Дифференциальный струнный акселерометр и способ его изготовления

Дифференциальный струнный акселерометр и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к струнным акселерометрам, используемым в бортовых системах управления и коррекции полета летательных аппаратов, преимущественно для вращающихся реактивных снарядов РСЗО.

К акселерометрам, используемым для систем коррекции полета вращающегося реактивного снаряда, предъявляются специфические технические требования: обеспечение высокой точности измерения действующего ускорения (погрешность на уровне 0,1-0,2%), устойчивость к измерению осевого ускорения с заданной точностью в условиях действия вибрационных, ударных и поперечных перегрузок, характерных для момента пуска и активного участка траектории полета, необходимость сохранения технических характеристик в широком диапазоне температур (±50°С) и в течение длительного срока эксплуатации и хранения (до 15 лет) без проведения дополнительных настроек и тарировки.

Анализ совокупности предъявляемых требований и работ по принципам построения акселерометров (например, П.В.Новицкий, В.Г.Кнорринг и др., "Цифровые приборы с частотным датчиками", Л-д, "Энергия", 1977, "Проектирование датчиков для измерения механических величин", под ред. Осадчего, М., "Машиностроение", 1979 и т.д.) показывает, что наиболее приемлемым для решения данной задачи будет струнный акселерометр, в котором используется однозначная зависимость частоты колебаний струны от ускорения.

Для получения высокой точности измерения осевого ускорения необходимо повышать стабильность собственной частоты колебаний струны. Основной причиной нестабильности частоты колебаний является ее зависимость от амплитуды колебаний струны, меняющейся вследствие целого ряда причин - непостоянства трения в системе, нестабильности вносимой энергии для поддержания колебаний, неопределенности внешних возмущений и др. Зависимость частоты от амплитуды связана с нелинейным характером восстанавливающей силы струны.

Нелинейность восстанавливающей силы от амплитуды колебаний вызвана изменением постоянного натяжения струны из-за ее растяжения при колебаниях.

Очевидно, что высокая стабильность может быть достигнута при условии высокой добротности механической колебательной системы акселерометра (D>1000), которая определяется, в основном, качеством заделки струны и материалом самой струны. Таким образом, высокие и стабильные упругие характеристики струны и монолитность ее крепления в корпусе чувствительного элемента обеспечивают высокие метрологические характеристики акселерометра в условиях внешних возмущений и в течение всего срока хранения и эксплуатации прибора.

Известны струнные дифференциальные акселерометры США, применяемые в баллистических ракетах "Атлас", содержащие токопроводящую струну и груз, установленный на упругом подвесе из немагнитного материала. David N. Кауе "Accelerometers in Atlas missiles". Electronic Design, Vol.20 №019, 1972, p.32. Для получения необходимого порога чувствительности и повышения стабильности струны применяют длинные ˜30 мм струны (круглого сечения), у которых мала жесткость на растяжение. При этом существенно увеличиваются габариты акселерометра и снижается его помехоустойчивость.

Анализ патентных материалов последних лет показывает, что одним из основных направлений разработки струнных акселерометров становится их разработка на базе групповых технологий, характерных для микроэлектроники и основным конструктивным материалом является монокристаллический кремний.

Так в конструкциях по патентам США №6386035 В2 от 14.05.02, №6584864 В2 от 01.07.03, №5331854 от 26.07.94, №6023972 от 15.02.00 описаны различные микромеханические акселерометры, в которых струна, инерционная масса, упругие подвесы изготавливаются в едином технологическом цикле с монолитными узлами крепления.

В них используются различные способы возбуждения колебаний (на основе ПАВ-структур, емкостной, магнитоэлектрический и др.). Подобные датчики обладают такими неоспоримыми преимуществами как, простота конструкции, способность к массовому производству, невысокая стоимость, механическая прочность.

Основной недостаток таких акселерометров - невысокая точность (на уровне единиц процентов) измерения ускорения, связанная в основном с температурной чувствительностью микромеханических структур. Несмотря на многолетние исследования, попытки создания прецизионного микромеханического струнного акселерометра успеха не имели.

В качестве прототипа выбран известный дифференциальный струнный акселерометр (патент США №3122024, кл. 73/514.29), который содержит две струны, установленные в зазорах постоянных магнитов, инерционную массу, расположенную на подвесе. Струны круглого сечения, изолированные от корпуса, соединены с грузами. Для стабилизации частоты колебаний используется дополнительная струна, расположенная в зазоре вспомогательного постоянного магнита и присоединенная к грузам. При колебаниях двух основных струн нелинейность восстанавливающей силы от увеличения начального натяжения компенсируется соответствующим ослаблением натяжения колеблющейся дополнительной струны, расположенной между основными струнами.

К причинам, препятствующим достижению требуемых метрологических характеристик и помехоустойчивости акселерометра, относится то, что для обеспечения компенсации дополнительных растягивающих усилий основных струн необходимо введение специальных электронных преобразователей, согласующих фазы колебания дополнительной струны с основными, что усложняет конструкцию. Кроме того, крепление к каждому грузу двух струн вызывает дополнительные трудности в связи с возможным "захватом" колебаний основной и дополнительной струн. Для исключения взаимного влияния приходится специально ориентировать плоскости колебания каждой из струн и соответствующим образом размещать постоянные магниты. Возможный "захват" колебаний основных струн приводит к погрешности собственной частоты колебаний при больших изменениях амплитуды колебаний, что снижает точность измерения ускорения и порог чувствительности акселерометра.

Общими признаками с предлагаемым изобретением в акселерометре-прототипе является дифференциальная схема построения, наличие струны, упругого подвеса, инерционной массы и магнитоэлектрическая система возбуждения колебаний струны.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение метрологических характеристик и помехоустойчивости акселерометра для системы управления реактивного снаряда РСЗО.

Техническим результатом изобретения является возможность измерения с требуемой точностью ускорения, действующего вдоль оси реактивного снаряда в условиях, возмущающих воздействий при реактивном выстреле.

Сущность изобретения заключается в том, что струны чувствительного элемента изготавливаются из материала, обладающего высокими и стабильными механическими характеристиками, например молибденрениевого сплава МР-47, имеющего σ_в≈400 кг/мм², соотношение размеров струны (длина, ширина, толщина) - 5×0,3×0,03 мм. Корпус чувствительного элемента изготавливается из титанового сплава, причем часть корпуса каждого чувствительного элемента напротив струны предлагается выполнить в виде набора чередующихся пластин и слоев, например, из титана, керамики и специального клея ВК-9, имеющих суммарное температурное удлинение, равное удлинению струны, т.е. сумма произведений толщины пластин на их температурный коэффициент линейного расширения равна произведению длины струны на ее температурный коэффициент линейного расширения. Одновременно этот набор пластин обеспечивает электрическую изоляцию одного из концов струны.

Упругий подвес выполняется из специального ферромагнитного сплава (элинвара), имеющего практически нулевой температурный коэффициент модуля упругости, благодаря чему в заданном температурном диапазоне не изменяется сила упругости подвеса при изменении температуры окружающей среды. Таким образом, силовая цепь, включающая в себя струну, корпус, упругий подвес, выполнена полностью температурно-скомпенсированной в заданном температурном диапазоне.

Кроме того, для исключения влияния механических напряжений, возникающих при креплении чувствительного элемента к корпусу акселерометра, в корпусе чувствительного элемента вблизи места крепления за пределами силовой цепи выполнен развязывающий паз.

На фиг.1 представлен общий вид дифференциального струнного акселерометра.

На фиг.2 показана конструкция одного из двух чувствительных элементов.

На фиг.3а показана зона закрепления струны в корпусе чувствительного элемента без обработки.

На фиг.3б показана зона закрепления струны в корпусе чувствительного элемента после шлифовки в двух плоскостях.

Общий вид дифференциального струнного акселерометра показан на фиг.1. Акселерометр содержит два идентичных струнных чувствительных элемента (ЧЭ) 1 и 2, закрепленных на кронштейне 3, упруго связанным (через фасонный амортизатор) с основанием акселерометра 4. Оси чувствительного ЧЭ расположены на одной прямой А и взаимопротивоположны по направлению. Магнитоэлектрическая схема возбуждения и съема колебаний струны расположена в электронном блоке 5.

Работу акселерометра рассмотрим на примере одного из ЧЭ (см. фиг.2).

При протекании переменного тока по струне 7 от взаимодействия с полем постоянного магнита 8 возникает электромагнитная сила, приводящая к колебаниям струны. Поддержание незатухающих колебаний осуществляется схемой возбуждения, представляющей собой автогенератор (усилитель с положительной обратной связью). При действии на акселерометр ускорения вдоль струны, груз 13 на упругом подвесе 9 растягивает (сжимает) струну, изменяя ее натяжение, а значит и частоту колебаний, по величине которой судят об ускорении. Зависимость между частотой и ускорением для струнного акселерометра однозначная, для линеаризации характеристики используется дифференциальная схема построения. Чем выше стабильность частоты колебаний струны, тем точнее измерение ускорения акселерометром. Поскольку частота колебаний струны существенно зависит от ее натяжения, т.е. механических напряжений в ней, то показания акселерометра могут искажаться вследствие изменения механических напряжений в силовой цепи натяжения струны. Значительное влияние обычно оказывают напряжения в месте крепления 12 ЧЭ к основанию акселерометра, которые могут изменяться от внешних механических усилий, действующих на акселерометр и усилий при креплении чувствительного элемента, что усложняет настройку акселерометра и ухудшает его точность. Введение развязывающего паза 11 на корпусе 6 ЧЭ позволяет вывести место крепления за пределы силовой цепи натяжения струны, устраняет передачу напряжений от места крепления ЧЭ к струне и, наоборот, изменение усилий в местах заделки струны при ее колебаниях не передается основанию акселерометра благодаря компенсации всех реакций и моментов в точке крепления ЧЭ и частичному демпфированию упругих волн деформации от нижней заделки струны при прохождении через набор пластин 10 из разнородных материалов. За счет выбора материала и толщины корпуса 6, пластин 10, длины струны 7 и их коэффициентов линейного расширения удастся практически исключить температурную погрешность благодаря одинаковым температурным расширениям (сокращениям) струны и корпуса. Процесс компенсации реакций в месте крепления чувствительного элемента подобен процессу исключения влияния опоры (ножки) на стабильность колебания в симметричных камертонах.

Недостатки способа крепления струны в прототипе показаны на фиг.3а. При креплении струны 14 между двумя парами деталей (корпус 16 - накладка 15 и инерционная масса 18 - накладка 17) возможно образование "ступеньки" в месте выхода струны из узла крепления. Наличие такой "ступеньки" приводит к неопределенности места крепления струны, снижению добротности колебательной системы Q, а следовательно, к нестабильности собственной частоты колебаний. Кроме того, указанный дефект приводит к искажению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) акселерометра (при изменении натяжения струны от действующего ускорения появляются "провалы" АЧХ), что ухудшает метрологические характеристики прототипа.

Предлагаемый способ изготовления ЧЭ (фиг.3б) позволяет обеспечить высокую стабильность колебаний струны на собственной частоте благодаря созданию высокодобротной колебательной системы. Для этого струну 14 из молибденрениевой проволоки МР-47 предлагается изготавливать плющением с высокой степенью нагартовки. Для обеспечения минимальных потерь энергии с целью исключения неоднозначности в месте выхода струны из заделки предлагается зону крепления струны подвергать механической обработке (шлифовке) в собранном виде в двух плоскостях: в плоскости а, параллельной плоскости струны и в плоскостях б и с, перпендикулярных плоскости струны (непосредственно в месте выхода струны из заделки), при этом обеспечивается заданная длина l струны. Комплект деталей 15, 16 и 17, 18, между которыми устанавливается струна, однозначно принадлежит одному ЧЭ (пронумерован), а взаимное расположение (до и после шлифовки) осуществляется с помощью "притертых" штифтов 19. Шлифовка производится в специальном приспособлении, обеспечивающем жесткую фиксацию корпуса и подвеса с инерционной массой на расстоянии, равном рабочей длине струны l. Благодаря предложенному способу, удается обеспечить добротность колебательной системы на уровне Q=2000-3000 и, следовательно, высокий уровень сигнала снимаемого со струны. Окончательно (после установки струны) узлы крепления фиксируются точечной лазерной сваркой для обеспечения стабильности параметров ЧЭ в течение всего срока хранения изделия.

На базе предложенной конструкции и способа изготовления ЧЭ разработан акселерометр 143Б1 для аппаратуры коррекции дальности реактивных снарядов РСЗО "Смерч". Акселерометр показал устойчивую работу в условиях РСЗО (температура - ±50°С, вибрация - 15 g, 20-2000 Гц, удары - до 150 g и т.д.) с обеспечением точности измерения не хуже 0,17%.

1. Дифференциальный струнный акселерометр, содержащий два чувствительных элемента, каждый с силовой цепью, включающей струну, расположенную в зазоре постоянного магнита, корпус, инерционную массу на упругом подвесе, а также магнитоэлектрическую систему возбуждения, отличающийся тем, что струна изготовлена из молибденрениевого сплава, в силовую цепь между корпусом и упругим подвесом введен набор прокладок из разнородных материалов, сумма произведений толщин которых на их температурный коэффициент линейного расширения равна произведению длины струны на ее температурный коэффициент линейного расширения, а в корпусе из титанового сплава вблизи места крепления струны выполнен развязывающий паз.

2. Способ изготовления дифференциального струнного акселерометра, включающий изготовление струны и двух узлов ее крепления, отличающийся тем, что струну изготавливают плющением из молибденрениевой проволоки, узлы крепления струны подвергают механической обработке, например шлифовке, последовательно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, вначале в плоскости, параллельной струне, затем в плоскости, перпендикулярной плоскости колебания струны в месте выхода струны, причем взаимное расположение деталей узла крепления, между которыми закрепляют струну после механической обработки, осуществляют с помощью предварительно притертых штифтов, после установки струны узла крепления фиксируют, например, лазерной сваркой.