КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
COMPENSATION ACCELEROMETER

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям линейного ускорения.
Известен компенсационный акселерометр [1], содержащий корпус, пластину 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 со стойкой, 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, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и установленной на подвижной части первой пластины посредством подставок кольцевой компенсационной катушкой, груз на подвижной части первой пластины, усилитель, причем последовательно по длине стойки от основания стойки установлены постоянный магнит, вторая пластина, первая пластина и третья пластина.
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 изменения углового положения подвижной части относительно неподвижных электродов на второй пластине из-за различных температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов корпуса, первой, второй и третьей пластин.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения ускорения.
Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем корпус со стойкой, 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, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и установленной на подвижной части первой пластины посредством подставок кольцевой компенсационной катушкой, груз на подвижной части первой пластины, усилитель, причем последовательно по длине стойки от основания стойки установлены постоянный магнит, вторая пластина, первая пластина и третья пластина, тем, что на стойку установлена втулка из инвара, на которой расположены вторая пластина, первая пластина и третья пластина, вторая и третья пластины выполнены из пирекса.
Посредством установки на стойку втулки из инвара, на которой расположены вторая пластина, первая пластина и третья пластина, выполнением второй и третьей пластин из пирекса обеспечивается постоянство положения подвижной части первой пластины относительно неподвижных электродов второй пластины при изменении температуры окружающей среды вследствие близости ТКЛР инвара, пирекса и монокристаллического кремния, а также вследствие устранения контакта первой, второй и третьей пластин со стойкой корпуса. В результате минимизируется изменение нулевого сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения при температурных воздействиях, уменьшается изменение не зависящего от ускорения сигнала компенсационного акселерометра, что повышает точность измерения ускорения.
На фиг.1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг.2 - вид первой пластины, на фиг.3 - электрическая схема компенсационного акселерометра.
В компенсационном акселерометре (фиг.1) в корпусе 1 на стойке 2 установлены дисковый постоянный магнит 3 магнитоэлектрического силового преобразователя и втулка 4 из инвара. На втулке 4 расположены первая пластина 5 из монокристаллического кремния, имеющая внешнюю подвижную часть 6 и внутреннюю неподвижную часть 7, вторая пластина 8 из пирекса с неподвижными электродами 9', 9'' дифференциального емкостного преобразователя положения, подвижным электродом которого является электропроводная поверхность подвижной части 6, образованная легированием монокристаллического кремния бором. Также на втулке 4 расположена третья пластина 10 из пирекса.
На подвижной части 6 первой пластины 5 установлены груз 11 и кольцевая компенсационная катушка 12 магнитоэлектрического силового преобразователя, расположенная на подставках 13', 13''.
Постоянный магнит 3 и втулка 4 установлены так, что от основания стойки 2 по длине стойки 2 последовательно расположены постоянный магнит 3, вторая пластина 8, первая пластина 5 и третья пластина 10.
Постоянный магнит 3 и втулка 4 закреплены на стойке 2 корпуса 1 гайкой 14.
Корпус 1 закрыт крышкой 15, загерметизирован и заполнен газовой средой, например сухим азотом.
В первой пластине 5 (фиг.2) подвижная часть 6 и неподвижная часть 7 соединены упругими перемычками 16', 16'' так, что проходящая по середине каждой из них прямая 17-17 представляет собой ось подвеса подвижной части 6 относительно неподвижной части 7. На подставках 18', 18'' компенсационная катушка 12 установлена на подвижной части 6 по оси подвеса 17-17.
В компенсационном акселерометре (фиг.3) неподвижный электрод 9' соединен с первым выводом резистора R1, неподвижный электрод 9'' 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 6 первой пластины 5. Точки соединения резисторов R1, R2 с неподвижными электродами 8', 8'' подключены к входу усилителя 19, состоящего из дифференциального усилителя, суммирующего усилителя, демодулятора и усилителя постоянного тока, к выходу которого подключена компенсационная катушка 12 магнитоэлектрического силового преобразователя.
Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии линейного ускорения под действием инерционной силы происходит изменение углового положения подвижной части 6, в результате чего изменяются емкости, образованные неподвижными электродами 9', 9'' и подвижным электродом 6 дифференциального емкостного преобразователя положения. На вход усилителя 19 поступает сигнал, который после преобразования и усиления подается на компенсационную катушку 12. В магнитоэлектрическом силовом преобразователе создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу, а ток в компенсационной катушке 12 является мерой линейного ускорения.
Так как первая пластина 5, вторая пластина 8 и третья пластина 10 расположены на втулке 4, то при температурных воздействиях вследствие разности ТКЛР корпуса 1 и втулки 4 происходит поступательное перемещение втулки 4 относительно корпуса 1. При этом угловое положение подвижной части 6 относительно неподвижных электродов 9', 9'' второй пластины 8 остается неизменным, не изменяется сигнал дифференциального емкостного преобразователя положения, не изменяется не зависящий от ускорения сигнал компенсационного акселерометра, что повышает точность измерения ускорения.
-6
-6
-6
Вследствие того, что ТКЛР кремния составляет 2,33*10, ТКЛР инвара равен 3*10, ТКЛР пирекса составляет 3,2*10, то ТКЛР первой пластины 5, второй пластины 8 и третьей пластины 10 настолько близки, что при температурных воздействиях минимизируется изменение сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения, уменьшается изменение не зависящего от ускорения сигнала компенсационного акселерометра. В результате повышается точность измерения ускорения.
Источники информации
1. Патент США №4498342 НКИ 73/514.23, 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.