптический датчик положения инерционной массы 4 выполнен из излучателя 6 и фотоприемников 7, 8, при этом излучатель 6 подключен к источнику напряжения 9, а между излучателем 6 и фотоприемниками 7, 8 расположена оптическая щель 10. Электромагнитный силовой привод состоит из 2N катушек 11, 12, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках 13, 14 с явно выраженными полюсами, направленными к торцевым сторонам инерционной массы 4, при этом магнитопроводящие сердечники 13, 14 размещены на противоположных торцевых сторонах рамки 2 по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы 4 в области каждого из торцов расположены магнитопроводы 15, 16. Катушки 11, 12 подключены к выходу ключа 17 через усилители тока 18, 19 соответственно. Входы ключа 17 соединены через компараторы 20, 21 с фотоприемниками 8, 9.
Излучатель 6 может быть выполнен, например, на основе серийно выпускаемого светодиода Kingbright КР-1608НС [1].
Фотоприемники 7, 8 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых фотоприемников Kingbright КР-1608Р1С [1].
Источник напряжения 9 может быть выполнен, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (источника напряжения) Mitsubishi Electric М5294 [2].
Ключ 17 может быть выполнен, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы NJM2520V [3].
Усилители тока 18, 19 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (операционного усилителя) Mitsubishi Electric М5216[2].
Компараторы 20, 21 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (компаратора) Mitsubishi Electric М51203 [2].
Линейный микроакселерометр работает следующим образом.
После включения питания основание 1, крышка 2 и инерционная масса 4 в рамке 3 находятся в состоянии покоя. Ключ 17 находится в предустановленном состоянии «1». Напряжение с выхода ключа 17 начинает поступать на первый усилитель тока 18. Созданный им в первой катушке 11 электрический ток наводит в первом магнитопроводящем сердечнике 13 магнитное поле, которое, стремясь замкнуться через первый магнитопровод 15, притягивает инерционную массу 4. В результате инерциальная масса 4 смещается на упругих подвесах 5 в сторону первой катушки 11 до тех пор, пока оптическая щель 10 не попадет в оптическую ось между излучателем 6, питающимся от источника напряжения 9, и первым фотоприемником 7. В этот момент сигнал с первого фотоприемника 7, преобразованный первым компаратором 20, переводит ключ 17 в состояние «0», в результате чего напряжение с выхода ключа 17 начинает поступать на второй усилитель тока 19, сигнал с которого поступает на вторую катушку 12. При этом выключается первый усилитель тока 18, сигнал с которого перестает поступать на первую катушку 11. Созданный вторым усилителем тока 19 во второй катушке 12 электрический ток наводит во втором магнитопроводящем сердечнике 14 магнитное поле, которое, стремясь замкнуться через второй магнитопровод 16, притягивает инерционную массу 4 в противоположный сторону ко второй катушке 12 до тех пор, пока оптическая щель 10 не попадет в оптическую ось между излучателем 6, питающимся от источника напряжения 9, и вторым фотоприемником 8. В этот момент сигнал со второго фотоприемника 8, преобразованный вторым компаратором 21, переводит ключ 17 в состояние «1» и цикл повторяется сначала. Тем самым инерциальная масса 4 начинает совершать автоколебания на собственной частоте, а сигнал с фотоприемников 7, 8 принимает вид меандра со скважностью 50%. При воздействии внешнего ускорения происходит смещение центра колебаний инерционной массы 4. Это смещение вызывает изменение скважности сигнала с фотоприемников 7, 8, которое пропорционально действующему ускорению.
Увеличение точности измерений достигается за счет введения режима автоколебаний, оптического датчика положения и электромагнитного силового привода, и уменьшения вследствие этого вредных моментов, действующих на инерционную массу.
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 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».
Источники информации
1. Библиотека электронных компонентов. Выпуск 1: Оптоэлектронные приборы фирмы Kingbright. - М.: ДОДЭКА, 1999. - 64 с.
2. Библиотека электронных компонентов. Выпуск 17: Аналоговые и цифро-аналоговые микросхемы фирмы «Mitsubishi Electric». - М: ДОДЭКА, 2000. - 48 с.
3. Микросхемы для аудио- и радиоаппаратуры - 2. - М.: Издательский дом "Додека XXI", 2001. - 288 с.