Акселерометр

 

(19) (и) СО)ОЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5)) G О ) P 15/13

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3350815/18-10 (22) 27.10.81 (46) 07.07.83. Бюл. У 25 (72) П.В.Яковлев и В.В.Терешков (53) 531.768(088.8) (56) 1. Горейштейн И.А. и др. Инерциальные навигационные системы. N,, "Машиностроение", 1970, с. 117-120.

2. Авторское свидетельство СССР

9 637677, кл. G 01 Р 15/13, 1976 (прототип). (54)(57),1.AKCEJIEPONETP,ñîäåðæàùèé связанный с приводом полый прозрачный сосуд, частично заполненный жидкостью, размещенный в сосуде цилиндрический чувствительный элемент, снабженный постоянным магнитом и прозрачными цилиндрическими шайбами, расположенными у его торцов, фотоэлектрический датчик перемещения, соединенный через усилитель с электрическими обмотками датчика силы, o T ë è ÷ а þ ö è é с я тем, что, с целью повышения точности измерения ускорений, на цилиндрической поверхности чувствительного элемента по всей длине выполнены сквозные пазы постоянного сечения, а внутренняя поверхность сосуда выполнена в виде трех составных соосних цилиндров, причем длина h центрального сосуда, его радиус Й,), длина Н полости сосуда и радиусы R< боковых цилиндров связаны с радиусом r чувствительного элеМента соотношением

+ „(й„- R ), 2 Я. Я. 2 (2 где Я,) .) R<.

2, Акселерометр по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что прозрачные шайбы чувствительного элемента выполнены из материала, оптический показатель преломления которого равен оптическому показателю преломления жидкости.

3. Акселерометр по и. 1, о,т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности его работы, внутренние торцы сосуда снабжены выступами, длина каждого из которых превышает длину бокового цилиндра сосуда.

102762б

Изобретение относится к измери- m - масса чувствительного тельной технике и может быть исполь- элемента, зовано в качестве датчика различных у м У - плотность и объем жидкос- навигационных систем. . ти, находящейся в сосуде, Известны акселерометры, в которых Иэ (1) видно, что нри изменении для подвеса чувствительного элемен- 5 температуры жидкости изменяются у та прибора используется вращающая и V. Следовательно, изменится сися в сосуде жидкость. Они представ- ла F действующая на чувствительляют собой полый герметичный сосуд, ный элемент при данном ускорении J, внутрення полость которого выполнена а поэтому возникнет погрешность. в виде кругового цилиндра. Сосуд мо- .30 прибора. жет приводиться во вращение электри- Второй член в (1) ческим двигателем. Внутрь сосуда ст он Р помещается твердое тело, выполненное Hf (6 x (} либо в виде сплошного цилиндра, либо в виде цилиндра, имеющего осевое 15 зависит от р, но не зависит от V, сквозное отверстие (.1). Ere можно уменьшить путем увеличеНедостатками указанных приборов ния скорости вращения сосуда Ш . являются низкие угловая жесткость Рассмотрим теперь первое саагаеподвеса и чувствительность прибора,, мое в . 1 ) значительное влияние на точность при 20 r e S i бора температуры жидкости, . . д g } + тн ф (>)

Наиболее близким по технической. сущности и достигаемому результату к По физическомУ смыслУ величинУ предлагаемому является акселерометр . Пай I q 2. v x содержащий связанный с приводом по- Я5 Ф лый прозрачный сосуд, частично заполненный жидкостью,.размещенный в со- целесообразно назвать приведенной суде цилиндрический чувствительный массой чувствительного элемента в, элемент, снабженный постоянным маг- поскольку щ} есть сила инерции. В нитом и прозрачными цилиндрическими 30 (4) m - масса чувствительного элешайбами, расположенными у его тор- мента. Она не зависит от температуры цов, фотоэлектрический датчик пере- жидкости; а алгебраический добавок мещения, соединенный через усили- к ней в тель с электрическими обмотками датчика силы (2 ) . ъа та у

В.известном акселерометре точ- КК ность работы связана с действием зависит от температуры жидкости. на чувствительный элемент сил в нап а,} есть масса жидкости, которую выравлении измерительной оси прибора. тесняет чувствительный элемент при

Эти силы меняют свою величину при ускорении j = О, m зависит от плотизменении приведенной массы чувстви- 40 ности g и объема V жидкости, находятельного элемента в случае измене- щейся в сосуде, а также от размеровния температуры жидкости. Приведен- цилиндрического сосута и чувствительная же масса зависит от плотности ного элемента. и объема жидкости. На чувствитель- Нормальная работа известного акиый элемент кроме силы инерции Fg 45 Селерометра обеспечивается при r R, gJ - действует со стороны .жидкости . однако при этом зависимость приведенсила Архимеда Fp . ной массы чувствительного элемента

Результирующая этих сил Р для от температуры жидкости остается,:, известного акселерометра имеет вид: что и является его недостатком. у у у г яа и а„ч 11. 50 Кроме того, при аапуоие прибора

H-<. ЕИ З» . возможно возникновение эффекта ."за427 8 Рн 5 а И} лиПания" в результате которого чуву

Н- Е (э, ствительный элемент как бы прилипагДе ) — изМерЯемое Ускорение; ет своим. торцом к торцу сосуда. для

Х вЂ” координата середины чув" отрыва его требуется приложить нейоcTBHTåëüíîãî элемента торое усилие.. В приборах с малым

55 относительно- центра ци- „ диапаэоном измерения (малой силой линдрического сосудами обратной связи) это обстоятельство может просто вывести прибор из строя. ния сосуда/

2Rи Н,- диаметр и длина рабочей 60 При запуске известного акселерополости цилиндрического метра часть жидкости остается в сосуда, сквозном отверстии. чувствительного

2г и 1 — диаметр и длина цилинц- элемента. От запуска к запускурическбго чувствительно- эта часть жидкости изменяется, что

ro элемента, 65 приводит к возникновению погрешнос3.027626 ти. Кроме того, следы жидкости внутри чувствительного элемента могут исказить ход лучистого потока датчика смещения-.

Цель изобретения — повыаение точности изменения ускорений. 5 указанная цель достигается тем, что в акселерометре, содержащем связанный с приводом полый прозрачный сосуд, частично заполненный жидкостью, размещенный в сосуде цилиндри- 10 ческий чувствительный элемент, снаб-., женный постоянным магнитом и проэрачныии цилиндрическими шайбами, расположенными у его торцов, .фотоэлектрический датчик перемещения, соединен- 15 ный через усилитель с электрическими обмотками датчика силы„ на цилиндрической поверхности .чувствительного

- элемента по всей длине выполнены .сквозные пазы постоянного сечения., а внутренняя поверхность сосуда вйполнена в виде трех составных соосных цилиндров, причем длина h центрального сосуда, его радиус й„, длина н полости со уда и р д"усы" йа 25 боковых цилиндров связаны с радиусом чувствительного элемента соотношением

ràmR+ — (R - R )

И. 1 а. где к1 и °

У

Прозрачные шайбы чувствительного элемента выполненй из материала,оптический показатель преломления которого равен оптическому показателю преломления жидкости.

Кроме этого, внутренние торцы сосуда снабжены выступаьы, длина каждого иэ которых превышает длину бокового цилиндра сосуда, На фиг. 1 изображена упрощенная 40 конструктивная схема акселерометра, на фиг. 2 - сечение A-A на фиг. 1.

В подшипниковых узлах 1 корпуса прибора установлен полый герметический сосуд 2. Внутренняя полость сосуда выполнена в виде трех составных соосных цилиндров различных размеров. центральный цилиндр имеет диаметр 2R и длину h боковые цилийдры одинаимеют диаметРы 2йз и длины 5 (Н-h), причем R< ? R . В средней

Засти боковые цилиндрй имеют виступы., Э, длина которых несколько больше длины самих цилиндров, Сосуд может приводиться.во враще- 55 ние электрическим двигателем 4, укрепленным в корпусе прибора, с постоянной угловой скоростью вокруг осевой линии подшипников, являющей.ся измерительной осью акселерометра.: щ0

Во внутреннюю Полость сосуда помещается чувствительный элемент 5 и заливается небольшой объем проз-, рачной жидкости 6. Оставшуюся часть свободной полости 7 сосуда занимают 3 б5 пары жидкости или пары жидкости в

1 смеси с каким-либо газом. .Чувствительный элемент (ЧЭ) выполняется в виде кругового цилиндра диаметром 2r рабочей зоной которого является центральный цилиндр сосуда, Диаметр ЧЗ несколько больше -диамет- ров боковых цилиндров сосуда и меньше диаметра центрального цилиндра (Й < гсй,, ). На чувствительном элементе укрепляется постоянный магнит 8. В чувствительном элементе могут быть выполнены полые герметические полости 9. Остальная часть чувствительного элемента целиком может выполняться из прозрачного материала или частично иэ прозрачного 10 и частично нз непрозрачного 11 материалов.

На цоверхности чувствительного элемента во всю его длину выполнены пазы 12, которые могут иметь прямоугольную, овальную или иную форму.

Количество пазов - от одного до нескольких. Глубина паза выбирается таким образом, чтобы в рабочем сос-, тоянии прибора жидкость занимала лишь часть паза. При этом прозрачная часть чувствительного элемента, обеспечивающая работу датчика смещения, выполняется из материала с оптичес- . ким показателем преломления, равным оптическому показателю преломления жидкости. Равенство оптических показателей преломления обеспечивает оптическую гомогенность (однородность).среды несмотря на разнородность материалов (жидкость и твердое тело) .

При прохождении лучистого потока через оптически однородную систему жидкость - твердое тело произвольной

Формы и при смещении твердого тела в поперечном по отношению к потоку направлении лучи не. будут изменять своего направления.

Радиус чувствительного элемента выбирается из соотношения

+ Н (К

Я

Иеподвижно в корпусе прибора укреплены соленоиды (катушки) 13, и в районе прозрачной части чувствительного элемента в диаметральном по отношению к сосуду направлении — источни-. ки 14 лучистого потока и фотоприемники 15.

Источники 14 излучения, фотоприемники 15, прозрачные части сосуда, прозрачная жидкость между сосудом й.чувствительным элементом, а также прозрачная цилиндрическая часть чувствительного элемента 10 совместно с непрозрачной его частью образуют датчик перемещения чувствительного элемента. фотоприемники соединены по диф- .ференциальной схеме и подключены на

1027626 вход усилителя-преобразователя 16, в котором осуществляется усиление сигнала фотоприемников. Выход усилителя подключен к соленоидам 13.

Акселерометр работает следующим образом. 5

B установившемся режиме вращения жидкость, отбрасываемая к периферийным частям сосуда центробежными силами, располагается во всех трех цилиндрах, образуя единую цилиндри- 10 ческую свободную поверхность, при этом происходит радиальное центрирование (взвешивание) чувствительного элемента и он освобождается от действия сил сухого трения, приобретая 15 при этом возможность свободно перемещаться вдоль измерительной оси прибора.

Выступы 3, находящиеся в рабочем состоянии прибора в газовой среде, предотвращают "залипание" чунствительного элемента.

После взвешивания чувствительного элемента жидкость будет находиться в пазах, оставляя свободным неболь25 шую часть пространства между дном паза и своей свободной поверхностью, через которое газовый компонент при движении чувствительного элемента может свободно перетекать из одной половины сосуда в другую.

При возникновении ускорения в направлении измерительной оси акселерометра чувстнительный элемент начинает перемещаться в сторону, 1 противоположную ускорению. С датчика перемещения электрический сигнал через усилитель подается на соленоиды 13. В результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по соленоидам, 40 возникает сила, действующая на чувствительный элемент и направленная в сторону, противоположную его смещению от нейтрального положения.

В предлагаемом приборе путем вы- 45 бора формы сосуда и параметров системы обеспечивается независимость приведенной массы чувствительного прибора от температуры жидкости при сохранении работоспособности 50 прибора.

Результирующая сил инерции F> и

Архимеда F+ для предлагаемого акселерометра имеет вид:

F =F -F =(»>- (r - — R.+ — R+ (55 кено < b ь

И-Е H gu q 7) Здесь — ()" -R .R " ) (8) 60 тЕну

1 н-С H. 1 Н > !""

Размерй внутренней полости сосуда и радиус чувствительного элемента выбирают из условия

R+ н

При выполнении условия (9) и (8) пропадут первые четыре слагаемых.

Подставин (9) в (8), получим

5S V

"ю,= й:> (16

Произведение Я Ч выражает массу всей жидкости, находящейся в .сосуде.

Поскольку произведение g V не зависит от температуры жидкости, то

m тоже: не будет зависеть от температуры жидкости, а следовательно, и приведенная масса чувствительного элемента при соблюдении условия (9) не будет зависеть от температуры жидкости.

Принцип действия прибора следую.щий.

Со стороны жидкости на тело действует сила Архимеда, которая при постоянном ускорении силы тяжести определяется массой жидкости, "оторая вытеснена телом . Допустим теперь, что температура жидкости изменяется (например, возрастает) > тогда плотность жидкости уменьшается, а в силу постоянства произведения. pV объем ее увеличивается и увеличивается объем части тела, которая находится в жидкости. Однако изменение указанных параметров влияет на массу вытесняемой жидкости в противоположных направлениях. Уменьшение плотности жидкости при данном ее объеме влечет за собой уменьшение массы жидкости, вытесняемой телом, а увеличение объема части тела, которая находится в жидкости, приводит к увеличению массы жидкости, вытесняемой телом. Следовательно, возможна взаимная компенсация: умень шение массы жидкости, вытесняемой телом, при уменьшении ее плотности можно скомпенсировать за счет увели- чения объема жидкости, который вытесняется телом.

Отсутствие в чувствительном элементе сквозного осеного отверстия и оптическая однородность чувствительного элемента и жидкости, исключающая воз,никновение помехи при колебаниях ЧЭ в поперечном по отношению к лучистому потоку направлении, повьп ают разрешающую способность датчика перемеще-. ния.

Таким образом, благодаря конструктивным особенностям предлагаемого акселерометра изменение температуры жидкости не влияет на точность работы прибора, исключено "залипание" чувствительного элемента на торце сосуда в момент запуска прибора, причем внутри чувствительного элемента жидкость не остается.

1027626

Составитель И. Полунина

Техред М. Гергель Корректор A. Ференц

Редактор В.Петраш

Заказ 4731/49 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственйого комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4. Кроме того, возрастает эффективность использования магнитного пото- ка постоянного магнита, а также увеличивается разрешающая способность датчика перемещения. Все это способствует повышению точности и расширению диапазона измерения акселерометра.