RU2638919C1 - Electronic system of compensation accelerometer - Google Patents
Electronic system of compensation accelerometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2638919C1 RU2638919C1 RU2016144765A RU2016144765A RU2638919C1 RU 2638919 C1 RU2638919 C1 RU 2638919C1 RU 2016144765 A RU2016144765 A RU 2016144765A RU 2016144765 A RU2016144765 A RU 2016144765A RU 2638919 C1 RU2638919 C1 RU 2638919C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplifier
- differential capacitive
- electronic system
- output
- compensation accelerometer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
Landscapes
- Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники - к устройствам для построения электронной системы преобразователя линейных ускорений. Оно может быть использовано в системах для измерения величины и направления ускорения, ударов, вибрации, а также углов отклонения от заданного положения.The invention relates to the field of measuring technology - to devices for constructing an electronic system of a linear acceleration converter. It can be used in systems for measuring the magnitude and direction of acceleration, shock, vibration, as well as deviation angles from a given position.
Известен компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы неподвижный элемент, подвижный элемент с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами, отличающийся тем, что на второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды, к первому неподвижному электроду подключены один из выходов двухфазного генератора напряжения переменного тока и один из выходов усилителя с двумя противофазными выходами, к третьему неподвижному электроду подключены второй выход двухфазного генератора напряжения переменного тока и второй выход усилителя с двумя противофазными выходами, второй и четвертый неподвижные электроды соединены вместе и подключены к входу усилителя с двумя противофазными выходами и к источнику опорного напряжения постоянного тока, причем первый и второй неподвижные электроды, а также третий и четвертый неподвижные электроды расположены на своих пластинах симметрично по отношению друг к другу относительно одной оси или перпендикулярной к ней другой оси [1].Known compensation accelerometer containing a first plate of single-crystal material in which a fixed element, a movable element with electrically conductive surfaces, a differential capacitive transducer with fixed electrodes on the second and third plates, a two-phase alternating current voltage generator, a source of DC voltage, an amplifier with two antiphase outputs, characterized in that the first and second stationary differentiating electrodes are made on the second plate capacitive converter, the third plate and the fourth fixed electrodes are made on the third plate, one of the outputs of the two-phase alternating current voltage generator and one of the outputs of the amplifier with two out-of-phase outputs are connected to the first fixed electrode, the second output of the two-phase alternating current voltage generator is connected to the third fixed electrode and the second output of the amplifier with two antiphase outputs, the second and fourth stationary electrodes are connected together and connected to the input of effort ator two antiphase outputs and to a source of a reference DC voltage, wherein the first and second fixed electrodes, and the third and fourth fixed electrodes arranged on their plates symmetrically in relation to each other with respect to a single axis or perpendicular to it the other axis [1].
Первый недостаток этого устройства заключается в том, что компенсационный сигнал в нем реализован по переменному напряжению. В результате к сигналу двухфазного генератора напряжения переменного тока будет добавлен компенсационный сигнал, частота которого будет отлична от частоты сигнала двухфазного генератора напряжения переменного тока. Это приводит к появлению дополнительных паразитных гармоник в устройстве и, следовательно, ухудшению точности измерения.The first disadvantage of this device is that the compensation signal in it is implemented with alternating voltage. As a result, a compensation signal will be added to the signal of the two-phase AC voltage generator, the frequency of which will be different from the frequency of the signal of the two-phase AC voltage generator. This leads to the appearance of additional spurious harmonics in the device and, consequently, to the deterioration of the measurement accuracy.
Второй недостаток этого устройства также связан с работой устройства по переменному току, в том, что выход устройства реализован по переменному току. Это приводит к усложнению методов измерения выходного сигнала и необходимости применения дополнительных вспомогательных устройств, выступающих в качестве посредника между данным устройством и нагрузкой.The second disadvantage of this device is also associated with the operation of the device for alternating current, in that the output of the device is implemented for alternating current. This complicates the methods for measuring the output signal and the need for additional auxiliary devices acting as an intermediary between this device and the load.
Третий недостаток этого устройства заключается в том, что в качестве первичного усилителя сигнала рассогласования дифференциального емкостного преобразователя выступает стандартный усилитель переменного тока. Это приводит к тому, что паразитные емкости соединительных проводников будут вносит вклад в конечный результат измерения устройства и, следовательно, снижать точность измерения [2].The third disadvantage of this device is that the standard AC amplifier acts as the primary amplifier of the error signal of the differential capacitive converter. This leads to the fact that the stray capacitance of the connecting conductors will contribute to the final measurement result of the device and, therefore, reduce the accuracy of the measurement [2].
Четвертый недостаток этого устройства заключается в том, что обратная связь, реализованная в нем, относится к пропорциональному типу - П-регулятор. Это приводит к невозможности полного устранения ошибки регулирования, как следствие, повышению уровня шумов в выходном сигнале и, следовательно, снижению точности измерения.The fourth disadvantage of this device is that the feedback implemented in it is of a proportional type - the P-controller. This leads to the impossibility of completely eliminating the control error, as a result, increasing the noise level in the output signal and, therefore, reducing the measurement accuracy.
Известен также компенсационный акселерометр, содержащий корпус со стойкой, на которой установлена первая пластина из монокристаллического материала с выполненными в ней подвижной частью, неподвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения с подвижным электродом на подвижной части и неподвижными электродами на второй пластине, магнитоэлектрический силовой преобразователь с дисковым постоянным магнитом с диаметральным направлением намагниченности и компенсационной катушкой на подвижной части, первый и второй резисторы, генератор высокой частоты, первый и второй усилители переменного тока, суммирующий усилитель, демодулятор, усилитель постоянного тока, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены вместе и к точке их соединения подключен один выход генератора высокой частоты, к первому неподвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя положения подключен второй вывод первого резистора, к второму неподвижному электроду подключен второй вывод резистора, второй вывод генератора высокой частоты подключен к подвижному электроду дифференциального емкостного преобразователя положения, точка соединения первого резистора и первого неподвижного электрода дифференциального емкостного преобразователя положения подключена к входу первого усилителя переменного тока, точка соединения второго резистора и второго неподвижного электрода подключена к входу второго усилителя переменного тока, генератор высокой частоты, первый и второй усилители переменного тока, суммирующий усилитель, демодулятор и усилитель постоянного тока выполнены в одной микросборке, установленной в корпусе, отличающийся тем, что первый и второй резисторы выполнены в одной микросборке с генератором высокой частоты, первым и вторым усилителями переменного тока, суммирующим усилителем, демодулятором и усилителем постоянного тока на одной подложке, первый и второй резисторы выполнены по интегральной технологии напылением слоя резистивного хромсилицидного сплава с температурным коэффициентом сопротивления не более 10-4 1/°C, толщина слоя выполнена с образованием коэффициента сопротивления 103 Ом на площадь квадратной поверхности, первый и второй резисторы выполнены с отклонением от номинального сопротивления не более 0,05%, первый резистор выполнен в виде последовательно соединенных первой, второй, третьей, четвертой, пятой, шестой и седьмой дорожек, являющихся прямолинейными отрезками, второй резистор выполнен в виде последовательно соединенных восьмой, девятой, десятой, одиннадцатой и двенадцатой дорожек, являющихся прямолинейными отрезками, первая, третья, пятая, седьмая, восьмая, десятая и двенадцатая дорожки выполнены параллельными друг другу, вторая, четвертая, шестая, девятая и одиннадцатая дорожки выполнены параллельными друг другу и перпендикулярными вышеуказанным семи дорожкам, все дорожки расположены так, что вторая, третья, четвертая и пятая дорожки расположены в области, находящейся между восьмой, девятой и десятой дорожками, все дорожки выполнены одинаковой первой ширины, на седьмой дорожке выполнено первое перпендикулярное ей ответвление второй ширины, большей первой ширины дорожек, на одиннадцатой дорожке выполнено второе перпендикулярное ей ответвление второй ширины, большей первой ширины дорожек, на одиннадцатой дорожке выполнено второе перпендикулярное ей ответвление второй ширины, на подложке выполнена первая контактная площадка, с которой соединены начала первой и восьмой дорожек, в конце седьмой дорожки выполнена соединенная с ней вторая контактная площадка, в конце двенадцатой дорожки выполнена соединенная с ней третья контактная площадка, первая, вторая и третья контактные площадки выполнены напылением слоя алюминия, к первой контактной площадке подсоединен выход генератора высокой частоты, к второй контактной площадке подключен вход первого усилителя переменного тока, к третьей контактной площадке подключен вход второго усилителя переменного тока [3].A compensation accelerometer is also known, comprising a housing with a stand, on which a first plate of monocrystalline material is mounted with a movable part made in it, a fixed part and an elastic joint connecting them, a differential capacitive position transducer with a movable electrode on the moving part and fixed electrodes on the second plate, magnetoelectric power converter with a permanent disk magnet with a diametrical direction of magnetization and a compensation coil n and the moving part, the first and second resistors, a high frequency generator, first and second AC amplifiers, a summing amplifier, a demodulator, a DC amplifier, the first terminals of the first and second resistors being connected together and one output of the high frequency generator connected to their connection point, the second terminal of the first resistor is connected to the first fixed electrode of the differential capacitive position transducer, the second terminal of the resistor is connected to the second stationary electrode, the second terminal of the generator A high frequency ora is connected to the movable electrode of the differential capacitive position converter, the connection point of the first resistor and the first fixed electrode of the differential capacitive position converter is connected to the input of the first AC amplifier, the connection point of the second resistor and the second fixed electrode is connected to the input of the second AC amplifier, the generator is high frequency, first and second AC amplifiers, summing amplifier, demodulator and post amplifier The currents are made in one microassembly installed in the housing, characterized in that the first and second resistors are made in one microassembly with a high-frequency generator, first and second AC amplifiers, a summing amplifier, a demodulator and a DC amplifier on one substrate, the first and second resistors are made by integrated technology by spraying a layer of resistive chromsilicidal alloy with a temperature coefficient of resistance of not more than 10 -4 1 / ° C, the layer thickness is made with the formation of the coefficient resistance of 10 3 Ohms per square surface area, the first and second resistors are made with a deviation from the nominal resistance of not more than 0.05%, the first resistor is made in the form of series-connected first, second, third, fourth, fifth, sixth and seventh tracks, which are rectilinear segments, the second resistor is made in the form of series-connected eighth, ninth, tenth, eleventh and twelfth tracks, which are rectilinear segments, the first, third, fifth, seventh, eighth, tenth and twelfth The tracks are made parallel to each other, the second, fourth, sixth, ninth and eleventh tracks are made parallel to each other and perpendicular to the above seven tracks, all tracks are located so that the second, third, fourth and fifth tracks are located in the area between the eighth, ninth and tenth tracks, all tracks are made of the same first width, on the seventh track there is a first branch perpendicular to it of a second width greater than the first width of the tracks, on the eleventh track, the second A branch of a second width perpendicular to it, greater than the first width of the tracks, on the eleventh track, a second branch perpendicular to it of a second width is made, a first contact pad is made on the substrate, to which the beginnings of the first and eighth tracks are connected, at the end of the seventh track a second contact pad is connected to it, at the end of the twelfth track, a third contact pad connected to it is made, the first, second and third contact pads are made by spraying a layer of aluminum to the first contact pad e is connected high frequency generator output, a second input pad connected to the first variable current amplifier, a third pad connected input of the second variable current amplifier [3].
Первый недостаток этого устройства заключается в том, что для работы устройства требуется использование магнитоэлектрического силового преобразователя с дисковым постоянным магнитом с диаметральным направлением намагниченности и компенсационной катушкой. Это приводит к увеличению габаритов всего устройства и усложнению его конструкции.The first disadvantage of this device is that the device requires the use of a magnetoelectric power converter with a disk permanent magnet with a diametrical direction of magnetization and a compensation coil. This leads to an increase in the dimensions of the entire device and the complexity of its design.
Второй недостаток этого устройства заключается в том, что обратная связь, реализованная в нем, относится к пропорциональному типу - П-регулятор. Это приводит к невозможности полного устранения ошибки регулирования, как следствие, повышению уровня шумов в выходном сигнале и, следовательно, снижению точности измерения.The second disadvantage of this device is that the feedback implemented in it is of a proportional type - the P-controller. This leads to the impossibility of completely eliminating the control error, as a result, increasing the noise level in the output signal and, therefore, reducing the measurement accuracy.
Третий недостаток данного устройства заключается в том, что в качестве первичного усилителя сигнал рассогласования дифференциального емкостного преобразователя положения выступает стандартный усилитель переменного тока. Это приводит к тому, что паразитные емкости соединительных проводников будут вносит вклад в конечный результат измерения устройства и, следовательно, снижать точность измерения [2].The third disadvantage of this device is that as a primary amplifier the error signal of the differential capacitive position converter is a standard AC amplifier. This leads to the fact that the stray capacitance of the connecting conductors will contribute to the final measurement result of the device and, therefore, reduce the accuracy of the measurement [2].
Четвертый недостаток этого устройства заключается в том, что в качестве первичного усилителя сигнал рассогласования дифференциального емкостного преобразователя выступает схема из первого и второго усилителя переменного тока и суммирующего усилителя. Такой раздельный съем сигнала с дифференциального емкостного преобразователя приводит к появлению дополнительных искажений выходного сигнала устройства и, следовательно, снижению точности измерения.The fourth disadvantage of this device is that as the primary amplifier, the error signal of the differential capacitive converter is a circuit from the first and second alternating current amplifier and summing amplifier. Such a separate removal of the signal from the differential capacitive converter leads to the appearance of additional distortions of the output signal of the device and, consequently, to a decrease in the measurement accuracy.
Известен также компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину из монокристаллического материала, кремния, в которой образованы подвижный элемент, неподвижный элемент, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель, состоящий из усилителя переменного тока, фазового детектора и усилителя постоянного тока с двумя противофазными выходами, причем на второй пластине расположен один из неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине расположен второй неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя, первая пластина заключена между второй и третьей пластинами с зазором с каждой стороны между подвижным элементов и неподвижным элементом на соответствующей пластине, каждый неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя на второй и третьей пластинах подсоединен к одному из противофазных выходов усилителя, отличающийся тем, что подвижный элемент первой пластины выполнен единым чувствительным элементом консольной конструкции, совмещающим подвижный элемент и упругий шарнир, с одинаковой толщиной по всей длине и всей толщине консоли чувствительного элемента, подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя выполнен в виде электропроводной поверхности чувствительного элемента, подвижный электрод на чувствительном элементе подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя переменного тока, каждый из неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя выполнен с расположением по длине консоли чувствительного элемента от границы между чувствительным элементом и неподвижным элементом первой пластины до свободного конца консоли чувствительного элемента или далее [4].Also known is a compensation accelerometer containing a first plate of monocrystalline material, silicon, in which a movable element, a fixed element, a second and third plate, a differential capacitive converter, a two-phase alternating current generator, a DC voltage reference source, an amplifier consisting of an alternating current amplifier are formed , phase detector and DC amplifier with two antiphase outputs, and on the second plate one of the stationary electrodes for capacitive transducer, the second fixed electrode of the differential capacitive transducer is located on the third plate, the first plate is enclosed between the second and third plates with a gap on each side between the movable elements and the fixed element on the corresponding plate, each fixed electrode of the differential capacitive transducer on the second and third plates is connected to one of the antiphase outputs of the amplifier, characterized in that the movable element of the first plate in made with a single sensitive element of the cantilever structure, combining the movable element and the elastic hinge, with the same thickness along the entire length and the entire thickness of the console of the sensitive element, the movable electrode of the differential capacitive transducer is made in the form of an electrically conductive surface of the sensitive element, the movable electrode on the sensitive element is connected to a reference voltage source DC and to the input of an AC amplifier, each of the fixed electrodes of the differential capacitance the transducer is arranged with the location along the console length of the sensor from the boundary between the sensor and the stationary element of the first plate to the free end of the console of the sensor or further [4].
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.This device is selected as a prototype of the proposed solution.
Первый недостаток этого устройства заключается в том, что в качестве первичного усилителя сигнала рассогласования дифференциального емкостного преобразователя выступает стандартный усилитель переменного тока. Это приводит к тому, что паразитные емкости соединительных проводников будут вносит вклад в конечный результат измерения устройства и, следовательно, снижать точность измерения [2].The first disadvantage of this device is that the standard AC amplifier acts as the primary amplifier of the error signal of the differential capacitive converter. This leads to the fact that the stray capacitance of the connecting conductors will contribute to the final measurement result of the device and, therefore, reduce the accuracy of the measurement [2].
Второй недостаток этого устройства заключается в том, что обратная связь, реализованная в нем, относится к пропорциональному типу - П-регулятор. Это приводит к невозможности полного устранения ошибки регулирования, как следствие, повышению уровня шумов в выходном сигнале и, следовательно, снижению точности измерения.The second disadvantage of this device is that the feedback implemented in it is of a proportional type - the P-controller. This leads to the impossibility of completely eliminating the control error, as a result, increasing the noise level in the output signal and, therefore, reducing the measurement accuracy.
Задача изобретения - повышение точности измерения ускорения за счет снижения шумов, снижения нелинейности передаточной характеристики, расширения частотного диапазона преобразования, увеличения диапазона измеряемых ускорений, снижения температурной и временной нестабильности смещения нулевого сигнала компенсационного акселерометра.The objective of the invention is to increase the accuracy of measuring acceleration by reducing noise, reducing the nonlinearity of the transfer characteristic, expanding the frequency range of the conversion, increasing the range of measured accelerations, reducing the temperature and time instability of the offset of the zero signal of the compensation accelerometer.
Это достигается тем, что электронная система компенсационного акселерометра, содержащая дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель, состоящий из усилителя переменного тока, фазового детектора и усилителя постоянного тока с двумя противофазными выходами, отличается тем, что в качестве усилителя переменного тока выступает зарядовый усилитель, а в качестве усилителя постоянного тока выступает интегратор с двумя противофазными выходами и на выходе введен дополнительный усилитель постоянного тока, способна работать как в устойчивом, так и в условно-устойчивом режимах.This is achieved by the fact that the electronic system of the compensation accelerometer, which contains a differential capacitive converter, a two-phase alternating current generator, a source of a DC voltage reference, an amplifier consisting of an alternating current amplifier, a phase detector, and a direct current amplifier with two antiphase outputs, is characterized in that A charge amplifier acts as an AC amplifier, and an integrator with two antiphase outputs acts as a DC amplifier and introduced an additional output DC amplifier, capable of operating both in steady and stable in the pre-conditions.
В качестве первичного усилителя сигнала рассогласования дифференциального емкостного преобразователя выступает зарядовый усилитель, коэффициент усиления которого регулируется внешним конденсатором, что позволяет устранить влияние паразитных емкостей соединительных проводников.The primary amplifier of the error signal of the differential capacitive converter is a charge amplifier, the gain of which is regulated by an external capacitor, which eliminates the influence of stray capacitances of the connecting conductors.
Введение интегратора с двумя противофазными выходами позволяет расширить тип обратной связи от пропорционального типа (П-регулятора), рассмотренного в прототипе, до пропорционально-интегрального типа (ПИ-регулятора) и устранить ошибку рассогласования в электронной системе компенсационного акселерометра.The introduction of an integrator with two antiphase outputs allows you to expand the type of feedback from the proportional type (P-controller), considered in the prototype, to the proportional-integral type (PI-controller) and eliminate the mismatch error in the electronic system of the compensation accelerometer.
Выбор режима работы осуществляется посредством изменения частоты генератора переменного тока и коэффициента усиления зарядового усилителя. В устойчивом режиме работы зарядовый усилитель обладает меньшим коэффициентом усиления, а генератор переменного тока обладает более низкой частотой. В условно-устойчивом режиме зарядовый усилитель обладает большим коэффициентом усиления, а генератор переменного тока обладает более высокой частотой.The choice of operating mode is carried out by changing the frequency of the alternator and the gain of the charge amplifier. In stable operation, the charge amplifier has a lower gain, and the alternator has a lower frequency. In conditionally stable mode, the charge amplifier has a large gain, and the alternator has a higher frequency.
В случае работы электронной системы компенсационного акселерометра в устойчивом режиме ошибка рассогласования будет полностью устранена и, соответственно, значительно снижен уровень шумов в выходном сигнале. В случае работы электронной системы компенсационного акселерометра в условно-устойчивом режиме ошибка рассогласования будет значительно снижена по сравнению с прототипом и, соответственно, будет также снижен уровень шумов по сравнению с прототипом. Но во втором случае, дополнительно к снижению уровня шумов по сравнению с прототипом, полностью устраняется влияние дифференциального емкостного преобразователя на нелинейность передаточной характеристики и частотный диапазон преобразования компенсационного акселерометра. Это достигается посредством работы электронной системы компенсационного акселерометра в условно-устойчивом режиме, когда электронная система с обратной связью находится на грани возбуждения и поэтому выходные параметры компенсационного акселерометра определяются исключительно параметрами электронной системы. Это позволяет также исключить влияние дифференциального емкостного преобразователя на температурную и временную нестабильность смещения нулевого сигнала. Также, посредством настройки коэффициента усиления усилителя постоянного тока можно регулировать выходную чувствительность электронной системы компенсационного акселерометра, диапазон измерения электронной системы может быть настроен для любого диапазона измерения дифференциального емкостного преобразователя. Все указанные выше технические эффекты - снижение шумов, снижение нелинейности передаточной характеристики, расширение частотного диапазона преобразования, увеличение диапазона измеряемых ускорений, снижение температурной и временной нестабильности смещения нулевого сигнала - приводят к повышению точности измерения компенсационного акселерометра.If the electronic system of the compensation accelerometer is in stable mode, the error of the mismatch will be completely eliminated and, accordingly, the noise level in the output signal will be significantly reduced. If the electronic system of the compensation accelerometer is operating in a conditionally stable mode, the error of the mismatch will be significantly reduced in comparison with the prototype and, accordingly, the noise level will also be reduced in comparison with the prototype. But in the second case, in addition to reducing the noise level compared to the prototype, the influence of the differential capacitive converter on the non-linearity of the transfer characteristic and the frequency range of the conversion of the compensation accelerometer are completely eliminated. This is achieved through the operation of the electronic system of the compensation accelerometer in a conditionally stable mode, when the feedback electronic system is on the verge of excitation and therefore the output parameters of the compensation accelerometer are determined solely by the parameters of the electronic system. This also eliminates the influence of the differential capacitive converter on the temperature and time instability of the bias of the zero signal. Also, by adjusting the gain of the DC amplifier, the output sensitivity of the electronic system of the compensation accelerometer can be adjusted, the measuring range of the electronic system can be configured for any measuring range of the differential capacitive converter. All the above technical effects - reduction of noise, reduction of non-linearity of the transfer characteristic, expansion of the frequency range of the conversion, increase in the range of measured accelerations, decrease in temperature and time instability of the bias of the zero signal - increase the measurement accuracy of the compensation accelerometer.
Использование в качестве первичного усилителя сигнала рассогласования дифференциального емкостного преобразователя не стандартного усилителя переменного тока, а зарядового усилителя, позволяет выполнить первичный съем полезной информации посредством преобразования вида «заряд-напряжение», а не «емкость-напряжение». Это позволяет полностью устранить влияние паразитных емкостей соединительных проводников и, следовательно, повысить точность измерения компенсационного акселерометра.The use of a differential capacitive converter as a primary amplifier of the mismatch signal, not of a standard AC amplifier, but of a charge amplifier, allows the primary removal of useful information by means of a charge-voltage, rather than a capacitance-voltage conversion. This allows you to completely eliminate the influence of parasitic capacitances of the connecting conductors and, therefore, to increase the accuracy of the measurement of the compensation accelerometer.
В качестве инерционного звена вводится интегратор с двумя противофазными выходами, за счет чего тип обратной связи изменяется до пропорционально-интегрального типа (ПИ-регулятора). Это, в свою очередь, дает возможность для дополнительной регулировки параметров обратной связи электронной системы компенсационного акселерометра для более точной настройки режима работы электронной системы либо в устойчивом, либо в условно-устойчивом режимах.An integrator with two antiphase outputs is introduced as an inertial link, due to which the feedback type changes to a proportional-integral type (PI controller). This, in turn, makes it possible to further adjust the feedback parameters of the electronic system of the compensation accelerometer to more accurately adjust the operating mode of the electronic system in either stable or conditionally stable modes.
На фиг. 1 представлена электронная система компенсационного акселерометра, гдеIn FIG. 1 shows an electronic system of a compensation accelerometer, where
1 - двухфазный генератор переменного тока;1 - two-phase alternator;
2 - дифференциальный емкостный преобразователь;2 - differential capacitive converter;
3 - источник опорного напряжения постоянного тока;3 - source of a reference voltage of direct current;
4 - зарядовый усилитель;4 - charge amplifier;
5 - фазовый детектор;5 - phase detector;
6 - интегратор с двумя противофазными выходами;6 - integrator with two antiphase outputs;
7 - усилитель постоянного тока;7 - DC amplifier;
R1, R2 - резисторы обратной связи;R1, R2 - feedback resistors;
C1, C2, C3 - блокировочные конденсаторы.C1, C2, C3 - blocking capacitors.
На фиг. 1 представлена электронная система компенсационного акселерометра, состоящая из двухфазного генератора переменного тока 1, один выход которого соединен с первым выводом первой емкости дифференциального емкостного преобразователя 2, а второй выход которого соединен со вторым выводом второй емкости дифференциального емкостного преобразователя. Выход источника опорного напряжения постоянного тока 3 соединен со вторым выводом первой емкости дифференциального емкостного преобразователя и с первым выводом второй емкости дифференциального емкостного преобразователя. Выход источника опорного напряжения постоянного тока также соединен с входом зарядового усилителя 4. Выход зарядового усилителя соединен с входом фазового детектора 5. Выход фазового детектора соединен с входом интегратора с двумя противофазными выходами 6. Прямой выход интегратора с двумя противофазными выходами через резистор R1 подключен к первому выводу первой емкости дифференциального емкостного преобразователя. Инверсный выход интегратора с двумя противофазными выходами через резистор R2 подключен ко второму выводу второй емкости дифференциального емкостного преобразователя. Прямой выход интегратора с двумя противофазными выходами также соединен с входом усилителя постоянного тока 7, выход которого является выходом электронной системы компенсационного акселерометра.In FIG. 1 shows an electronic system of a compensation accelerometer, consisting of a two-phase
Электронная система компенсационного акселерометра работает следующим образом: двухфазный генератор переменного тока формирует прямоугольные импульсы фиксированной частоты. Уровни сигнала, поступающие на дифференциальный емкостный преобразователь, формируются с помощью переключения между двумя уровнями: землей (нулем) и либо положительным значением (для первой емкости дифференциального емкостного преобразователя), либо отрицательным значением (для второй емкости дифференциального емкостного преобразователя). Эти положительное и отрицательное значения формируются с помощью источника опорного напряжения постоянного тока. В результате со второго вывода первой емкости дифференциального емкостного преобразователя и с первого вывода второй емкости дифференциального емкостного преобразователя поступает сигнал, несущий полезную информацию о приложенном ускорении. Этот сигнал преобразуется в сигнал переменного напряжения посредством зарядового усилителя. После этого сигнал преобразуется в сигнал постоянного напряжения с помощью фазового детектора и, после преобразования посредством интегратора с двумя противофазными выводами и усилителя постоянного тока, поступает в виде управляющего сигнала обратной связи на дифференциальный емкостный преобразователь либо на выход электронной системы.The electronic system of a compensation accelerometer works as follows: a two-phase alternator generates rectangular pulses of a fixed frequency. The signal levels supplied to the differential capacitive converter are formed by switching between two levels: ground (zero) and either a positive value (for the first capacitance of the differential capacitive transducer) or a negative value (for the second capacitance of the differential capacitive transducer). These positive and negative values are generated using a DC reference voltage source. As a result, a signal is received from the second terminal of the first capacitance of the differential capacitive converter and from the first terminal of the second capacitance of the differential capacitor, carrying useful information about the applied acceleration. This signal is converted to an AC voltage signal through a charge amplifier. After that, the signal is converted into a constant voltage signal using a phase detector and, after conversion by an integrator with two antiphase leads and a DC amplifier, it is fed as a feedback control signal to a differential capacitive converter or to the output of an electronic system.
Проведенный анализ 489 наименований зарубежных и отечественных аналогов показал, что полученное решение не уступает или превосходит по нелинейности статической характеристики 95.8% наименований, по частотному диапазону преобразования - 68.9% наименований. Сравнение по остальным функциональным параметрам также показало, что полученное решение является конкурентоспособным. По среднеквадратичному отклонению шума разработанный преобразователь не уступает или превосходит 25.6% наименований, по температурной нестабильности нулевого сигнала - 35.1% наименований, по рабочему температурному диапазону - 31% наименований зарубежных и отечественных аналогов.The analysis of 489 items of foreign and domestic analogues showed that the solution obtained is not inferior to or exceeds 95.8% of the items in terms of non-linearity of the static characteristic, 68.9% of items in the conversion frequency range. Comparison of other functional parameters also showed that the resulting solution is competitive. In terms of the standard deviation of noise, the developed converter is not inferior or exceeds 25.6% of the names, in the temperature instability of the zero signal - 35.1% of the names, in the operating temperature range - 31% of the names of foreign and domestic analogues.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ №2186401.1. RF patent No. 2186401.
2. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств / В.Б. Топильский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 232 с.2. Topilsky VB Circuitry of measuring devices / VB Topilsky. - M .: BINOM. Laboratory of Knowledge, 2006. - 232 p.
3. Патент РФ №2249221.3. RF patent №2249221.
4. Патент РФ №2173854 – прототип.4. RF patent No. 2173854 - prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016144765A RU2638919C1 (en) | 2016-11-16 | 2016-11-16 | Electronic system of compensation accelerometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016144765A RU2638919C1 (en) | 2016-11-16 | 2016-11-16 | Electronic system of compensation accelerometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2638919C1 true RU2638919C1 (en) | 2017-12-18 |
Family
ID=60718976
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016144765A RU2638919C1 (en) | 2016-11-16 | 2016-11-16 | Electronic system of compensation accelerometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2638919C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2682090C1 (en) * | 2017-12-11 | 2019-03-14 | Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" | Accelerometer electronic transducer |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4611491A (en) * | 1984-05-05 | 1986-09-16 | Ferranti Plc | Accelerometer system |
| RU2126161C1 (en) * | 1994-06-27 | 1999-02-10 | Коновалов Сергей Феодосьевич | Compensation accelerometer |
| RU2173854C1 (en) * | 2000-02-15 | 2001-09-20 | Открытое акционерное общество Пермская научно-производственная приборостроительная компания | Compensation accelerometer |
| WO2004086056A2 (en) * | 2003-03-19 | 2004-10-07 | California Institute Of Technology | Parylene capacitive accelerometer utilizing electrical fringing field sensing and method of making |
| RU2249221C1 (en) * | 2003-07-31 | 2005-03-27 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" (ОАО "РПКБ") | Compensation accelerometer |
| RU2411522C1 (en) * | 2009-11-05 | 2011-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Compensation accelerometre |
-
2016
- 2016-11-16 RU RU2016144765A patent/RU2638919C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4611491A (en) * | 1984-05-05 | 1986-09-16 | Ferranti Plc | Accelerometer system |
| RU2126161C1 (en) * | 1994-06-27 | 1999-02-10 | Коновалов Сергей Феодосьевич | Compensation accelerometer |
| RU2173854C1 (en) * | 2000-02-15 | 2001-09-20 | Открытое акционерное общество Пермская научно-производственная приборостроительная компания | Compensation accelerometer |
| WO2004086056A2 (en) * | 2003-03-19 | 2004-10-07 | California Institute Of Technology | Parylene capacitive accelerometer utilizing electrical fringing field sensing and method of making |
| RU2249221C1 (en) * | 2003-07-31 | 2005-03-27 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" (ОАО "РПКБ") | Compensation accelerometer |
| RU2411522C1 (en) * | 2009-11-05 | 2011-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Compensation accelerometre |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2682090C1 (en) * | 2017-12-11 | 2019-03-14 | Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" | Accelerometer electronic transducer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3139305B2 (en) | Capacitive acceleration sensor | |
| US4336718A (en) | Control circuit for accelerometer | |
| Mochizuki et al. | A high-resolution, linear resistance-to-frequency converter | |
| JPS6148777A (en) | Compensator for variation of conversion coefficient of magnetic field sensor | |
| US9696338B2 (en) | Capacitance detection circuit | |
| US10775404B2 (en) | Accelerometers | |
| US10330696B2 (en) | Accelerometer sensor system | |
| US20160084871A1 (en) | Dual-functional resonant magnetic field sensor | |
| RU2638919C1 (en) | Electronic system of compensation accelerometer | |
| US20150338432A1 (en) | Inertia sensor | |
| Baby et al. | A simple analog front-end circuit for grounded capacitive sensors with offset capacitance | |
| Marra et al. | Single-resonator, time-switched FM MEMS accelerometer with theoretical offset drift complete cancellation | |
| Lei et al. | An oversampled capacitance-to-voltage converter IC with application to time-domain characterization of MEMS resonators | |
| RU2359277C1 (en) | Compensation accelerometre | |
| RU2341805C1 (en) | Compensating accelerometer | |
| JP4069158B1 (en) | Charge amplifier, charge amplifier device, and bias current compensation method | |
| JPS62250310A (en) | Position sensor for capacitance of electromagnetic type loadcompensating balance | |
| US9664749B2 (en) | Resonant magnetic field sensor | |
| JP2006177895A (en) | Electrostatic capacity/voltage converting arrangement and mechanical quantity sensor | |
| RU2461838C1 (en) | Accelerometre | |
| RU2750131C1 (en) | Capacitive motion sensor | |
| RU2107301C1 (en) | Compensation accelerometer | |
| RU2096785C1 (en) | Compensation accelerator | |
| RU2155965C1 (en) | Compensation accelerometer | |
| RU2199754C2 (en) | Device for transforming inertial data |