ЕМКОСТНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям линейного ускорения с выходом по частоте.
Известные на сегодняшний день емкостные акселерометры, имеющие выход по частоте, рассмотрены в патенте [1]. Принцип работы данного емкостного акселерометра, содержащего чувствительный элемент емкостного типа, два генератора, устройство вычитания частот, устройство линеаризации заключается в следующем: при возникновении ускорения, приложенного по измерительной оси чувствительного элемента емкостного типа, изменяются его электростатические емкости. Это приводит к изменению частот сигналов, формируемых двумя генераторами и результирующая частота сигнала на выходе устройства вычитания частот равна разности частот, формируемых генераторами, и пропорциональна приложенному ускорению. Но такой подход обладает недостатком: полоса частот на выходе устройства вычитания частот определяет, помимо быстродействия, динамический диапазон изменения частоты выходного сигнала. Увеличение масштабного коэффициента емкостного акселерометра с целью повышения чувствительности приводит к расширению указанной полосы частот без необходимости повышать быстродействие а, следовательно, к повышению уровня шумов в схеме и снижению чувствительности.
Наиболее близким по технической сущности является емкостной акселерометр, содержащий дифференциальный емкостной преобразователь, два генератора, смеситель частот [2]. Принцип его работы заключается в следующем: при возникновении ускорения, приложенного по измерительной оси дифференциального емкостного преобразователя изменяются его электростатические емкости. Это приводит к изменению частот сигналов, формируемых двумя генераторами и результирующая частота сигнала на выходе смесителя частот равна разности частот, формируемых генераторами, и пропорциональна приложенному ускорению.
Указанный акселерометр обладают существенным недостатком: полоса частот на выходе смесителя частот определяет, помимо быстродействия, динамический диапазон изменения частоты выходного сигнала. Увеличение масштабного коэффициента емкостного акселерометра с целью повышения чувствительности приводит к расширению указанной полосы частот без необходимости повышать быстродействие а, следовательно, к повышению уровня шумов в схеме и снижению чувствительности.
Задачей изобретения является повышение чувствительности схемы емкостного акселерометра.
Это достигается в емкостном акселерометре, содержащем дифференциальный емкостной преобразователь, два генератора, устройство вычитания частот, преобразователь частоты в напряжение, фильтр низких частот, тем, что масштабный коэффициент пропорционально переносится из области частот в область напряжений с помощью преобразователя частоты в напряжение. Производится это по следующей причине: полоса частот на выходе устройства вычитания частот является избыточной и нет необходимости разрабатывать емкостной акселерометр с таким быстродействием и, следовательно, необоснованно высоким уровнем шумов. Поэтому представляется целесообразным сократить эту полосу частот до величины, требуемой в разрабатываемом устройстве. Но сделать это нужно таким образом, чтобы величина масштабного коэффициента осталась неизменной и по-прежнему определялась исходной полосой частот. Это позволит в полной мере использовать потенциальную способность прототипа к получения большого масштабного коэффициента, а, следовательно, высокой чувствительности. Эту задачу и выполняет преобразователь частоты в напряжение. Излишняя полоса частот отсекается с помощью внешнего фильтра низких частот.
На фиг.1 представлена структурная схема емкостного акселерометра, где:
1, 3 - генераторы;
2 - дифференциальный емкостной преобразователь;
4 - устройство вычитания частот;
5 - преобразователь частоты в напряжение;
6 - фильтр низких частот.
Принцип работы емкостного акселерометра заключается в следующем: при возникновении ускорения, приложенного по измерительной оси дифференциального емкостного преобразователя, происходит изменение электростатических емкостей дифференциального емкостного преобразователя. В результате изменяются частоты сигналов, формируемых двумя генераторами, и на выходе устройства вычитания частот формируется сигнал, частота которого пропорциональна величине приложенного ускорения. Далее частота сигнала пропорционально преобразуется в напряжение с помощью преобразователя частоты в напряжение. Результирующий сигнал фильтруется с помощью фильтра низких частот и на выходе емкостного акселерометра формируется сигнал, напряжение которого пропорционально приложенному ускорению.
Описанное решение было реализовано в виде макетного образца, у которого полоса частот на выходе устройства вычитания частот составляла 100 кГц. Для рассматриваемой работы такая полоса частот была избыточна и, поэтому, сокращена до 10 Гц с помощью преобразователя частоты в напряжение и внешнего фильтра низких частот. Проведенные исследования показали, что такое решение позволило повысить чувствительность емкостного акселерометра более, чем в тысячу раз.
Источники информации:
1. США, патент №6865946.
2. Россия, патент №2148831, (прототип)