SU1645906A1 - Capacitive accelerometer - Google Patents

Capacitive accelerometer Download PDF

Info

Publication number
SU1645906A1
SU1645906A1 SU884616380A SU4616380A SU1645906A1 SU 1645906 A1 SU1645906 A1 SU 1645906A1 SU 884616380 A SU884616380 A SU 884616380A SU 4616380 A SU4616380 A SU 4616380A SU 1645906 A1 SU1645906 A1 SU 1645906A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
inputs
output
switches
outputs
sensitive
Prior art date
Application number
SU884616380A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Михайлович Артемов
Эдуард Алексеевич Кудряшов
Виктор Евгеньевич Евдокимов
Вячеслав Степанович Моисейченко
Original Assignee
Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина filed Critical Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина
Priority to SU884616380A priority Critical patent/SU1645906A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1645906A1 publication Critical patent/SU1645906A1/en

Links

Landscapes

  • Pressure Sensors (AREA)

Description

3.. 16459063 .. 1645906

13 и 14. Выходное напр жение вычита- тел  20  вл етс  выходным напр жением акселерометра. В сумматорах 13 и 14 сигнал усилител  12 складываетс  с t аналоговым сигналом источника 15 опорного напр жени  и поступает на входы коммутаторов 16 и 17 дл  использовани  в такте компенсации. 3 такте компенсации напр жени  с сумматоров 13 и 14 через коммутаторы 16 и 17 поступают на входы гиперболических цепей усилителей 3 и 9, выходные напр жени  которых приложены к электродам 6 и 7 и создают компенсирующее усилие , возвращающее чувствительную13 and 14. The output voltage of the subtractor 20 is the output voltage of the accelerometer. In the adders 13 and 14, the signal of the amplifier 12 is added to the t analog signal of the source 15 of the reference voltage and is fed to the inputs of the switches 16 and 17 for use in the compensation cycle. The 3 voltage compensation stroke from the adders 13 and 14 through the switches 16 and 17 is fed to the inputs of the hyperbolic circuits of the amplifiers 3 and 9, the output voltages of which are applied to the electrodes 6 and 7 and create a compensating force that returns the sensitive

пластину 1 в исходное положение. 3 ил.plate 1 to its original position. 3 il.

Изобретение относитс  к информационно-измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  ускорений .The invention relates to an information-measuring technique and can be used to measure accelerations.

Цель изобретени  - повышение быстродействи  .The purpose of the invention is to increase speed.

На фиг.1 изображена функциональна  схема предложенного акселерометра; на фиг. 2 - его структурна  схема на фиг.З - временные диаграммы работы .1 shows a functional diagram of the proposed accelerometer; in fig. 2 - its structural diagram in FIG. 3 - timing diagrams of operation.

Емкостный акселерометр содержит чувствительный элемент - подвижную пластину 1, тонкие перемычки 2,основание 3, электроды 4 и 5 на подвижной пластине, электроды 6 и 7.на основании , первый и второй операционные усилители (ОУ) 8 и 9, Фазочувст- вительные демодул торы 10 и 11 дифференциальный усилитель 12 с пара- фазными выходами, первый и второй сумматоры 13 и 14, источник 15 опорного напр жени , коммутаторы 16 и 17 генератор 18 импульсов, делитель 19 частоты, вычитатель 20, первый и второй электронные ключи 21 и 22, первый и второй эталонные конденсаторы 23 и 24.The capacitive accelerometer contains a sensitive element - a movable plate 1, thin jumpers 2, a base 3, electrodes 4 and 5 on a movable plate, electrodes 6 and 7. on the base, the first and second operational amplifiers (OA) 8 and 9, Phase-sensitive demodulators 10 and 11 differential amplifier 12 with para-phase outputs, the first and second adders 13 and 14, the voltage source 15, the switches 16 and 17, the pulse generator 18, the frequency divider 19, the subtractor 20, the first and second electronic switches 21 and 22, the first and second reference capacitors 23 and 24.

При работе акселерометра действуют следующие сигналы.When the accelerometer operates, the following signals are active.

Генератор 18 формирует импульсы с периодом Т , на выходе делител  Q формируютс  импульсы с периодом 2Т (фиг.З). На импульсном выходе источника 15 опорного напр жени  15 формируетс  импульсное двухпол рное напр жение Uou (фиг.З) с амплитудой и периодом Т0.The generator 18 generates pulses with a period T, at the output of the divider Q, pulses with a period of 2T are formed (Fig. 3). At the pulse output of the source 15 of the reference voltage 15, a pulsed two-pole voltage Uou (Fig. 3) is formed with amplitude and period T0.

Работа акселерометра осуществл етс  периодически в два такта: такт измерени  Тои (коммутаторы 16 и 17 в положении а) и такт компенсации TUK. (коммутаторы в положении б), и по сн етс  временными диаграммами фиг.З.The accelerometer operates periodically in two cycles: the measurement cycle of Toi (switches 16 and 17 in position a) and the compensation cycle TUK. (switches in position b), and is illustrated by the time diagrams of FIG. 3.

В такте измерени  (Тоц) коммутаторы 16 и 17 и ключи 21 и 22 - в положении а, и на входы усилителей 8 и 9 поступает напр жение U0(j. Выходные напр жени  усилителей Ди), и Ди, выпр мл ютс  ( и ) фазочувствительными демодул торами 10 и II с фильтрами (Р.С) на выходе и поступают на входы дифференциального усилител  12. Разностное напр жение Дих t:M UX2. Усиливаетс , а выходные напр жени  усилител  U х и U к складываютс  с опорным U0 в сумматорах 13 и 14 и вычитаютс  в вычитателе 20. Разность напр 0In the measurement cycle (Tots), the switches 16 and 17 and the keys 21 and 22 are in the position a, and the inputs U0 (j. The output voltages of the amplifiers Di), and Di, are rectified (and) phase-sensitive demodulators 10 and II with filters (P.C) at the output and are fed to the inputs of differential amplifier 12. Differential voltage Dih t: M UX2. It is boosted, and the output voltages of the amplifier U x and U k are added to the reference U0 in adders 13 and 14 and subtracted in the subtractor 20. The difference is 0

5five

00

жений U ,life u,

5five

00

5five

UU

XIXi

- и- and

Х2X2

 вл етс  выходным информативным напр жением. Суммаis an output informative voltage. Amount

напр жений UQ + Uxi и Uo + UX2. noc тупает на входы б коммутаторов 16 и 17 и служит дл  компенсации измер емого ускорени .voltages UQ + Uxi and Uo + UX2. noc blunt to inputs b of switches 16 and 17 and serves to compensate for the measured acceleration.

В такте компенсации (Ток) коммутаторы 16 и 17, ключи 21 и 22 - в положении б. Напр жени  U0 + U, и U0 + UXЈ поступают на входы гиперболических цепей усилителей 9 и 8, а их выходные напр жени  U «, и UK2 приложены к электродам 7 и 6 и создают компенсирующее усилие Fn, возвращающее чувствительную пластину 1 к начальному положению.In the compensation cycle (Current), the switches 16 and 17, the keys 21 and 22 are in position b. The voltages U0 + U and U0 + UXЈ enter the inputs of the hyperbolic circuits of amplifiers 9 and 8, and their output voltages U, and UK2 are applied to electrodes 7 and 6 and create a compensating force Fn, which returns the sensitive plate 1 to its initial position.

Взаимосв зь звеньев уравновеТпиваю- щей системы акселерометра показана на структурной схеме (фиг.2).The interrelation of the links of the accelerometer balancing system is shown in the block diagram (Fig. 2).

Измер емое ускорение X врз- действует на массу т0 пласти- ,ны 1 (фиг.2) и преобразуетс The measured acceleration X vrz- acts on the mass t0 of plate 1 (figure 2) and is converted

в силу F„by virtue of F „

га X оha x o

Усилие F. уравновешиваетс  усилием- Рц электростатической компенсации. Разность усилий ДГ FX - FK через упругую перемычку 2 с жесткостью W преобразуетс  в смещение X, которое вызывает изменение емкостей между электродами 5 иForce F. is balanced by force - RC of electrostatic compensation. The difference in force DG FX – FK through an elastic jumper 2 with stiffness W is converted into an offset X, which causes a change in the capacitances between the electrodes 5 and

СWITH

хx

XfcXfc

Јо s СГ+хO s SG + x

6о S6o S

т;гх 51645906t; gx 51645906

и электродами 4 и 6 Fand electrodes 4 and 6 F

где Јj диэлектриF  where Јj dielectric

ус р  элusr el

усилие пропорционально выходному нап- р жению и не зависит от зазора между элек гродами.the force is proportional to the output voltage and does not depend on the gap between the electrodes.

Структурна  схема (фиг.2) содержит цепь пр мого преобразовани  сThe structural diagram (Fig. 2) contains a direct conversion circuit with

ческа  проницаемость воздуха, S площадь электродов; $Q - зазор между электродами.air permeability, S electrode area; $ Q - the gap between the electrodes.

Изменение емкостей в такте измерени  преобразуютс  гиперболической 10 коэффициентом передачи К цепью с усилител ми 3 и 9 в электрииоСл ,, , г f. х и цепь обратном св зи сThe change in capacitances in the measurement cycle is transformed by a hyperbolic 10 transmission coefficient K to a circuit with amplifiers 3 and 9 in the converter, g f. x and feedback circuit

ческие сигналы: Дих, Ufl (Ј+x) ...1.. п 2UeC0chesky signals: Dih, Ufl (Ј + x) ... 1 .. n 2UeC0

22

й- хy- x

и AUXe ,uo-gl--(.x)and AUXe, uo-gl - (. x)

6oS6oS

гдеWhere

ко фициентом fi . Коэффи Со by fi. Caffey So

15 циент преобразовани  разомкнутой15 open-loop transform

0| и С QЈ емкости эталонных конден- системы, т.е. добротность ее.опреде- саторов 23 и 24. Напр жени  ЛUx и выпр мл ютс  фаэочувствителънымн демодул торами 10 и 1 и их выходные- напр жени  подаютс  на входы диффе- 20 ренциального усилител  2.0 | and С QЈ capacities of the reference condensates, i.e. the quality factor of it. The transmitters 23 and 24. The voltages of Lx and the voltage are rectified by the phase-sensitive demodulators 10 and 1 and their output voltages are fed to the inputs of the differential amplifier 2.

Разностное напр жение дих уси- лиьаегс  в К раз и выходные напр жени  U „, и UDifferential voltage dich is the force K times and output voltages Un and U

л етс  величинойis the value of

г 1g 1

л k U0 Co кр й l k U0 Co kr th

WW

(Ј0 s(Ј0 s

const,const,

1one

4U0- Co4U0- Co

а измер емое ускорение Х- xand the measured acceleration x - x

m0-L0m0-L0

x ux.x ux.

X4 и ux Равные по величине и противоположные по знаку, суммирукгг- 25 (j, о р м у л а с  с и и в такте компенсации подаютс  на входы гиперболической цепи - усилителей 3 и 9, выходные напр жени  которыхX4 and ux Equal in magnitude and opposite in sign, summed up to 25 (j, o rumulac and and in the compensation stroke are fed to the inputs of the hyperbolic circuit - amplifiers 3 and 9, the output voltages of which

изобретени the invention

Емкостный акселерометр, содержащий основание, крышку, чувствительную подвижную пластину из монокрисUCapacitive accelerometer containing base, cover, sensitive movable plate of monocris

XIXi

Ь о + UX,L o + UX,

) fV(0+X)nUK2 ) fV (0 + X) nUK2

- (uo + ux) x).- (uo + ux) x).

Таким образом, в такте измерени  гиперболическа  цепь линеаризации включена в пр мую цепь преобразовани  перемещени  X в электрический сигнал AU)(, в такте компенсации включена в цепь обратной св зи дл  формировани  компенсирующих напр жений U и U«Ј, которые создают компенсирующие усили :Thus, in the measurement cycle, a hyperbolic linearization circuit is included in the direct conversion circuit of moving X into an electrical signal AU) (in the compensation cycle it is included in the feedback circuit to form compensating voltages U and U "Ј, which create compensating forces:

гg

На чувствительный элемент I воздействует разность усилий FK F«« - -.Рц4, котора  при Ux, х2 РавнаThe sensitive element I is affected by the difference in the forces FK F «« - -. Рц4, which at Ux, x2 is Equal

FF

2Г0Св .. F   Ux i т.е. компенсирующее2G0Sv .. F Ux i compensating

усилие пропорционально выходному нап- р жению и не зависит от зазора между элек гродами.the force is proportional to the output voltage and does not depend on the gap between the electrodes.

Структурна  схема (фиг.2) содержит цепь пр мого преобразовани  сThe structural diagram (Fig. 2) contains a direct conversion circuit with

коэффициентом передачи К K transfer ratio

22

й- хy- x

...1.. п 2UeC0... 1 .. n 2UeC0

ко фициентом fi . Коэффи Со by fi. Caffey So

циент преобразовани  разомкнутойopen conversion circuit

системы, т.е. добротность ее.опред systems, i.e. good quality of it.

системы, т.е. добротно systems, i.e. soundly

л етс  величинойis the value of

г 1g 1

л k U0 Co кр й l k U0 Co kr th

WW

(Ј0 s(Ј0 s

а измер емое ускорение and the measured acceleration

изобретени the invention

(j, о р м у л а (j, o rm at l and

Емкостный акселерометр, содержащий основание, крышку, чувствительную подвижную пластину из монокристалла кремни , соединенную с основанием перемычками, изолированные электроды в основании, крышке и с двух сторон подвижной пластины, а также первьй эталонны1 конденсатор,Capacitive accelerometer containing a base, a lid, a sensitive movable silicon monocrystal plate connected to the base by jumpers, insulated electrodes in the base, lid and on both sides of the movable plate, as well as the first reference capacitor,

электронные ключи, операционнь;е усилители , генератор импульсов, делитель частоты, первый сумматор,источник опорного напр жени , отличающийс  тем, что, с цельюelectronic switches, operation; e amplifiers, pulse generator, frequency divider, first adder, reference voltage source, characterized in that

повышени  быстродействи , в него дополнительно введены второй эталонный конденсатор, второй сумматор,фаэо- чувствительные демодул торы, вычи- татель, коммутаторы, дифференциальный усилитель с парафаэным выходом, при этом выходы первого и второго KOMMyTatopoB подключены соответственно через первый и второй эталонные конденсаторы к инверсным входам соответственно первого и второго операционных усилителей, в цепи отрицательных обратных св зей которых включены подвижные и неподвижные электроды каждой из сторон подвижной пластины и крышки, выходы первого и второго операционных усилителей соответственно через первый и второй электронные ключи и первый и второй фазочувствительные демодул торы подключены соответственно к неинверсному и инверсному входам дифференциального усилител., первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и рого сумматоров, выходы которых подключены к вторым входам соотъ но первого и второго коммутаторов, {первые входы которых подключены к импульсному выходу источника опорного напр жени , аналоговый выход которого соединен с вторыми входамиincrease the speed, a second reference capacitor, a second adder, pha-sensitive demodulators, a subtractor, switches, a para-pha differential amplifier, and the outputs of the first and second KOMMyTatopoB are connected via the first and second reference capacitors to the inverse inputs respectively, the first and second operational amplifiers, in the negative feedback circuits of which include movable and fixed electrodes of each side of the movable plate and roofs and, the outputs of the first and second operational amplifiers, respectively, through the first and second electronic switches and the first and second phase-sensitive demodulators are connected to the non-inverse and inverse inputs of the differential amplifier, respectively, the first and second outputs of which are connected to the first inputs of the first and second adders, respectively. connected to the second inputs of the first and second switches respectively, {the first inputs of which are connected to the pulse output of the voltage source, analog output d which is connected to the second inputs

U anU an

.I ,,.I ,,

и1 /////////,Ш ///ШР ъ.и1 /////////, Ш /// ШР ъ.

сумматоров, а управл ющий вход - с управл ющими Уходами фазочувстви- тельных демодул торов, входом дели- тел  частоты и выходом генератора импульсов, причем выход делител  частоты соединен с управл ющими входами коммутаторов и электронных ключей , а первый и второй выходы дифференциального усилител  подключены к входам вычитател , выход которого  вл етс  выходом акселерометра.adders, and the control input - with the control outputs of the phase-sensitive demodulators, the input of the frequency dividers and the output of the pulse generator, the output of the frequency divider is connected to the control inputs of the switches and electronic switches, and the first and second outputs of the differential amplifier are connected to the inputs of the subtractor, the output of which is the output of the accelerometer.

Фиг IFIG I

Фиг 3Fig 3

Claims (1)

о р м у л а и з о б р е тенияo r m u l a s Емкостный акселерометр, содержащий основание, крьппку, чувствительную подвижную пластину из монокрис30 талла кремния, соединенную с основанием перемычками, изолированные электроды в основании, крышке и с двух сторон подвижной пластины, а также первый эталонный конденсатор, 25 электронные ключи, операционные усилители, генератор импульсов, делитель частоты, первый сумматор,источник опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью 40 повышения быстродействия, в него дополнительно введены второй эталонный конденсатор, второй сумматор,фазочувствительные демодуляторы, вычитатель, коммутаторы, дифФеренцналь45 ный усилитель с парафазным выходом, при этом выходы первого и второго коммутаторов подключены соответствен· но через первый и второй эталонные конденсаторы к инверсным входам со50 ответственно первого и второго операционных усилителей, в цепи отрицательных обратных связей которых вклю· чены подвижные и неподвижные электроды каждой из сторон подвижной плас· 55 тины и крышки, выходы первого и второго операционных усилителей соответственно через первый и второй электронные ключи и первый и второй фазочувствительные демодуляторы под ключены соответственно к неинверсному и инверсному входам дифференпиалького усилителе, первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и вто- рого сумматоров, выходы которых подключены к вторым входам сооть<1тг'венио первого и второго коммутаторов, (первые входы которых подключены к импульсному выходу источника опорного напряжения, аналоговый выход которого соединен с вторыми входами сумматоров, а управляющий вход - с управляющими Уходами фазочувствительных демодуляторов, входом делителя частоты и выходом генератора импульсов, причем выход делителя частоты соединен с управляющими входами коммутаторов и электронных ключей, а первый и второй выходы дифференциального усилителя подключены к входам вычитателя, выход которого является выходом акселерометра.A capacitive accelerometer containing a base, a fastener, a sensitive movable plate made of monocrystalline silicon, connected to the base by jumpers, insulated electrodes in the base, cover and on both sides of the movable plate, as well as the first reference capacitor, 25 electronic keys, operational amplifiers, a pulse generator, frequency divider, first adder, reference voltage source, characterized in that, in order to improve performance 40, a second reference capacitor, a second adder, of phases sensitive demodulators, a subtractor, switches, a differential amplifier with a paraphase output, while the outputs of the first and second switches are connected respectively through the first and second reference capacitors to the inverse inputs of 50 respectively of the first and second operational amplifiers, in the negative feedback circuit of which I include the movable and fixed electrodes of each side of the movable plate · 55 lengths and covers, the outputs of the first and second operational amplifiers, respectively, through the first and second electrons The keys and the first and second phase-sensitive demodulators are connected respectively to the non-inverse and inverse inputs of the differential amplifier, the first and second outputs of which are connected to the first inputs of the first and second adders, respectively, the outputs of which are connected to the second inputs, respectively <1 ' t ' g ' g Venio first and second switches (first inputs of which are connected to the pulse output of the reference voltage source, the analog output of which is coupled to second inputs of adders, a control input - a driving Care and phase-sensitive demodulators, the input of the frequency divider and the output of the pulse generator, the frequency divider output coupled to control inputs of switches and electronic switches, and first and second outputs of the differential amplifier are connected to inputs of a subtractor whose output is the output of the accelerometer.
SU884616380A 1988-12-07 1988-12-07 Capacitive accelerometer SU1645906A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU884616380A SU1645906A1 (en) 1988-12-07 1988-12-07 Capacitive accelerometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU884616380A SU1645906A1 (en) 1988-12-07 1988-12-07 Capacitive accelerometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1645906A1 true SU1645906A1 (en) 1991-04-30

Family

ID=21413450

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU884616380A SU1645906A1 (en) 1988-12-07 1988-12-07 Capacitive accelerometer

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1645906A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2488785C1 (en) * 2011-12-21 2013-07-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" Method of measuring amplitude-frequency characteristics of movable elements of micromechanical devices

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2488785C1 (en) * 2011-12-21 2013-07-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" Method of measuring amplitude-frequency characteristics of movable elements of micromechanical devices

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5440939A (en) Servo-controlled pendular micro-sensor
JP4178658B2 (en) Capacitive physical quantity detector
JP3264884B2 (en) Capacitance detection circuit
US5095750A (en) Accelerometer with pulse width modulation
US7267006B2 (en) Accelerometer
US5641911A (en) Method and apparatus for feedback-control of an asymmetric differential pressure transducer
EP0385917B1 (en) Pulse-driven accelerometer arrangement
US6497149B1 (en) Mobile plate accelerometer with electrostatic feedback motor
US4009607A (en) Force measuring system including combined electrostatic sensing and torquing means
US4102202A (en) Electrostatic accelerometer
Kraft et al. Closed-loop silicon accelerometers
EP1072893A1 (en) Method and apparatus for reducing output noise in a digitally rebalanced accelerrometer
CN101680910A (en) Method of work and circuit structure with capacitance type micro mechanical sensor of analog reset
SU1645906A1 (en) Capacitive accelerometer
JP3282360B2 (en) Capacitive sensor
JPH03293565A (en) Pwm electrostatic servo type accelerometer
JP3804242B2 (en) Electrostatic servo physical quantity detector
JPH0341366A (en) Accelerometer
SU1174790A1 (en) Permanent-magnet dynamometer
SU1186938A1 (en) Capacitive displacement transducer
RU2810694C1 (en) Dual-axis micromechanical accelerometer with capacitive displacement transducer
JPH07260510A (en) Capacity type sensor
SU1174861A1 (en) Capacitance accelerometer
SU1525586A1 (en) Electrostatic accelerometer
RU2149411C1 (en) Compensating acceleration meter