RU2098833C1

RU2098833C1 - Compensation acceleration meter

Info

Publication number: RU2098833C1
Application number: RU96106668A
Authority: RU
Inventors: А.Я. Гаршин; Н.И. Королев; Л.П. Домнин; Г.Б. Волобуев
Original assignee: Русланов Александр Семенович; Рапопорт Владимир Самуилович
Priority date: 1996-04-04
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 1997-12-10

Abstract

FIELD: instruments, in particular, systems for control, testing and diagnostics of equipment, autonomous navigation devices. SUBSTANCE: device has sensitive element which has two stationary electrodes and moving plate, three amplifiers and two resistors. Output of first amplifier is connected to first resistor. Output of second amplifier is connected to second resistor and serves as device output. Goal of invention is achieved by introduced reference voltage source, electric signal generator, two transistor pairs with different conductance type, three resistors and two capacitors. This results in possibility of negative feedback circuit for amplifiers gain. EFFECT: compensation of electric noise (noise suppression in static and dynamic modes is greater than 60 dB). 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления, контроля, диагностирования машин и агрегатов, а также в автономных навигационных приборах. The invention relates to measuring equipment and can be used in control systems, monitoring, diagnosing machines and assemblies, as well as in stand-alone navigation devices.

Известны акселерометры, в которых определение ускорения получается путем измерения приращения емкости чувствительного элемента (1). Accelerometers are known in which the determination of acceleration is obtained by measuring the increment of the capacitance of the sensing element (1).

Однако данные акселерометры имеют низкую надежность вследствие наличия шарнирных соединений подвижного электрода и влияния неконтролируемых электростатических и электрических полей. However, these accelerometers have low reliability due to the presence of articulated joints of the movable electrode and the influence of uncontrolled electrostatic and electric fields.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является акселерометр (2), содержащий чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя и два резистора, выход первого усилителя подключен к первому резистору, выход второго усилителя соединен со вторым резистором. The closest in technical essence to the proposed device is an accelerometer (2) containing a sensing element, which includes two fixed electrodes and a movable plate, three amplifiers and two resistors, the output of the first amplifier is connected to the first resistor, the output of the second amplifier is connected to the second resistor.

Недостатком этого устройства является низкая помехоустойчивость при воздействии электрических помех. The disadvantage of this device is the low noise immunity when exposed to electrical noise.

Технический результат изобретения повышение помехоустойчивости при воздействии электромагнитных помех. The technical result of the invention is increased noise immunity when exposed to electromagnetic interference.

Для достижения указанного результата в устройство, содержащее чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя и два резистора, при этом выход первого усилителя подключен к первому резистору, а выход второго усилителя соединен со вторым резистором и является выходом устройства, дополнительно введены источник опорного напряжения (ИОН), генератор электрических сигналов (ГЭС), транзисторная пара с одним типом проводимости (ТПОТП), транзисторная пара с другим типом проводимости (ТПДТП), три резистора и два конденсатора, при этом выходы ИОН и ГЭС объединены и подключены к подвижной пластине чувствительного элемента, эмиттеры первого и второго транзисторов ТПОТП и ТПДТП соединены соответственно и через первый и второй конденсаторы подключены соответственно к первому и второму неподвижным электродам чувствительного элемента, соединенным со вторыми выводами первого и второго резисторов соответственно, базы первого и второго транзисторов ТПОТП объединены и подключены к корпусу, а коллекторы первого и второго транзисторов ТПОТП соединены с первыми входами третьего и первого усилителей соответственно и через третий и четвертый резисторы соответственно подключены к выходу третьего усилителя, второй вход которого соединен с корпусом, базы и коллекторы первого и второго транзисторов ТПДТП объединены и через пятый резистор подключены к источнику питания, выход первого усилителя соединен с первым входом второго усилителя, а вторые входы обоих усилителей подключены к корпусу. To achieve this result, in a device containing a sensitive element including two fixed electrodes and a movable plate, three amplifiers and two resistors, the output of the first amplifier is connected to the first resistor, and the output of the second amplifier is connected to the second resistor and is the output of the device, additionally introduced a reference voltage source (ION), an electric signal generator (HES), a transistor pair with one type of conductivity (TPOTP), a transistor pair with another type of conductivity (TPDTP), three resistors and two capacitors, while the ION and HES outputs are combined and connected to the movable plate of the sensing element, the emitters of the first and second transistors TPOTP and TPDTP are connected respectively and through the first and second capacitors are connected respectively to the first and second fixed electrodes of the sensitive element connected to the second conclusions of the first and second resistors, respectively, the base of the first and second transistors TPOTP combined and connected to the housing, and the collectors of the first and second transistor in the TPOTP are connected to the first inputs of the third and first amplifiers, respectively, and through the third and fourth resistors are respectively connected to the output of the third amplifier, the second input of which is connected to the housing, the bases and collectors of the first and second transistors of the TPDTP are combined and connected to the power source through the fifth resistor, the output the first amplifier is connected to the first input of the second amplifier, and the second inputs of both amplifiers are connected to the housing.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже, где 1 источник опорного напряжения(ИОН); 2 генератор электрического сигнала (ГЭС); 3 чувствительный элемент; 4,5,10,11,12 резисторы; 6,7 - конденсаторы; 8,9 транзисторные пары с различным типом проводимости (ТПРТП); 13,14,15 усилители. Functional diagram of the proposed device is shown in the drawing, where 1 source of voltage reference (ION); 2 electric signal generator (HPS); 3 sensitive element; 4,5,10,11,12 resistors; 6.7 - capacitors; 8.9 transistor pairs with different types of conductivity (TPRTP); 13,14,15 amplifiers.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 3, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, ИОН 1 и ГЭС 2, выходы которых объединены и подключены к подвижной пластине чувствительного элемента 3, ТПРТП 8,9, эмиттеры первого и второго транзисторов которых соединены соответственно и через конденсаторы 6,7 подключены соответственно к первому и второму неподвижным электродам чувствительного элемента 3, при этом базы первого и второго транзисторов ТПРТП 8 объединены и соединены с корпусом, а коллекторы первого и второго транзисторов ТПРТП 8 соединены с первыми входами усилителей 15 и 13 соответственно и через резисторы 10 и 11 соответственно подключены к выходу усилителя 15, второй вход которого соединен с корпусом, базы и коллекторы первого и второго транзисторов ТПРТП 9 объединены и через резистор 12 подключены к источнику питания, усилитель 14, выход которого является выходом устройства, через резистор 5 подключен ко второму неподвижному электроду чувствительного элемента 3, а первый вход усилителя 14 объединен с выходом усилителя 13 и через резистор 4 соединен с первым неподвижным электродом чувствительного элемента 3, при этом вторые входы усилителей 13 и 14 подключены к корпусу. The proposed device contains a sensing element 3, which includes two stationary electrodes and a movable plate, ION 1 and HES 2, the outputs of which are combined and connected to the movable plate of the sensing element 3, TPRTP 8.9, emitters of the first and second transistors which are connected respectively through capacitors 6,7 are connected respectively to the first and second fixed electrodes of the sensing element 3, while the bases of the first and second transistors TPRTP 8 are combined and connected to the housing, and the collectors of the first and of the transistors TPRTP 8 are connected to the first inputs of the amplifiers 15 and 13, respectively, and through resistors 10 and 11 respectively are connected to the output of the amplifier 15, the second input of which is connected to the housing, the bases and collectors of the first and second transistors TPRTP 9 are combined and connected through the resistor 12 to the source power amplifier 14, the output of which is the output of the device, through a resistor 5 is connected to the second fixed electrode of the sensing element 3, and the first input of the amplifier 14 is combined with the output of the amplifier 13 and through the resistor 4 union of a first fixed electrode sensing element 3, while the second inputs of amplifiers 13 and 14 connected to the housing.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В исходном состоянии при отсутствии внешнего механического воздействия (ускорения) подвижная пластина чувствительного элемента 3 находится в среднем (равновесном) состоянии, при этом на нее подается с ИОН 1 отрицательный потенциал, близкий по величине к напряжению источника питания E_п, а с ГЭС 2 сигнал ВЧ. Через одинаковые воздушные зазоры между подвижной пластиной и неподвижными электродами чувствительного элемента 3 протекают равные емкостные токи, поступающие через конденсаторы 6,7 на ТПРТП 8, 9, которые в совокупности с резисторами 10, 11, 12 представляют собой детекторы сигнала. При идентичности транзисторных пар в равной степени изменяется средний ток смещения через переходы, задаваемый резистором 12, при этом на коллекторах ТПРТП 8 создаются равные потенциалы за счет протекания одинаковых коллекторных токов через резисторы 10, 11. Поскольку усилители 13, 14, 15 охвачены отрицательной обратной связью, а их вторые входы заземлены, то на коллекторах ТПРТП 8 и выходах усилителей 13, 14, 15 формируется нулевой потенциал, который через резисторы 4, 5 подается на неподвижные электроды чувствительного элемента 3. Таким образом, в зазоре между неподвижными электродами и подвижной пластиной при отсутствии воздействия ускорения действуют равные составляющие электрического поля, направленные встречно друг другу и которые в области расположения подвижной пластины компенсируются. С выхода усилителя 14 сигнал того же нулевого уровня поступает на выход устройства.In the initial state, in the absence of external mechanical action (acceleration), the movable plate of the sensing element 3 is in the middle (equilibrium) state, while a negative potential is applied to it with ION 1, which is close in magnitude to the voltage of the power source E _p , and from the HES 2 signal Treble. Equal capacitive currents flowing through the same air gaps between the movable plate and the stationary electrodes of the sensing element 3 flow through the capacitors 6.7 to TPRTP 8, 9, which, together with resistors 10, 11, 12, are signal detectors. If the transistor pairs are identical, the average bias current through the transitions specified by the resistor 12 changes equally, while the collectors of TPRTP 8 create equal potentials due to the flow of the same collector currents through the resistors 10, 11. Since the amplifiers 13, 14, 15 are covered by negative feedback , and their second inputs are grounded, then at the collectors TPRTP 8 and the outputs of the amplifiers 13, 14, 15 a zero potential is formed, which is fed through the resistors 4, 5 to the stationary electrodes of the sensing element 3. Thus, in dawn between the fixed electrodes and the movable plate in the absence of acceleration effects are equal electric field components directed opposite one another and which in the arrangement of the movable plate are compensated. From the output of the amplifier 14, the signal of the same zero level is fed to the output of the device.

При воздействии на чувствительный элемент 3 внешнего ускорения, действующего вдоль оси чувствительности, на его неподвижных электродах возникает сигнал разбаланса, при этом через конденсаторы 6, 7 потекут различные по величине емкостные токи, поступающие на ТПРТП 8, 9 (детекторы). После детектирования изменяется соотношение постоянных коллекторных токов ТПРТП 8, при этом на коллекторе первого транзистора ТПРТП 8 сохраняется нулевой потенциал за счет усилителя 15 путем стабилизации суммарного тока ТПРТП 8, 9. На коллекторе второго транзистора ТПРТП 8 образуется нулевой потенциал (сигнал разбаланса) за счет перераспределения коллекторных токов в ТПРТП 8, 9, который поступает через усилитель 13 и резистор 4 на первый неподвижный электрод чувствительного элемента 3, а через инверсный вход усилителя 14 и резистор 5 сигнал разбаланса поступает на второй неподвижный электрод чувствительного элемента 3. Таким образом, на неподвижном электроде 1 образуется отрицательный потенциал, а на втором электроде положительный, т.е. взаимно компенсирующееся поле в воздушных зазорах чувствительного элемента 3 превращается в электрическое поле, направленное на компенсацию ускорений, воздействующих на подвижную пластину. При этом составляющие электрического поля в зазорах чувствительного элемента 3 складываются. Суммарный вектор электрического поля направлен встречно вектору ускорения, воздействующего на чувствительный элемент 3 Таким образом, подвижная пластина чувствительного элемента 3 возвращается в среднее (равновесное) положение. Продетектированный в ТПРТП 8, 9 НЧ сигнал рассогласования через усилители 13, 14 подается на выход устройства. When an external acceleration acting along the sensitivity axis acts on the sensor element 3, an unbalance signal appears on its stationary electrodes, while capacitive currents of various magnitude flowing to the TPRTP 8, 9 (detectors) flow through capacitors 6, 7. After detection, the ratio of the constant collector currents TPRTP 8 changes, while the collector of the first transistor TPRTP 8 retains a zero potential due to the amplifier 15 by stabilizing the total current TPRTP 8, 9. At the collector of the second transistor TPRTP 8, a zero potential (unbalance signal) is generated due to redistribution collector currents in TPRTP 8, 9, which enters through the amplifier 13 and resistor 4 to the first stationary electrode of the sensing element 3, and through the inverse input of the amplifier 14 and resistor 5 signal times balance goes to the second fixed electrode of the sensing element 3. Thus, a negative potential is formed on the fixed electrode 1, and a positive potential is formed on the second electrode, i.e. a mutually compensating field in the air gaps of the sensing element 3 is converted into an electric field aimed at compensating for the accelerations acting on the movable plate. In this case, the components of the electric field in the gaps of the sensing element 3 are added. The total vector of the electric field is directed opposite to the acceleration vector acting on the sensing element 3 Thus, the movable plate of the sensing element 3 returns to the middle (equilibrium) position. Detected in TPRTP 8, 9 LF mismatch signal through amplifiers 13, 14 is fed to the output of the device.

Подавление помех по цепи питания и помех за счет наводимых электрических полей осуществляется в устройстве с помощью усилителей 13, 14, 15 путем охвата их отрицательной обратной связью резисторами 4, 5, 10 и заземления (привязка корпуса к нулю) вторых входов этих усилителей. При этом помехи по цепям питания компенсируются усилителем 15, так как для данного усилителя являются синфазными, а помехи, наводимые электрическими полями, подавляются усилителями 13, 14, 15 путем сведения их к нулю за счет заземления. The suppression of noise on the power supply circuit and interference due to induced electric fields is carried out in the device using amplifiers 13, 14, 15 by covering them with negative feedback by resistors 4, 5, 10 and grounding (binding the case to zero) of the second inputs of these amplifiers. In this case, the noise in the power supply circuits is compensated by the amplifier 15, since for this amplifier they are in-phase, and the noise induced by electric fields is suppressed by the amplifiers 13, 14, 15 by reducing them to zero by grounding.

Техническая эффективность предлагаемого устройства заключается в повышении помехоустойчивости при воздействии электрических помех, наводимых по цепям питания, и помех, наводимых электрическими полями. Уровень подавления помех в статическом и динамическом режимах составляет не менее 60 дБ. The technical effectiveness of the proposed device is to increase the noise immunity when exposed to electrical noise induced by the power supply circuit, and interference induced by electric fields. The level of noise suppression in static and dynamic modes is at least 60 dB.

Наиболее успешно заявленный компенсационный акселерометр может быть использован в устройствах для контроля и диагностирования оборудования, а также в навигационных приборах. The most successfully declared compensation accelerometer can be used in devices for monitoring and diagnosing equipment, as well as in navigation devices.

Claims

Compensation accelerometer containing a sensing element, three amplifiers and two resistors, while the output of the first amplifier is connected to the first resistor, and the output of the second amplifier is connected to the second resistor and is the output of the device, characterized in that a reference voltage source, an electric signal generator are introduced into the device , a transistor pair with one type of conductivity, a transistor pair with another type of conductivity, three resistors and two capacitors, and the sensitive element is made in the form of a moving plate ny located between two fixed electrodes, while the outputs of the reference voltage source and the electric signal generator are combined and connected to the movable plate of the sensing element, the emitters of the first and second transistors of a transistor pair with one type of conductivity and a transistor pair with another type of conductivity are connected respectively through the first and the second capacitors are connected respectively to the first and second fixed electrodes of the sensing element connected to the second terminals of the first of the second and second resistors, respectively, the bases of the first and second transistors of a transistor pair with one type of conductivity are combined and connected to the housing, and the collectors of the first and second transistors of a transistor pair with one type of conductivity are connected to the first inputs of the third and first amplifiers, respectively, and through the third and fourth resistors respectively, the bases and collectors of the first and second transistors of a transistor pair with a different type are connected to the output of the third amplifier, the second input of which is connected to the housing conductivity combined and through the fifth resistor connected to a power source, the output of the first amplifier is connected to the first input of the second amplifier, and the second inputs of both amplifiers are connected to the housing.