ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ УГЛОВОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА
SENSITIVE ELEMENT OF ANGULAR ACCELEROMETRE

Изобретение относится к измерительной технике и может применятся в интегральных акселерометрах.
Известен угловой акселерометр [1], содержащий планарную инерционную массу на упругих подвесах, датчик положения, крышку, основание, два постоянных магнита, компаратор, ключ и источник постоянного тока. Планарная инерционная масса выполнена из монокристаллического кремния в виде диска с оптическими щелями и размещена на упругих подвесах в зазоре между постоянными магнитами. На поверхности планарной инерционной массы радиально напылены токопроводящие дорожки, начала и концы которых соединены между собой напыленными токопроводящими кольцами. Каждое из колец токопроводами через упругие подвесы соединено с выходом ключа, к первому входу которого подключен источник постоянного тока, а ко второму входу подключен выход компаратора, к входу которого подключены выходы фотоприемников, а излучатели подключены к источнику постоянного тока. Магниты закреплены на основании и крышке, датчик положения выполнен из двух излучателей и двух фотоприемников.
Диск планарной инерционной массы совершает автоколебания под действием электромагнитных сил, создаваемых токопроводящими дорожками, и магнитов. Автоколебания осуществляются за счет компаратора, переключающего ключи, управляющие источником постоянного тока. Компаратор управляется за счет пар излучателей и фотоприемников, расположенных по оси чувствительности углового акселерометра.
Применение ключа и источника постоянного тока позволяет формировать на выходе ключа прямоугольные импульсы тока, постоянные по силе тока и частоте, а значит, и автоколебания, постоянные по амплитуде и частоте. При воздействии на датчик углового ускорения он работает следующим образом. При наличии ускорения по оси чувствительности датчика на чувствительную массу будет действовать дополнительный крутящий момент. В результате это приводит к уменьшению времени поворота. В итоге данные явления приведут к изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе ключа. По изменению длительности прямоугольных импульсов судят об измеряемом ускорении.
Недостатком данного акселерометра является низкая чувствительность к измеряемому ускорению.
Известен датчик угловых ускорений [2], содержащий основание, планарную инерционную массу на упругих подвесах, вторую планарную инерционную массу на упругих подвесах, расположенную так, что ось подвесов перпендикулярна оси упругих подвесов кольцевой планарной инерционной массы и находится внутри ее, емкостной датчик положения.
Данный датчик имеет возможность измерять угловое ускорение по двум осям чувствительности. При воздействии по одной из осей чувствительности углового ускорения на датчик планарная инерционная масса поворачивается на некоторый угол вокруг оси упругих подвесов. В результате изменяется расстояние между обкладками емкостного датчика положения, как следствие, и изменяется емкость конденсатора емкостного датчика. По изменению данной емкости судят об измеряемом ускорении.
Недостатками являются низкая точность измерения, малый частотный диапазон измеряемого воздействия.
Наиболее близким к заявленному устройству является чувствительный элемент микросистемного акселерометра [3], содержащий кремниевую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, центральной опорой крепления, жестко соединенной с неподвижным основанием. Маятник включает в себя две жестко соединенные первую и вторую пластины одинаковой длины и толщины, но разной ширины. Чувствительный элемент имеет возможность измерять как угловое, так и линейное ускорение. Поскольку пластины маятника имеют разную ширину, то чувствительность к угловому ускорению будет значительно ниже, чем к линейному. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии ускорения зазоры между пластинами проводящего маятника и пластинами-обкладками одинаковы. При действии ускорения пластины маятника, преодолев упругость подвесов, начинают перемещаться в противоположные стороны, изменяя при этом зазоры. Измеряя разность зазоров можно судить о действующем ускорении.
Недостатком является низкая чувствительность к угловому ускорению.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение является увеличение порога чувствительности чувствительного элемента к полезному сигналу, т.е. к угловому ускорению. Для достижения поставленной задачи на чувствительном элементе, содержащем планарную инерционную массу, соединенную упругими подвесами с центральной опорой крепления, распложенную в центре тяжести планарной инерционной массы, согласно изобретению, закрепляют металлическое кольцо, на котором радиально расположено несколько пар регулировочных винтов.
При этом плоскость металлического кольца ортогональна плоскости планарной инерционной массы и оси ее углового поворота при деформации упругих подвесов.
Существенным отличием заявленного устройства по сравнению с известным является то, что наличие металлического кольца увеличивает массу планарной инерционной массы, а регулировочные винты существенно снижают влияние линейного ускорения и угловой скорости на планарную инерционную массу, что в совокупности увеличивает чувствительность чувствительного элемента к полезному сигналу.
Предлагаемый ЧЭ углового акселерометра иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.
Пример реализации заявленного устройства
Планарная инерционная масса 1 соединена упругими подвесами 2 с центральной опорой крепления 3, расположенной в центре тяжести планарной инерционной массы 1. Металлическое кольцо 4 устанавливается на планарную инерционную массу 1 так, чтобы его ось совпадала с осью чувствительности 6 чувствительного элемента. На металлическом кольце расположены регулировочные винты 5 с возможностью перемещения при помощи резьбового соединения по радиусу металлического кольца.
Устройство работает следующим образом. При действии измеряемого углового ускорения планарная инерционная масса 1, в составе металлического кольца 4 и регулировочных винтов 5, поворачивается на некоторый угол, величина которого зависит от жесткости упругих подвесов 2. Измеряя отклонения планарной инерционной массы можно определить действующее угловое ускорение.
Регулировка осуществляется следующим образом. Регулировочными винтами 5 сводят центр тяжести чувствительного элемента к его оси чувствительности, тем самым исключая влияние линейного ускорения. Устранение влияния угловой скорости производят теми же регулировочными винтами 5, уравнивая моменты инерции по осям, ортогональным оси чувствительности 6, при этом центр тяжести чувствительного элемента не перемещается. Введение металлического кольца позволило увеличить чувствительность к полезному сигналу, а введение регулировочных винтов уменьшить степень влияния вредных воздействующих факторов.
Источники информации
1. Патент РФ №2399915, МПК G01P 15/08, 2009.04.28.
2. Патент США №5349858 МПК G01P 15/08, 1994.
3. Патент РФ №2426134, МПК G01P 15/08, 2006.01 (ближайший аналог).