RU2085954C1

RU2085954C1 - Accelerometer

Info

Publication number: RU2085954C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Курносов; А.С. Ларшин; В.М. Прокофьев; О.И. Садовский
Original assignee: Научно-исследовательский институт прикладной механики им.акад.В.И.Кузнецова
Priority date: 1986-11-03
Filing date: 1986-11-03
Publication date: 1997-07-27

Abstract

FIELD: aviation instrumentation engineering. SUBSTANCE: accelerometer has case accommodating movable part of sensor mounted on flexible hanger 2 and provided with pendulum 1. The latter mounts torque sensor coils 3 and movable plates 6 of differential capacitive position sensor. Movable part carries magnets 4 of torque sensor and fixed plates 5 of position sensor. Surface area of movable plate 6 of position sensor mounted above line parallel to hanger line and crossing geometric center of movable part equals surface area of same plate 6 of this sensor placed below mentioned line. Geometric center on surface of each movable plate 6 of position sensor is aligned with center of symmetry of torque sensor coils. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области точного приборостроения и, в частности к приборам измерения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при изготовлении маятниковых акселерометров. The invention relates to the field of precision instrumentation and, in particular, to instruments for measuring motion parameters of aircraft, and can be used in the manufacture of pendulum accelerometers.

Известны маятниковые акселерометры на упругом подвесе, использующие в качестве датчика положения маятника емкостные дифференциальные датчики положения, а в качестве датчика силы магнитоэлектрический датчик момента [1] Упругий подвес данного акселерометра выполнен из металла, а для подачи питания на подвижную часть использованы дополнительные пластины, расположенные на неподвижных (боковых) пластинах чувствительного элемента. Емкостной датчик положения у данного акселерометра образуется напыленными металлизированными поверхностями, расположенными в верхней части маятника и ответными металлизированными поверхностями, расположенными на неподвижных пластинах. Known pendulum accelerometers on an elastic suspension, using capacitive differential position sensors as a pendulum position sensor, and a magnetoelectric moment sensor as a force sensor [1] The elastic suspension of this accelerometer is made of metal, and additional plates are used to supply power to the moving part located on fixed (side) plates of the sensing element. The capacitive position sensor for this accelerometer is formed by sprayed metallized surfaces located in the upper part of the pendulum and response metallized surfaces located on fixed plates.

Недостатком такого акселерометра является то, что в нем емкостной датчик, имеющий значительную поверхность из-за троированного выполнения выше геометрического центра пластины, обладает повышенным тяжением. The disadvantage of such an accelerometer is that it has a capacitive sensor, which has a significant surface due to the tripled execution above the geometric center of the plate, has increased tension.

Известен маятниковый акселерометр на упругом кварцевом подвесе [2] который состоит из металлических пластин и одной, находящейся между ними кварцевой пластины в форме диска с незамкнутой кольцевой прорезью. Перемычки между диском и кольцевой опорой выполнены также из кварца и являются упругими элементами пружинного подвеса. Для создания зазора между подвижной и неподвижной частями чувствительного элемента акселерометра на центральной кварцевой пластине на ее кольцевой поверхности имеются три выступа (платика) с каждой стороны, обращенной к неподвижным пластинам высотой порядка 20 мкм. Акселерометр имеет магнитоэлектрический датчик момента, катушки которого расположены на подвижной части (маятнике), а магниты с магнитопроводами расположены на неподвижной части. Центр приложения силы датчика с момента совмещен с геометрическим центром центральной круговой пластины (маятника). Known pendulum accelerometer on an elastic quartz suspension [2] which consists of metal plates and one located between them a quartz plate in the form of a disk with an open ring slot. The jumpers between the disk and the ring support are also made of quartz and are elastic elements of the spring suspension. To create a gap between the movable and fixed parts of the accelerometer sensing element on the central quartz plate, on its annular surface there are three protrusions (plates) on each side facing the fixed plates with a height of about 20 μm. The accelerometer has a magnetoelectric moment sensor, the coils of which are located on the moving part (pendulum), and magnets with magnetic circuits are located on the fixed part. The center of application of the sensor force from the moment is aligned with the geometric center of the central circular plate (pendulum).

Дифференциальный емкостной датчик образуется металлизированным напылением на поверхности центральной кварцевой пластине на той плоскости, где закреплены катушки датчика моментов. The differential capacitive sensor is formed by metallization on the surface of the central quartz plate on the plane where the moment sensor coils are fixed.

Ответными частями емкостного датчика являются поверхности боковых металлических пластин чувствительного элемента, обращенные к поверхностям емкостного датчика на центральной пластине. В этом акселерометре, если мысленно провести линию, проходящую через геометрический центр подвижной пластины (центр приложения силы датчика момента) и параллельную оси подвеса, оказывается, что площади напыления, образующие емкостной датчик, выше упомянутой линии и ниже ее не равны между собой. The counterparts of the capacitive sensor are the surfaces of the side metal plates of the sensing element facing the surfaces of the capacitive sensor on the central plate. In this accelerometer, if you mentally draw a line passing through the geometric center of the moving plate (the center of application of the force of the torque sensor) and parallel to the suspension axis, it turns out that the spraying areas forming the capacitive sensor are not equal above and below the mentioned line.

Большая часть площади располагается выше указанной линии. Это приводит к тому, что центр поверхности, образующей емкостной датчик, лежит выше геометрического центра подвижной пластины и, следовательно, выше центра приложения сил датчика момента, т.е. указанные центры не совпадают. Такое конструктивное выполнение емкостного датчика приводит к следующему нежелательному явлению. Известно, что в плоском конденсаторе при подаче на его обкладки переменного напряжения между обкладками возникает сила, стремящаяся сблизить их. Величина этой силы зависит как от величины поданного напряжения, так и от зазора между ними и от площади поверхности. Эта сила возникает и между пластинами акселерометра при его работе. То обстоятельство, что конструкция [2] является симметричной приводит к тому, что эти силы появляются как слева, так и справа от центральной пластины. Однако, поскольку практически невозможно обеспечить абсолютную одинаковость зазоров слева и справа между центральной и боковыми пластинами, а также то, что невозможно абсолютно точно обеспечить одинаковость поверхностей емкостного датчика, в акселерометре возникает результирующая силы F, приложенная в центре поверхности емкостного датчика, которая стремится повернуть центральную пластину относительно оси подвеса. В замкнутой системе обратной связи акселерометра этот возникающий уводящий момент компенсируется датчиком момента. Однако, поскольку центры тяжения сил емкостного датчика и сил, развиваемых датчиком момента, не совпадают (силы направлены навстречу друг другу), образуется пара сил, создающая еще дополнительный момент
ΔM=F•L
где l расстояние между центрами приложения сил.Most of the area is located above the specified line. This leads to the fact that the center of the surface forming the capacitive sensor lies above the geometric center of the movable plate and, therefore, above the center of application of the forces of the torque sensor, i.e. these centers do not match. Such a structural embodiment of a capacitive sensor leads to the following undesirable phenomenon. It is known that in a flat capacitor, when an alternating voltage is applied to its plates, a force arises between the plates, tending to bring them closer. The magnitude of this force depends both on the magnitude of the applied voltage, and on the gap between them and on the surface area. This force also arises between the plates of the accelerometer during its operation. The fact that the structure [2] is symmetrical leads to the fact that these forces appear both to the left and to the right of the central plate. However, since it is practically impossible to ensure the absolute uniformity of the gaps on the left and right between the central and side plates, as well as the fact that it is absolutely impossible to ensure the sameness of the surfaces of the capacitive sensor, the resulting force F appears in the accelerometer at the center of the surface of the capacitive sensor, which tends to rotate the central plate relative to the axis of the suspension. In a closed accelerometer feedback system, this arising moment is compensated by a torque sensor. However, since the centers of gravity of the forces of the capacitive sensor and the forces developed by the torque sensor do not coincide (the forces are directed towards each other), a pair of forces is formed, creating an additional moment
ΔM = F • L
where l is the distance between the centers of application of forces.

Этот дополнительный момент передается на упругие перемычки подвеса, толщина которых составляет величину порядка 15:20 мкм, и деформирует их, вызывая появление дополнительного нестабильного уводящего момента. This additional moment is transmitted to the elastic jumpers of the suspension, the thickness of which is about 15:20 μm, and deforms them, causing the appearance of an additional unstable leading moment.

Целью настоящего изобретения является повышение точности акселерометра за счет практически полного исключения упомянутого дополнительного уводящего момента. The aim of the present invention is to improve the accuracy of the accelerometer due to the almost complete exclusion of the mentioned additional leading moment.

Указанная цель достигается тем, что в известном акселерометре, содержащем корпус, подвижную часть, на которой расположены две катушки датчика момента, подвес подвижной части, дифференциального емкостного датчика положения, неподвижные пластины которого, имеющие гальваническую связь между собой, размещенные на корпусе по обеим сторонам подвижной части, а подвижные пластины закреплены на подвижной части, на обращенных к неподвижным пластинам сторонах и усилительно-преобразующий блок, выходы которого соединены с подвижными пластинами емкостного датчика, отличающийся тем, что с целью повышения точности в нем пластины дифференциального емкостного датчика закреплены на подвижной части таким образом, что площадь поверхности емкостного датчика положения, расположенного выше линии, параллельной оси подвеса и проходящей через геометрический центр подвижной части, равна площади, расположенной ниже упомянутой линии, при этом геометрический центр поверхности каждой подвижной пластины дифференциально-емкостного датчика положения совмещен с центром симметрии катушки датчика момента. This goal is achieved by the fact that in the known accelerometer comprising a housing, a movable part, on which there are two coils of a torque sensor, a suspension of the movable part, a differential capacitive position sensor, the fixed plates of which are galvanically connected to each other, placed on the housing on both sides of the movable parts, and the movable plates are fixed on the movable part, on the sides facing the fixed plates and the amplification-converting unit, the outputs of which are connected to the movable plates e a bone sensor, characterized in that in order to increase the accuracy in it, the plates of the differential capacitive sensor are mounted on the moving part so that the surface area of the capacitive position sensor located above the line parallel to the suspension axis and passing through the geometric center of the moving part is equal to the area located below the mentioned line, while the geometric center of the surface of each movable plate of the differential-capacitive position sensor is aligned with the center of symmetry of the coil sensor but the moment.

На фиг. 1 изображен общий вид акселерометра; на фиг. 2 центральная кварцевая пластина. In FIG. 1 shows a general view of an accelerometer; in FIG. 2 central quartz plate.

Акселерометр содержит подвижную пластину- маятник 1 на упругом подвесе 2. На маятнике 1 закреплены катушки 3, а на неподвижной части магниты 4, образующие датчик момента. Внутренние поверхности 5 неподвижных пластин и наружные поверхности 6 подвижной пластины образуют дифференциальный емкостной датчик положения. Зазор между подвижной и неподвижными боковыми пластинами образуется с помощью платиков 7. На одной из внешних сторон боковых пластин закреплен усилитель обратной связи. The accelerometer contains a movable plate-pendulum 1 on an elastic suspension 2. On the pendulum 1 are fixed coils 3, and on the fixed part magnets 4, forming a torque sensor. The inner surfaces 5 of the fixed plates and the outer surfaces 6 of the movable plate form a differential capacitive position sensor. The gap between the movable and fixed side plates is formed using platikov 7. A feedback amplifier is fixed on one of the outer sides of the side plates.

Поверхность емкостного датчика 6 выполнена таким образом, что площадь металлизированного напыления над осью Y-Y равна площади напыления под этой осью, т.е. центр металлизированной поверхности 6 дифференциального емкостного датчика находится на оси Y-Y и совпадает с геометрическим центром пластины (точка O), где прикладывается сила со стороны датчика момента. Катушки 3 датчика моментов установлены на центральной пластине-маятнике 1 таким образом, что центр их симметрии совпадает с точкой O. То есть пластины дифференциального емкостного датчика закреплены (например способом напыления) на подвижной части 1 акселерометра таким образом, что площадь поверхности датчика, расположенного выше линии Y-Y, проходящей через геометрический центр (O) подвижной части 1, равна площади, расположенный ниже линии Y-Y, при этом геометрический центр поверхности каждой подвижной пластины дифференциального емкостного датчика положения совмещен с центром симметрии катушек 3 датчика момента. The surface of the capacitive sensor 6 is made in such a way that the area of metallized spraying over the axis Y-Y is equal to the area of spraying under this axis, i.e. the center of the metallized surface 6 of the differential capacitive sensor is located on the Y-Y axis and coincides with the geometric center of the plate (point O), where a force is applied from the torque sensor. Coils 3 of the moment sensor are mounted on the central plate-pendulum 1 so that their center of symmetry coincides with the point O. That is, the plates of the differential capacitive sensor are fixed (for example by spraying) on the moving part 1 of the accelerometer so that the surface area of the sensor located above the line YY passing through the geometric center (O) of the movable part 1 is equal to the area located below the line YY, while the geometric center of the surface of each movable plate of the differential capacitive Occupancy position aligned with the center of symmetry 3 torquer coils.

Акселерометр работает следующим образом. The accelerometer works as follows.

При действии ускорения вдоль оси X-X маятник 1 отклоняется от своего среднего положения. Это положение фиксируется емкостным датчиком положения 5, 6 и подается на усилитель обратной связи 8, который усиливает сигнал рассогласования, выданный емкостным датчиком, преобразует его и подает на катушки 3. Ток, протекая по катушкам 3, образует магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита 4. Возникающая при этом сила компенсирует инерционные силы маятника 1 и последний возвращается в среднее положение. По величине тока, протекающего по катушкам 3, судят о величине ускорения, действующего на акселерометр. Under the action of acceleration along the axis X-X, the pendulum 1 deviates from its middle position. This position is fixed by a capacitive position sensor 5, 6 and is fed to a feedback amplifier 8, which amplifies the error signal issued by a capacitive sensor, converts it and supplies it to coils 3. The current flowing through coils 3 forms a magnetic field that interacts with a magnetic field permanent magnet 4. The resultant force compensates for the inertial forces of the pendulum 1 and the latter returns to the middle position. The magnitude of the current flowing through the coils 3, judge the magnitude of the acceleration acting on the accelerometer.

Такое выполнение емкостного датчика исключает появление дополнительного нестабильного момента тяжения. Так, например, при наличии несовпадения центров приложения сил емкостного датчика величиной 4 мм, зазора 20 мкм и питаний датчика напряжением 5 В, при величине статического момента маятника 0,35 гсм и разнице сил, действующих слева и справа, на 5% дает появление нестабильного момента тяжения на упругих перемычках, вызывающего нестабильность тяжения порядка 1•10^-4g.This embodiment of the capacitive sensor eliminates the appearance of an additional unstable moment of tension. So, for example, if there is a mismatch between the centers of application of the capacitance sensor forces of 4 mm, a gap of 20 μm and sensor power supply voltage of 5 V, with a static moment of the pendulum of 0.35 gcm and a difference in forces acting on the left and right, by 5% gives an unstable moment of tension on elastic bridges, causing instability of the tension of the order of 1 • 10 ^-4 g.

Для выполнения требований по нестабильности тяжения, предъявляемых к современным акселерометрам на уровне (2 3)•10^-5g наличие вышеуказанного момента недопустимо. Таким образом, точность акселерометра в части получения стабильности случайной составляющей тяжения увеличивается в 3 5 раз.To fulfill the requirements for instability of tension required for modern accelerometers at the level of (2 3) • 10 ^-5 g, the presence of the above moment is unacceptable. Thus, the accuracy of the accelerometer in terms of obtaining the stability of the random component of the tension increases by 3 5 times.

Claims

Акселерометр, содержащий корпус, подвижную часть, на которой расположены две катушки датчика момента, подвес подвижной части, дифференциальный емкостный датчик положения, неподвижные пластины которого, имеющие гальваническую связь между собой, размещены на корпусе по обеим сторонам подвижной части, а подвижные пластины закреплены на подвижной части на обращенных к неподвижным пластинам сторонам, и усилительно-преобразующий блок, входы которого соединены с подвижными пластинами емкостного датчика положения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в нем пластины дифференциального емкостного датчика положения закреплены на подвижной части так, что площадь поверхности датчика, расположенной выше линии, параллельной оси подвеса и проходящей через геометрический центр подвижной части, равна площади, расположенной ниже упомянутой линии, при этом геометрический центр поверхности каждой подвижной пластины дифференциального емкостного датчика совмещен с центром симметрии катушек датчика момента. An accelerometer comprising a housing, a movable part, on which there are two coils of a torque sensor, a suspension of the movable part, a differential capacitive position sensor, the fixed plates of which having galvanic coupling with each other, are placed on the housing on both sides of the movable part, and the movable plates are mounted on the movable parts on the sides facing the fixed plates, and an amplifying-converting unit, the inputs of which are connected to the movable plates of the capacitive position sensor, characterized in that, with In order to increase accuracy, the plates of the differential capacitive position sensor are fixed on the moving part so that the surface area of the sensor located above the line parallel to the suspension axis and passing through the geometric center of the moving part is equal to the area below the mentioned line, while the geometric center of the surface each movable plate of the differential capacitive sensor is combined with the center of symmetry of the coils of the torque sensor.