Линейный акселерометр

Линейный акселерометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в измерительной технике . Сущность изобретения: линейный акселерометр содержит упругий корпус, в средней части которого установлены чувствительные элементы, выполненные в виде пустотелого тела вращения. Через центры оснований чувствительных элементов насквозь проходит упругий стержень, который торцами контактирует со средней частью упругих рычажных элементов переменного сечения, установленных в корпусе оппозитно. Свободные концы упругих рычажных элементов соединены между собой инерционным элементом. Продольные оси симметрии чувствительных рычажных элементов ортогональны. Чувствительные элементы соединены с дифференциальным входом измерительного устройства. В акселерометр также входят генераторы электрических колебаний . Чувствительные элементы выполняются либо в виде пьезоэлектрических шайб и упругих шайб с профильной поверхностью , либо в виде индукционных катушек и ферромагнитного сердечника, либо в виде емкостных элементов и подвижной обкладки , либо в виде фоторезистивных элементов и оптического зонда. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (siis G 01 P 15/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ (21) 4852071/10 (22) 18.07,90 (46) 30.04.93. Бюл, М 16 (71) Азербайджанский политехнический институт им, Ильдрыма (72) Т.6,Гурбанов, Т.M.Ìàìåäîâ, И.Н,Давришова, И.А.Алискендеров и Ф.О.Ибрагимов (56) Авторское свидетельство СССР

t4 1198394, кл. G 01 P 15/08, 1989, Каргу Л.И, Измерительные устройства летательных аппаратов, М.: Машиностроение, 1988, с. 50, рис. 2.12. (54) ЛИНЕЙНЫЙ АКСЕЛЕ РОМЕТР (57) Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: линейный акселерометр содержит упругий корпус, в средней части которого установлены чувствительные элементы, выполненные в виде пустотелого тела вращения. Через центры оснований чувствительных элементов наИзобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения кажущегося ускорения летательных аппаратов (ЛА); вызванного действием на его центр масс всех сил, кроме гравитационных, он может также найти широкое применение при решении различных навигационных задач.

Цель изобретения — повышение чувствительности и упрощение юстировки.

Ожидаемый положительный эффект от реализации предлагаемого решения заключается в повышении чувствительности и упрощении юстировки.

Примеры конкретного выполнения.

На фиг. 1 показаны конструктивные элементы линейного акселерометра; на фиг. 2 — часть конструктивных элементов линейно Ы 1812504 А1 сквозь проходит упругий стержень, который торцами контактирует со средней частью упругих рычажных элементов переменного сечения, установленных в корпусе оппозитно. Свободные концы упругих рычажных элементов соединены между собой инерционным элементом. Продольные оси симметрии чувствительных рычажных элементов ортогональны. Чувствительные элементы соединены с дифференциальным входом измерительного устройства, В акселерометр также входят генераторы электрических колебаний. Чувствительные элементы выполняются либо в виде пьезоэлектрических шайб и упругих шайб с профильной поверхностью, либо в виде индукционных катушек и ферромагнитного сердечника, либо в виде емкостных элементов и подвижной обкладки, либо в виде фоторезистивных элементоB и оптического зонда. 4 з.п, ф-лы, 4 ил.

ro акселерометра с индукционными чувствительными элементами, другая часть конструктивных элементов и их взаимосвязь аналогична соответствующим конструктивным элементам устройства по фиг. 1; на фиг.

3 — то же, что и на фиг. 2, но с емкостными чувствительными элементами; на фиг, 4 — то же, что и на фиг, 2, но с фоторезистивными чувствительными элементами.

Линейный акселерометр по фиг. 1 содержит упругий корпус.1 Т-образной формы.

В средней части корпуса 1 оппозитно установлены пьезоэлектрические шайбы 2 и 3. К отдаленным друг от друга основаниям этих шайб при помощи стержня 2 и гаек 5, 6 предварительно прижаты силоперерающие упругие шайбы 7 и 8 с профильными основаниями. С выступающими торцами стержн ч 4

1812504 приведены в механический контакт упругие рычажные элементы 9 и 10, выполненные с переменным по длине сечением, Рычажные элементы 9 и 10 одними концами симметрично закреплены на плечах Т-образного корпуса, а другими концами сопряжены между собой инерционным элементом 11, выполненным с переменным сечением.

Инерционный элемент сопряжен с рычажными элементами при помощи гаек 12 и 13.

Соосно со стержнем 4 в средней части корпуса 1 установлены направляющие втулки

14 и 15, Устройство по фиг. 1 работает следующим образом.

При подаче напряжения питания резонансной частоты от генераторов автоколебаний к соответствующим пьезоэлектрическим шайбам оно вызывает в них механические колебания, амплитуда и частота которых зависит от геометрических размеров пьезоэлектрических шайб и их материала, а также от амплитуды напряжения питания и прикладываемого к ним давления, При наличии кажущегося линейного ускорения, воздействующего вдоль продольных осей пьезоэлектрических элементов, один из рычажных элементов начинает прижиматься к соответствующим торцам упругого стержня, тем самым предварительное прижимное усилие на соответствующем пьезоэлектрическом элементе начинает возрастать, вследствие чего его резонансная частота увеличивается, а в другом пьезоэлектрическом элементе (т.к, рычажные элементы свободными концами жестко сопряжены между собой через один инерционный элемент и установлены в корпусе оппозитно) происходит обратное, т.е, его частота уменьшается. Разность частот, снимаемых с пьезоэлектрических шайб, будет пропорциональна кажущемуся ускорению.

Если предположить, что расстояние от продольной оси симметрии инерционного элемента до точки соприкосновения стержня с рычажными элементами (до продольной оси стержня) равно It; расстояние от продольной оси стержня до середины наименьшего сечения рычажных элементов равно 4, а расстояние между серединой наименьшего сечения рычажных элементов до продольной оси инерционного элемента равно 1, то сила воздействия. вызванная ускорением, на пьезоэлектрических элементах буде определяться формулой! — г

Р" { )F =-FY=KFy, 2 2 где F> — сила инерции, вызванная кажущимся ускорением элемента

F =- Imnx1, где m — масса инерционного элемента.

Следовательно, согласно F = KFy, сила воздействия на чувствительные элементы увеличится в К раз(где К >1, так как It > Ig, что является преимуществом предложенного относительно прототипа, "0 На фиг. 2 индукционные катушки, состоящие из обмоток 16 — 16 и магнитопроводов

17-17 установлены оппозитно и неподвижно в корпусе 1 линейного акселерометра.

Соосно с индукционными катушками установлен ферромагнитный сердечник 18, который сопряжен с упругим стержнем 4, выполненный из немагнитного материала, соосность стержня обеспечивается крышка-. ми 6-6.

20 Устройство по фиг, 2 работает следующим образом. При появлении кажущегося ускорения упругий стержень и совместно с ним ферромагнитный сердечник начинает линейно перемещаться в ту или иную сторону в зависимости от направления переменного движения, в результате чего на дифференциально подключенном выходе (схема не приводится)устройства появляется разность сигналов в аналоговом виде, 30 Это объясняется тем, что комплексные сопротивления индукционных катушек в зависимости от направления перемещения сердечника изменяются в противоположном направлении, т.е, одно уменьшается, а

35 другое увеличивается, Устройство по фиг. 2 по сравнению с устройством по фиг. 1 имеет худшие массогабаритные и энергетические характеристики. Однако превосходит его по простоте

40 обработки и реализации выходного сигнала.

На фиг. 3 показана часть конструктивных элементов линейного акселерометра с емкостными чувствительными элементами. Другая часть конструктивных элементов и

45 их взаимосвязь аналогичны соответствующим конструктивным элементам и их взаимосвязи устройства по фиг, 1.

Устройство, показанное на фиг. 3, содержит упругий корпус 1, оппозитно уста50 новленные в корпусе внешние цилиндры

19-19, выполняющие функцию внешнего электрода емкостных элементов, соосно с внешними электродами емкостных элементов размещен внутренний цилиндр (внутренний электрод емкостного элемента) 20, который при помощи гаек 5 — 5 закреплен на упругом стержне 4, Между внешними цилиндрами и внутренним подвижным цилиндром размещены цилиндры 21-21, выполненные из материала с высокой диэ1812504

20

35

45

50 лектрической проницаемостью. Соосность стержня обеспечивается направляющими крышками 6-6.

Устройство по фиг. 3 работает следующим образом. При появлении кажущегося ускорения стержень начинает перемещаться в ту или другую сторону в зависимости от направления движения. Вследствие этого появляется разность емкостей, которая приводит к изменению выходных электрических параметров дифференциально подключенных емкостных чувствительных элементов; регистрируемых измерительным устройством(схема не приводится). Емкость цилиндрических конденсаторов в данном случае зависит от части активной длины подвижного цилиндра. взаимодействующего с внешними цилиндрами. В этом заключается суть принципа работы устройства по фиг. 3. Недостаток этого устройства заключается в том, что имеет сложную схему реализации выходного сигнала. Однако имеет низкую себестоимость и простоту конструкции по сравнению с устройствами, приведенными на фиг. 1 и 2. 2

На фиг. 4 — фоторезистивные элементы

22 — 22, установленные в корпусе 1. Соосна с фоторезистивными элементами с помощью направляющих крышек 6-6 в корпусе 1 установлены оптический зонд 23 и диэлектрические элементы 24 — 24. В зависимости от направления перемещения оптического зонда совместно со стержнем фоторезистивные элементы изменяют свои первоначальные проводимости во встречных направлениях, т.е. в одном проводимость уменьшается из-за уменьшения площадей освященных участков, следовательно, уменьшается и ток в его цепи, а в другом фоторезистивном элементе происходит обратное, поэтому в его цепи ток возрастает.

Таким образом для обеспечения съема сигнала с полупроводниковых слоев эти слои не должны замыкаться по окружности чувствительных элементов.

Устройство по фиг. 4 по сравнению с устройствами по фиг. 1 — 3 обладает относительно высокой постоянной времени, т.е. высокой инерционностью после прекращения ускорения и чувствительностью к изменению температуры окружающей среды.

Однако для реализации информационного сигнала не потребуется сложная электроника, кроме того, имеет линейную вольт-амперную характеристику, что повышает 5 точность измерения параметров движения, в частности кажущегося ускорения.

Преимуществами предлагаемого технического решения по фиг. 1 относительно известных являются выполнение пьезоэлементов в виде тел вращения, установление их оппозитно в корпусе и обеспечение воздействия на пьезоэлементы параллельными рычажными элементами, являющимися механическим трансформатором усилий (механическим усилителем), а также выполнение упругих шайб с одними профильными поверхностями, которыми они прижаты к свободным поверхностям пьезоэлементов. Такое сопряжение двух упругих тел позволяет увеличить их фактическую площадь контактирования (площадь соприкосновения) за счет пластической деформации профильной поверхности упругоro тела, В данном случае одна из поверхностей каждой шайбы 7 и 8 выполнена с пилообразными выступами по всей их площади контактирования с соответствующими пьезоэлементами 2 и 3. Такое решение позволяет увеличить чувствительность за счет увеличения площади фактического контактирования в предложенном по фиг. 1 примерно в 2 раза. Т.к. параметры сигналов, снимаемых с резонансных пьезоэлектрических элементов. существенно зависят от площади контактирования их поверхностей с поверхностями силопередающих упругих элементов, т.е. поверхностями шайбы 7 и 8, чувствительность в предложенном по фиг. 1 также будет возрастать примерно в 1,5 — 2 раза, Чувствительность устройства зависит не только от габарита или веса инерционного элемента, но и его места расположения относительно точки соприкосновения торца стержня 4 с рычажными элементами, т.е. чем больше расстояние от точки соприкосновения до продольной оси симметрии инерционного элемента, тем больше сила воздействия на пьезоэлемент, вызванная кажущимся ускорением.

Кроме того, использование чувствительных элементов, выполненных в виде тел вращения, установленных оппозитно в корпусе, и-сопряжение их одной инерционной массой и одним стержнем с гаечными соединениями позволяет значительно упростить юстировку предложенного по сравнению с известными, а также увеличить надежность, чувствительность и уменьшить

его массогабаритные размеры, В целом, все четыре устройства по фиг.

1-4 являются конструктивными модификациями предложенного и могут найти применение не только в средствах навигационного оборудования, но и в средствах автоматического управления.

Формула изобретения

1, Линейный акселерометр. содержащий упругий корпус, инерционный элемент.

1812504

6

И

Ф

f0 и. пару идентичных чувствительных элементов, соединенных с дифференциальным входом измерительного устройства и генераторы электрических колебаний, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения юстировки, в него введены упругий стержень и идентичные упругие рычажные элементы переменного сечения, установленные в корпусе оппозитно, свободные концы которые соединены между собой инерционным элементом, а средняя часть которых контактирует с торцами упругого стержня, проходящего через центры оснований чувствительных элементов насквозь, выполненных в виде пустотелого тела вращения, причем продольные оси симметрии чувствительных и рычажных элементов ортогональны.

2. Акселерометр по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что чувствительные элементы выполнены в виде пьезоэлектрических шайб и упругих шайб с профильной поверхностью, которые прижаты к основаниям пьезоэлектрических шайб. обращенным в

5 сторону рычажных элементов.

3, Акселерометр по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что чувствительные элементы выполнены в виде индукционных катушек и ферромагнитного сердечника, расположен10 ного на упругом стержне.

4; Акселерометр по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что чувствительные элементы выполнены в виде емкостных элементов и подвижной обкладки, расположенной на уп15 ругом стержне.

5. Акселерометр no n. 1, отл ич а юшийся тем, что чувствительные элементы выполнены в виде фоторезистивных элементов и оптического зонда, расположенно20 ro на упругом стержне.

1812504

1812504

Составитель Т. Макарова

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор И. Муска

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1574 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5