Магнитно-инерциальный измеритель

 

Изобретение может быть использовано при построении малогабаритных магнитно-инерциальных навигационных систем. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей измерителя . Измеритель содержит воспринимающий элемент 1, автогенератор 3 и преобразовательный блок 4, включающий индукционные катушки 5 и 6, алгебраические сумматоры 7-9, умножители 10-13, апериодические фильтры 14 и 15, интегратор 16 и фазовращатель 17. Модулятор 2 выполнен в виде цилиндра, охватывающего концы стержней-концентраторов с зазором, равным толщине индукционных катушек. Суммарная длина последних превышает длину цилиндра. Предложенная конструкция позволяет расширить функциональные возможности в части одновременного измерения индукции магнитного поля и ускорений. 3 ил. (О (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (>Н с1 rë 0 1 Б 33/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ с-, у д 3 с© 3

Оч

С

Фиг 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3992594/24-21 (22) 19.12.85 (46) 07.03.88. Бюл. М 9 (72) A.É.Ñó÷êîâ, С.В.Черный, В.С,Крышка и В.Н.Победа (53) 621.317.44(088,8) (56) Патент США 11 3564402, кл. 32443, 1971.

Авторское свидетельство СССР

М 545940, кл. 0 01 B 33/02, 1977. (54) МАГНИП10-ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ИЗМКРИТБ1Ь (57) Изобретение может быть использовано при построении малогабаритных матнитно-инерциальных навигационных систем. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей из„„SU„„1379755 А 1 мерителя. Измеритель содержит воспринимающий элемент 1, автогенератор 3 и преобразовательный блок 4, включающий индукционные катушки 5 и 6, алгебраические сумматоры 7-9, умножители 10-13, апериодические фильтры 14 и 15, интегратор 16 и фазовращатель 17. Модулятор 2 выполнен в виде цилиндра, охватывающего концы стержней-концентраторов с зазором, равным толщине индукционных катушек.

Суммарная длина последних превышает длину цилиндра. Предложенная конструкция позволяет расширить функциональные возможности в части одновременного измерения индукции магнитного поля и ускорений, 3 ил.

llэобретение относ||тся к измерительной технике, а именно к устройствам, преднаэ||аченн»||! для однонре:-|ен||огo» tepeHHII магнитных полей, воздействующих на объект, и ускорений его перемещения н пространстве, и может быть использовано при построении малогабаритных магнитноинерциальных навигационных систем. !

)ель изобретения — расширение функциональных возможностей измерителя при Одновременном измерении иидукции магнитного поля и ускорений.

Па фиг. 1 представлена структур- 15 ная схема измерителя; на фиг. 2 схема магнитной цепи воспринимающего !..|е»|!. .т»; на фиг. 3 — схема иэмери1е,:п,но-преобразовательного процесса.

Комбин;|ронаHH»IA магHHTHo-HHBpllH/

i;iI>III IIi ||эмер||тел|з |,фиг ° 1 ) ° cocToHT и.. носпр|itlit tàt "Icго элемента 1, модул«Topa ", антогeitep sTopa 3 и преобраэонател|,HOI блока 4, содержащего индукпио .н»|е катушки 5 и б, первый

||тогснй Я, тре п|й 9 алгебраические

- lt»të-;ори, гервый 10, второй l l третий 12 и четвертый 13 умножите:|и, :",.;.rI»t;" 14 и второй 15 пепиоппческие ,!I..п,тры, интегратор 16 и фазовраща|с |!. )7, :):|хоп катушки 5 соединен с суммир.,t>ittilttti в:ода||и су||маторов 7 и 8, вы1Tу|!; .:и б сое|пп|ен с суммирующим ,;он су.|матора 8 и вычитаннцим нхо;,|ч с .м.|атора, выходы сумматоров 35

Й соец|||:е|!»! с пер»ими входами ;" ||t |,:|! О||ей 1 0 II 1 1 нтofi»IP. ВхОДы ко тори:: сон -,и|! ны г. выходом Ааэовращателя ) 7, вход фаэовра|!|атег|я 17 соедис ||ыходом автогенератора 3. Вы оцы умножителей 10 и 11 п|опарно сое,ц|нены с |нхоламп апериодических фильтров 14 и 15, выход фильтра 15 сое, HIIeH с суммнрующим входом аглебраического сумматора 9, вычитаю,ций 45 вход кото-,|ого соединен с выходом умножителя 1" выход сумматора 9 соед||нен с первым входом умножит:ля 13, |НГ-ОД I;nTOPnrO < ОЕДИНЕН С НХОДОМ ИНтегратора 16, выход интегратора 16 5П

IITopII<1 выходом устройства H оединен с первым входом умножителя

12, а вторые входы умножителей 12 и

13 соед|н|ены с выходом фильтра 14, который является первым виходом иэ- 55 мерителя.

Восприни |ающий элемент и модулятор idIti 2, объединены в едином блоке и содержат сердечники-концентраторы,1 1, =)1, Л 1 =-41

Я 1 =1. + 1ь э i rlg t, III

1 = --G, — с 1 э

1 где 1 — среднее значение перемещео ния;

1, — амплитуда колебаний;

rn — масса цилиндра;

k, — коэффициент жесткости пьезоэлектрического вибратора; а — действующее на объект в плоскости колебаний вибратора линейное ускорение, 1,,dl, — перемещения концов цилиндра на участках I u II °

Площади перекрытия цилиндром 19 сердечников-концентраторов 18 составляют

S, =$с+2rt RII1, 8 =Б 2||И1, (2) гдето иБ ) площади перекрытия магнитопроводов на участках; среднее значение площади перекрытия; внутренний радиус цилиндра.

S с

Перемещение цилиндра 19 приводит

K изменению числа витков в катушках

5 и 6, пронизинаемых магнитным потоком, так как часть из них выступает эа край цилиндра

)Б, размещенные с зазором внутри ферромагнитного цилиндра 19 модулятора, укрепленного на пьезоэлектрическом вибраторе 20, причем индукционные катушки 5 и 6 размещены на участках сердечников-концентраторов 18, расположенных внутри ферромагнитного цилиндра 19 так, чтобы часть витков катушек 5 и 6 выступала эа края цилиндра.

Комбинированный магнитно-инерциальний измеритель работает следующим образом, При нключении автогенератора 3 пьезоэлектрический вибратор 20 с укрепленным на нем ферромагнитным цилиндром 19, входящих в состав модулятора 2, совершают гармонические ко. лебания (фиг. 2). Возникающие при этом линейные перемещения концов цилиндра 19 на участках I u II (фиг.2) описываются следующими соотношениями: (379755

W,=W,+К,(1, 2 а К 2 1-1 (3) где W, — число витков в катушках, находящихся в возду))ком за- 5 зоре между цилиндром и воспринимающим элементом при

F1=0;

Кг — шаг намотки катушек (число витков на единицу длины катушки).

Учитывая соотношения (1)-(3), можно записать следующие выражения для потокосцеплений у и 11> катушек т 2

q =BW,Ь „=В(И,+К ) )(Я,+2 В1), V,=BW, S,=B(W,— Ê 41) (S -2))R))1).

Выражения для ЭДС Е „ и Е катушек

5 и 6 на основании закона электромагнитной индукции могут быть записаны в виде

d4, dt

d 4

F., = (5)

Ег

Указанные ЭДС складываются в алгебраическом сумматоре 8 и вычитаются в алгебраическом сумматоре 7, в результате чего на их вьмодах форми- 30 руются напряжения соответственно U я и U9,равнные

Й

- — (y-v )

dt г

d — — (v+ )

U—

U—

Окончательные выражения для укаэанных напряжений с учетом приведенных соотношений могут быть записаны 40 в виде и =p(4iiRw +2K,ß,) (— аiв1 lcosAt), гm °

1 ((=8Blly R (--) aa+41>sinQt --а+

Г m а («К, К, <7 45

+ — a.2(1 gcosgt+ 211 ЯзЫ2йС

Р

Умнокители 10 и 11 выполняют роль синхронных детекторов, в апериодические фильтры 14 и 15 подавляют высокочастотные гармоники, возникающие в результате детектирования, поэтому на выходах фильтров 14 и 15 формируются сигналы U и Б,, равные

55 « — ))1)4Л(4((Н)(о+2Кг$о) В

«

l )1К RB-a.

4))) 2(12. й—

15 К

1 (8) Работа умножителей 10 и ll в режиме синхронного детектирования обеспечивается фазовращателем 17, который сдвигает сигнал автогенер)тора, пропорциональный sin

Н вЂ” и формирует на своем выходе сигнал> пропорциональный cont.

Таким образом, как следует из первого уравнения системы (8), выходной сигнал U«, формируемый на первом выходе измерителя, пропорционален индукции измеряемого магнитного поля

U(B). Третий алгебраический сумматор 9, умножители 12 и 13, а также интегратор 16 выполняют функцию выделения иэ сигнала U, пропорционального произведению В а, сигнала, пропорционального действующему на измеритель линейному ускорению.

Работа указанных устройств описывается следующим уравнением:

«T (U« )1с т 1 1)и э (9) где U«-У вЂ” выходные сигналы соот ветствующих элементов;

Т вЂ” постоянная времени интегратора 16.

Подставляя в уравнение (9) выражения для сигналов U, -U, через измеряемые величины, получают

- ()11Ва-И2Щ,)N2В, 4ш (1к ()7К R

К, Э pl„9(4))RW,+2К,S ) .

U— (ь (10) N1

Преобразуя первое уравнение системы (1О), получают а-U гс Т (Я (11 ) l

После завершения переходного процесса настройки U в укаэанньм элементах измерителя выполняется следующее равенство

«р» а (1(а ) °

N„ (12)

"г

Такии образом, на втором выходе измерителя (выход интегратора 16) формируется сигнал, пропорциональный действукхцему на измеритель в плоскости движения линейному ускорению.

Формула и э о б р е т е н н я

Магнитно-инерциальный измеритель, содержащий воспринимающий злемеит, 1379755 модулятор, автогенератор и преобразовательный блок, причем воспринимающий элемент содержит два ферромагнитных стержня-концентратора, на которых расположены две индукционные катушки, выход автогенератора соединен с пьезоэлектрическим вибратором, на котором жестко закреплен модулятор из ферромагнитного материала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей при одновременном измерении индукции магнитного поля и ускорений, модулятор выполнен в виде цилиндра, охватывающего концы стержней-концентраторов с зазором, равным толщине индукционных катушек, суммарная длина которых превышает длину цилиндра, а в преобразовательный блок введены три алгебраических сумматора, четыре умножителя, два апериодических фильтра, фазовращатель и интегратор, причем выход первой индукционной катушки соединен с суммирующими входами первого и второго алгебраических сумматоров, выход второй индукционной катушки соединен с вычитающим входом первого и суммирующим входом второго алгебраических сумматоров, выходы этих

5 сумматоров соединены с первыми входами первого и второго умножителей, вторые входы которых соединены с выходоМ фазовращателя, вход которого соединен с выходом автогенератора, 10 выходы первого и второго умножителей соединены соответственно с входами первого и второго апериодических фильтров, выход второго апериодического фильтра соединен с суммирующим входом третьего алгебраического сумматора, вычитающий вход которого соединен с выходом третьего умиожителя, выход третьего сумматора соединен с первым входом четвертого умножителя, выход которого соединен с входом интегратора, выход интегратора соединен с первым выходом измерителя и соединен с первым входом третьего умножителя, вторые входы третьего и четвертого умножителей соединены с выходом первого апериодического фильтра и со вторым выходом измерителя.

137975"->

Составитель В. Шульгин

Техред А.Кравчук

Корректор М.Пожо

Редактор А, Козориз

Заказ 979/49

Тираж 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4