Преобразователь ускорений

 

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕ .НИЙ, содержащий магнитопровод с катушкёини индуктивности и подвижный инерционный элемент, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей , повышения чувствительности и разрешающей способности преобразователя , магнитопровод выполнен в виде расположенных кругосимметричных трех П -образных ветвей, в нем установлен шаровой шарнир, выполненный из магнитомягкого материала, роторная часть которого жестко соединена с инерционным элементом. . -U выполненным в виде усеченного конуса из магнитного материала, продольно намагниченного, имеющего основание в.форме сферического сегмента , а статорная часть жестко соединена с тремя ветвями, образующими своими свободными концами трехсекционный внутренний полюс магнитопровода, секции которого установлены с диамагнитными зазорами в виде трех треугольных сферических дуг, расположенных по окружности, причем установленные на каждой из ветвей катушки одними своими одноименными концами соединены между собой, а другие их одноименные i концы включены дифференциально. 2. Преобразователь по п. 1, отW личающийся тем, что внутренний полюс магнитопровода выполнен в виде разделенных радиальными диамагнитными зазорами трех вписанных в окружность цилиндрических магнитных секторов, раздельно соединенных со свободными концами ветвей магнитопровода. 1 эо СлУ С -J

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 1(51) 0 01 Р 15/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3366805/18-10 (22) 06.11.81 (46) 07.03.84. Бюл. Р 9 (72) Бор.П.Фридман и Бел.П,Фридман (71) Уфимский авиационный институт им.Орджоникидзе (53) 531.768(088..8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 481842, кл. 0 01 Р 15/02, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

9 727996, кл . 0 01 Н 1/00, 1978. (54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЙ, содержащий магнитопровод с катушками индуктивности и подвижный инерционный элемент, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей, повышения чувствительности и разрешающей способности преобразователя, магнитопровод выполнен в виде расположенных кругосимметричных трех П -образных ветвей, в нем установлен шаровой шарнир, выполненный иэ магнитомягкого материала, роторная часть которого жестко соединена с инерционным элементом, выполненным в виде усеченного конуса из магнитного материала, продольно намагниченного, имеющего основание в форме сферического сегмента, а статорная часть жестко соединена с тремя ветвями, образующими своими свободными концами трехсекционный внутренний полюс магнитопровода, секции которого установлены с диамагнитными зазорами в виде трех треугольных сферических дуг, расположенных по окружности, причем установленные на каждой из ветвей катушки одними своими одноименными концами соединены между собой, а другие их одноименные концы включены дифференциально.

2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что внутренний полюс магнитопровода выполнен в виде разделенных радиальными диамагнитными зазорами трех вписанных в окружность цилиндрических магнитных секторов, раздельно соединенных со свободными концами ветвей магнитопровода.

107В337

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для двухко ординатного преобразования и отображения в плоскости как направления, так и величины комплексной временной производной от суммарных ускорений, которым подвергается контролируемый объект при одновременном воздействии на него однородных и разнородных знакопеременных усилий. !0

Известен преобразователь изменений линейных ускорений, который содержит цилиндрический полый магнитопровод с внутренним полюсом, две обмотки у оснований магнитопровода 15

% и подвижный элемент, причем внутренний полюс магнитопровода выполнен прямоугольным, основания магнитопровода соединены магнитомягкой осью, а подвижной элемент выполнен по ширине внутреннего полюса из полого. с радиальным намагничиванием магнита, свободно охватывающего ось магниторровода I1J .

НаРяду с асимметрированием выход- 25 ных сигналов, создаваемым начальным смещением подвижного элемента преобразователя относительно геометрической магнитной нейтрали преобразователя, к ограничениям и недостаткам этого преобразователя необходимо отнести его уэко регламентированную область использования — контроль изменений ускорений только при линейных вибрациях.

Наиболее близким к .изобретению по технической сущности является вибрационный пороговый датчик, содержащий магнитопровод с катушками индуктивности и подвижный инерционный элемент (2J . 40

Однако. известный датчик обладает рядом таких существенных ограничений и недостатков, как неизбирательный характер реакции на любые линейные вибрации, ортогональные к оси 45 магнита, при полной неспособности регистрировать и обеспечить индикацию не только плавных количественных изменений знакопеременных ускорений, но и направления (пространственной ориентации), исследуемых ниброколебаний. Кроме того, имеет дискретный характер выдаваемой информации и неспособность осуществить плавное количественное преобразование временных производных от контролируемых ускорений.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей, повышение чувствитепьности и разрешающей 00 способности преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе ускорений, содержащем магнитопровод с катушками индуктивности и подвижный 5 инерционный элемент, магнитопровод выполнен в виде расположенных кругосимметрично трех Т! -образных ветвей, в нем установлен шаровой шарнир, выполненный из магнитомягкого материала, роторная часть которого жестко соединена с инерционным элементом, выполненным в виде усеченного конуса из магнитного материала, продольно намагниченного, имеющего основание в форме сферического сегмента, а статорная часть жестко содинена с тремя ветвями, образующими своими свободными концами трехсекционный внутренний полюс магнитопровода, секции которого установлены с диамагнитными зазорами в виде трех треугольных сферических дуг, расположенных по окружности, причем установленные на каждой из ветвей катушки одними своими одноименными концами соединены между собой, а другие их одноименные концы включены дифференциально.

Кроме того, внутренний полюс магнитопровода выполнен в виде разделенных радиальными диамагнитными зазорами трех вписанных в окружность цилиндрических магнитных секторов, раздельно соединенных со свободными концами ветвей магнитопровода.

Предлагаемое выполнение устройства позволяет вместе с увеличением его преобразовательно-индикаторной чувствительности одновременно повысить помехоустойчивость и надежность функционирования преобразователя, расширив при этом его частотный и амплитудный динамические диапазоны работы.

На фиг. 1 приведен предлагаемый преобразователь, общий вид (н сборе); на фиг. 2 — конструктивное исполнение входящего в преобразователь шарового шарнира с присоединенным к нему подвижным элементом магнитной цепи преобразователя; на фиг. 3 и 4 — соответственно оснонное и видоизмененное исполнение трехсекционного дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода преобразонателя.

На фиг. 1 — 4 индентичные конструктивные элементы и узлы предлагаемого преобразователя и его видоизменения обозначены одинаково.

Магнитная цепь преобразователя в соответствии с основным вариантом его исполнения, представленным на фиг. 1 составлена идентичными по форме и кругосимметрично расположенныйи тремя П -образными боковыми ветвями., состоящими из прямоугольных прямых сердечникон 1 — 3, а также жестко связанных с ними под прямым углом и радиально располо1078337 женных магнитопроводящих перемычек

4 - 6 сверху и 7 - 9 снизу.

Перемычки 4 - 6 жестко соединяют сердечники 1 — 3 и их нижние перемычки 7 — 9 с неподвижной статорной частью 10 шарового магнитопроводящего шарнира 11, роторная часть

12 которого с помощью резьбы жестко соединяется с подвижным элементом

13 магнитной цели .преобразователя.

Подвижный элемент 13 преобразователя имеет усеченно-коническую форму, соединяясь своей вершиной (суженной стороной) с ротором 12 шарового шарнира, в то время как свободная от сочленения нижняя 15 часть подвижного элемента 13 - его основание имеет форму сферического сегмента.

Статорная часть 10 шарокого шар-нира 11 магнитопровода преобразователя (фиг. 2) состоит из верхней

14 и нижней 15 половин, первая из которых жестко связывается с магнитапроводящими перемычками 4 - б

С-образных ветвей магнитной цепи преобразователя, а вторая — имеет цилиндрическое отверстие 16, в като рое коаксиально введены полиэтиленовая 17 и резиновая 18 трубки, выполняющие Функции амортизирующих ограничителей положения подвижного элемента 13 преобразователя °

Между сферической полостью статорной части 10 шарового шарнира

11 и внешней поверхностью его роторной части 12 введена фторопластовая пленочная прокладка 19, устаняющая непосредственное соприкосновение и трение сочленяемых частей шарового шарнира.

Верхняя 14 и нижняя 15 половины 40 статорной части шарового шарнира 11 снабжены элементами 20 для взаимного точного совмещения и сочленяются с помощью резьбовых элементов 21.

Конический пОдвижный Элемент 13 45 расширенное основание которого имеет форму сферического сегмента, выполнен из магнитного материала с большой коэрцитивной силой, например из сплава альнико, и намагничен в нап.равлении продольной оси симметрии по высоте) конуса.

Части 10 и 12 шарового шарнира 11 совместно с подвижным магнитным элементом 13, обладающим ограниченной свободой перемещения в пределах сферического сектора, образуют пер» ,вый подвижный внутренний полюс (общий) магнитной цепи преобразователя.

Второй внутренний полюс развет- 60 вленного магнитопровода преобразо, вателя, являющийся неподвижным, выполнен дифференцированным в виде обращенных к свободному от сочлене.ния концу (основанию) подвижного

65 элемента 13 трех сопрягающихся и симметрично расположенных в пределах окружности треугольных.сферических сегментов 22 - 24 (фиг. 1 и 2) которые образованы повернутыми внутрь магнитопровода окончаниями нижних магнитопроводящих перемычек

7 - 9, входящих в три С-образных магнитомягких боковых ветви преобразователя, содержащих также сердечники 1 — 3 и верхние магнитопроводящие перемычки 4 - 6.

Сопряженные трЕугольные сферические сегменты 22 - 24, образующие дифференцированный внутренний полюс магнитной цепи преобразовате=, ля, магнитно разделены между собой .тремя диамагнитными зазорами 25-27, в которые могут быть введены изолирующие прокладки, фиксируемые в зазорах эпоксидной смолой. расширенное сферическое окончание свободной от сочленения части подвижного магнитного элемента 13 преобразователя образует совместно с концентрически расположенными относительно этого основания тремя симметрично сходящимися сферическими сегментами 22 - 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода воздушные зазоры в виде трех трехугольных сферических дуг, окаймленных общей окружностью.

На каждый из прямоугольных сердечников 1 - 3,, входящих в состав трех симметричных fT --образных магнитомягких боковых ветвей преобразователя, насажена одна из трех идентичных катушек индуктивности

28 — 30,,одни из одноименных концов которых соединены между собой, в то время как другие одноименные концы этих катушек образуют дифференциальный выход 31 преобразователя.

В соответствии с видоизмененным исполнением преобразователя дифференцированный внутренний полюс его магнитной цепи (фиг. 4) выполнен р виде разделенных радиальными воздушными (диамагнитными) зазорами

32 — 34 трех сходящихся в окружности цилиндрических секторов 35 - 37, которые изготовлены из магнитного материала с большой коэрцитивной силой.

Цилиндрические сектора 35 — 37 намагничены вдоль образующей описанного вокруг них цилиндра и сориентированы одноименными полюсами внутрь магнитопровода преобразователя. При этом направление намагничивания цилиндрических секторов 3537 совпадает с направлением намагничивания расположенного над ними подвижного магнитного элемента 13, жестко соединенного с роторной частью 12 шарового шарнира 11.

1078337

45

Вторые одноименные полюса сходя щихся в окружности цилиндрических магнитных секторов 35 — 37 дифференцированного внутреннего полюса магнитной цепи преобразователя, (фиг. 4) жестко и без зазоров раздельно соединены со свободными концами нижних магнитопроводящих перемычек 7 - 9, входящих в три симметричные С-образные магнитомягкие боковые ветви преобразователя, несущие на себе его идентичные катушки индуктивности 28 — 30 (фиг. 1 и

4).

Работу преобразователя временно.-. го градиента комплексных ускорений рассмотрим на примере функционирования основного варианта исполнения преобразователя (фиг. 1-3).

При равномерном движении контролируемого объекта с постоянной линейной скоростью, вектор которой направлен ортогонально к оси подвижного элемента 13 преобразователя либо под произвольным углом к этой оси, подвижный магнитный элемент

13 (фиг. 1 и 3) под влиянием действующих на него сил магнитного притяжения к трем сходящимся сферическим сегментам 22-24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода преобразователя устанавливается .в своем среднем (нейтральном) положении, симметричном относительно всех трех расчлененных зазорами 25 — 27 частей дифференци- 35 рованного внутреннего полюса 22-24 °

В указанном состоянии через все три, С-образных магнитопроводящих боковых ветви преобразователя, образованных элементами 1-4-7, 2-5-8 и 40

3-6-9, протекают одинаковые (равные)) и постоянные по величине магнит ные потоки, а между клеммами 31 дифференциального выхода преобразователя отсутствуют напряжения.

Аналогичное положениеимеет место и вслучае неравномерногоперемещения контролируемого объектас постоянной угловой скоростью, включая случаи, когда плоскость вращения преобразователя проходит через нейтральное положение продольной оси подвижного магнитного элемента 13. И в этих случаях подвижный магнитный элемент

13 магнитной цепи преобразователя устанавливается в среднем (нейтральном) положении относительно частей

22 — 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода, обусловливая равенство разветвленных маг-,60 нитных потоков, протекающих через все три С-образных магнитопроводящих боковых ветви 1-4-7, 2-5-8, 3-6-9, и отсутствие напряжений между выходными клеммами 31 преобразователя. 65

В случае перемещения контролируемого объекта с постоянным угловым ускорением, когда на массу подвижного магнитного элемента 13, расположенную вне зоны его шарнирного сочленения с неподвижными частями магм нитной цепи преобразователя (элементы 1 — 9, 14, 15, 22 — 24), воздействует постоянный по величине вращающий момент инерции, расположенный в любой из бесконечного множества плоскостей, которые могут проходить через линию нейтрального положения подвижного элемента 13 преобразователя, указанный вращающий момент инерции в той или иной степени преодолевает увлекающий подвижный элемент 13 собственный момент преобразователя, момент, обусловленный силой притяжения подвижного магнитного элемента 13 к ближайше расположенным к его свободному концу элементам 22 — 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитной цепи преобразователя.

В результате действия момента инерции, пытающегося сохранить неизменным пространственное положение свободного конца подвижного элемента 13 при вращении неподвижной части магнитопровода преобразователя (элементы 1 — 9, 14, 15, 22 — 24) вместе с контролируемым объектом вокруг центра шарового шарнира 11, а также в результате одновременного противодействия упомянутому г4оменту инерции другого момента, обусловленного силой взаимодействия магнитного элемента 13 со сходящимися секторами дифференцированного внутреннего полюса 22 — 24 магнитопровода преобразователя, подвижный элемент

13 отклоняется от своего исходного нейтрального (центрального) положения относительно всех трех элементов 22 - 24 магнитной цепи преобразователя. .При постоянстве величины и знака углового ускорения, воздействующего на исследуемый объект и на жестко связываемую с ним неподвижную (статорную) часть преобразователя, указанное отклоненное положение подвижного магнитного элемента 13 относительно его исходной нейтрали и относительно центра дифференцировайного внутреннего полюса

2 — 24 магнитной цепи преобразователя будет оставаться фиксированием.

Магнитный поток, создаваемый подвижным магнитным элементом 13 и распределяемый при нейтральном исходндм положении этого элемента равномерно по всем трем С-образным боковым ветвям магнитопровода преобразователя, в рассмотренном случае фиксированного отклонения эле1078337 мента 13 от нейтрального положения (при действии на контролируемый объект постоянных по величине и знаку угловых ускорений) распределяется в симмиметричных С-образных боковых ветвях магнитопровода, .составленных элементамй 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9, по различному — в соответствии с абсолютной величиной и направлением отклонения подвижного магнитного элемента 13 от сноего нейтрального положения — относительно центра секторов 22 — 24 дифферен цированного внутреннего магнитного . полюса.

Соотнощение величин разнетнившихся частей магнитного потока, протекающих через С-образные магнитопроводящие боковые ветви 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9 магнитной цепи преобразователя, определяемое абсолютной величиной и направлением отклонения пбдвижного магнитного элемента 13 от своей нейтрали, остается неизменным при . действии на контролируемый объект постоянных по величине и знаку (направлению угловых ускорений, что исключает возможность индуцирования в обмотках катушек

28 — 30 электродвижущих сил, определяющих соответствующие сигналы на дифференциальном выходе 31 преобразователя.

Аналогичная картина имеет место также и в случаях равноускоренного линейного перемещения контролируемого объекта в одном и более направлениях (одновременно), образующих с линией нейтрального положения подвижного магнитного элемента

13 преобразователя произвольные углы. И в этих условиях.(режимах) работы подвижный элемент 13 преобразователя под нлиянием воздействующих на его свободную от шарнирного соединения. часть сил инерции, пытающихся воспрепятствовать перемещению свободной части элемента 13 синфазно с секторами 22 — 24 дифференцированного внутреннего полюса неподвижной части магнитопронода преобразователя, получает определенное отклонение от своего нейтрального положения и смещается относительно центра дифференцированного внутреннего полюса 22 — 24 в соответствии как с абсолютной величиной, так и с направлением мгновенной равнодействующей сил, отвечающих группе одновременно воздействующих на контролируемый объект ускорений.

Поскольку при фиксированном по величине и направлению отклонении подвижного элемента 13 относительно центра дифференциронанного полюса

22 — 24 соотношение, согласно которому распределяется магнитный поток1 в П -образных ветвях 1-4-7, 2-5-8 и

3-6-9 магнитопровода преобразователя, остается постоянньм, нетрудно увидеть, что и при равноускоренном линейном перемещении контролируемого объекта в направлениях, образующих с линией нейтрали элемента 13 преобразователя произвольные углы, в обмотках катушек 28 — 30 не наводится ЭДС, что обуславливает и от1О. сутствие сигналов на дифференциальном выходе 31 преобразователя.

В случае же, когда на контролируемый объект воздействуют силы, вызывающие изменение ускорения углово" го перемещения исследуемого объекта, включая изменения величины и знака углоного перемещения контролируемого объекта, когда крутильные виброколебания происходят в любой из бесконечного числа плоскостей, проходящих через линию нейтрального положения (0-0 ) подвижного элемента 13 магнитной цепи преобразователя на часть

25 подвижного элемента 13, находящуюся вне области его шарнирного сочленения с неподвижными частями магнитопровода преобразователя (элементы

1 — 9„ 14, 15, 22 — 24), воздействуют силы инерции, стремящиеся сохра30 нить исходное положение свободной части элемента 13 и воспрепятствовать его синхронному перемещению (под действием магнитных сил притяжения) с элементами 22 - 24 диффе35 ренцированного внутреннего полюса магнитной цепи преобразователя.

При действии на исследуемый объект и, соответственно, на жестко связываемую с ним неподвижную часть

4О магнитопровода преобразователя угловых (крутильных) виброколебаний, происходящих в произвольной плоскости, проходящей через линию нейтрального положения подвижного магнитно45 ro элемента 13, как и при одновременном возДействии на контролируемый объект и на неподвижную часть преобразователя (элементы 1 — 9, 14, 15, 22 — 24, 28 — 30) параллельно двух и более знакопеременных ускорений, частоты которых независимы, а плоскости действия которых про ходят через линию нейтрали 0-0 подвижного элемента 13 преобразователя, свободная от шарнирного сочленения часть магнитного элемента 13, отставая ввиду действия на нее сил инерции от сложных суммарных переме щений неподвижной части магнитопровода преобразователя и, в част6р ности, от перемещений центра дифференцированного внутреннего полюса 22 — 24 магнитной цепи преобразователя, непрерывно меняет свое положение относительно каждого из элементов 22 — 24.

1078337

Происходящее при этом непрерывное перераспределение величин и нап ранлений между переменными составляющими магнитных потоков, протекающих через С-образные боковые ветви 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9 магнито провода преобразователя, вызывает индуктирование в обмотках 28-30 электродвижущих сил, попарная алгебраическая сумма которых обуславливает формирование на соответствующих парах выходных клемм 31 преобразователя результирующих напряжений, которые отражают и дают исчерпывающую информацию не только об абсолютной величине мгновенной равнодействующей группы временных градиентов угловых ускорений, которым подвержен. контролируемый объект, но и о пространственной геометрической) ориентации мгновенной равнодействующей временных производных группы знакопеременных крутильных ускорений, параллельно действующих на обследуемый объект.

При воздействии на контролируемый объект и на-жестко связываемую с ним неподвижную статорную часть преобразователя (элементы 1 — 9, 14, 15, 22 - 24, 28 - 30) виброколебаний линейного характера, направленных под произвольными углами к линии нейтрального положения подвижного магнитного элемента 13, как и при одновременном воздействии на исследуемый объект группы линейных знакопеременных ускорений, имеющих различные направления по отношению к нейтральной линии 0-0 подвижного элемента 13 преобразователя, сектора 22 — 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода преобразователя, перемещаясь н соответствии с суммируемыми результирующими линейными колебаниями исследуемого объекта, пытаются увлечь за собой магнитно связанную с ними, свободную от шарнирного сочленения часть подвижного элемента 13, которая, однако, под влиянием воздействующих на нее моментов инерции все время препятстлует синфазному перемещению элемента 13 с центром дифференцированного внутреннего плюса

22 — 24 магнитной цепи преобразователя.

В результате запаздынающего пере мещения свободного конца магнитного

10 элемента 13, имеющего форму сферического сегмента, относительно перемещений дифференцированного внутреннего полюса 22 — 24, образующего со свободным окончанием элемента 13

15 воздушные зазоры в виде трех треугольных сферических дуг, продольная ось симметрии элемента 13 непрерывно смещается относительно центра дифференцированного внутреннего полюса 22 — 24 магнитопронода преобразователя, что обуславливает вместе с перераспределением абсолютных величин и направлений мгновенных значений переменных составляющих магнитных потоков, протекающих через ветви 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9 магнитопровода преобразователя, наличие также непрерывно индуктируемых в обмотках 28 — 30 электродвижущих сил, попарные алгебраические суммы которых образуют сигналы на соответствующих парах выходных клемм

31 преобразователя сигналы, содержащие полную информацию как об абсолютной величине, так и о направлении (геометрической ориентации мгновенной равнодействующей группы временных градиентов линейных и угловых знакопеременных ускорений, одновременно воздействующих на конт40 ролируемый объект.

Таким образом, предлагаемый преобразователь ускорений позволяет вместе с расширением функциональных воэможностей контроля повысить чувствительность и разрешающую способность измерений, 1078337

Puz.2

Составитель Н.Мараховская

Редактор Н.Джуган Техред Т.Маточка Корректор A-Зимокосов

Л

Puz.!

Заказ 949/38 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

/2

Л