Патент на изобретение №2328700

(54) МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для использования в качестве чувствительного элемента в системах ориентации, стабилизации, наведения и навигации. Акселерометр содержит два источника опорного напряжения, ключевое устройство, тактовый генератор, две неподвижные пластины конденсатора, центральную подвижную пластину конденсатора, чувствительный элемент, упругий подвес, инвертирующий повторитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот первого порядка, фильтр нижних частот второго порядка и интегродифференцирующий фильтр первого порядка. При этом выходы источников опорного напряжения соединены с первым и вторым входами ключевого устройства соответственно, прямой выход тактового генератора соединен с третьим входом ключевого устройства и соединен также с вторым входом синхронного детектора, инверсный выход тактового генератора соединен с четвертым входом ключевого устройства. Неподвижные пластины конденсатора жестко присоединены к корпусу прибора напротив друг друга, чувствительный элемент присоединен к корпусу прибора посредством упругого подвеса, выходы ключевого устройства соединены с неподвижными пластинами конденсатора, центральная подвижная пластина конденсатора жестко присоединена к чувствительному элементу и соединена с входом инвертирующего повторителя. Выход инвертирующего повторителя соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот второго порядка, выход которого соединен с входом интегродифференцирующего фильтра первого порядка. Выход интегродифференцирующего фильтра первого порядка соединен с входом фильтра нижних частот первого порядка, выход которого является выходом акселерометра. Техническим результатом является увеличение точности измерения ускорения. 4 ил.U – напряжение на центральной подвижной пластине конденсатора 8,

W – измеряемое ускорение,

k_у – коэффициент передачи чувствительного элемента,

h₀ – зазор между центральной подвижной пластиной и неподвижной пластиной конденсатора при нулевом положении чувствительного элемента,

m – масса чувствительного элемента,

– постоянная времени чувствительного элемента,

G_y – линейная жесткость упругого подвеса чувствительного элемента,

_у – коэффициент затухания колебаний чувствительного элемента, определяемый параметрами чувствительного элемента и демпфирующей среды.

Выходной сигнал с центральной подвижной пластины конденсатора 8 поступает на вход инвертирующего повторителя 11 с большим входным сопротивлением и единичным коэффициентом усиления. Сигнал с выхода инвертирующего повторителя 11 поступает на первый вход синхронного детектора 12, на второй вход которого поступает сигнал с прямого выхода тактового генератора 4. Синхронный детектор 12 обеспечивает чувствительность к знаку перемещения чувствительного элемента 9. Выходной сигнал синхронного детектора 12 является меандром, частота которого равна частоте _г тактового генератора 4 с амплитудой, модулированной напряжением рассогласования мостовой схемы. Выходной сигнал синхронного детектора 12 поступает на вход фильтра нижних частот второго порядка 13 с передаточной функцией:

_ф1 – коэффициент затухания фильтра нижних частот второго порядка.

Величина коэффициента затухания _ф1 выбирается равной 0,707.

Фильтр нижних частот второго порядка 13 осуществляет преобразование переменного напряжения на выходе синхронного детектора 12 в сигнал постоянного напряжения. Передаточная функция, связывающая ускорение и сигнал на выходе фильтра нижних частот второго порядка 13, имеет вид:

W – динамическая ошибка акселерометра.

Постоянная времени Т₃ интегро-дифференцирующего фильтра первого порядка 14 и постоянная времени Т₅ фильтра нижних частот первого порядка определяются путем решения системы уравнений:

_г=628000 с^-1; =0,000355 с; _у=15,28; (T₁=0,0108 с, Т₂=0,00001162 с); k_y=0,000634 н/м; k_ф1=3,5; Т_ф1=0,00561 с; _ф1=0,707; U_п=0.157·10^-5 В (U_п – уровень пульсации выходного сигнала) приведен на фиг.2 (кривая 1).

График логарифмической амплитудно-частотной характеристики передаточной функции (8) предлагаемого микромеханического акселерометра прямого преобразования приведен на фиг.2 (кривая 2) при следующих его числовых параметрах: U₀=5 B; m=0,0002 кг; h₀=0,00002 м; _г=628000 с^-1; =0,000355 с; _у=15,28; (T₁=0,0108 c, Т₂=0,00001162 c); k_y=0,000634 н/м; k_ф1=3,5; Т_ф1=0,0056] с; _ф1=0707; Т₄=0,00561 с, постоянные времени Т₃ и Т₅ определены путем решения системы уравнений (9) и соответственно равны 0,024361 с и 0,00000675 с.

На фиг.3 приведен график динамической ошибки предлагаемого микромеханического акселерометра прямого преобразования при измерении ускорения с амплитудой 1 м/с² и частотой 6,28 с^-1. На фиг.4 приведен график динамической ошибки прототипа при измерении ускорения с амплитудой 1 м/с² и частотой 6,28 c^-1.

Из приведенных графиков видно, что, например, при гармоническом изменении ускорения с амплитудой 1 м/с² и частотой =6,28 с^-1 амплитуда ошибки прототипа в установившемся режиме составляет 0,1174 м/с², а амплитуда ошибки предлагаемого микромеханического акселерометра в установившемся режиме в 13,5 раз меньше и составляет 0,00875 м/с².

Таким образом, совокупность признаков устройства микромеханического акселерометра прямого преобразования, реализация которых может быть выполнена в соответствии с фиг.1, позволяет повысить точность измерения ускорения.

Формула изобретения

Микромеханический акселерометр прямого преобразования, содержащий первый источник опорного напряжения, второй источник опорного напряжения, ключевое устройство, тактовый генератор, корпус прибора, первую неподвижную пластину конденсатора, вторую неподвижную пластину конденсатора, центральную подвижную пластину конденсатора, чувствительный элемент, упругий подвес, инвертирующий повторитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот второго порядка, причем выход первого источника опорного напряжения соединен с первым входом ключевого устройства, выход второго источника опорного напряжения соединен с вторым входом ключевого устройства, прямой выход тактового генератора соединен с третьим входом ключевого устройства и соединен также с вторым входом синхронного детектора, инверсный выход тактового генератора соединен с четвертым входом ключевого устройства, первая неподвижная пластина конденсатора и вторая неподвижная пластина конденсатора жестко присоединены к корпусу прибора напротив друг друга, чувствительный элемент присоединен к корпусу прибора посредством упругого подвеса, первый выход ключевого устройства соединен с первой неподвижной пластиной конденсатора, второй выход ключевого устройства соединен с второй неподвижной пластиной конденсатора, центральная подвижная пластина конденсатора жестко присоединена к чувствительному элементу и соединена с входом инвертирующего повторителя, выход инвертирующего повторителя соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот второго порядка, отличающийся тем, что дополнительно введены интегродифференцирующий фильтр первого порядка и фильтр нижних частот первого порядка, причем выход фильтра нижних частот второго порядка соединен с входом интегродифференцирующего фильтра первого порядка, выход интегродифференцирующего фильтра первого порядка соединен с входом фильтра нижних частот первого порядка, а выход фильтра нижних частот первого порядка является выходом микромеханического акселерометра прямого преобразования.

РИСУНКИ