компенсационный маятниковый акселерометр

Формула изобретения

1. Компенсационный маятниковый акселерометр, содержащий корпус, в котором размещены маятниковый узел, содержащий выполненные из единой пластины монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией плоскости среза (001) маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, опорную рамку с базирующими платиками, предназначенными для формирования зазора для перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента, упругий подвес, посредством которого маятниковый пластинчатый чувствительный элемент связан с опорной рамкой; магнитоэлектрический датчик момента, содержащий две магнитные системы, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла, каждая из которых содержит постоянный магнит, кольцевой ферромагнитный магнитопровод и центральный ферромагнитный магнитопровод, образующие между собой кольцевой зазор, две катушки, размещенные с обеих сторон маятникового пластинчатого чувствительного элемента; промежуточные плоские изолирующие кольца, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла между маятниковым узлом и торцевыми поверхностями магнитных систем магнитоэлектрического датчика момента, образованными кольцевыми ферромагнитными магнитопроводами; емкостный датчик угла перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента, подвижным электродом которого является маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, а неподвижные электроды которого расположены на промежуточных плоских изолирующих кольцах на сторонах, обращенных к маятниковому пластинчатому чувствительному элементу; компенсационный усилитель, вход которого соединен с емкостным датчиком угла, а выход через токоподводы с катушками; генератор напряжения возбуждения емкостного датчика угла перемещения, подключенный к электродам емкостного датчика угла, отличающийся тем, что содержит средство для сборки и крепления маятникового узла, магнитоэлектрического датчика момента и промежуточных изолирующих колец к корпусу акселерометра, выполненное из немагнитного материала; упругий подвес содержит два соосных крестообразных элемента, продольная ось каждого из которых ориентирована под углом 45° к кристаллографическому направлению <110>, причем одна из образующих плоскостей крестообразного элемента параллельна торцевой плоскости (001) маятникового узла, а другая образующая плоскость перпендикулярна торцевой плоскости (001) маятникового узла.

2. Компенсационный маятниковый акселерометр по п.1, отличающийся тем, что средство для сборки и крепления маятникового узла содержит по меньшей мере два винтовых соединения, симметрично размещенных по окружности, причем указанные винты проходят через отверстия, выполненные во фланцах немагнитных элементов крепления ферромагнитных колец, и закреплены в корпусе, при этом постоянные магниты магнитных систем имеют кольцевую форму и намагниченность вдоль оси.

3. Компенсационный маятниковый акселерометр по п.1, отличающийся тем, что средство для сборки и крепления маятникового узла содержит два установленных соосно полых чашеобразных элемента, скрепленных друг с другом посредством болтового соединения, причем болт проходит через центральные отверстия, выполненные в донной части чашеобразных элементов, магнитоэлектрическом датчике момента и маятниковом пластинчатом чувствительном элементе, а края чашеобразных элементов контактируют с соответствующими кольцевыми ферромагнитными магнитопроводами, при этом постоянные магниты магнитных систем имеют кольцевую форму и имеют намагниченность вдоль оси.

4. Компенсационный маятниковый акселерометр по п.3, отличающийся тем, что донные части чашеообразных элементов выполнены в виде упругих мембран.

5. Компенсационный маятниковый акселерометр по п.3, отличающийся тем, что центральные отверстия, выполненные в центральных ферромагнитных магнитопроводах, и центральное отверстие, выполненное в маятниковом пластинчатом чувствительном элементе, имеют одинаковый диаметр, при этом диаметр болта, проходящего через отверстие, выполненное в маятниковом пластинчатом чувствительном элементе, имеет меньший размер, чем диаметр частей болта, проходящих внутри центральных отверстий центральных ферромагнитных магнитопроводов.

6. Компенсационный маятниковый акселерометр по п.1, отличающийся тем, что в опорной рамке выполнена прорезь на участке между одним из элементов упругого подвеса и ближайшим к нему базирующим платиком.

7. Компенсационный маятниковый акселерометр по п.3, отличающийся тем, что центральное отверстие в маятниковом пластинчатом чувствительном элементе выполнено в виде восьмиугольного отверстия, четыре длинные стороны которого образуют квадрат и ориентированы по кристаллографическим направлениям <100> и <010>, а четыре короткие стороны которого образованы плоскостями (111), причем расстояние k1 между длинными сторонами равно диаметру отверстий в ферромагнитном магнитопроводе, а расстояние k2 между короткими сторонами больше указанного диаметра отверстий в ферромагнитном магнитопроводе.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к приборам для измерения ускорений, а более точно - к компенсационному маятниковому акселерометру, в котором реагирующий на ускорение маятниковый пластинчатый чувствительный элемент удерживается в нейтральном положении системой отрицательной обратной связи.

Предшествующий уровень техники

Известен компенсационный акселерометр (см., например, патент США 3702073), содержащий плоский маятниковый узел, выполненный из плавленого кварца. Маятниковый узел содержит кольцевую рамку с симметрично расположенными по обе стороны от нее базировочными платиками. С кольцевой рамкой посредством плоских упругих перемычек связана пластинка маятника, на которой по обе стороны укреплены катушки плунжерных магнитоэлектрических датчиков силы. На поверхности пластинки маятника по обе стороны напылены металлические электроды, выполняющие функцию подвижных электродов емкостного датчика положения пластинки маятника. Плоский маятниковый узел укреплен между магнитных систем дифференциального плунжерного магнитоэлектрического датчика силы. Каждая магнитная система компенсационного акселерометра содержит центральный магнитопровод, центральный магнит с магнитопроводящим полюсным наконечником и чашеобразный магнитопровод. Полюсные наконечники и чашеобразные магнитопроводы образуют два кольцевых зазора магнитных систем, которые входят в катушки, закрепленные на пластинах маятника. Магнитные системы выполняют функции подвижных электродов датчика положения пластинки маятника. Электроды, напыленные на пластинку маятника, посредством гибких токоподводов связаны с входом усилителя обратной связи. Выход усилителя обратной связи посредством гибких токоподводов связан с катушками плунжерных датчиков силы. Все элементы размещены в герметичном разъемном корпусе.

Недостатком указанного акселерометра является использование в нем в качестве материала маятникового узла плавленого кварца, который не допускает использование различных технологий при изготовлении маятниковых узлов. Кроме того, плавленый кварц является диэлектриком и не может быть использован без напыления электродов на пластинке маятника и токоподводов к этим электродам.

Наиболее близким решением является компенсационный маятниковый акселерометр (см., например, авторское свидетельство СССР №1679395, 1991 г.), содержащий корпус, в котором размещены

маятниковый узел, содержащий выполненные из единой пластины монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией плоскости среза (001) маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, опорную рамку с базирующими платиками, предназначенными для формирования зазора для перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента, упругий подвес, посредством которого маятниковый пластинчатый чувствительный элемент связан с опорной рамкой,

магнитоэлектрический датчик момента, содержащий две магнитные системы, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла, каждая из которых содержит постоянный магнит, кольцевой ферромагнитный магнитопровод и центральный ферромагнитный магнитопровод, образующие между собой кольцевой зазор, две катушки, размещенные с обеих сторон маятникового пластинчатого чувствительного элемента,

промежуточные плоские изолирующие кольца, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла между маятниковым узлом и торцевыми поверхностями магнитных систем магнитоэлектрического датчика момента, образованными кольцевыми ферромагнитными магнитопроводами,

емкостной датчик угла перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента, подвижным электродом которого является маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, а неподвижные электроды которого расположены на промежуточных плоских изолирующих кольцах на сторонах, обращенных к маятниковому пластинчатому чувствительному элементу,

компенсационный усилитель, вход которого соединен с емкостным датчиком угла, а выход через токоподводы с катушками,

генератор напряжения возбуждения емкостного датчика угла перемещения, подключенный к электродам емкостного датчика угла.

Выполнение подвеса пластинки маятника в виде плоских упругих перемычек, соединяющих пластинку маятника с опорной рамкой, в случае возникновения по технологическим причинам относительного смещения центра масс маятника (пластинки маятника с укрепленными на ней катушками) и точки приложения сил компенсационного датчика не позволяет обеспечить работоспособность акселерометра при больших ускорениях. Вследствие деформации упругих перемычек под действием момента пары сил пластинка маятника получает большие угловые перемещения и начинает касаться изолирующих пластин.

Кроме того, указанные маятниковый акселерометр не позволяет измерять большие ускорения. Для измерения большого ускорения магнитные системы должны быть выполнены с кольцевым магнитом для обеспечения большой магнитной индукции в кольцевых зазорах магнитных систем и, следовательно, меньших токов в компенсационном датчике момента. Но в этом случае кольцевые магниты из-за наличия стяжки будут находиться в напряженном состоянии. В результате не обеспечивается временная стабильность намагниченности и следовательно временная стабильность масштабного коэффициента акселерометра.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание компенсационного маятникового акселерометра, конструктивное выполнение которого позволит повысить точность измерения ускорения и обеспечит измерение больших ускорений.

Поставленная задача решена путем создания компенсационного маятникового акселерометра, содержащего

корпус, в котором размещены

маятниковый узел, содержащий выполненные из единой пластины монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией плоскости среза (001) маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, опорную рамку с базирующими платиками, предназначенными для формирования зазора для перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента, упругий подвес, посредством которого маятниковый пластинчатый чувствительный элемент связан с опорной рамкой,

магнитоэлектрический датчик момента, содержащий две магнитные системы, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла, каждая из которых содержит постоянный магнит, кольцевой ферромагнитный магнитопровод и центральный ферромагнитный магнитопровод, образующие между собой кольцевой зазор, две катушки, размещенные с обеих сторон маятникового пластинчатого чувствительного элемента,

промежуточные плоские изолирующие кольца, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла между маятниковым узлом и торцевыми поверхностями магнитных систем магнитоэлектрического датчика момента, образованными кольцевыми ферромагнитными магнитопроводами,

емкостной датчик угла перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента, подвижным электродом которого является маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, а неподвижные электроды которого расположены на промежуточных плоских изолирующих кольцах на сторонах, обращенных к маятниковому пластинчатому чувствительному элементу,

компенсационный усилитель, вход которого соединен с емкостным датчиком угла, а выход через токоподводы с катушками,

генератор напряжения возбуждения емкостного датчика угла перемещения, подключенный к электродам емкостного датчика угла,

согласно изобретению компенсационный маятниковый акселерометр содержит

средство для сборки и крепления маятникового узла, магнитоэлектрического датчика момента и промежуточных изолирующих колец к корпусу акселерометра, выполненное из немагнитного материала,

упругий подвес содержит два соосных крестообразных элемента, продольная ось каждого из которых ориентирована под углом 45° к кристаллографическому направлению <110>, причем одна из образующих плоскостей крестообразного элемента параллельна торцевой плоскости (001) маятникового узла, а другая образующая плоскость перпендикулярна торцевой плоскости (001) маятникового узла.

Предпочтительно, чтобы средство для сборки и крепления содержало два установленных соосно полых чашеобразных элемента, скрепленных друг с другом посредством болтового соединения, причем болт проходил через центральные отверстия, выполненные в донной части чашеобразных элементов, магнитоэлектрическом датчике момента и маятниковом пластинчатом чувствительном элементе, а края чашеобразного элемента контактировали с кольцевым ферромагнитным магнитопроводом, при этом постоянный магнит магнитной системы имел бы кольцевую форму и имел намагниченность вдоль оси.

Полезно, чтобы средство для сборки и крепления содержало два установленных соосно полых чашеобразных элемента, скрепленных друг с другом посредством винтового соединения, содержащего по меньшей мере два винта, оси которых параллельны оси акселерометра, причем винты проходили через отверстия, выполненные в элементе крепления ферромагнитного кольца, и были закреплены в корпусе.

Предпочтительно, чтобы донные части чашеобразных элементов были выполнены в виде упругих мембран.

Полезно, чтобы центральные отверстия, выполненные в центральном ферромагнитном магнитопроводе и в маятниковом пластинчатом чувствительном элементе имели одинаковый диаметр, при этом диаметр болта, проходящего через отверстие, выполненное в маятниковом пластинчатом чувствительном элементе, имел меньший размер, чем диаметр частей болта, проходящих внутри центральных отверстий центральных ферромагнитных магнитопроводов.

Полезно также, чтобы в опорной рамке была выполнена прорезь на участке между одним из элементов упругого подвеса и ближайшему к нему базирующим платиком.

Целесообразно, чтобы в маятниковом пластинчатом чувствительном элементе было выполнено центральное восьмиугольное отверстие, четыре длинные стороны которого образуют квадрат и ориентированы по кристаллографическим направлениям <100> и <010>, а четыре короткие стороны которого образованы плоскостями (111), причем расстояние между длинными сторонами равно диаметру отверстий в ферромагнитном магнитопроводе, а расстояние между короткими сторонами больше указанного диаметра отверстий в ферромагнитном магнитопроводе.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает компенсационный маятниковый акселерометр (продольный разрез) согласно изобретению;

Фиг.2 изображает маятниковый узел (вид спереди) компенсационного маятникового акселерометра согласно изобретению;

Фиг.3 изображает маятниковый узел (вид сбоку) с установленными на нем катушками магнитоэлектрического датчика момента согласно изобретению;

Фиг.4 изображает общий вид упругого подвеса согласно изобретению;

Фиг.5 изображает разрез по линии V-V на Фиг.2 согласно изобретению;

Фиг.6 изображает компенсационный маятниковый акселерометр (продольный разрез), второй вариант выполнения согласно изобретению;

Фиг.7 изображает маятниковый узел (вид спереди) компенсационного маятникового акселерометра, второй вариант выполнения согласно изобретению;

Фиг.8 изображает общий вид отверстия 51, выполненного в маятниковом пластинчатом чувствительном элементе согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Компенсационный маятниковый акселерометр 1 (Фиг.1) содержит корпус 2, в котором размещен маятниковый узел 3. Маятниковый узел 3 (Фиг.2) содержит выполненные из единой пластины монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией плоскости среза (001) маятниковый пластинчатый чувствительный элемент 4, опорную рамку 5 с базирующими платиками 6, 7, 8, предназначенными для формирования зазора для перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента 4. Базирующие платики 6, 7, 8 симметрично размещены относительно друг друга по обе стороны опорной рамки 5 (Фиг.3). На Фиг.2 показаны платики 6, 7, 8, размещенные с одной стороны опорной рамки 5. Маятниковый узел содержит также упругий подвес 9 (Фиг.1), посредством которого маятниковый пластинчатый чувствительный элемент 4 связан с опорной рамкой 5. Все элементы маятникового узла 3 выполнены методом анизотропного травления из единой кремниевой заготовки.

Компенсационный маятниковый акселерометр 1 (Фиг.1) содержит магнитоэлектрический датчик 10 момента, содержащий две магнитные системы 11, 12, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла 3. Магнитная система 11 содержит постоянный магнит 13, кольцевой ферромагнитный магнитопровод 14 и центральный ферромагнитный магнитопровод 15, а магнитная система 12 содержит постоянный магнит 16, кольцевой ферромагнитный магнитопровод 17 и центральный ферромагнитный магнитопровод 18. Элементы магнитных систем 11 и 12 образуют между собой кольцевые зазоры 19, 20. Магнитоэлектрический датчик 10 момента содержит также две катушки 21, 22 размещенные с обеих сторон маятникового пластинчатого чувствительного элемента 4 в кольцевых зазорах 19, 20 соответственно.

Компенсационный маятниковый акселерометр 1 (Фиг.1) содержит промежуточные плоские изолирующие кольца 23, 24, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла 3 между маятниковым узлом 3 и торцевыми поверхностями магнитных систем 11, 12 магнитоэлектрического датчика 10 момента, образованными кольцевыми ферромагнитными магнитопроводами 14, 17. Таким образом базовые платики 6, 7, 8 зажаты между изолирующими кольцами 23, 24.

Компенсационный маятниковый акселерометр 1 (Фиг.1) содержит также емкостной датчик 25 угла перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента 4. Подвижным электродом емкостного датчика 25 является маятниковый пластинчатый чувствительный элемент 4, а неподвижные электроды 26, 27 емкостного датчика 25 расположены на промежуточных плоских изолирующих кольцах 23, 24 соответственно, на сторонах, обращенных к маятниковому пластинчатому чувствительному элементу 4.

Компенсационный маятниковый акселерометр 1 (Фиг.1) содержит компенсационный усилитель 28 (не показан), вход которого соединен с емкостным датчиком угла 25, а выход через токоподводы 29, 30 - с катушками 21, 22 магнитоэлектрического датчика 10 момента. Токоподводы 29, 30 припаяны к контактным площадкам, которые изолированы от рамки 5. К усилителю 28 через контактную площадку 31 (Фиг.2) подсоединена рамка 5.

Компенсационный маятниковый акселерометр 1 (Фиг.1) содержит также генератор 32 (не показан) напряжения возбуждения емкостного датчика угла перемещения, подключенный к неподвижным электродам 26, 27 емкостного датчика 25 угла перемещения.

Согласно изобретению компенсационный маятниковый акселерометр 1 (Фиг.1) содержит средство 33 для сборки и крепления маятникового узла 3, магнитоэлектрического датчика 10 момента и промежуточных изолирующих колец 23, 24 к корпусу 2 акселерометра, выполненное из немагнитного материала,

Упругий подвес 9 согласно изобретению содержит два соосных крестообразных элемента 34, 35 (Фиг.1, 4) продольная ось каждого из которых ориентирована под углом 45° к кристаллографическому направлению <110>. Одна из образующих плоскостей каждого крестообразного элемента 34, 35 (Фиг.4) параллельна торцевой плоскости (001) маятникового узла, а другая образующая плоскость перпендикулярна торцевой плоскости (001) маятникового узла.

В опорной рамке 5 (Фиг.2) на участке между одним из элементов 34, 35 упругого подвеса 9 и ближайшему к нему базирующему платику 8 выполнена прорезь 36, функция которой заключается в исключении влияния упругой деформации рамки на состояние маятникового пластинчатого чувствительного элемента 4.

Корпус 2 (Фиг.1) закрыт крышкой 37.

Средство 33 для сборки и крепления маятникового узла содержит по меньшей мере два винтовых соединения, симметрично размещенных по окружности. Винты 38 проходят через отверстия 39, выполненные во фланцах 40, 41 немагнитных элементов 42, 43 крепления ферромагнитных колец 14, 17, и закреплены в корпусе 2. При этом постоянные магниты 13, 16 магнитных систем 11, 12 имеет кольцевую форму и имеет намагниченность вдоль оси а-а. Благодаря указанной конструкции кольцевые постоянные магниты 13, 16 не нагружены усилием стягивания.

Согласно другому варианту выполнения изобретения средство 33 (Фиг.6) для сборки и крепления маятникового узла содержит два установленных соосно полых немагнитных чашеобразных элемента 44, 45, скрепленных друг с другом посредством болтового соединения. Чашеобразный элемент 45 прикреплен к корпусу 2 посредством клеевого соединения. Болт 46 проходит через центральные отверстия 47, 48, 49, 50, 51, выполненные соответственно в донной части 52, 53 чашеобразных элементов 44, 45, магнитоэлектрическом датчике 10 момента и маятниковом пластинчатом чувствительном элементе 4, соответственно. Болт центрирует друг относительно друга магнитные системы 11 и 12 и обеспечивает стягивание магнитных колец 13, 16 посредством гайки. Края чашеобразных элементов 44, 45 контактируют с соответствующим кольцевым ферромагнитным магнитопроводом 14, 17, при этом постоянные магниты 13, 16 магнитных систем 11, 12 имеет кольцевую форму и намагниченность вдоль оси а-а. Таким образом кольцевые постоянные магниты 13, 16 в данной конструкции не нагружены усилием стягивания.

Указанные донные части 52, 53 чашеобразных элементов 44, 45 выполнены в виде упругих мембран.

Центральные отверстия 49, 50, выполненные в центральных ферромагнитных магнитопроводах 15, 18, и центральное отверстие 51, выполненное в маятниковом пластинчатом чувствительном элементе 4, имеют одинаковый диаметр, при этом диаметр болта 46, проходящего через отверстие 51, выполненное в маятниковом пластинчатом чувствительном элементе 4, имеет меньший размер, чем диаметр частей болта 46, проходящих внутри центральных отверстий 49, 50 центральных ферромагнитных магнитопроводов 15, 18. Это позволяет использовать на этапе сборки прибора технологическую иглу постоянного диаметра, что обеспечивает скользящую посадку элементов при сборке, а также обеспечивает взаимную выставку частей. После выставки технологическая игла изымается, на ее место устанавливается болт и производится стяжка пакета.

Возможет вариант, когда центральное отверстие 51 (Фиг.7) в маятниковом пластинчатом чувствительном элементе 4 выполнено в виде восьмиугольного отверстия, четыре длинные стороны которого образуют квадрат и ориентированы по кристаллографическим направлениям <100> и <010>, а четыре короткие стороны которого образованы плоскостями (111), причем расстояние k1 между длинными сторонами равно диаметру отверстий 49, 50 в ферромагнитном магнитопроводе 15, 18 соответственно, а расстояние k2 между короткими сторонами больше указанного диаметра отверстий в ферромагнитном магнитопроводе.

При таком выполнении длинные стороны восьмиугольного отверстия могут использоваться для точной выставки маятникового узла.

Работа маятникового компенсационного акселерометра осуществляется следующим образом.

При наличии ускорения по измерительной оси а-а маятниковый пластинчатый чувствительный элемент 4 отклоняется под действием инерционного момента mla, где: m - масса маятникового пластинчатого чувствительного элемента, l - расстояние от центра масс маятникового пластинчатого чувствительного элемента до оси Z подвеса. Угловое перемещение маятникового пластинчатого чувствительного элемента 4 изменяет величины электрических емкостей емкостного датчика 25 угла, в котором подвижным электродом является маятниковый пластинчатый чувствительный элемент 4. Изменение емкостей датчика 25 угла преобразуется компенсационным усилителем 28 в постоянный ток, который подается в катушки 21, 22 магнитоэлектрического датчика 10 момента. При протекании тока по катушкам 21, 22 датчика 10 момента формируется компенсационный момент, воздействующий на маятниковый пластинчатый чувствительный элемент 4 и возвращающий его в исходное положение. Постоянный ток, протекающий по катушкам 21, 22 датчика 10 момента, является выходным сигналом маятникового акселерометра.