RU2082174C1

RU2082174C1 - Electrostatically suspended accelerometer

Info

Publication number: RU2082174C1
Application number: RU94013052A
Authority: RU
Inventors: Лев Александрович Левин; Олег Леонидович Мумин
Original assignee: Лев Александрович Левин; Олег Леонидович Мумин
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 1997-06-20

Abstract

FIELD: self-contained navigation systems, moving objects control systems. SUBSTANCE: electrostatically suspended accelerometer has a casing, sensing element, capacitance read-out system, follow-up system. The casing interior, accommodating the sensing element, is filled with dielectric liquid with relative dielectric constant ε>4, the sensing element density exceeds the liquid density. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано в автоматных навигационных системах, системах управления движущимися объектами, для измерения сил, действующих на объект. The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used in automatic navigation systems, control systems for moving objects, to measure the forces acting on the object.

Известны акселерометры с электростатическим подвесом, содержащие вакуум-прочный корпус, чувствительный элемент, емкостную систему съема информации, следящую систему. Сюда относятся акселерометры однокоординатные, трехкоординатные, пространственные, с чувствительными элементами металлическими (или с электропроводящим покрытием), в виде пластин, цилиндров, сфер, кубов, крестообразной формы. Все эти акселерометры содержат вакуум-прочный корпус, емкостную систему съема информации, измерительные электроды, которые, как правило, совмещены с силовыми электродами электростатического подвеса, следящую систему, на вход которой подается сигнал с системы съема информации, а к выходу которой подключены силовые электроды. Accelerometers with an electrostatic suspension are known, containing a vacuum-robust housing, a sensing element, a capacitive information retrieval system, and a tracking system. These include single-axis, three-coordinate, spatial accelerometers, with metal sensitive elements (or with an electrically conductive coating), in the form of plates, cylinders, spheres, cubes, cross-shaped. All these accelerometers contain a vacuum-robust housing, a capacitive information retrieval system, measuring electrodes, which, as a rule, are combined with power electrodes of the electrostatic suspension, a tracking system, to the input of which a signal is supplied from the information retrieval system, and to the output of which power electrodes are connected.

В качестве конкретных примеров приведен:
акселерометр с электростатическим подвесом, содержащим вакуум-прочный корпус, чувствительный элемент в виде плоского диска, емкостную систему съема информации, следящую систему. (Slater J.M. Inertial Guidance Sensor, New York, 1964);
акселерометр с электростатическим подвесом, содержащий вакуум-прочный корпус, чувствительный элемент в виде цилиндра, емкостную систему съема информации, следящую систему. (В книге "Теория и применение электромагнитных подвесов", под ред. Осокина Ю.А. М. Машиностроение, 1980, 284 с)
акселерометр с электростатическим подвесом, содержащий вакуум-прочный корпус, крестообразный чувствительный элемент, емкостную систему съема информации, следящую систему. (Патент Франции N 2511509, G 01 P 15/125, 1983).As specific examples are given:
an accelerometer with an electrostatic suspension containing a vacuum-robust housing, a sensitive element in the form of a flat disk, a capacitive information retrieval system, and a tracking system. (Slater JM Inertial Guidance Sensor, New York, 1964);
an accelerometer with an electrostatic suspension containing a vacuum-robust housing, a sensing element in the form of a cylinder, a capacitive information retrieval system, and a tracking system. (In the book "Theory and Application of Electromagnetic Suspensions", under the editorship of Osokin Yu.A. M. Mashinostroenie, 1980, 284 s)
an accelerometer with an electrostatic suspension, comprising a vacuum-robust housing, a cross-shaped sensitive element, a capacitive information retrieval system, and a tracking system. (French Patent N 2511509, G 01 P 15/125, 1983).

Ближайшим аналогом к изобретению является:
акселерометр с электростатическим подвесом, содержащий вакуум-прочный корпус, сферический чувствительный элемент, емкостную систему съема информации, следящую систему. (Acta, Astronautica, 1980, v. 7, p. 1-13)
Недостатками известного акселерометра является:
сложность создания, изготовления и эксплуатации приборов с вакуум-прочными корпусами,
необходимость в условиях Земли приложения к силовым электродам высокого напряжения и применения высоковольтных преобразователей,
необходимость периодического вакуумирования полости корпуса (для этого в приборах, используемых в условиях Земли, устанавливают высоковакуумные насосы).The closest analogue to the invention is:
an accelerometer with an electrostatic suspension, comprising a vacuum-robust housing, a spherical sensing element, a capacitive information retrieval system, and a tracking system. (Acta, Astronautica, 1980, v. 7, p. 1-13)
The disadvantages of the known accelerometer are:
the complexity of the creation, manufacture and operation of devices with vacuum-resistant housings,
the need in the Earth for applications to high voltage power electrodes and the use of high voltage converters,
the need for periodic evacuation of the body cavity (for this, high-vacuum pumps are installed in devices used in the Earth's conditions).

Задачей изобретения является усовершенствование конструкции акселерометров с электростатическим подвесом, что позволяет:
упростить конструкцию корпуса,
снизить величину силового напряжения,
исключить периодическое вакуумирование прибора. Кроме того, дополнительной задачей является повышение ударовибропрочности и упрощение корректирующих звеньев следующей системы.The objective of the invention is to improve the design of accelerometers with electrostatic suspension, which allows:
to simplify the design of the housing,
reduce the amount of power voltage,
exclude periodic evacuation of the device. In addition, an additional task is to increase shock and impact strength and simplify the corrective links of the next system.

Указанный технический результат достигается тем, что в акселерометре с электростатическим подвесом, содержащем корпус, чувствительный элемент, емкостную систему съема информации, следящую систему, полость, в которой расположен чувствительный элемент, заполняется диэлектрической жидкостью с относительной диэлектрической проницаемостью ε > 4, при этом плотность чувствительного элемента превышает плотность жидкости. The specified technical result is achieved by the fact that in an accelerometer with an electrostatic suspension containing a housing, a sensing element, a capacitive information retrieval system, a tracking system, the cavity in which the sensing element is located is filled with a dielectric fluid with a relative dielectric constant ε> 4, while the density of the sensitive element exceeds the density of the liquid.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен вариант схемы конструкции акселерометра со сферическим чувствительным элементов. The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a variant of the design of an accelerometer with spherical sensitive elements.

На чертеже изображено: 1 чувствительный элемент, 2 корпус, 3 - электроды, 4 электропроводящие стержни, 5 клеммная колодка, 6 - диэлектрическая жидкость, 7 трубка, 8 сосуд, 9 сильфон, 10 штенгель, 11 кожух. The drawing shows: 1 sensing element, 2 case, 3 - electrodes, 4 conductive rods, 5 terminal block, 6 - dielectric fluid, 7 tube, 8 vessel, 9 bellows, 10 plug, 11 casing.

На чертеже приведен вариант конструкции акселерометра с электростатическим подвесом со сферическим чувствительным элементом. The drawing shows a design variant of the accelerometer with an electrostatic suspension with a spherical sensing element.

Чувствительный элемент 1 расположен внутри сферической полости корпуса 2, изготовленного из двух половин. Каждая половина корпуса 2 изготовлена из изоляционного материала, например, керамики или кварца. На внутреннюю поверхность корпуса наносятся, например, вакуумным напылением электроды 3, которые через запрессованные в корпус электропроводящие стержни 4 соединяются с клеммной колодкой 5, к которой подключается электронный блок (на чертеже не показан). Так как при ортогональной конструкции расположения электродов горизонтальные электроды "разрезаются" разъемом корпуса, они изготовлены из двух половинок, обе половинки подключаются к одной клемме колодки 5. Внутренняя полость заполняется диэлектрической жидкостью 6 с относительной диэлектрической проницательностью e > 4 и плотностью меньше средней плотности чувствительного элемента. Внутренняя полость корпуса соединена через трубки 7 с сосудом 8, который заполнен жидкостью 6. Сосуд заканчивается сильфоном 9, который при заполнении полости жидкостью 6 соединяется с установкой для заполнения через штенгель 10. Все устройство защищено кожухом 11. The sensing element 1 is located inside the spherical cavity of the housing 2, made of two halves. Each half of the housing 2 is made of an insulating material, such as ceramic or quartz. For example, electrodes 3 are applied onto the inner surface of the housing, for example, by vacuum spraying, which are connected through the conductive rods 4 pressed into the housing to the terminal block 5 to which the electronic unit is connected (not shown in the drawing). Since in the orthogonal design of the arrangement of the electrodes the horizontal electrodes are "cut" by the housing connector, they are made of two halves, both halves are connected to the same terminal block 5. The internal cavity is filled with dielectric fluid 6 with a relative dielectric constant e> 4 and a density less than the average density of the sensing element . The internal cavity of the body is connected through tubes 7 to a vessel 8, which is filled with liquid 6. The vessel ends with a bellows 9, which when filling the cavity with liquid 6 is connected to the installation for filling through the plug 10. The whole device is protected by a casing 11.

При необходимости поддержания постоянной плотности жидкости или диэлектрической проницаемости жидкости прибор снабжается системой термостабилизации (на чертеже не показана), которая обычно включает термодатчик, электронный блок и нагреватель. If it is necessary to maintain a constant liquid density or dielectric constant of the liquid, the device is equipped with a thermal stabilization system (not shown in the drawing), which usually includes a temperature sensor, an electronic unit, and a heater.

Противоположные электроды 3 по каждой оси подключены к датчику положения, который преобразует изменение емкости при перемещении чувствительного элемента в пропорциональное изменение напряжения на выходе датчика. Сигнал с датчика через предварительный усилитель, блок коррекции подается на вход выходного усилителя и затем в виде напряжения на электроды 3 по этой же оси. Opposite electrodes 3 on each axis are connected to a position sensor, which converts the change in capacitance when moving the sensing element into a proportional change in the voltage at the output of the sensor. The signal from the sensor through the pre-amplifier, the correction unit is fed to the input of the output amplifier and then in the form of voltage to the electrodes 3 along the same axis.

Обычно следящая система акселерометра с электростатическим подвесом проектируется таким образом, чтобы при действии допустимых ускорений чувствительный элемент оставался неподвижным в центре подвеса. Usually, the tracking system of an accelerometer with an electrostatic suspension is designed in such a way that, under the action of permissible accelerations, the sensing element remains stationary in the center of the suspension.

Компенсационный акселерометр, к которому относится акселерометр с электростатическим подвесом, измеряет силу путем сравнения действующей на чувствительный элемент силы, равной F_g= ma, где m масса чувствительного элемента, a действующее ускорение с силой, создаваемой электростатическим подвесом, равной F_э=ε_aE²S/2 где ε_o абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, которая заполняет пространство между электродами и чувствительным элементом, E напряженность электрического поля на поверхности чувствительного элемента, S площадь электрода.The compensation accelerometer, which includes an electrostatic suspension accelerometer, measures the force by comparing the force acting on the sensor, equal to F _g = ma, where m is the mass of the sensor, and the effective acceleration from the force produced by the electrostatic suspension, equal to F _e = ε _a E ² S / 2 where ε _o absolute dielectric constant of the medium that fills the space between the electrodes and a sensitive element, E the electric field intensity on the surface of the sensor element, S RE area Yes.

В известных акселерометрах с электростатическим подвесом средой является вакуум, который создается для исключения электрического пробоя между электродами и чувствительным элементом. При этом, чем больше E= U/d, где U - напряжение на электроде, d зазор между электродом и чувствительным элементом, тем большая сила может быть уравновешена. Величина ускорения определяется из уравнения баланса

где ε_o электрическая постоянная. Отметим, что в настоящее время E достигает 2•10⁷ В/м.In known accelerometers with an electrostatic suspension, the medium is a vacuum, which is created to eliminate electrical breakdown between the electrodes and the sensing element. Moreover, the greater E = U / d, where U is the voltage at the electrode, d is the gap between the electrode and the sensing element, the greater the force can be balanced. The acceleration value is determined from the balance equation

where ε _{o is the} electric constant. Note that at present, E reaches 2 • 10 ⁷ V / m.

В общем случае среда в полости корпуса может отличаться от вакуума, например, как мы предлагаем, быть заполнена жидкостью, тогда

где ε_a абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, E - относительная диэлектрическая проницаемость, которая показывает во сколько раз диэлектрические свойства среды выше свойств вакуума.In general, the medium in the body cavity may differ from the vacuum, for example, as we propose, be filled with liquid, then

where ε _{a is the} absolute dielectric constant of the medium, E is the relative dielectric constant, which shows how many times the dielectric properties of the medium are higher than the vacuum properties.

Для уменьшения напряжения на электродах имеется несколько путей. There are several ways to reduce the voltage at the electrodes.

Увеличение площади электрода S. Увеличение площади ведет к увеличению габаритов прибора, и если одновременно увеличивается чувствительный элемент, то может не привести к снижению напряжения. An increase in the area of the electrode S. An increase in the area leads to an increase in the dimensions of the device, and if the sensitive element increases at the same time, it may not lead to a decrease in voltage.

Уменьшение рабочего зазора d. В настоящее время "стандартный" зазор составляет 100 мкм, но в ряде приборов доходит до 30 мкм и меньше. Уменьшение зазора приводит к повышению требований к чистоте поверхности чувствительного элемента и электродов для исключения возможности электрического пробоя, что является задачей весьма сложной. Reduced working clearance d. Currently, the "standard" gap is 100 microns, but in some devices reaches 30 microns or less. Reducing the gap leads to increased requirements for the cleanliness of the surface of the sensitive element and electrodes to eliminate the possibility of electrical breakdown, which is a very difficult task.

Для уменьшения напряжения на электродах полость между электродами и чувствительными элементами заполняют жидкость с значением относительной диэлектрической проницаемости ε не менее 4. Из выражения для силы следует, что при неизменной силе уменьшение напряжения может быть скомпенсировано увеличением e при этом

т.е. увеличение в 4 раза позволяет уменьшить напряжение в 2 раза. При этом сила остается неизменной, работает энергия диэлектрика (аналогично как в случае постоянного магнита).To reduce the voltage at the electrodes, the cavity between the electrodes and the sensitive elements is filled with a liquid with a relative dielectric constant ε of at least 4. From the expression for the force, it follows that with a constant force the decrease in voltage can be compensated by an increase in e

those. a 4-fold increase allows you to reduce the voltage by 2 times. In this case, the force remains unchanged, the dielectric energy works (similarly as in the case of a permanent magnet).

Применение ε менее 4 нецелесообразно, так как эффект уменьшения напряжения не оправдывает некоторые условия конструкции акселерометра (введение сильфона, операции заполнения жидкостью). The use of ε less than 4 is impractical, since the effect of reducing the voltage does not justify some conditions of the design of the accelerometer (introduction of the bellows, the operation of filling with liquid).

В соответствии с работой Н.П.Богародицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева "Электротехнические материалы" (Л. Энергия, 1977, издание шестое) наибольшее e 80 имеет чистая вода. Известны синтетические диэлектрические жидкости - нитробензол, этиленгликоль, цианоэтилсахароза, которые имеют e 35-39. Применение этих жидкостей позволяет в 6 раз уменьшить напряжение, подаваемое на электроды. In accordance with the work of N.P. Bogaroditsky, V.V. Pasynkova, B.M. Tareeva "Electrotechnical materials" (L. Energia, 1977, sixth edition) the greatest e 80 has clean water. Known synthetic dielectric liquids - nitrobenzene, ethylene glycol, cyanoethyl sucrose, which have e 35-39. The use of these liquids allows 6 times to reduce the voltage supplied to the electrodes.

Реализация изобретения не вызывает трудностей, так как конструкция и технология изготовления подобных приборов с заполнением жидкостью обработана на гироскопических поплавках приборах и акселерометрах с механическими опорами, в которых тяжелая жидкость используется для разгрузки опор часового типа. The implementation of the invention does not cause difficulties, since the design and manufacturing technology of such devices with liquid filling is processed on gyroscopic floats devices and accelerometers with mechanical supports in which heavy liquid is used to unload watch-type supports.

При применении жидкости заполняющей полость, в которой находится чувствительный элемент, необходимо, чтобы средняя плотность чувствительного элемента была больше плотности жидкости. Измерительной массой, которая "чувствует" ускорение, является разность масс, равная массе чувствительного элемента минус масса жидкости в объеме чувствительного элемента. При необходимости можно скомпенсировать уменьшение массы чувствительного элемента увеличением плотности материала, из которого он изготавливается. When using liquid filling the cavity in which the sensitive element is located, it is necessary that the average density of the sensitive element is greater than the density of the liquid. The measuring mass that “senses” the acceleration is the mass difference equal to the mass of the sensing element minus the mass of the liquid in the volume of the sensing element. If necessary, it is possible to compensate for the decrease in the mass of the sensitive element by increasing the density of the material from which it is made.

Так как чувствительный элемент находится в жидкости, то при его перемещениях на него будет действовать вязкое трение, т.е. будет иметь место демпфирование движения чувствительного элемента, это позволяет снизить требования к соответствующим элементам следящей системы и тем самым упростить ее. Since the sensitive element is in the liquid, viscous friction will act on it when it moves. there will be damping of the movement of the sensing element, this reduces the requirements for the corresponding elements of the tracking system and thereby simplify it.

Таким образом, изобретение позволяет:
уменьшить величину силового напряжения, подаваемого на электроды электростатического подвеса, и тем самым уменьшить энергию, потребляемую акселерометром от источника питания;
упростить конструкцию корпуса, сделав его вместо вакуум-прочного - герметичным;
исключить периодическое вакуумирование прибора;
повысить ударо- и вибростойкость прибора;
упростить корректирующие звенья следящей системы.Thus, the invention allows:
reduce the magnitude of the power voltage supplied to the electrodes of the electrostatic suspension, and thereby reduce the energy consumed by the accelerometer from the power source;
to simplify the design of the case, making it instead of a vacuum-durable - tight;
exclude periodic evacuation of the device;
increase shock and vibration resistance of the device;
simplify the corrective links of the tracking system.

Claims

An accelerometer with an electrostatic suspension, comprising a housing, a sensing element, a capacitive information retrieval system and a tracking system, wherein the sensing element is installed in the housing cavity, characterized in that the housing cavity is filled with a dielectric fluid with a relative dielectric constant of less than 4, and the density of the sensitive element exceeds the density liquids.