Акселерометры с нагреваемой пластиной

Поскольку принцип действия акселерометров заключается в определении пере­мещения инерционной массы, для проведения таких измерений можно восполь­зоваться основной формулой теплопередачи (см. уравнение (3.125) главы 3). Теп­ловой акселерометр, как и любой другой датчик ускорений, состоит из инерци­онной массы, подвешенной на тонкой консольной балке, расположенной рядом с теплоотводящей пластиной или между двух теплоотводящих пластин (рис. 8.7) [5]. Масса и балка изготовлены методами микротехнологий. Пространство между ними заполнено теплопроводящим газом. Масса нагревается при помощи встро­енного нагревателя до заданной температуры T_v Когда ускорения нет, между мас­сой и теплоотводами устанавливается тепловое равновесие: количество тепла q и q_v переданное пластинам через газ пропорционально расстояниям М_х и М_г

Рис. 8.7. Тепловой акселерометр: А — поперечное сече­ние нагреваемой части, Б — устрой­ство датчика(по­казано без крыш­ки) [5]

(А)

(Б)

Температура в любой точке консольной балки, на которой закреплена инерци­онная масса, зависит от расстояния между ней и опорой х, а также от величины зазо­ров от нее до теплоотводов. Ее можно найти из дифференциального уравнения:

(8.11)

где

(8.12)

где К_g и К_sl — коэффициенты теплопроводности газа и кремния, a D — толщина консольной балки. Для граничных условий, при которых температура теплоотво­дов равна нулю, решение уравнения (8.11) имеет вид:

(8.13)

где W и L — ширина и длина балки, а Р — тепловая мощность. Для измерения температуры на балке формируется детектор температуры, в качестве кото­рого могут выступать интегрированные в балку диоды (в главе 16 приведено описание применения кремниевых диодов в качестве температурных датчи­ков) или нанесенные на ее поверхность последовательно соединенные тер­мопары. Эта температура, преобразованная в электрический сигнал, и явля­ется мерой величины ускорения. Чувствительность тепловых акселеромет­ров (порядка 1% от изменения выходного сигнала, отнесенного к g) несколь­ко ниже, чем у датчиков ускорений емкостного и пьезоэлектрического ти­пов, однако они менее подвержены влиянию температурных изменений ок­ружающей среды, а также электромагнитных и электростатических помех.

Поиск по сайту: