RU2149412C1 - Compensating acceleration meter - Google Patents
Compensating acceleration meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2149412C1 RU2149412C1 RU98112205A RU98112205A RU2149412C1 RU 2149412 C1 RU2149412 C1 RU 2149412C1 RU 98112205 A RU98112205 A RU 98112205A RU 98112205 A RU98112205 A RU 98112205A RU 2149412 C1 RU2149412 C1 RU 2149412C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resistor
- resistors
- output
- amplifier
- outputs
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейного ускорения с электростатическим обратным преобразователем. The invention relates to the field of measuring equipment, namely to compensation linear acceleration converters with an electrostatic inverse converter.
Известен компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину с подвижным элементом, неподвижным элементом и соединяющим их упругим шарниром, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь положения подвижного элемента с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, электростатический обратный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, усилитель [1]. Known compensation accelerometer containing a first plate with a movable element, a fixed element and an elastic hinge connecting them, a second and third plate, a differential capacitive transducer of the position of the movable element with fixed electrodes on the second and third plates, an electrostatic inverse converter with fixed electrodes on the second and third plates amplifier [1].
В таком компенсационном акселерометре существует ограничение верхнего предела диапазона измеряемых ускорений вследствие неполного использования площади поверхности подвижного элемента для создания компенсационной электростатической силы. In such a compensation accelerometer, there is a limitation of the upper limit of the range of measured accelerations due to the incomplete use of the surface area of the movable element to create a compensation electrostatic force.
Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2], содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная рамка, подвижный элемент и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым неподвижными электродами на второй и третьей пластинах соответственно и подвижным электродом, образованным электропроводной поверхностью подвижного элемента, первый и второй резисторы, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя, к первому неподвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя подключен один их выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и один вывод первого резистора, к второму неподвижному электроду подключен другой выход двухфазного генератора напряжения переменного тока и один вывод второго резистора. The closest in technical essence is a compensation accelerometer [2], containing a first plate of single-crystal material in which a fixed frame, a movable element and an elastic joint connecting them, a second and third plate, a differential capacitive transducer with the first and second fixed electrodes on the second and the third plates, respectively, and the movable electrode formed by the conductive surface of the movable element, the first and second resistors, and the movable electrode p It is connected to the source of the DC voltage reference and to the amplifier input, one of the outputs of the two-phase AC voltage generator and one output of the first resistor are connected to the first stationary electrode of the differential capacitive converter, the other output of the two-phase AC voltage generator and one output of the second are connected to the second stationary electrode resistor.
Недостатком такого компенсационного акселерометра является отсутствие возможности изменения верхнего предела диапазона измеряемых ускорений без изменения таких основных конструктивных параметров акселерометра, как масса подвижного элемента, зазор между электродами и т.д. The disadvantage of such a compensation accelerometer is the inability to change the upper limit of the range of measured accelerations without changing such basic design parameters of the accelerometer as the mass of the movable element, the gap between the electrodes, etc.
Техническим результатом изобретения является расширение возможности варьирования верхним пределом диапазона измеряемых ускорений компенсационного акселерометра. The technical result of the invention is to expand the possibility of varying the upper limit of the range of measured accelerations of the compensation accelerometer.
Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижная рамка, подвижный элемент и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь с первым и вторым неподвижными электродами на второй и третьей пластинах соответственно и подвижным электродом, образованным электропроводной поверхностью подвижного элемента, первый и второй резисторы, причем подвижный электрод подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя, к первому неподвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя подключен один из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и один вывод первого резистора, к второму неподвижному электроду подключен другой выход двухфазного генератора напряжения переменного тока и один вывод второго резистора, тем, что введены третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, к второму выводу первого резистора подключены первые выводы третьего и четвертого резисторов, к второму выводу второго резистора подключены первые выводы пятого и шестого резисторов, второй вывод третьего резистора подключен к одному из противофазных выходов усилителя, вторые выводы четвертого и шестого резисторов подключены к общей линии генератора и усилителя, второй вывод пятого резистора подключен к другому противофазному выходу усилителя, при этом верхний предел aв диапазона измеряемых ускорений определяется соотношением
где aвм - максимальный верхний предел диапазона измеряемых ускорений;
r1 - сопротивление четвертого или шестого резисторов;
r2 - сопротивление третьего или пятого резисторов.This technical result is achieved in a compensation accelerometer containing a first plate of single-crystal material, in which a fixed frame, a movable element and an elastic joint connecting them, a second and third plate, a differential capacitive transducer with the first and second fixed electrodes on the second and third plates, respectively, are formed and the movable electrode formed by the conductive surface of the movable element, the first and second resistors, and the movable electrode is connected one of the outputs of the two-phase AC voltage generator and one output of the first resistor are connected to the source of the reference DC voltage and to the input of the amplifier, to the first fixed electrode of the differential capacitive converter, one other output of the two-phase AC voltage generator and one output of the second resistor are connected , the fact that the third, fourth, fifth and sixth resistors are introduced, the first conclusions of the third and fourth are connected to the second output of the first resistor of the second resistors, the first terminals of the fifth and sixth resistors are connected to the second terminal of the second resistor, the second terminal of the third resistor is connected to one of the antiphase outputs of the amplifier, the second terminals of the fourth and sixth resistors are connected to the common line of the generator and amplifier, the second terminal of the fifth resistor is connected to another antiphase the output of the amplifier, while the upper limit a in the range of measured accelerations is determined by the relation
where a vm is the maximum upper limit of the range of measured accelerations;
r 1 is the resistance of the fourth or sixth resistors;
r 2 is the resistance of the third or fifth resistors.
В частном случае выполнения компенсационного акселерометра первая пластина выполнена из монокристаллического кремния. In the particular case of the execution of the compensation accelerometer, the first plate is made of single-crystal silicon.
Путем введения третьего, четвертого, пятого и шестого резисторов, соединения их с первым и вторым резисторами, подключения третьего резистора к одному из противофазных выходов усилителя, подключения четвертого резистора к другому противофазному выходу усилителя обеспечивается перераспределение напряжения между выходами усилителя и неподвижными электродами дифференциального емкостного преобразователя. В результате при максимальном выходном напряжении усилителя на неподвижные электроды подается неполное выходное напряжение усилителя, создается меньший компенсационный момент от пондемоторных сил дифференциального емкостного преобразователя, и уменьшается верхний предел диапазона измеряемых ускорений компенсационного акселерометра. Таким образом изменяется верхний предел диапазона измеряемых ускорений без изменения таких основных конструктивных параметров компенсационного акселерометра, как масса подвижного элемента, зазор между электродами дифференциального емкостного преобразователя и т.д. By introducing the third, fourth, fifth and sixth resistors, connecting them to the first and second resistors, connecting the third resistor to one of the out-of-phase outputs of the amplifier, connecting the fourth resistor to the other out-of-phase output of the amplifier, the voltage is redistributed between the outputs of the amplifier and the stationary electrodes of the differential capacitive converter. As a result, at the maximum output voltage of the amplifier, an incomplete output voltage of the amplifier is supplied to the stationary electrodes, a smaller compensation moment from the pondemotor forces of the differential capacitive converter is created, and the upper limit of the range of measured accelerations of the compensation accelerometer decreases. Thus, the upper limit of the range of measured accelerations is changed without changing such basic design parameters of the compensation accelerometer as the mass of the moving element, the gap between the electrodes of the differential capacitive transducer, etc.
На фиг. 1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг. 2 - электрическая схема компенсационного акселерометра. Компенсационный акселерометр (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлены первая пластина 2 из монокристаллического материала, например кремния, вторая пластина 3 и третья пластина 4. В первой пластине 2 выполнены неподвижная рамка 5, подвижный элемент 6 с электропроводной поверхностью 7 и соединяющий неподвижную рамку 5 с подвижным элементом 6 упругий шарнир 8 в виде упругой перемычки. На второй пластине 3 расположен первый неподвижный электрод 9 дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине 4 расположен второй неподвижный электрод 10. In FIG. 1 is a perspective view of a compensation accelerometer; FIG. 2 is a circuit diagram of a compensation accelerometer. The compensation accelerometer (Fig. 1) comprises a housing 1 in which a first plate 2 of single-crystal material, for example silicon, is installed, a second plate 3 and a third plate 4. In the first plate 2, a fixed frame 5, a movable element 6 with an electrically
Между второй пластиной 3 и неподвижной рамкой 5 расположен платик 11 так, чтобы образовать зазор d между первым неподвижным электродом 9 и подвижным элементом 6. Такой же платик 12 расположен между третьей пластиной 4 и неподвижной рамкой 5. A plate 11 is located between the second plate 3 and the fixed frame 5 so as to form a gap d between the first
Корпус 1 закрыт крышкой 13. Case 1 is closed by a cover 13.
В дифференциальном емкостном преобразователе (фиг. 2) выполнены конденсаторы C1 и C2. Конденсатор C1 образован первым неподвижным электродом 9 и подвижным электродом, в качестве которого служит электропроводная поверхность 7 подвижного элемента 6. Конденсатор C2 образован вторым неподвижным электродом 10 и тем же самым подвижным электродом в виде электропроводной поверхности 7 подвижного элемента 6. In the differential capacitive converter (Fig. 2), capacitors C1 and C2 are made. The capacitor C1 is formed by the first
Один выход двухфазного генератора 14 напряжения переменного тока подключен через конденсатор C3 к первому неподвижному электроду 9. Второй выход двухфазного генератора 14 через конденсатор C4 подключен к второму неподвижному электроду 10. One output of the two-
Подвижный электрод в виде электропроводной поверхности 7 подвижного элемента 6 подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока 15 и через конденсатор C5 - к входу усилителя 16 с двумя противофазными выходами. The movable electrode in the form of an electrically
К первому неподвижному электроду 9 подсоединен один вывод первого резистора R1, к второму неподвижному электроду 10 подсоединен один вывод второго резистора R2. К второму выводу первого резистора R1 подсоединены первые выводы третьего резистора R3 и четвертого резистора R4. Второй вывод третьего резистора R3 подключен к одному из противофазных выходов усилителя 16. К второму выводу второго резистора 2 подсоединены первые выводы пятого резистора R5 и шестого резистора R6. Второй вывод пятого резистора R5 подсоединен к второму выходу усилителя 16 с двумя противофазными выходами. Вторые выводы четвертого резистора R4 и шестого резистора R6 соединены с общей линией выхода генератора 14 и усилителя 16. One terminal of the first resistor R1 is connected to the first
Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения a по измерительной оси компенсационного акселерометра, направленной перпендикулярной поверхности 7 подвижного элемента 6, на подвижный элемент 6 действует инерционный момент Mи
M=mlna, (1)
где m - масса подвижного элемента;
ln - расстояние центра масс подвижного элемента от оси упругого шарнира.Compensation accelerometer works as follows. In the presence of acceleration a along the measuring axis of the compensation accelerometer directed perpendicular to the
M = ml n a, (1)
where m is the mass of the movable element;
l n is the distance of the center of mass of the moving element from the axis of the elastic hinge.
Под действием инерционного момента происходит угловое перемещение подвижного элемента 6, емкости конденсаторов C1, C2 дифференциального емкостного преобразователя изменяются, и с его выхода на вход усилителя 16 поступает сигнал рассогласования следящей системы компенсационного акселерометра. После преобразования и усиления сигнала рассогласования на каждом из противофазных выходов усилителя 16 появляется напряжение Uу. В результате на подвижный элемент 6 действует компенсационный момент Mк, вызванный пондемоторной силой
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды между подвижным и неподвижным электродами;
εo - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
Uо - напряжение источника опорного напряжения 15;
s - площадь каждого из подвижных и неподвижных электродов;
d - зазор между каждым неподвижным и подвижным электродами.Under the influence of the inertial moment, the movable element 6 is angularly displaced, the capacitances of the capacitors C1, C2 of the differential capacitive transducer are changed, and from its output to the input of the
where ε is the relative dielectric constant of the medium between the movable and fixed electrodes;
ε o - absolute dielectric constant;
U about the voltage of the source of the
s is the area of each of the movable and fixed electrodes;
d is the gap between each fixed and movable electrodes.
В момент компенсации
Mк = Mи (3)
В результате подстановки в (3) выражений (1), (2) и преобразования получается:
Таким образом измеряемое компенсационным акселерометром ускорение пропорционально выходному напряжению усилителя.At the time of compensation
M k = M and (3)
As a result of substituting expressions (1), (2) and transformation in (3), we obtain:
Thus, the acceleration measured by the compensation accelerometer is proportional to the output voltage of the amplifier.
Усилитель выдает максимальное выходное напряжение Uм. При напряжении Uу = Uм, если бы оно было приложено к неподвижным электродам 9, 10, максимальный верхний предел aвм диапазона измеряемых ускорений составил бы
В схеме фиг. 2 на каждый из неподвижных электродов 9, 10 подается максимальное напряжение Uэл
где r1 - сопротивление каждого из четвертого R4 и шестого R6 резисторов;
r2 - сопротивление каждого из третьего R3 и пятого резисторов R5.The amplifier gives the maximum output voltage U m . At a voltage U y = U m , if it were applied to the
In the circuit of FIG. 2 for each of the
where r 1 is the resistance of each of the fourth R4 and sixth R6 resistors;
r 2 is the resistance of each of the third R3 and fifth resistors R5.
Тогда частный верхний предел aв диапазона измеряемых ускорений составляет
При сравнении выражений (5), (6) получается:
Следовательно, выбором сопротивлений третьего, четвертого, пятого и шестого резисторов можно изменять верхний предел диапазон измеряемых ускорений, не изменяя массы подвижного элемента и зазора между подвижным и неподвижным электродами дифференциального емкостного преобразователя компенсационного акселерометра.Then the partial upper limit a in the range of measured accelerations is
When comparing expressions (5), (6) it turns out:
Therefore, by choosing the resistances of the third, fourth, fifth and sixth resistors, you can change the upper limit of the range of measured accelerations without changing the mass of the movable element and the gap between the movable and fixed electrodes of the differential capacitive transducer of the compensation accelerometer.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1620944 кл. G 01 P 15/08. Электростатический акселерометр. 1992 г.Sources of information
1. Copyright certificate of the USSR N 1620944 class. G 01
2. Электростатический уравновешенный акселерометр. НТИ N 2 (62), 1992 г. "Пилотажно-навигационное оборудование за рубежом". Изд. ГОНТИ, 1992 г. 2. Electrostatic balanced accelerometer. NTI N 2 (62), 1992 "Flight and navigation equipment abroad." Ed. GONTI, 1992
Claims (2)
где авм - максимальный верхний предел диапазона измеряемых ускорений;
r1 - сопротивление четвертого или шестого резисторов;
r2 - сопротивление третьего или пятого резисторов.1. Compensation accelerometer containing a housing, a first plate of single-crystal material, in which a fixed frame, a movable element and an elastic hinge connecting them, a second and third plate, a differential capacitive transducer with the first and second stationary electrodes on the second and third plates, respectively, and movable, are formed the electrode formed by the conductive surface of the movable element, the first and second resistors, and the movable electrode is connected to a reference voltage source direct current and to the input of the amplifier, to the first fixed electrode of the differential capacitive converter, one of the outputs of the two-phase alternating current voltage generator and one output of the first resistor are connected, the other output of the two-phase alternating current voltage generator and one output of the second resistor are connected to the second fixed electrode, characterized in that the third, fourth, fifth and sixth resistors are introduced, the first conclusions of the third and fourth resistors are connected to the second output of the first resistor, to the second the first output of the fifth and sixth resistors are connected to the output terminal of the second resistor, the second output of the third resistor is connected to one of the antiphase outputs of the amplifier, the second outputs of the fourth and sixth resistors are connected to the common line of the generator and amplifier, the second output of the fifth resistor is connected to another antiphase output of the amplifier, this upper limit a in the range of measured accelerations is determined by the ratio
where a VM - the maximum upper limit of the range of measured accelerations;
r 1 is the resistance of the fourth or sixth resistors;
r 2 is the resistance of the third or fifth resistors.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98112205A RU2149412C1 (en) | 1998-06-24 | 1998-06-24 | Compensating acceleration meter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98112205A RU2149412C1 (en) | 1998-06-24 | 1998-06-24 | Compensating acceleration meter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU98112205A RU98112205A (en) | 2000-04-10 |
RU2149412C1 true RU2149412C1 (en) | 2000-05-20 |
Family
ID=20207707
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98112205A RU2149412C1 (en) | 1998-06-24 | 1998-06-24 | Compensating acceleration meter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2149412C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2461838C1 (en) * | 2011-04-04 | 2012-09-20 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" (ОАО "РПКБ") | Accelerometre |
-
1998
- 1998-06-24 RU RU98112205A patent/RU2149412C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Электростатический уравновешенный акселерометр. НТИ N 2 (63) Пилотажно-навигационное оборудование за рубежом, ГОНТИ, 1992. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2461838C1 (en) * | 2011-04-04 | 2012-09-20 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" (ОАО "РПКБ") | Accelerometre |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4584885A (en) | Capacitive detector for transducers | |
US5440939A (en) | Servo-controlled pendular micro-sensor | |
US5517123A (en) | High sensitivity integrated micromechanical electrostatic potential sensor | |
US7051590B1 (en) | Structure for attenuation or cancellation of quadrature error | |
US5511420A (en) | Electric field attraction minimization circuit | |
US20020027191A1 (en) | Apparatus for sensing position of electrostatic XY-stage through time-division multiplexing | |
GB1575167A (en) | Capacitance-to-voltage transformation circuit | |
JPH05256870A (en) | Small-sized silicon accelerometer and its method | |
US6316948B1 (en) | Charge balance network with floating ground capacitive sensing | |
Wolffenbuttel et al. | Capacitance-to-phase angle conversion for the detection of extremely small capacities | |
CN101680910A (en) | Method of work and circuit structure with capacitance type micro mechanical sensor of analog reset | |
KR20020004824A (en) | Capacitance-type external-force detecting device with improved sensitivity | |
CN111693784B (en) | A circuit for measuring weak capacitance changes | |
RU2149412C1 (en) | Compensating acceleration meter | |
RU2344374C1 (en) | Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions) | |
RU2566655C1 (en) | Measurement of apparent acceleration and piezoelectric accelerometer to this end | |
US20080079435A1 (en) | Electrostatic Voltmeter With Spacing-Independent Speed of Response | |
JP3282360B2 (en) | Capacitive sensor | |
RU2137141C1 (en) | Compensation accelerometer | |
Emmerich et al. | A novel micromachined magnetic-field sensor | |
RU2158903C1 (en) | Gyroscope-accelerometer with electrostatic suspension of rotor | |
JPS6394102A (en) | Position detector | |
RU2184380C1 (en) | Accelerometer of compensation type | |
JP3265807B2 (en) | Capacitive sensor | |
RU2246735C1 (en) | Compensation accelerometer |