RU2514151C1

RU2514151C1 - Compensation accelerometer

Info

Publication number: RU2514151C1
Application number: RU2012150512/28A
Authority: RU
Inventors: Николай Алексеевич Горбачев; Андрей Владимирович Масленников; Владимир Михайлович Соловьев; Юрий Владимирович Соловьев; Владимир Ильич Баженов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" (ОАО "РПКБ")
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2014-04-27

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: compensation accelerometer comprises a body with a stand, the first plate from single-crystal silicon, the second plate with two fixed electrodes of a differential capacitance position converter, the third plate, a magnetoelectric power converter with a permanent magnet, an amplifier, besides, serially along the length of the stand from the base of the stand there is a permanent magnet, the second plate, the first plate and the third plate. In accordance with the invention a bushing from invar is installed on the stand, on which the second plate, the first plate and the third plate are arranged. The second and third plate are made of pyrex.

EFFECT: higher accuracy of measurement acceleration.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям линейного ускорения.The invention relates to the field of measuring equipment, namely to linear acceleration measuring transducers.

Известен компенсационный акселерометр [1], содержащий корпус, пластину с подвижной частью, неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения, дифференциальный магнитоэлектрический силовой преобразователь с двумя постоянными магнитами на корпусе и установленной на подвижной части пластины компенсационной катушкой.Known compensation accelerometer [1], comprising a housing, a plate with a movable part, a fixed part and elastic bridges connecting them along the suspension axis, a differential capacitive position transducer, a differential magnetoelectric power transducer with two permanent magnets on the body and a compensation coil mounted on the movable part of the plate.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2], содержащий корпус со стойкой, первую пластину из монокристаллического кремния с внешней подвижной частью, внутренней неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом в виде электропроводной поверхности первой пластины и двумя неподвижными электродами на второй пластине, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и установленной на подвижной части первой пластины посредством подставок кольцевой компенсационной катушкой, груз на подвижной части первой пластины, усилитель, причем последовательно по длине стойки от основания стойки установлены постоянный магнит, вторая пластина, первая пластина и третья пластина.The closest in technical essence is a compensation accelerometer [2], comprising a housing with a stand, a first plate of single-crystal silicon with an external moving part, an internal fixed part and elastic bridges connecting them along the suspension axis, a differential capacitive position transducer with a movable electrode in the form of an electrically conductive surface the first plate and two stationary electrodes on the second plate, the third plate, a magnetoelectric power converter with a constant Ithomi and mounted on the movable part supports the first plate via annular bucking coil, the load on the movable part of the first plate, an amplifier, and in series along the length of the rack from the rack base mounted permanent magnet, the second plate, the first plate and the third plate.

Недостатком такого компенсационного акселерометра является погрешность измерения ускорения вследствие изменения сигнала компенсационного акселерометра, не зависящего от ускорения, при изменении нулевого сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения при температурных воздействиях вследствие изменения углового положения подвижной части относительно неподвижных электродов на второй пластине из-за различных температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов корпуса, первой, второй и третьей пластин.The disadvantage of such a compensation accelerometer is the error in measuring acceleration due to a change in the signal of the compensation accelerometer, independent of acceleration, when the zero signal of the differential capacitive position transducer changes due to temperature effects due to a change in the angular position of the moving part relative to the stationary electrodes on the second plate due to different temperature coefficients of linear expansion (TKLR) materials of the body, the first, second and third layer in.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения ускорения.The technical result of the invention is to improve the accuracy of measuring acceleration.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем корпус со стойкой, первую пластину из монокристаллического кремния с внешней подвижной частью, внутренней неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом в виде электропроводной поверхности первой пластины и двумя неподвижными электродами на второй пластине, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и установленной на подвижной части первой пластины посредством подставок кольцевой компенсационной катушкой, груз на подвижной части первой пластины, усилитель, причем последовательно по длине стойки от основания стойки установлены постоянный магнит, вторая пластина, первая пластина и третья пластина, тем, что на стойку установлена втулка из инвара, на которой расположены вторая пластина, первая пластина и третья пластина, вторая и третья пластины выполнены из пирекса.This technical result is achieved in a compensation accelerometer containing a housing with a stand, the first plate of monocrystalline silicon with an external moving part, an internal fixed part and elastic bridges connecting them along the suspension axis, a differential capacitive position transducer with a movable electrode in the form of an electrically conductive surface of the first plate and two fixed electrodes on the second plate, third plate, permanent magnet magnetoelectric power transducer and installed on the movable part of the first plate by the stands with an annular compensation coil, the load on the movable part of the first plate, an amplifier, and a permanent magnet, a second plate, a first plate and a third plate are installed sequentially along the length of the rack from the base of the rack, so that a sleeve of Invara, on which the second plate, the first plate and the third plate, the second and third plates are made of pyrex.

Посредством установки на стойку втулки из инвара, на которой расположены вторая пластина, первая пластина и третья пластина, выполнением второй и третьей пластин из пирекса обеспечивается постоянство положения подвижной части первой пластины относительно неподвижных электродов второй пластины при изменении температуры окружающей среды вследствие близости ТКЛР инвара, пирекса и монокристаллического кремния, а также вследствие устранения контакта первой, второй и третьей пластин со стойкой корпуса. В результате минимизируется изменение нулевого сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения при температурных воздействиях, уменьшается изменение не зависящего от ускорения сигнала компенсационного акселерометра, что повышает точность измерения ускорения.By installing a sleeve from the Invar, on which the second plate, the first plate and the third plate are mounted on the rack, the second and third Pyrex plates are made constant by the position of the movable part of the first plate relative to the stationary electrodes of the second plate when the ambient temperature changes due to the proximity of the thermal expansion coefficient of Invar, Pyrex and single-crystal silicon, as well as due to the elimination of contact of the first, second and third plates with the rack of the housing. As a result, the change in the zero signal of the differential capacitive position transducer is minimized under temperature influences, the change in the acceleration-independent compensation accelerometer signal is reduced, which increases the accuracy of the acceleration measurement.

На фиг.1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг.2 - вид первой пластины, на фиг.3 - электрическая схема компенсационного акселерометра.Figure 1 presents a General view of a compensation accelerometer, figure 2 is a view of the first plate, figure 3 is an electrical diagram of a compensation accelerometer.

В компенсационном акселерометре (фиг.1) в корпусе 1 на стойке 2 установлены дисковый постоянный магнит 3 магнитоэлектрического силового преобразователя и втулка 4 из инвара. На втулке 4 расположены первая пластина 5 из монокристаллического кремния, имеющая внешнюю подвижную часть 6 и внутреннюю неподвижную часть 7, вторая пластина 8 из пирекса с неподвижными электродами 9', 9'' дифференциального емкостного преобразователя положения, подвижным электродом которого является электропроводная поверхность подвижной части 6, образованная легированием монокристаллического кремния бором. Также на втулке 4 расположена третья пластина 10 из пирекса.In the compensation accelerometer (Fig. 1) in the housing 1 on the rack 2, a disk permanent magnet 3 of a magnetoelectric power converter and a sleeve 4 from an invar are installed. On the sleeve 4, there is a first single-crystal silicon plate 5 having an external movable part 6 and an internal stationary part 7, a second pyrex plate 8 with fixed electrodes 9 ', 9' 'of a differential capacitive position transducer, the movable electrode of which is the electrically conductive surface of the movable part 6 formed by doping of single-crystal silicon with boron. Also on sleeve 4 is a third Pyrex plate 10.

На подвижной части 6 первой пластины 5 установлены груз 11 и кольцевая компенсационная катушка 12 магнитоэлектрического силового преобразователя, расположенная на подставках 13', 13''.On the movable part 6 of the first plate 5, a load 11 and an annular compensation coil 12 of the magnetoelectric power transducer located on the supports 13 ', 13' 'are installed.

Постоянный магнит 3 и втулка 4 установлены так, что от основания стойки 2 по длине стойки 2 последовательно расположены постоянный магнит 3, вторая пластина 8, первая пластина 5 и третья пластина 10.Permanent magnet 3 and the sleeve 4 are installed so that from the base of the rack 2 along the length of the rack 2 are consistently located permanent magnet 3, the second plate 8, the first plate 5 and the third plate 10.

Постоянный магнит 3 и втулка 4 закреплены на стойке 2 корпуса 1 гайкой 14.The permanent magnet 3 and the sleeve 4 are fixed on the rack 2 of the housing 1 with a nut 14.

Корпус 1 закрыт крышкой 15, загерметизирован и заполнен газовой средой, например сухим азотом.The housing 1 is closed by a cover 15, sealed and filled with a gaseous medium, for example, dry nitrogen.

В первой пластине 5 (фиг.2) подвижная часть 6 и неподвижная часть 7 соединены упругими перемычками 16', 16'' так, что проходящая по середине каждой из них прямая 17-17 представляет собой ось подвеса подвижной части 6 относительно неподвижной части 7. На подставках 18', 18'' компенсационная катушка 12 установлена на подвижной части 6 по оси подвеса 17-17.In the first plate 5 (FIG. 2), the movable part 6 and the fixed part 7 are connected by elastic bridges 16 ', 16' 'so that the straight line 17-17 passing through the middle of each of them is the suspension axis of the movable part 6 relative to the fixed part 7. On the supports 18 ', 18' ', the compensation coil 12 is mounted on the movable part 6 along the suspension axis 17-17.

В компенсационном акселерометре (фиг.3) неподвижный электрод 9' соединен с первым выводом резистора R1, неподвижный электрод 9'' соединен с первым выводом резистора R2. Вторые выводы резисторов R1 и R2 соединены вместе и подключены к выходу источника переменного тока с напряжением Un, второй выход которого подключен к общему проводу. К общему проводу также подключен подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя положения в виде электропроводной поверхности подвижной части 6 первой пластины 5. Точки соединения резисторов R1, R2 с неподвижными электродами 8', 8'' подключены к входу усилителя 19, состоящего из дифференциального усилителя, суммирующего усилителя, демодулятора и усилителя постоянного тока, к выходу которого подключена компенсационная катушка 12 магнитоэлектрического силового преобразователя.In the compensation accelerometer (Fig. 3), the fixed electrode 9 'is connected to the first terminal of the resistor R1, the stationary electrode 9' 'is connected to the first terminal of the resistor R2. The second terminals of the resistors R1 and R2 are connected together and connected to the output of an alternating current source with voltage Un, the second output of which is connected to a common wire. The movable electrode of the differential capacitive position transducer is also connected to the common wire in the form of an electrically conductive surface of the movable part 6 of the first plate 5. The connection points of the resistors R1, R2 with the fixed electrodes 8 ', 8' 'are connected to the input of the amplifier 19, consisting of a differential amplifier, a summing amplifier , a demodulator and a DC amplifier, to the output of which a compensation coil 12 of the magnetoelectric power converter is connected.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии линейного ускорения под действием инерционной силы происходит изменение углового положения подвижной части 6, в результате чего изменяются емкости, образованные неподвижными электродами 9', 9'' и подвижным электродом 6 дифференциального емкостного преобразователя положения. На вход усилителя 19 поступает сигнал, который после преобразования и усиления подается на компенсационную катушку 12. В магнитоэлектрическом силовом преобразователе создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу, а ток в компенсационной катушке 12 является мерой линейного ускорения.Compensation accelerometer works as follows. In the presence of linear acceleration under the influence of inertial force, the angular position of the movable part 6 changes, as a result of which the capacitances formed by the stationary electrodes 9 ', 9' 'and the movable electrode 6 of the differential capacitive position transducer change. At the input of the amplifier 19, a signal is supplied, which, after conversion and amplification, is supplied to the compensation coil 12. A compensation force is created in the magnetoelectric power converter, which balances the inertial force, and the current in the compensation coil 12 is a measure of linear acceleration.

Так как первая пластина 5, вторая пластина 8 и третья пластина 10 расположены на втулке 4, то при температурных воздействиях вследствие разности ТКЛР корпуса 1 и втулки 4 происходит поступательное перемещение втулки 4 относительно корпуса 1. При этом угловое положение подвижной части 6 относительно неподвижных электродов 9', 9'' второй пластины 8 остается неизменным, не изменяется сигнал дифференциального емкостного преобразователя положения, не изменяется не зависящий от ускорения сигнал компенсационного акселерометра, что повышает точность измерения ускорения.Since the first plate 5, the second plate 8 and the third plate 10 are located on the sleeve 4, then under thermal effects due to the difference in the thermal expansion coefficient of the housing 1 and the sleeve 4, the translational movement of the sleeve 4 relative to the housing 1 occurs. In this case, the angular position of the movable part 6 relative to the stationary electrodes 9 ', 9' 'of the second plate 8 remains unchanged, the signal of the differential capacitive position transducer does not change, the acceleration-independent signal of the compensation accelerometer does not change, which increases the accuracy acceleration measurements.

Вследствие того, что ТКЛР кремния составляет 2,33*10^-6, ТКЛР инвара равен 3*10^-6, ТКЛР пирекса составляет 3,2*10^-6, то ТКЛР первой пластины 5, второй пластины 8 и третьей пластины 10 настолько близки, что при температурных воздействиях минимизируется изменение сигнала дифференциального емкостного преобразователя положения, уменьшается изменение не зависящего от ускорения сигнала компенсационного акселерометра. В результате повышается точность измерения ускорения.Due to the fact that the thermal expansion coefficient of silicon is 2.33 * 10 ^-6 , the thermal expansion coefficient of Invar is 3 * 10 ^-6 , the pyrex thermal expansion coefficient is 3.2 * 10 ^-6 , the thermal expansion coefficient of the first plate 5, second plate 8, and third plate 10 are so close that when temperature influences the signal of the differential capacitive position transducer is minimized, the change of the acceleration-independent compensation accelerometer signal is reduced. As a result, the accuracy of acceleration measurement is improved.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №4498342 НКИ 73/514.23, МКИ G01P 15/13. Integrated silicon accelerometer with stress-free rebalancing. 1985 г.1. US patent No. 4498342 NKI 73 / 514.23, MKI G01P 15/13. Integrated silicon accelerometer with stress-free rebalancing. 1985

2. Патент РФ №2193209, кл. G01P 15/13. Компенсационный акселерометр. 2001 г.2. RF patent No. 2193209, cl. G01P 15/13. Compensation Accelerometer. 2001 year

Claims

Compensation accelerometer comprising a housing with a stand, the first plate of monocrystalline silicon with an external movable part, an internal fixed part and elastic bridges connecting them along the suspension axis, a differential capacitive position transducer with a movable electrode in the form of an electrically conductive surface of the first plate and two stationary electrodes on the second plate , the third plate, a magnetoelectric power converter with a permanent magnet and mounted on the movable part of the first layer others by means of supports with an annular compensation coil, a load on the movable part of the first plate, an amplifier, moreover, a permanent magnet, a second plate, a first plate and a third plate are installed sequentially along the length of the rack from the base of the rack, characterized in that an invar bush is installed on the rack, on which the second plate, the first plate and the third plate are located, the second and third plates are made of pyrex.