электростатический акселерометр

Формула изобретения

Электростатический акселерометр, содержащий корпусную пластину из проводящего монокремния, в которой выполнен подвижный электрод-маятник, соединенный с корпусной пластиной упругим подвесом в виде балки, неподвижные стеклянные обкладки, расположенные симметрично с обеих сторон корпусной пластины и жестко с ней соединены, электроды емкостного преобразователя перемещений и секционные электроды обратного электростатического преобразователя момента, положительный и отрицательный источники опорных напряжений, отличающийся тем, что источники опорных напряжений соединены с электродами обратного преобразователя через введенное ключевое устройство, переключающее их полярность, а выход акселерометра соединен с входом управления электродами обратного электростатического преобразователя момента через введенное устройство переключения полярности выходного напряжения, причем переключение полярности выходного напряжения и переключение полярности источников опорных напряжений осуществляется синхронно с частотой, кратной частоте переменного напряжения, питающего емкостный мост преобразователя перемещений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорений подвижных объектов: роботов, летательных аппаратов, водного и наземного транспорта и др.

Известен также [1] электростатический акселерометр, содержащий маятник из проводящего монокремния, соединенный с корпусной пластиной упругим подвесом в виде балки и неподвижные стеклянные обкладки. Недостатком которого является низкая точность измерений.

Известен также [2] электростатический акселерометр, содержащий корпусную пластину из проводящего монокремния, в которой выполнен подвижный электрод-маятник соединенный с корпусной пластиной упругим подвесом в виде балки, неподвижные стеклянные обкладки, расположенные симметрично с обеих сторон корпусной пластины и жестко с ней соединены, электроды емкостного преобразователя перемещений.

Недостатками такого акселерометра является низкая точность обратного преобразователя в котором имеет место расход электродов силового преобразователя.

Наиболее близким к заявляемому является электростатический акселерометр [3], содержащий корпусную пластину из проводящего монокремния, в которой выполнен подвижный электрод-маятник, соединенный с корпусной пластиной упругим подвесом в виде балки, неподвижные стеклянные обкладки, расположенные симметрично с обеих сторон корпусной пластины и жестко с ней соединены, электроды емкостного преобразователя перемещений и секционные электроды обратного электростатического преобразователя момента, положительный и отрицательный источники опорных напряжений.

Недостатками известного акселерометра является низкая точность, обусловленная наличием массопереноса между силовыми электродами, поскольку их питание осуществляется постоянным током. Массоперенос происходит всегда с электродов с отрицательной полярностью на электроды с положительной полярностью, например, с подвижного электрода на неподвижные и наоборот.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение точности за счет устранения массопереноса между электродами силового преобразователя посредством введения ключевой схемы, преобразующей опорные постоянные напряжения в переменные, а также за счет введения устройства переключения полярности и преобразования изменений постоянного выходного напряжения в эквивалентные изменения переменного напряжения.

Для достижения поставленной цели в электростатический акселерометр, содержащий корпусную пластину из проводящего монокремния, в которой выполнен подвижный электрод-маятник, соединенный с корпусной пластиной упругим подвесом в виде балки, неподвижные стеклянные обкладки, расположенные симметрично с обеих сторон корпусной пластины и жестко с ней соединены, электроды емкостного преобразователя перемещений и секционные электроды обратного электростатического преобразователя момента, положительный и отрицательный источники опорных напряжений, отличающийся тем, что источники опорных напряжений соединены с электродами обратного преобразователя через введенное ключевое устройство, переключающее их полярность, а выход акселерометра соединен со входом управления электродами обратного электростатического преобразователя момента через введенное устройство переключения полярности выходного напряжения, причем переключение полярности выходного напряжения и переключение полярности источников опорных напряжений осуществляется синхронно с частотой, кратной частоте переменного напряжения, питающего емкостный мост преобразователя перемещений.

На чертеже приведена схема заявляемого устройства, включающая проводящую кремниевую пластину 1, в которой методом микроэлектронной технологии выполнен подвижный электрод-маятник 2. С обеих сторон с кремниевой пластиной 1 соединены стеклянные обкладки с металлизированными на ней проводящими электродами: датчика перемещений 3 и силовыми электродами электростатического датчика момента 4. Проводящий электрод-маятник 2 соединен с кремниевой пластиной 1 упругими подвесами 5, выполненными в виде гибкой балки. В заявляемое акселерометр введено ключевое устройство 6 на ключах Кл1-Кл4, ко входам которого включены положительный (+и_оп) и отрицательный (-и _оп) источники опорных напряжений 7. Выходы ключевого устройства соединены через линеризующие резисторы R с электродами 4 электростатического датчика момента. Все резисторы, задействованные в схеме, имеют один номинал 2-10 кОм. В суммирующую точку 8 линеризатора характеристики электростатического датчика момента включено через введенные ключи Кл5 и Кл6, а также операционный усилитель 10 устройство переключения полярности напряжения 9, управляющего электростатическим датчиком момента. В качестве управляющего напряжения используется выходное напряжение акселерометра, подведенное к устройству переключения полярности по цепи обратной связи.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. В нейтральном положении подвижный электрод-маятник 2 находится по середине неподвижных электродов преобразователей перемещений 3 и силовых электродов 4. На выходе акселерометра имеет место нуль.

При воздействии ускорения электрод-маятник 2 отклоняется от нейтрального положения. Выходной сигнал акселерометра становится отличающимся от нуля и этот сигнал по цепи отрицательной обратной связи поступает на силовые электроды 4. Возникающий электрический момент отработки всегда направлен противоположно моменту от силы инерции и всегда стремится переместить электрод-маятник в нейтральное положение. В связи с изобретением посредством введения переключающего устройства 6 полярности источников опорных напряжений 7 и устройства переключения полярности выходного сигнала 9 и 10, поступающего в точку суммирования 8 резистивного линеризатора характеристики сигнала обратной связи, питание силовых электродов осуществляется переменным напряжением. Тем самым исключается массоперенос между силовыми неподвижными электродами 4 и электродом-маятником 2. В соответствии с физической сущностью электростатического силового преобразователя, выражающейся в притяжении между подвижным и неподвижными электродами (т.е. силы отталкивания не имеют места), в заявляемом изобретении притяжение всегда происходит в сторону большей разницы между опорным и выходным напряжениями.

Таким образом, поставленная цель изобретения - повышение точности работы акселерометра за счет устранения массопереноса между электродом-маятником и неподвижными силовыми электродами достигнута.

Источники информации

1. Патент США № 3877313, кл. 73/517, 1975.

2. Патент США № 4483194, кл. 73/517, 1982.

3. Авторское свидетельство СССР № 1620944, G01B 15/08, от 15.01.1991 г.