Компенсационный акселерометр

Компенсационный акселерометр

Реферат

 

Использование: изобретение относится к измерительной техники, а именно к прецизионным маятниковым акселерометрам для измерения линейного ускорения для целей навигации. Сущность изобретения: в компенсационном акселерометре, имеющем внутреннюю 6 и внешнюю 7 подвижные части одной пластины 5, соединенные упругими перемычками, емкостный датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой 11 и дисковым постоянным магнитом 10 с диаметральной намагниченностью, неподвижная часть 6 с образованным на пластине расстоянием ее плоскостей от подвижной части 7, подвижная часть 7 и упругие перемычки выполнены единым элементом из монокристаллического кремния, на неподвижной части 6 установлены платы 8 с электродами 9 датчика положения, на подвижной части 7 установлены четыре груза, причем три груза с различной плоскостью материала установлены на одной стороне под углами 120° друг от друга, на них установлена компенсационная катушка 11, массы грузов и компенсационной катушки 11, их положения относительно оси подвеса таковы, что действующий на подвижную часть 7 момент по одной оси акселерометра равен нулю и отличен от нуля по измерительной оси акселерометра. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к прецизионным маятниковым акселерометрам для измерения линейного ускорения для целей навигации.

Известен акселерометр, содержащий корпус, маятниковый чувствительный элемент, прикрепленный к корпусу с помощью упругого подвеса, датчик положения, дифференциальный магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой катушкой на чувствительном элементе и двумя магнитными системами в корпусе, причем в каждую магнитную систему входит постоянный магнит [1].

Недостатком такого акселерометра является увеличение габаритов, вызванное необходимостью применения в силовом преобразователе двух магнитных систем с целью компенсации нелинейности характеристики акселерометра.

Компенсация нелинейности характеристики акселерометра достигается также в принятом за прототип акселерометра с одной магнитной системой [2]. Акселерометр содержит корпус, керамическую пластину, имеющую внутреннюю неподвижную часть, внешнюю подвижную часть, соединенную с внутренней неподвижной частью двумя упругими перемычками, образующими упругий подвес с осью подвеса, проходящей через оси изгиба упругих перемычек. Акселерометр содержит также грузы на внешней подвижной части пластины, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой на внешней подвижной части пластины и дисковый постоянный магнит на корпусе с диаметральным направлением намагниченности, емкостный датчик положения с подвижными напыленными электродами конденсаторов на внешней подвижной части пластины и неподвижными напыленными электродами конденсаторов на магните, токоподводы, соединяющие компенсационную катушку с внешними цепями, усилитель.

Такому акселерометру присуща температурная погрешность смещения характеристики вследствие изменения параметров емкостного датчика положения с изменением температуры окружающей среды из-за различных температурных коэффициентов линейного расширения материалов пластины и постоянного магнита.

Целью изобретения является повышение точности измерения акселерометра.

Цель достигается в компенсационном акселерометре, содержащем корпус, пластину, имеющую внутреннюю неподвижную часть, внешнюю подвижную часть, соединенную с внутренней неподвижной частью двумя упругими перемычками, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, проходящей через оси изгиба упругих перемычек, грузы на внешней подвижной части пластины, емкостный датчик положения с подвижными электродами конденсаторов на внешней подвижной части пластины, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой и дисковым постоянным магнитом на корпусе с диаметральным направлением намагниченности, токоподводы, соединяющие компенсационную катушку с внешними цепями, усилитель, тем, что каждая из основных плоскостей внутренней неподвижной части пластины расположена от соответствующей ближайшей основной плоскости внешней подвижной части пластины на расстоянии, не меньшем величины максимального хода внешней подвижной части пластины при предельном суммарном значении статического и вибрационного ускорений, внешняя подвижная часть, внутренняя неподвижная часть пластины и соединяющие их упругие перемычки выполнены единым элементом из монокристаллического кремния, внешняя подвижная часть пластины, упругие перемычки и внутренняя неподвижная часть с вышеуказанным расстоянием ее основных плоскостей от основных плоскостей внешней подвижной части выполнены методом анизотропного травления кремния, на каждую из основных плоскостей внутренней неподвижной части пластины установлена плата из неэлектропроводного материала, температурный коэффициент линейного расширения которого близок к температурному коэффициенту линейного расширения кремния, например поликора, на плате симметрично оси подвеса в месте расположения зазора, образованного вышеуказанным расстоянием между плоскостями внутренней неподвижной и внешней подвижной частей, образованы металлизированные участки, являющиеся неподвижными электродами конденсаторов емкостного датчика положения, общий подвижный электрод которого образован внешней подвижной частью пластины из кремния, нейтральная ось магнита расположена в плоскости, проходящей через ось подвеса перпендикулярно основной плоскости внутренней неподвижной части пластины, на одной из основных плоскостей внешней подвижной части по одну сторону от оси подвеса расположен первый груз, на второй основной плоскости внешней подвижной части пластины рядом с первым грузом расположен второй груз, центры масс первого и второго грузов расположены на радиусе, перпендикулярном оси подвеса, на основной плоскости внешней подвижной части пластины, на которой расположен первый груз, по другую сторону от оси подвеса установлены третий и четвертый грузы, образованные радиусами из центра пластины к центрам масс углы между первым, третьим и четвертым грузами составляют около 120^о, первый и второй грузы выполнены из материала с большей плотностью, чем плотность материала третьего и четвертого грузов, компенсационная катушка установлена на поверхностях первого, третьего и четвертого грузов, ее ось симметрии расположена в плоскости, проходящей через ось подвеса и нейтральную ось магнита, массы грузов и компенсационной катушки, расстояния их центров масс от оси подвеса и плоскости симметрии пластины, проходящей параллельно основным плоскостям внешней подвижной и внутренней неподвижной частей, таковы, что суммарный момент относительно оси подвеса действующих на грузы и компенсационную катушку сил параллельно плоскости симметрии пластины равен нулю, а суммарный момент относительно оси подвеса действующих на первый и второй грузы сил перпендикулярно плоскости симметрии пластины превышает аналогичный суммарный момент действующих на третий и четвертый грузы сил.

При дальнейшем развитии конструкции выводы компенсационной катушки, токоподводы и места соединения токоподводов с выводами компенсационной катушки располагаются в плоскости, проходящей через ось подвеса и нейтральную ось магнита.

В усовершенствованной конструкции акселерометра грузы выполнены из электропроводного материала и расположены в рабочем зазоре силового преобразователя.

Выполнение единым элементом из монокристаллического кремния методом анизотропного травления внешней подвижной части, внутренней неподвижной части пластины, соединяющих их упругих перемычек, расположение основных плоскостей внутренней неподвижной части над основными плоскостями внешней подвижной части обеспечивает параллельность основных плоскостей внешней подвижной части и внутренней неподвижной части пластины при изменении температуры окружающей среды. Расположением плат из поликора (материала, температурный коэффициент линейного расширения которого близок к температурному коэффициенту линейного расширения кремния) на основных плоскостях внутренней неподвижной части пластины достигается параллельность плоскостей плат основным плоскостям внутренней неподвижной части при изменении температуры окружающей среды вследствие того, что соединение плат с внутренней неподвижной частью пластины происходит по центральной части плат, а их периферийная часть остается свободной, и близки температурные коэффициенты линейного расширения материалов плат и пластины.

Так как на платах расположены неподвижные электроды конденсаторов датчика положения акселерометра, сама пластина из кремния является общим неподвижным электродом конденсаторов, то вследствие сохранения параллельности при изменении температуры основных плоскостей пластины и плат не происходит изменения выходного сигнала датчика положения, не изменяется смещение характеристики акселерометра и повышается точность измерения ускорения при изменении температуры окружающей среды. При выполнении грузов из материалов с различной плотностью обеспечивается расположение трех грузов на одной стороне внешней подвижной части под углами 120^о относительно друг друга.

Расположение компенсационной катушки на одной стороне внешней подвижной части на поверхностях трех грузов, находящихся под углами 120^о относительно друг друга, расположение оси симметрии компенсационной катушки в плоскости, проходящей через ось подвеса перпендикулярно основным поверхностям пластины, обеспечивает при изменении температуры одинаковое изменение емкостей датчика положения, электроды которых расположены на платах симметрично оси подвеса. При этом достигается стабильность смещения характеристики акселерометра с изменением температуры окружающей среды, что повышает точность измерения ускорения.

При таком выполнении акселерометра, когда три груза и компенсационная катушка находятся по одну сторону от плоскости симметрии пластины, а еще один груз расположен по другую сторону, грузы выполнены из материалов с различной плотностью, три груза на одной стороне внешней подвижной части расположены под углами 120^о относительно друг друга, массы грузов и компенсационной катушки, расстояния их центров масс от плоскости симметрии пластины таковы, что в результате суммарный момент относительно оси подвеса действующих на грузы и компенсационную катушку сил параллельно плоскости симметрии пластины равен нулю, достигается устранение погрешности от перекрестных связей, что повышает точность измерения ускорения.

Расположением оси симметрии компенсационной катушки в плоскости, проходящей через ось подвеса перпендикулярно основным поверхностям пластины, грузов на внешней подвижной части пластины, выполнением грузов из материалов с различной плотностью, расположением трех грузов на одной стороне внешней подвижной части под углами 120^о, выбором масс грузов, расстояний их центров масс относительно оси подвеса достигается получение максимального суммарного момента относительно оси подвеса действующих на грузы сил перпендикулярно плоскости симметрии пластины, который является полезным моментом акселерометра и увеличение которого повышает точность измерения ускорения.

При расположении нейтральной оси магнита, оси симметрии компенсационной катушки в плоскости, проходящей через ось подвеса перпендикулярно основным поверхностям пластины, обеспечивается равенство нулю относительно оси подвеса момента сил, вызванных неравенством магнитных сопротивлений частей магнитной системы силового преобразователя, окружающих компенсационную катушку.

При этом уменьшается нелинейность характеристики акселерометра, что повышает точность измерения ускорения.

Путем расположения выводов компенсационной катушки, токоподводов и мест крепления токоподводов к компенсационной катушке в плоскости, проходящей через ось подвеса и нейтральную ось магнита, исключается действие вредного момента, вызванного тяжением токоподводов, во всем диапазоне температур окружающей среды, что повышает точность измерения ускорения.

При выполнении грузов из электропроводных материалов и расположении их в рабочем зазоре силового преобразователя обеспечивается увеличение демпфирующего момента, что позволяет повысить коэффициент преобразования следящей системы акселерометра, и, следовательно, точность измерения ускорения.

На фиг. 1 изображен акселерометр, общий вид, разрез; на фиг.2 - конструкция пластины с грузами; на фиг.3 - пластина с грузами и компенсационной катушкой; на фиг.4 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.5 - конструкция платы; на фиг.6 - электрическая схема акселерометра.

Акселерометр имеет корпус 1 со стойкой 2 и посадочными отверстиями 3 во фланце корпуса 1, который закрыт крышкой 4 (фиг.1). На стойке 2 установлена пластина 5 из монокристаллического кремния, имеющая внутреннюю неподвижную часть 6 и внешнюю подвижную часть 7. Каждая из основных плоскостей (плоскость с наибольшей поверхностью) внутренней неподвижной части 6 отстоит от соответствующей ближайшей основной плоскости внешней подвижной части 7 на расстоянии d, которое составляет не менее максимального хода внешней подвижной части 7 при суммарной величине максимальных значений статического и вибрационного ускорений. На стойке 2 на одну из основных плоскостей внутренней неподвижной части 6 установлена плата 8, на другую основную плоскость - плата 8'. Платы 8 и 8' выполнены из неэлектропроводного материала с температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения кремния, например из поликора. На плате 8 между основными плоскостями внутренней неподвижной части 6 и внешней подвижной части 7 выполнены металлизированные участки 9 и 9', представляющие собой неподвижные электроды конденсаторов емкостного датчика положения. Роль общего подвижного электрода конденсаторов играют основные плоскости внешней подвижной части 7 пластины 5, выполненной из кремния.

Магнитоэлектрический силовой преобразователь акселерометра состоит из установленного на стойке 2 дискового постоянного магнита 10 с диаметральным направлением намагниченности, компенсационной катушки 11, магнитопровода, образованного корпусом 1 и крышкой 4, которые изготовлены из магнитомягкого магнитного материала.

Установленные на стойке 2 магнит 10, платы 8 и 8', пластина 5 закрепляются с помощью гайки 12, навинчиваемой на резьбовую концевую часть стойки 2.

Внешняя подвижная часть 7 связана с внутренней неподвижной частью 6 пластины 5 двумя упругими перемычками 13 и 13', в результате чего внешняя подвижная часть 7 имеет свободу углового движения относительно оси 14-14' подвеса, образованной расположенными соосно осями изгиба упругих перемычек 13 и 13' (фиг.2).

Внутренняя неподвижная часть 6, внешняя подвижная часть 7, упругие перемычки 13 и 13' выполнены единым элементом, причем внутренняя неподвижная часть 6, внешняя подвижная часть 7, упругие перемычки 13 и 13', расстояние d между основными плоскостями внутренней неподвижной части 6 и внешней подвижной части 7 образованы анизотропным травлением кремния.

На одной основной плоскости (фиг.3) внешней подвижной части 7 на радиусе, перпендикулярном оси 14-14' подвеса, по одну сторону от оси 14-14' подвеса установлен первый груз 15, на другой основной плоскости - второй груз 16. На одной основной плоскости с первым грузом 15 установлены третий 17 и четвертый 18 грузы. Углы, отсчитываемые между радиусами, проведенными из центра пластины 5 к центрам масс первого 15, третьего 17 и четвертого 18 грузов, составляют около 120^о.

Грузы могут быть выполнены из электропроводных материалов, например вольфрамовых сплавов и алюминия, и размещаться в рабочем зазоре силового преобразователя. Тогда они могут выполнять функции электродинамического демпфера.

Ось 14-14' подвеса лежит в плоскости 19-19' симметрии пластины 5, проходящей параллельно основным плоскостям внутренней неподвижной части 6 и внешней подвижной части 17 (фиг.3). Грузы 15 и 16 выполнены из материала с большей плотностью, чем плотность материала грузов 17 и 18. Например, грузы 15 и 16 могут быть выполнены из вольфрамового сплава ВНМ - 5-3, а грузы 17 и 18 - из алюминия. Массы грузов 15-18, компенсационной катушки 11, расстояние l₁ от плоскости 19-19' симметрии пластины до компенсационной катушки 11, до грузов 15, 17 и 18 - l₂, до груза 16 - l₃ таковы, что суммарный момент относительно оси 14-14' подвеса параллельных плоскости 19-19' симметрии сил грузов 15-18 и компенсационной катушки 11 равен нулю, а суммарный момент относительно оси 14-14' подвеса перпендикулярных плоскости 19-19' симметрии сил грузов 15 и 16 больше суммарного момента грузов 17 и 18. В результате центр масс внешней подвижной части 7 вместе с компенсационной катушкой 11 и грузами 15-18 расположен в направлении от центра пластины 5 к центру масс груза 15 на радиусе, который является пересечением плоскости 19-19' симметрии пластины 5 с перпендикулярной ей плоскостью, проходящей через центр масс грузов 15 и16. Вследствие этого внешняя подвижная часть 7 имеет маятниковость, т. е. на нее действует момент внешних сил, перпендикулярных плоскости симметрии пластины 5.

Нейтральная ось 20-20' магнита 10 расположена в плоскости, проходящей через ось 14-14' подвеса перпендикулярно основным плоскостям пластины 5 (фиг.4). Ось 21-21' симметрии компенсационной катушки 11 расположена в плоскости, проходящей через ось 14-14' подвеса и нейтральную ось 20-20' магнита. Два вывода 22, 22' компенсационной катушки 11 расположены на оси 21-21' симметрии компенсационной катушки 11 в плоскости, проходящей через ось 14-14' подвеса и нейтральную ось 20-20' магнита 10. Два токоподвода (на фиг. не показаны) крепятся соответственно к выводам 22 и 22' компенсационной катушки 11 и проходят перпендикулярно плоскости чертежа в плоскости, проходящей через ось 14-14' подвеса и нейтральную ось 20-20' магнита 10, к переходной плате (на фиг. не показана).

Металлизированные пластины 9 и 9', являющиеся неподвижными электродами конденсаторов емкостного датчика положения, расположены на плате 8 симметрично относительно оси 14-14' подвеса (фиг.5).

На электрической схеме акселерометра (фиг.6) емкостный датчик положения выполнен по мостовой схеме, запитываемой от источника U переменной ЭДС. Конденсатор С1 образован неподвижным электродом 9 на плате 8 и подвижным электродом, представляющим собой основную плоскость пластины 5 из кремния. Конденсатор С2 образован вторым неподвижным электродом 9' на плате 8 и тем же самым подвижным электродом в виде основной плоскости пластины 5.

Резисторы R1, R2 являются элементами балансировки моста. Сигнал с мостовой схемы датчика положения поступает на вход усилителя 23 с корректирующим фильтром. К выходу усилителя 23 подключена компенсационная катушка 11, и выходным сигналом акселерометра является ток, протекающий через эту катушку.

Акселерометр работает следующим образом.

При отсутствии ускорения датчик положения находится в сбалансированном состоянии, и на его выходе нет сигнала рассогласования в усилитель 23, в результате чего выходной сигнал акселерометра равен нулю. Пpи наличии измеряемого ускорения, направленного перпендикулярно основным плоскостям пластины 5, вследствие наличия маятниковости внешней подвижной части 7 под действием инерционной силы происходит угловое перемещение внешней подвижной части 7 относительно внутренней неподвижной части 6 и связанной с ней платы 8. Пусть направление ускорения таково, что при угловом перемещении внешней подвижной части 7 ее основная плоскость, находящаяся напротив металлизированного участка 9 на плате 8, приближается к металлизированному участку 9, а противоположная часть основной плоскости отдаляется от металлизированного участка 9'. Тогда емкость конденсатора С1 увеличивается, емкость конденсатора С2 уменьшается, и с выхода емкостного датчика положения поступает сигнал рассогласования в усилитель 23. В усилителе 23 переменный сигнал датчика положения преобразуется в сигнал постоянного тока, усиливается и поступает в компенсационную катушку 11 силового преобразователя. Постоянное магнитное поле, созданное протекающим по компенсационной катушке 11 током, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В результате в силовом преобразователе создается компенсирующая сила, возвращающая внешнюю подвижную часть 7 пластины 5 в исходное положение. Сила тока i, протекающего через компенсационную катушку 11, пропорциональна величине измеряемого ускорения.

Формула изобретения

1. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус, пластину, имеющую внутреннюю неподвижную часть, внешнюю подвижную часть, соединенную с внутренней неподвижной частью двумя упругими перемычками, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, проходящей через ось изгиба упругих перемычек, грузы на внешней подвижной части, емкостный датчик положения с подвижными электродами конденсаторов на внешней подвижной части пластины, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой и дисковым постоянным магнитом на корпусе с диаметральным направлением намагниченности, токоподводы, соединяющие компенсационную катушку с внешними цепями, усилитель, отличающийся тем, что каждая из основных плоскостей внутренней неподвижной части пластины расположена от соответствующей ближайшей основной плоскости внешней подвижной части пластины на расстоянии, не меньшем величины максимального хода внешней подвижной части пластины при предельном суммарном значении статического и вибрационного ускорений, внешняя подвижная часть, внутренняя неподвижная часть пластины и соединяющие их упругие перемычки выполнены из монокристаллического кремния, на каждую из основных плоскостей внутренней неподвижной пластины установлена плата из неэлектропроводного материала, температурный коэффициент линейного расширения которого близок к температурному коэффициенту линейного расширения кремния, например поликора, на плате симметрично оси подвеса в месте расположения зазора, образованного указанным расстоянием между плоскостями внутренней неподвижной и внешней подвижной частей, образованы металлизированные участки, являющиеся неподвижными электродами конденсаторов емкостного датчика положения, общий подвижный электрод которого образован внешней подвижной частью пластины из кремния, нейтральная ось магнита расположена в плоскости, проходящей через ось подвеса перпендикулярно основной плоскости внутренней неподвижной части пластины, на одной из основных плоскостей внешней подвижной части по одну сторону от оси подвеса расположен первый груз, на второй основной плоскости внешней подвижной части рядом с первым грузом расположен второй груз, центры масс первого и второго грузов расположены на радиусе перпендикулярном оси подвеса, на основной плоскости внешней подвижной части пластины, на которой расположен первый груз, по другую сторону от оси подвеса установлены третий и четвертый грузы, образованные радиусами из центра пластины к центрам масс углы между первым, третьим и четвертым грузами составляют около 120^o, первый и второй грузы выполнены из материала с большей плотностью, чем плотность материала третьего и четвертого грузов, компенсационная катушка установлена на поверхностях первого, третьего и четвертого грузов, ее ось симметрии расположена в плоскости, проходящей через ось подвеса и нейтральную ось магнита, массы грузов и компенсационной катушки, расстояния их центров масс от оси подвеса и плоскости симметрии пластины, проходящей параллельно основным плоскостям внешней подвижной и внутренней неподвижной частей, таковы, что суммарный момент относительно оси подвеса действующих на грузы и компенсационную катушку сил параллельно плоскости симметрии пластины равен нулю, а суммарный момент относительно оси подвеса действующих на первый и второй грузы сил перпендикулярно плоскости симметрии пластины превышает аналогичный суммарный момент действующих на третий и четвертый грузы сил.

2. Акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что выводы компенсационной катушки, токоподводы и места соединения токоподводов с выводами компенсационной катушки расположены в плоскости, проходящей через ось подвеса и нейтральную ось магнита.

3. Акселерометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что грузы выполнены из электропроводного материала и расположены в рабочем зазоре силового преобразователя.

4. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что внешняя подвижная часть пластины, упругие перемычки и внутренняя неподвижная часть с указанным расстоянием ее основных плоскостей от основных плоскостей внешней подвижной части выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6