RU2186401C1

RU2186401C1 - Compensation accelerometer

Info

Publication number: RU2186401C1
Application number: RU2001107913A
Authority: RU
Inventors: В.И. Баженов; П.В. Ларин; Ю.А. Минаев; С.В. Прозоров; А.К. Саломатин; В.М. Соловьев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-07-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: compensation accelerometer includes first plate of single-crystal material in which immobile element, mobile element with current-conductive surfaces, differential capacitive converter with immobile electrodes on second and third plates, A C two-phase voltage generator, D C reference voltage source, amplifier with two antiphase outputs are formed. Second plate carries first and second immobile electrodes of differential capacitive converter. Third and fourth immobile electrodes are formed on third plate. One output of A C two-phase voltage generator and one output of amplifier are connected to first immobile electrode. Second output of abovementioned generator and second output of amplifier are connected to third immobile electrode. Second and fourth immobile electrodes are tied up together and are connected to input of amplifier and to D C reference voltage source. First and second, third and fourth immobile electrodes are positioned on proper plates in one-another symmetry relative to one axis or perpendicular to this axis. EFFECT: raised operational reliability of accelerometer. 2 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейного ускорения. The invention relates to the field of measuring equipment, namely to compensation linear acceleration converters.

Известен компенсационный акселерометр, содержащий пластину с неподвижной и подвижной частями, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, усилитель [1]. Known compensation accelerometer containing a plate with fixed and moving parts, a differential capacitive position transducer, magnetoelectric power converter, amplifier [1].

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2] , содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижный элемент, подвижный элемент с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами. The closest in technical essence is a compensation accelerometer [2], containing a first plate of single-crystal material in which a fixed element, a movable element with electrically conductive surfaces, a differential capacitive transducer with fixed electrodes on the second and third plates, a two-phase AC voltage generator, a source are formed DC voltage reference, amplifier with two antiphase outputs.

Недостатком такого акселерометра является необходимость электрического соединения подвижного элемента с другими элементами акселерометра. The disadvantage of this accelerometer is the need for electrical connection of the movable element with other elements of the accelerometer.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности компенсационного акселерометра. The technical result of the invention is to increase the reliability of a compensation accelerometer.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижный элемент, подвижный элемент с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами, тем, что на второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды, к первому неподвижному электроду подключены один из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и один из выходов усилителя с двумя противофазными выходами, к третьему неподвижному электроду подключены второй выход двухфазного генератора напряжения переменного тока и второй выход усилителя с двумя противофазными выходами, второй и четвертый неподвижные электроды соединены вместе и подключены к входу усилителя с двумя противофазными выходами и к источнику опорного напряжения постоянного тока, причем первый и второй неподвижные электроды, а также третий и четвертый неподвижные электроды расположены на своих пластинах симметрично по отношению друг другу относительно одной оси или перпендикулярной ей другой оси. This technical result is achieved in a compensation accelerometer containing a first plate of single-crystal material in which a fixed element, a movable element with electrically conductive surfaces, a differential capacitive transducer with fixed electrodes on the second and third plates, a two-phase alternating current voltage generator, and a reference voltage source of direct current are formed , an amplifier with two antiphase outputs, in that the first and second electrodes of the differential capacitive converter, the third and fourth stationary electrodes are made on the third plate, one of the outputs of the two-phase alternating current voltage generator and one of the outputs of the amplifier with two out-of-phase outputs are connected to the first stationary electrode, the second output of the two-phase alternating voltage generator is connected to the third stationary electrode current and the second output of the amplifier with two antiphase outputs, the second and fourth stationary electrodes are connected together and along Keys to the input of an amplifier with two antiphase outputs and a reference DC voltage source, the first and second fixed electrodes, and the third and fourth fixed electrodes are arranged symmetrically on its plates with respect to each other about one axis or other axis perpendicular to it.

В одном частном случае выполнения компенсационного акселерометра подвижный элемент, первый, второй, третий и четвертый неподвижные электроды выполнены прямоугольными по форме. In one particular case of the implementation of the compensation accelerometer, the movable element, the first, second, third and fourth stationary electrodes are made rectangular in shape.

В другом частном случае в компенсационном акселерометре первый, второй, третий и четвертый неподвижные электроды выполнены равными по площади. In another particular case, in the compensation accelerometer, the first, second, third and fourth stationary electrodes are made equal in area.

Посредством выполнения на второй пластине первого и второго неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя, выполнения на третьей пластине третьего и четвертого неподвижных электродов, подключения к первому неподвижному электроду одного их выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и одного из выходов усилителя с двумя противофазными выходами, подключения к третьему неподвижному электроду второго выхода двухфазного генератора напряжения переменного тока и второго выхода усилителя с двумя противофазными выходами, соединения вместе второго и четвертого неподвижных электродов и подключения их ко входу усилителя с двумя противофазными выходами и к источнику опорного напряжения постоянного тока обеспечиваются выполнение частей дифференциального емкостного преобразователя, соединение элементов акселерометра для его функционирования без электрического соединения подвижной части с элементами акселерометра. В результате повышается надежность акселерометра, так как не нарушается его функционирование независимо от наличия электрического контакта с неподвижным элементом. By performing on the second plate of the first and second fixed electrodes a differential capacitive converter, performing on the third plate of the third and fourth fixed electrodes, connecting one of the outputs of a two-phase alternating current voltage generator and one of the amplifier outputs with two out-of-phase outputs to the first fixed electrode, connecting to the third the fixed electrode of the second output of a two-phase alternating current voltage generator and the second output of an amplifier with two tivofaznymi outputs, connecting together the second and fourth fixed electrodes and connecting them to the amplifier input with two antiphase outputs and to a DC source of reference voltage provided by the execution of the differential capacitive transducer, a compound of the accelerometer elements for its functioning no electric connection with the movable part of the accelerometer elements. As a result, the reliability of the accelerometer is increased, since its functioning is not disturbed, regardless of the presence of electrical contact with a fixed element.

На фиг.1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг.2 - вид первой пластины, на фиг.3 - вид второй пластины, на фиг.4 - вид третьей пластины, на фиг.5 - одна из реализаций выполнения неподвижных электродов, на фиг.6 - частный случай выполнения первой пластины, на фиг.7 - частный случай выполнения неподвижных электродов, на фиг.8 - электрическая схема компенсационного акселерометра. Figure 1 presents a General view of the compensation accelerometer, figure 2 is a view of the first plate, figure 3 is a view of the second plate, figure 4 is a view of the third plate, figure 5 is one of the implementations of the stationary electrodes, Fig.6 is a special case of the first plate, Fig.7 is a special case of stationary electrodes, Fig.8 is an electrical diagram of a compensation accelerometer.

Компенсационный акселерометр (фиг.1) содержит корпус 1 с установленной в нем первой пластиной 2 из монокристаллического материала, например кремния, в которой образованы неподвижный элемент 3 и подвижный элемент 4 с электропроводными поверхностями 5', 5''. Электропроводные поверхности 5', 5'' выполнены путем легирования поверхностей подвижного элемента 4 бором. Подвижный элемент 4 выполнен в виде консоли с продольной осью 6-6 по направлению длины консоли. Подвижный элемент 4 соединен с неподвижным элементом 3 посредством упругого шарнира 7. The compensation accelerometer (Fig. 1) comprises a housing 1 with a first plate 2 installed therein from a single-crystal material, for example silicon, in which a fixed element 3 and a movable element 4 with electrically conductive surfaces 5 ', 5' 'are formed. The electrically conductive surfaces 5 ', 5' 'are made by alloying the surfaces of the movable element 4 with boron. The movable element 4 is made in the form of a console with a longitudinal axis 6-6 in the direction of the length of the console. The movable element 4 is connected to the stationary element 3 by means of an elastic hinge 7.

В корпусе 1 также установлены вторая пластина 8 с первым неподвижным электродом 9 и вторым неподвижным электродом 10 дифференциального емкостного преобразователя, а также третья пластина 11 с третьим неподвижным электродом 12 и четвертым неподвижным электродом 13. Между поверхностью 5' подвижного элемента 4 и неподвижными электродами 9, 10 образован зазор d путем установки электроизоляционной платы 14 между первой пластиной 2 и второй пластиной 8. Аналогичный зазор образован между поверхностью 5'' подвижного элемента 4 и неподвижными электродами 12, 13 путем установки электроизоляционной платы 15. In the housing 1, a second plate 8 with a first stationary electrode 9 and a second fixed electrode 10 of the differential capacitive transducer, as well as a third plate 11 with a third fixed electrode 12 and a fourth fixed electrode 13. Between the surface 5 'of the movable element 4 and the fixed electrodes 9, are also installed. 10, a gap d is formed by installing an electrical insulating board 14 between the first plate 2 and the second plate 8. A similar gap is formed between the surface 5 ″ of the movable element 4 and the stationary electrodes 1 2, 13 by installing an electrical insulating board 15.

Корпус 1 закрыт крышкой 16. Case 1 is closed by cover 16.

В первой пластине 2 (фиг.2) подвижный элемент 4 образован путем анизотропного травления кремния с выполнением промежутка 17 между неподвижным элементом 3 и подвижным элементом 4. Ось 18-18 упругого шарнира, состоящего из двух упругих перемычек 7', 7'', расположена перпендикулярно продольной оси 6-6 подвижного элемента 4. In the first plate 2 (FIG. 2), the movable element 4 is formed by anisotropic etching of silicon with a gap 17 between the fixed element 3 and the movable element 4. The axis 18-18 of the elastic joint, consisting of two elastic jumpers 7 ', 7' ', is located perpendicular to the longitudinal axis 6-6 of the movable element 4.

На второй пластине 8 (фиг.3) выполнены первый неподвижным электрод 9 и второй неподвижным электрод 10 дифференциального емкостного преобразователя, расположенные симметрично относительно оси 19-19, перпендикулярной продольной оси 6-6 подвижного элемента 4. On the second plate 8 (FIG. 3), the first stationary electrode 9 and the second stationary electrode 10 of the differential capacitive transducer are arranged symmetrically with respect to the axis 19-19 perpendicular to the longitudinal axis 6-6 of the movable element 4.

На третьей пластине 11 (фиг.4) расположены третий неподвижный электрод 12 и четвертый неподвижный электрод 13. On the third plate 11 (figure 4) are the third stationary electrode 12 and the fourth stationary electrode 13.

Вторая пластина 8 и третья пластина 11 выполнены их электроизоляционного материала, первый 9, второй 10, третий 12, четвертый 13 неподвижные электроды на второй пластине 8 и третьей пластине 11 образованы напылением электропроводного материала, например алюминия. The second plate 8 and the third plate 11 are made of their insulating material, the first 9, second 10, third 12, fourth 13 fixed electrodes on the second plate 8 and the third plate 11 are formed by spraying an electrically conductive material, for example aluminum.

Первый неподвижный электрод 9 и второй неподвижный электрод 10 могут быть расположены на второй пластине 8 симметрично относительно продольной оси 6-6 подвижного элемента 4 (фиг.5). Аналогичным образом могут быть расположены третий неподвижный электрод 12 и четвертый неподвижный электрод 13 на третьей пластине 11. The first fixed electrode 9 and the second fixed electrode 10 can be located on the second plate 8 symmetrically with respect to the longitudinal axis 6-6 of the movable element 4 (figure 5). In a similar manner, a third fixed electrode 12 and a fourth fixed electrode 13 can be arranged on the third plate 11.

В частном случае в первой пластине 2 подвижный элемент 4 может быть выполнен в виде прямоугольника (фиг.6), прямоугольные первый неподвижный электрод 9 и второй неподвижный электрод 10 расположены на второй пластине 8 симметрично относительно продольной оси 6-6 подвижного элемента 4 (фиг.7). In the particular case of the first plate 2, the movable element 4 can be made in the form of a rectangle (Fig.6), the rectangular first stationary electrode 9 and the second stationary electrode 10 are located on the second plate 8 symmetrically with respect to the longitudinal axis 6-6 of the movable element 4 (Fig. 7).

Первый 9, второй 10, третий 12, четвертый 13 неподвижные электроды могут быть выполнены равными по площади. The first 9, second 10, third 12, fourth 13 fixed electrodes can be made equal in area.

В компенсационном акселерометре (фиг.8) конденсатор С1 дифференциального емкостного преобразователя образован первым неподвижным электродом 9, вторым неподвижным электродом 10 и электропроводной поверхностью подвижного элемента 4. Конденсатор С2 дифференциального емкостного преобразователя образован третьим неподвижным электродом 12, четвертым неподвижным электродом 13 и электропроводной поверхностью подвижного элемента 4. Первый неподвижный электрод 9 подключен через конденсатор С3 к одному выходу двухфазного генератора 20 напряжения переменного тока. Третий неподвижный электрод 12 подключен через конденсатор С4 к второму выходу двухфазного генератора 20 переменного тока. К соединенным вместе второму неподвижному 10 и четвертому неподвижному электроду 13 подключен источник опорного напряжения 21 постоянного тока и через конденсатор С5 вход усилителя 22 с двумя противофазными выходами. Один из противофазных выходов усилителя 22 с двумя противофазными выходами через резистор R1 подключен к первому неподвижному электроду 9. Второй противофазный выход усилителя 22 с двумя противофазными выходами через резистор R2 подключен к третьему неподвижному электроду 12. In the compensation accelerometer (Fig. 8), the capacitor C1 of the differential capacitive converter is formed by the first fixed electrode 9, the second fixed electrode 10 and the conductive surface of the movable element 4. The capacitor C2 of the differential capacitive converter is formed by the third fixed electrode 12, the fourth stationary electrode 13 and the conductive surface of the movable element 4. The first stationary electrode 9 is connected through a capacitor C3 to one output of a two-phase voltage generator 20 alternating current. The third fixed electrode 12 is connected through a capacitor C4 to the second output of the two-phase alternator 20. A DC reference voltage source 21 is connected to the second stationary 10 and fourth stationary electrode 13 connected together and through the capacitor C5 the input of the amplifier 22 with two antiphase outputs. One of the out-of-phase outputs of the amplifier 22 with two out-of-phase outputs through a resistor R1 is connected to the first fixed electrode 9. The second out-of-phase output of the amplifier 22 with two out-of-phase outputs through a resistor R2 is connected to the third fixed electrode 12.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения под действием инерционной силы происходит угловое перемещение подвижного элемента 4 относительно оси 18-18 упругого шарнира. При этом изменяются емкости конденсаторов C1, C2, и с выхода дифференциального емкостного преобразователя на вход усилителя 22 с двумя противофазными выходами поступает сигнал рассогласования следящей системы компенсационного акселерометра. После его преобразования и усиления в усилителе 22 с двумя противофазными выходами на первый неподвижный электрод 9 и третий неподвижный электрод 12 подается выходное напряжение с одного из соответствующих выходов усилителя 22 с двумя противофазными выходами, и в дифференциальном емкостном преобразователе за счет взаимодействия наведенных зарядов на подвижном элементе 4 от источника опорного напряжения 21 постоянного тока и выходных напряжений усилителя 22 с двумя противофазными выходами создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу. В результате рассогласование следящей системы компенсационного акселерометра устраняется, и выходное напряжение усилителя 22 с двумя противофазными выходами служит мерой ускорения. При этом измерение углового положения подвижного элемента 4 и создание компенсационной силы осуществляется без электрического соединения подвижного элемента 4 с другими элементами компенсационного акселерометра. Compensation accelerometer works as follows. In the presence of acceleration under the action of inertial force, the angular movement of the movable element 4 relative to the axis 18-18 of the elastic joint occurs. In this case, the capacitances of capacitors C1, C2 are changed, and from the output of the differential capacitive transducer to the input of the amplifier 22 with two antiphase outputs, a mismatch signal of the tracking system of the compensation accelerometer is received. After its conversion and amplification in the amplifier 22 with two out-of-phase outputs, the output voltage from one of the corresponding outputs of the amplifier 22 with two out-of-phase outputs is supplied to the first stationary electrode 9 and the third stationary electrode 12, and in the differential capacitive converter due to the interaction of induced charges on the movable element 4 from the source of the reference voltage 21 direct current and output voltages of the amplifier 22 with two antiphase outputs creates a compensating force balancing inertial force. As a result, the mismatch in the tracking system of the compensation accelerometer is eliminated, and the output voltage of the amplifier 22 with two antiphase outputs serves as a measure of acceleration. In this case, the measurement of the angular position of the movable element 4 and the creation of the compensation force is carried out without electrical connection of the movable element 4 with other elements of the compensation accelerometer.

Источники информации
1. Патент РФ 2051542, МПК 6 G 01 P 15/13. Компенсационный акселерометр. 1995 г.Sources of information
1. RF patent 2051542, IPC 6 G 01 P 15/13. Compensation Accelerometer. 1995 year

2. Патент РФ 2137141, МПК 6 G 01 P 15/13. Компенсационный акселерометр. 1999 г. 2. RF patent 2137141, IPC 6 G 01 P 15/13. Compensation Accelerometer. 1999 year

Claims

1. Compensation accelerometer containing a first plate of monocrystalline material in which a fixed element, a movable element with electrically conductive surfaces, a differential capacitive transducer with fixed electrodes on the second and third plates, a two-phase alternating current voltage generator, a DC reference voltage source, an amplifier with two antiphase outputs, characterized in that the first and second fixed differential electrodes are made on the second plate The third and fourth fixed electrodes are made on the third plate on the third plate, one of the outputs of the two-phase alternating current voltage generator and one of the outputs of the amplifier with two out-of-phase outputs are connected to the first fixed electrode, the second output of the two-phase alternating current voltage generator and the second are connected to the third fixed electrode the amplifier output with two antiphase outputs, the second and fourth stationary electrodes are connected together and connected to the amplifier input with two knowing the antiphase outputs to the DC reference voltage source, the first and second stationary electrodes, as well as the third and fourth stationary electrodes, are located on their plates symmetrically with respect to each other with respect to one axis or another axis perpendicular to it.

2. The compensation accelerometer according to claim 1, characterized in that the movable element, the first, second, third and fourth stationary electrodes are made rectangular in shape.

3. The compensation accelerometer according to claim 1, characterized in that the first, second, third and fourth stationary electrodes are made equal in area.