Струнный акселерометр

Струнный акселерометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

О П И С А Н И Е „„g gввg

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ! !

1, (51) М. Кл.

G O1 Р 15/10 (61) Дополнительное K BBT. cBH3,-ву (22) Заявлено07.05.75 (21) 2131599/10 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет— (43) Опубликовано 25.08. 76.Бюллетень М 31 (45) Дата опубликования описания 07.12.76

Государственный комитет

Совета Министров СССР оо делам изооретений и открытий (53) УДК 531.768 (088.8 ) Б. И. Коваленко (72) Автор изобретения (71) Заявитель (5,) 0 "УН.т И ЛК тДЕРО .ЕТР

Изобретение относится к измерительной техчике и может быть использовано во всех областях машиностроения, где необходимо для определения параметров двтжения обьек-та измерять величину и вектор полного линейного ускорения.

Известны струнные трехосные акселерометры, содержащие инерционную массу, закрепленную в точке пересеченич струн, постоянные магниты(2).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является акселерометр, содержащий корпус, внутри которого натянуты три токопроводящие струны, совпадающие с ортогональными осялпт чувстви- 15 тельности прибора. B точке пересечения струн закреплена инерционная масса, образующая три пары соосных струн. Каждая соосная струна расположена s поле постоянного магнита и включена в свою схему автогенератора, выдающего частоту, пропорциональную величине натяжения. Разность частот пары соосных струн пропорциональна проекции полного ускорения на данную ось, а геометрическая сумма разностей 25 частот трех пар струн характеризует величину и направление полного линейного ускорения 1„ .

Колеблющая струна, как преобразователь силы в частоту, обладает хорошими техническими характеристикали — высокой чувствительностью и стабильностью. Однако существенным недостатком ее является нелинейная зависимость частоты колебаний ог силы натяжения Р

1=

t å где j — частота; — натяжение;

m — - распределенная масса; — длина.

Дифференциальное включение струн улуч:лает линейность. Однако струнные акселерометры, построенные по схеме с жестким креплением струн к корпусу, имеют погрешность от не:тинейности порядка 0,5+1%, что в некоторых случаях является неприемлемым.

Цель изобретения — повышение точности.

Лля этого в предлагаемом акселерометре на внешних концах токопроводяших струн укреплены дополнительные инерционные мас525889

3 сы, каждая из которых прикреплена к корпусу посредством боковых растяжек, упоров и упругого элемента с нелинейной характеристикой, являюшегося продолжением струны и выполненного, например, в виде набора па аллельно расположенных струн с различр ной жесткостью.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый акселерометр, разрез; на фиг. 2 разрез А-Л на фиг. 1; на фиг. 3 — кривые

10 зависимости разности частот соосной пары струн от действуюшего ускорения, построенные для разных значений величины усилия обратной связи ; на фиг. 4 — упругий элемент с нелинейной характеристикои; на

15 фиг. 5 — зависимость разности частот соосной пары струн от действующего ускорения предлагаемого акселерометра, у которого линеаризация производится с помошью упругих элементов с нелинеинои характеристи20 кой.

Внутри корпуса 1 акселерометра вдоль трех взаимно перпендикулярных осей натянуты рабочие струны 2-7, в точке пересечения которых закреплена инерционная мас25

-=а 8.

Рабочие струны расположены в зазоре постоянных магнитов 9-14, предназначенных для возбуждения собственных колебаний струн. К наружным концам рабочих струн

30 прикреплены дополнительные массы 15-2О, которые посредством упругих элементов 2126, являюшихся продолжением рабочих струн, прикреплены к корпусу 1. дополнительные

35 массы совместно с упругими элементами в зависимости от ускорения изменяют величину начального натяжения рабочих струн. От боковых смешений относительно рабочих струн дополнительные массы фиксируются растяжками 27, а от смешений по направлению к инерционной массе 8 — упорами 28.

Акселерометр работает следующим образом.

В исходном состоянии, т.е., когда на акселерометр не действует ускорение, частоты рабочих струн 2-7 одинаковы и определяются выражением.

f, = /г,, () где — собственная частота струны; — коэффициент пропорциональности;

Р— начальное натяжение. о

П и действии на акселерометр ускорер ния Н, например, в направлении оси Ь,массы 8 и 17 изменяют начальное натяжение струны 2 и струны 4. При этом частоты

-. т:ъ;г

О ос н > (Z) 4 О О где 1; 1 - частоты струн 2 и 4,;

2. 4

Р P — дополнительное натяжение струн ос н от действия ускорения на массы 17 и 8 соответственно, Если ввести обозначения о% = >»; / о ос «Р « о то выражения (2) можно записать

4 О

Разность частот 4= после несложных преобразований будет иметь вид

Z fî «Н

На фиг, 3 показан график зависимости разности частот струн 2 и 4 (f - f = af) от действуюшего ускорения Н, где кривые 1 - Ч построены при различных зна«ениях P (при этом Рамос Pzîñ с

c P P Р„). Кривая 0 построе$ОО 4ОС на при значении РОс = О, что соответствует акселерометру без линеаризации, т.е. с жестким креплением рабочих струн к корпусу. Кривая Ч1 соответствует акселерометру с "идеальной" линеаризацией, т.е., когда по мере изменения ускорения Н величина

Р изменяется непрерывно, то сумма ос корней в знаменателе формулы (4) остается постоянной и равной 2 f - Область, заключенная между кривой 0 и прямой Ч1, характеризует -величину погрешности от нелинейности акселерометра без линеаризации.

Ступенчатое изменение величины Р«от значения Р до значения Р .Ос обеспе ос чивается упругим элементом (УЭ) 23 совместно с дополнительной массой 17.

Схематически УЭ представлен на фиг.4, где СΠ— жесткость рабочих струн 2 и 4;

>и — дополнительная масса 17;

С С С С вЂ” жесткость струн, составляк>Z> 4 ших упругий элемент, причем

С С >С «С

3 4

В исходном состоянии под действием силы начального натяжения РО струны УЭ натянуты и каждая имеет начальную деформацию соответственно Ь, h а, a4, IIpH этом Zl> c!lz < 6> + i> 4 . При изменении ускорения Н от 0 до Н„ деформация рабочих струн 2 и 4 под действием массы 1 7 увеличивается до Ь„, а струн УЭ уменьшается на эту же величину.

525889

Равновесие массы 17 при этом будет описываться уравнением

7 +P Р =Р -P -Р +тпН

0 ос н О Ос H 1 кои Рос P îñ

5 где Р— усилие начального натяжения струн;

Р— усилие в рабочих струнах 2 ос и 4 от дополнительноймассы 17;

- усилие от массы 8;

P — усилие в струнах УЭ от дополос нительной массы 17; 11 И вЂ” инерционная сила от массы 17

С использованием закона Гука уравнение 5 можно записать

Ь СО. Ь С,, =Н1, <6) l5 где С = С + С С + С вЂ” суммарная

УЭ 1 2. 5 4 жесткость струн УЭ.

2р

Из уравнения 6 видно, что усилия в рабочих струнах 2 и 4 и в струнах УЭ распределяются пропорционально их жесткостям, Выходная характеристика СА в этом случае будет описываться кривой Т на фиг. 3, При возрастании ускорения до Н деформация увеличивается до ь при этом струны УЭ с жесткостью С (cM. фиг. 4) «выключаются из работы (так как предварительная деформация их меньше 5 z и они полностью разгружаются). Суммарная жесткость УЭ уменьшается на величину С1 происходит ступенчатое изменение величины Р (кривые V иМ1).

Выходная характеристика СА на участке

Н вЂ” Н при этом описывается кривойП.

Таким образом, при изменении ускорения от 0 до Н>Н4 происходит ступенчатое увеличение Р„, от 0 до Р. и выходная характеристика СА будет иметь вид, пока- 4р занный на фиг. 5, при этом заштрихованные участки характеризуют величину погрешности от нелинейности.

При изменении знака ускорения принцип работы СА остается тем же, только в этом 45 случае в работе участвует масса 15 и УЭ

21, а масса 17 ложится на упоры 28.

При действии произвольно направленного ускорения каждая соосная пара струн измеряет проекцию ускорения на соответствующую ось. Геометрическая сумма разностей частот пар соосных струн, расположенных по осям Х, Y Ь, пропорциональна величине измеряемого ускорения, а знак суммы характеризует направление действия ускорения.

Как показали расчеты, погрешность от нелинейности предлагаемого CA не превы-3 -4 о шает 10 — 10 % и зависит от количества ступеней жесткости УЭ.

Использование предлагаемого акселерометра позволяет значительно повысить точность измерения параметров движения объекта, в результате чего увеличивается эффективность использования системы управления.

Формула изобретения

Струнный акселерометр, содержаший корпус с расположенной внутри него в точке пересечения трех ортогональных осей чувствительности инерционной массы, растянутой на совпадаюших с осями токопроводяших струнах, расположенных в поле постоянных магнитов и включенных в соответствующие схемы автогенераторов, о тл и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности, на внешних концах токопроводяших струн укреплены дополнительные инерционные массы, каждая из которых прикреплена к корпусу посредством боковых растяжек, упоров и упругого элемента с нелинейной характеристикой, являюшегося продолжением струны и выполненного, например, в виде набора параллельно расположенных струн с различной жесткостью.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Патент ФРГ И 1202025, кл. 42 к

7/05, 1965 (прототип).

2. Патент США N 3382724, кл.73-517, 1965 г.