RU2564810C1 - Линейный микроакселерометр с оптической системой - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и касается линейного микроакселерометра с оптической системой. Микроакселерометр включает в себя корпус, две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя. Датчики положения выполнены в виде двух пар монохроматических излучателей с различным спектром излучения и двух фотоприемников с цветоделением, имеющих не менее двух выходов спектральных диапазонов. Излучатели расположены над инерционной массой, а фотоприемники размещены в корпусе соосно с фотоприемниками. Монохроматические излучатели снабжены ограничителями светового потока. Технический результат заключается в повышении точности измерений и упрощении конструкции. 1 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения линейного ускорения, например, в инерциальных системах навигации.

Известно устройство ″ADXL50″, содержащее инерционную массу на упругих подвесах, состоящую из дифференциальной конденсаторной структуры с воздушным диэлектриком, подвижные обкладки которой вытравлены из плоского куска поликремниевой пленки, а неподвижные жестко закреплены в корпусе и лежат в одной плоскости параллельно друг другу и подвижным обкладкам, датчик положения, компенсационный преобразователь, корпус, крышку и источник тока. [1]

Недостаткам данного устройства является низкая точность измерения линейного ускорения.

Известен акселерометр, содержащий инерционную массу на упругом подвесе, выполненную в виде кварцевой пластины, датчика положения, образованного поверхностями с металлическим напылением с двух сторон, расположенными на инерционной массе и обращенными к ней поверхностями, размещенными в корпусе, источник тока и компенсационный преобразователь, состоящий и двух катушек, закрепленных на инерционной массе, и двух постоянных магнитов, расположенных в корпусе. [2]

Недостатками известного устройства являются малый частотный диапазон измеряемого входного воздействия, массогабаритные характеристики.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является линейный микроакселерометр, содержащий корпус, крышку, две инерционные массы на упругих подвесах, выполненных в виде прямоугольных пластин их монокристаллического кремния и, расположенных в одной плоскости последовательно друг за другом вдоль оси чувствительности с возможностью линейного перемещения. [3]

Недостатками данного устройства являются малый частотный диапазон измеряемого входного воздействия, массогабаритные характеристики, сложность реализации.

Задачей является создание линейного микроакселерометра, измеряющего линейные ускорения с большей точностью за счет определения интенсивности различных излучений по цветопередаче в условиях ионизирующих излучений.

Линейный микроакселерометр, содержащий инерционную массу на упругих подвесах, датчик положения, компенсационный преобразователь, корпус, инерционную массу, выполненную в виде прямоугольных пластин из монокристаллического кремния и расположенных в одной плоскости последовательно друг за другом вдоль оси чувствительности с возможностью линейного перемещения, компенсационные преобразователи для каждой инерционной массы выполнены в виде двух постоянных магнитов, размещенных на крышке и корпусе, и напыленных на поверхности прямоугольных пластин и находящиеся в одной плоскости с осью чувствительности токопроводящих дорожек, замкнутых по периметру, датчики положения для каждой инерционной массы выполнены в виде двух пар монохроматических излучателей и фотоприемников с цветоделением, имеющих не менее двух выходов спектральных диапазонов, излучатели расположены над инерционными массами, а фотоприемники соосно с ними размещены в корпусе.

Светодиоды расположены над инерционными массами и соосно с фотоприемниками, так как данное конструктивное решение является оптимальным и легко реализуемым.

Инерционная масса совершает колебания вдоль оси чувствительности под действием знакопеременного сигнала постоянного тока, формируемого в цепи обратной связи. При этом наличие входного воздействия приводит к смещению центра колебаний и возникновению временной модуляции сигнала.

Линейный микроакселерометр является радиационно-стойким, так как его электронная база обладает высокой устойчивостью к ионизирующему воздействию.

Оптическая система, которая входит в состав микроакселерометра, является помехоустойчивой в условиях воздействия шумов и электромагнитных помех.

Усиление сигнала будет достигаться за счет увеличения контраста в фотоприемниках для различных спектральных диапазонов, что способствует снижению помех.

Повышение точности измерений достигается за счет режима автоколебаний, а также введения фотоприемников с цветоделением и уменьшения вследствие этого вредных моментов, действующих на инерционные массы.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного линейного микроакселерометра, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию ″новизна″.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует ″изобретательскому уровню″.

Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, где представлена конструктивная схема датчика и введены следующие обозначения:

1 - Первая инерционная масса

2 - Вторая инерционная масса

3 - Упругие подвесы

4 - Постоянные магниты

5 - Токопроводящие дорожки

6 - Корпус

7 - Излучатели первого датчика положения

8 - Излучатели второго датчика положения

9 - Фотоприемник первого датчика положения

10 - Фотоприемник второго датчика положения

В предлагаемом линейном микроакселерометре две инерционные массы 1, 2 размещены на упругих подвесах 3 в зазоре между полюсами постоянных магнитов 4 с возможностью линейного перемещения и выполнены в виде прямоугольных пластин из монокристаллического кремния, на поверхности которых напылены, перпендикулярно оси чувствительности, токопроводящие дорожки 5, замкнутые по периметру. Постоянные магниты 4 закреплены на корпусе 6. Датчики положения для каждой инерционной массы 1, 2 выполнены в виде двух пар излучателей 7, 8 и фотоприемников 9, 10, где первые из них 7, 8 расположены над инерционными массами, а вторые 9, 10 соосно с ними размещены в корпусе 6, причем каждая пара расположена таким образом, что торцы прямоугольной пластины являются модуляторами светового потока от излучателей 7, 8 к фотоприемникам 9, 10.

Линейный микроакселерометр работает следующим образом.

В исходном состоянии инерционная масса 1 на упругих подвесах 3 перекрывает поток излучения одного из излучателей 7. При этом второй излучатель 8 открыт, в результате на выходе второго фотоприемника 10 появляется сигнал. Магнитное поле постоянных магнитов 4, взаимодействуя с полем тока, протекающего в токопроводящих дорожках 5, перемещает их вдоль оси чувствительности так, что инерционная масса 1 перекрывает поток излучения второго излучателя 8 и открывает поток первого излучателя 7. На выходе первого фотоприемника 9 появляется сигнал. Аналогичный процесс происходит с инерционной массой 2, которая в исходном состоянии перекрывает поток излучения одного из излучателей 7 так, что поток второго излучателя 8 при этом открыт. В результате на выходе второго фотоприемника 10 появляется сигнал. Магнитное поле постоянных магнитов 4, взаимодействуя с полем тока, протекающего в токопроводящих дорожках 5, перемещает их вдоль оси чувствительности так, что инерционная масса 2 перекрывает поток излучения второго излучателя 8 и открывает поток первого излучателя 7. Таким образом, инерционные массы 1, 2 совершают автоколебания с некоторой частотой и амплитудой в противофазе.

Инерционная масса совершает колебания вдоль оси чувствительности под действием знакопеременного сигнала постоянного тока, формируемого в цепи обратной связи. При этом наличие входного воздействия приводит к смещению центра колебаний и возникновению временной модуляции сигнала. Уровень шумов в схеме регистрации положения инерционной массы определяется величиной тока на выходе чувствительного элемента. При емкостном методе регистрации положения инерционной массы повышение выходного тока требует увеличения частоты и напряжения возбуждающего сигнала. Увеличение мощности возбуждающего оптического сигнала не требует изменений в системе ограничений и конструкции аппаратуры. При оптической регистрации положения легко увеличить динамический диапазон выходного тока до десятков и даже сотен микроампер при мощности излучателей на уровне десятков милливатт. При емкостном считывании максимальный выходной ток не превышает 1 мкА. Уровень дробового шума уменьшается обратно пропорционально корню квадратному из уровня тока считываемого сигнала. Прогнозируемое снижение шума в 3-5 раз.

Источники информации

1. Doscher J. Accelerometer Design and Applications. Analog Devices. 1998.

2. Патент РФ №2313100, МПК G01P 15/13, 20.03.2006.

3. Патент РФ №2410703, МПК G01P 15/08, 27.01.2011 - прототип.

Claims (1)

1. Линейный микроакселерометр с оптической системой, содержащий две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя и корпус, отличающийся тем, что датчики положения выполнены в виде двух пар монохроматических излучателей с различным спектром излучения и двух фотоприемников с цветоделением, имеющих не менее двух выходов спектральных диапазонов, излучатели расположены над инерционной массой, а фотоприемники соосно с ними размещены в корпусе, причем каждый из монохроматических излучателей имеет ограничитель светового потока.