1. Чувствительный элемент датчика.
Чувствительный элемент датчика ускорения показан на рис. 1.1. Он сформирован из поликристаллического кремния посредством поверхностной микрообработки и состоит из подвижной пластины 1, закрепленной на четырех упругих консолях 2, крепящихся на основании 3. С двух сторон привариваются стекла 4 с нанесенным на них алюминиевым покрытием. Эта структура представляет собой пару независимых конденсаторов. Подвижная пластина способная перемещаться под действием инерционных сил. Когда она отклоняется от среднего положения в результате ускорения, расстояние от нее до одной из неподвижных пластин увеличится на ту же самую величину, на которую расстояние до другой пластины уменьшится. В результате этого меняются ёмкости конденсаторов. На измерении разности емкостей основан принцип измерения ускорения данным датчиком.
Рис.1.1. Чувствительный элемент.
При изменении расстояния между обкладками ёмкость конденсатора меняется в соответствии с формулой:
,
где d – расстояние между обкладками.
Найдем расстояние, на которое сместится подвижная пластина при воздействии на неё ускорения a. Сила инерции при воздействии ускорения равна
,
где m – масса пластины. Рассмотрим одну из балок. Так как она симметрична, то можно рассмотреть одну из её половин (рис. 1.2).
Рис. 1.2.
Реактивная сила и момент в заделке равны R=P, MR=Pl. В произвольном сечении на расстоянии x от заделки имеем
В заделке прогиб y(0) и угол поворота сечения θ(0) равны нулю. Эти граничные условия будут удовлетворены, если C1=0 и C2=0. Окончательно, имеем
Максимальные прогиб и угол поворота будут на правом свободном конце балки:
Знак минус в формулах для прогиба и угла поворота означает, что прогиб конца консольной балки направлен вниз, а поворот концевого сечения – по часовой стрелке.
Для четырех консолей:
,
где Δy – перемещение
подвижной пластины под действием силы
P.
- осевой момент инерции. L,
b, h
– соответственно длина, ширина и высота
консольной балки. E –
модуль Юнга.
Итак, зная перемещение подвижной пластины при данном ускорении, мы можем определить и значения емкостей обоих конденсаторов.
2. Разработка принципиальной схемы.
Принцип работы датчика следующий: противофазные сигналы прямоугольной формы частотой 1 МГц одинаковой амплитуды подаются от генератора соответственно на верхнюю и нижнюю обкладки. Емкости между неподвижными и подвижной обкладками при отсутствии ускорения одинаковы, поэтому на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды. Разностный сигнал, поступающий на вход повторителя, равен нулю. При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, причем его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.
Блок-схема показана на рис. 2.1.
Рис.2.1. Блок-схема датчика.
Генератор разработан на микросхеме К564ЛА7, частотой 2 МГц, так как сигналы необходимо подавать в противофазе на обкладке ЧЭ, для этого использовался D-триггер К564ТМ2. Усилители собраны на ОУ, неинвертирующие К574УД1. Питание датчика двухполярное +12/-12В.