ОСЕВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
AXIAL ACCELEROMETER

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорения объекта в условиях вибрации и может быть использовано для контроля положения подвижного объекта.
Известна принципиальная схема микромеханического акселерометра (МА) фирмы Cornell Research Foundation Inc. (США, патент 6199874, дата патентования 13.03.2001. Инерционная масса смонтирована параллельно и на некотором расстоянии от основания (корпуса) с помощью двух пар упругих элементов повеса и анкеров. Инерционная масса перемещается в соответствии с измеряемым ускорением «а». Емкостный измеритель перемещений образован гребенчатыми структурами электродов, из которых подвижные электроды образуют единую структуру с инерционной массой, а неподвижные электроды, объединенные рамкой, скреплены с основанием.
Недостатком прибора является то, что в условиях двухкомпонентной вибрации наблюдается сдвиг нуля выходного сигнала акселерометра.
Наиболее близким аналогом является акселерометр производства компании «Analog Devices», США (США, патент 6386032 В1, опубл. 14.05.2002). Он состоит из чувствительной массы, соединенной подвесами к подложке, с закрепленными на ней одним или более электродами емкостного преобразователя и неподвижных электродов, закрепленных на подложке анкерами. Подвижные электроды чувствительной массы и неподвижные электроды образуют набор конденсаторов.
К недостаткам прибора можно отнести наличие у него значительной погрешности, обусловленной вибрационным сдвигом нуля, которая ограничивает возможности его применения.
Подвижный объект создает линейную трехкомпонентную вибрацию. Воздействие такой вибрации приводит к смещению положения равновесия чувствительной массы, вследствие того, что при несовпадении геометрического центра чувствительной массы и ее центра масс, а также в результате неравножесткости упругих элементов подвеса, чувствительная масса совершает под действием ускорения не только поступательное движение, но и угловое, аналогичное перемещению маятника, для которого характерно явление вибрационного сдвига нуля [Капица П.Л. Журн. экспер. и теорет. физики. 1961. Т. 21, №5, с.71-76].
Технической задачей изобретения является увеличение точности измерений ускорений осевым акселерометром при воздействии трехкомпонентной вибрации.
Поставленная техническая задача решается тем, что две пары обкладок неподвижного электрода используются в качестве датчика угла для определения поворота чувствительной массы вокруг центра масс. Третья пара обкладок используется в качестве датчика момента для возврата чувствительного элемента в исходное состояние.
Осевой акселерометр, содержащий чувствительную массу, подвижный электрод с четырьмя обкладками, неподвижные электроды закрепленные на подложке анкерами, на каждом неподвижном электроде размещены по три обкладки, первые две из которых вместе с первыми двумя обкладками подвижного электрода образуют емкостные датчики перемещения, два преобразователя напряжения, блок вычисления разности и блок управления, причем с первыми входами преобразователей напряжения соединены первая обкладка первого электрода и вторая обкладка второго электрода, а вторая обкладка первого электрода и первая обкладка второго электрода соединены со вторыми входами преобразователей напряжения соответственно, выходы преобразователей напряжения соединены с первым и вторым входами блока вычисления разности, выход которого через блок управления соединён с третьей и четвертой обкладками подвижного электрода, которые вместе с третьими обкладками первого и второго неподвижного электрода образуют датчик момента.
На фиг.1 показана конструктивная схема чувствительного элемента осевого акселерометра с компенсацией вибрационного сдвига нуля.
Осевой акселерометр содержит чувствительную массу 1, закрепленную при помощи подвесов 2 на анкерах 3, подвижный электрод 4, закрепленный на чувствительной массе 1, с обкладками 5, 6, 7, 8, неподвижные электроды 9, закрепленные на подложке анкерами 10, с размещенными на них обкладками 11, 12, 13, 14, 15, 16, из которых обкладки 11, 12, 14, 15 образуют вместе с обкладками 5, 6, 7, 8 емкостные датчики перемещения, преобразователи напряжения 17 и 18, блок вычисления разности 19 и блок управления 20, причем обкладки 11 и 15 соединены с первыми входами преобразователей напряжения 18 и 17 соответственно, а обкладки 14 и 12 соединены со вторыми входами преобразователей напряжения 18 и 17 соответственно, выходы преобразователей напряжения 17 и 18 соединены с первым и вторым входами блока вычисления разности 19, выход которого соединен со входом блока управления 20, первый выход блока управления 20 соединен с обкладкой 7, а второй выход с обкладкой 8, обкладки 7 и 8 вместе соответствующими обкладками 13 и 16 образуют датчик момента.
Работа устройства происходит следующим образом. При наличии трехкомпонентной вибрации чувствительная масса поворачивается на некоторый угол, вокруг ее центра масс, вследствие конечной упругости подвесов 2 и несовпадения центра масс и геометрического центра чувствительного элемента. Разность напряжений между обкладкой 6 и обкладкой 15, и обкладкой 5 и обкладкой 12 снимается при помощи преобразователя напряжения 17. Разность напряжений между обкладкой 6 и обкладкой 14, и обкладкой 5 и обкладкой 11 снимается при помощи преобразователя напряжения 18. В блоке 19 вычисляется разность напряжений с блоков 17 и 18, которая подается в блок управления 20, который подает напряжение на обкладки 7 и 8, создавая момент, пропорциональный углу отклонения чувствительной массы, возвращающий её в исходное состояние.
Таким образом, предложенная конструкция позволяет компенсировать вибрационный сдвиг нуля осевого микромеханического акселерометра при воздействии трехкомпонентной вибрации.