Устройство для измерения кажущегося ускорения
Изобретение относится к точному приборостроению , в частности к измерению парапегров дьижения объекта. Цель изобретения - ммниагюризэция устройства. В устройстве герметичный объем корпуса 2 содержит вязкую среду 1, датчик 4 положения выполнен индуктивным с частотным выходом и содержит каркас магнитопровода 7, катушку 8 с обмотками 9,10 прямой и обратной связи и усилитель 11. причем каркас магнитог овода 7 имеет тороидальную фор- . и аксиальная ось корпуса 2 пересекает аксиальную ось каркаса магнитопровода 7 и перпощикуляриа к ней. Каркас магнитопровода 7, корпус 2 и инерционная ivsacca 3 выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например кварца, ситалла. На поверхность инерционной массы 3 нанесеь слой электропроводящего матери- ,апа, а обмотки катушки 8 выполнены в виде ленты из электропроводящего материала, которая навита на каркас магнитопровода 7 и жестко скреплена с его поверхностью.. Витки ленты изолированы друг от друга изолятором. 2 ил. сл с сь ю о 2 СО
союз советских социллистических
РЕСПУБЛИК
ГосудАРственный комите1 ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 1 (21) 4426252/10 (22) 16.05Я8 (46) 15,01,91. Бюл. % 2 (72) В,Н.Умников и Ю,А.Клотнев (53) 53 i.768(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 725028, кл. С 01 Р 21/00, 980. Авторское свидетельство СССР ¹ 535533, кл. 6 01 V 7/14, 1976. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КАЖУЩЕГОСЯ УСКОРЕНИЯ (57) Изобретение относится к точному приборостроению, в час ности к измерению параметров движения объекта, Цель изобретения — миниатюризация устройства. В устройстве герметичный объем корпуса 2 содержит вязкую среду 1, датчик 4 положения выполнен индуктивным с частотным вы„„ЯЛ„„1620943 Al :одом и содержит каркас h .вгнитопровода 7, катушку 8 с обмотками 9, 10 прямой и обратной связи и усилитель 11, причем каркас магнитап: авода 7 имеет тароидальную форму и акскальная ось корпуса 2 пересекает аксиальную ось каркаса магнитопровода 7 и перпендикулярна к ней. Каркас магнитопровода 7, корпус 2 и инерционная масса 3 выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например кварца, ситалла. На поверхность инерционной массы 3 нанесен слой электропроводящего матери,ала, а обмотки катушки 8 выполнены в виде ленты из электропроводящего материала, которая навита на каркас магнитопровода 7 и жестко скреплена с его поверхностью.. Я Витки ленты изолированы друг от друга изолятором. 2 ил. 1620943 Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к технике измерения параметров движения обьекта, Цель изобретения .— миниатюризация устройства. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, на фиг. 2 — устройство с инерционной массой, каркасом мэгнитопровода. и цилиндрическим корпусом, выполненным из диэлектрика. Устройство содержит вязкую среду 1, которой заполнен гермообъем цилиндрического корпуса 2, в котором свободно падает инерционная масса 3, индуктивный датчик 4 положения инерционной массы 3 относительно корпуса 2, системы регистрации пути (5) и времени (6) — электронносчетный частотомер, Датчик 4 положения содержит каркас магнитропровода 7 с катушкой 8, которая включает обмотку 9 прямой связи и обмотку 10 обратной связи. Обмотки 9 и 10 подключены к усилителю 11 и образуют вместе с ним автогенератор с трансформаторной обратной положительной связью, при этом к обмотке 9 прямой связи параллельно подключен конденсатор 12, который совместно с обмоткой выполняет функцию чэстотнозадающего элемента. Функцию электрической емкости конденсатора 12 может выполнять межвитковая емкость обмотки 9 прямой связи, Система регистрации пути содержит компаратор 13 и блоки 14 и 15 формирования сигнала соответственно начала и конца отсчета времени пути, включающие соответственно фазовые детекторы 16 и 17 и компараторы IB и 19. Вход компэратора 13 соединен с информационным выходом усилителя 11, а выход компаратора 13 параллельно подключен к первым входам фазовых детекторов 16 и 17, при этом на вторые входы фазовых детекторов поданы Опорные частоты f10ï и f2on. Первые вхОды компараторов 18 и 19 соединены с соответствующими выходами фазовых детекторов 16 и 17, при этом на вторые входы компараторов подано опорное напряжение 00п. . причем вход запуска электронносчетного частотомера 6 подключен к выходу компаратора 18, а вход останова электроннасчетного частотомера 6 подсоединен к выходу компаратора. Инерционная масса 3 выполнена или из ферромагнитного материала, или из диэлек.трического материала, например кварца или ситэлла, в последнем случае на наружную поверхность инерционной массы нанеcGH8 пленка 20 электропроводящего материала (фиг. 2). Каркас магнитопровода Устройство работает следующим обраЗОм, Инерционную массу 3 выводят из зазора магнитопроводэ и отпускают, Инерционная масса 3 может быть выведена из зазора каркаса магнитопровода 7, например, с помощью электромагнита (не показан), катушку которого размещают снаружи корпуса " и над зазором каркаса магнитопровода 7, если инерционная масса 3 выполнена иэ ферромагнитного материала. В этом случае при подачи в катушку электромагнита напряжения инерционная масса 3 втягивается в катушку и устанавливается в определенном и заданном положении, При выполнении инерционной массы 3 из диэлектрического материала с нанесенной на поверхность пленкой 20электропроводящего материала катушку электромагнита размещают под зазором. При подаче переменного тока в катушку электромагнита в электропроводящей пленке 20 инерционной массы 3 возникает вихревой ток, который создает собственное магнитное Ноле, и в результате его взаимодействия с перемен55 ным магнитным полем катушки инерционная масса 3 выталкивается из катушки, Для фиксации положения инерционной массы . относительно зазора внугри корпуса могут быть установлены ограничители (не показаны), 5 7 выполнен или из ферромагнитного материала, или из диэлектрического материала тороидальной формы, в последнем случае на поверхности тора навита и жестко скреплена с ней электропроводящая лента 21, витки которой изолированы друг от друга изолятором 22 и образуют обмотки 9 и 10 катушки 8, при этом аксиальная ось цилиндрического корпуса пересекает аксиальную ось магнитопровода 7 и перпендикулярна к ней. В связи с тем, что витки выполнены из электропроводящей ленты и навиты на каркас магнитопровода, выполненный из диэлектрического материала, то между поверхностью витков образуется электрическая емкость. Благодаря жесткой связи витков ленты с поверхностью каркаса мэгнитопровода, выполненного, например, из термостэбильного кварца, обеспечивается высокая температурная стабильность межвитковой емкости. Уежвитковэя емкость и индуктивность витков ленты в совокупности образуют частотозадающий элемент (колебательный контур), Благодаря тому, что каркас магнитопровода.полностью покрыт витками электропроводящей ленты, переменное магнитное поле полностью локализуется внутри него. 1620943 При действии на обьект кажущегося ускорения W, проекция которого на ось чувствительности х равна Wx, инерционная масса 3 под действием сил инерции совершает движение относительно корпуса в сторону, противоположную напоавлению кажущегося ускорения (при условии, что плотность инерционнсй массы р,„больше плотности жидкости px ). Установившееся значение скорост, движения / инерционной массы 3 от величины кажущегося ускорения Wx определяется выражением V Оя(н Я Ss 4л у Sм где Q — обьем инерционной массы; ®, рж — плотность инерционной мас :ы и жидкости; S — плошадь зазора между корпусом и инерционной массой в сечении, перпендикулярном движению инерционной массы; S — площадь поперечного сечения инерционной массы; — кинематическая вязкость жидкости. Частота датчика 4 положения, определенная однозначно положением инерционной массы в зазоре каркаса магнитопровода 7, начинает изменяться. Компаратор 13 осу цествляет преобразование синусоидального колебания, снимаемого с выхода усилителя 11, в последовательность прямоугольных импульсов, которые поступают на фазовые детекторы. В начале движения инерционной массы 3 частота 4х больше первой опорной частоты f1on, подаваемой на второй вход фазового детектора 16, а частота f1o» больше опорной частоты f2o», подаваемой на второй вход второго фазового детектора 17. При приближении частоты fx (в процессе движения инерционной массы в зазоре магнитопровода частота f> уменьшается) к частоте f>o» на выходе фазового детектора появляется медленно меняющееся напряжение 01х, величина которого больше величины опорного напряжения Uo».Ecëè Uo» = О, то при совпадении частот fx и 11о», т.е,4= f l0 20 раниченную величину и может быть з ачительно леньше диапазона частоты тх при движении инерционной массы в зазоре магнитопровода. Увеличение рабо-ей зоны сраж,ения частот фазсвым дете<тором приводит к увеличению погрешности фиксации положения «нерционной массы в зазоре магнитопроюда, что нежелательно. Поэтому, когда величина (1х- 11») больше рабочей зоны фазового детектора, то на его выходе присутствует нулевое напряжение, что приводит к ложному з,".:пуску злектрочнасчетного частотомера. Для устранения данного явления величину Uo» выбирают, например, и ложительной, Тогда в момент совпадения частоты с рабочей оной фазового детектора на его выходе появляется максим:: льное-отриц:,тельное постоянное медленно меняющееся напряжение и ко,. парптор 18 ложно не срабать вает. Его срабатывание про 1сходит только в тот момент; когда L)x становится равным положительнг„..;у напр»жени с Uo», и на начале
Электронносчетн ый частотомер подсчитывает количестго импульсов и, которые гене- 35 рируются собственным генератором. Связь интервалэ времени с подсчитанным количеством импульсов осуществляется в соответствии с выражением Л1=т. -n, 40 где Ти — r ериод следования импульсов. При Т = corlst как при пункте наблюдения, так и на эталонном пункте алгоритм апределения неизвестного кажущегося ускорения имеет вид 4(п Wx = э — пх где п, пх — количество импульсов, подсчитанных электронносчетным частотомером при наблюдении на эталонном и новом (опреде50 лен ном) пун ктгх. Для случая, когда в акселерометре инерционная масса выполнена из диэлектрического материала с нанесенной на ее поверхность пленкой электропроводящего материала, то при движении инерционной массы внутрь зазора каркаса магнитопрово да частота генерации растет. В этом случае onapHble частоты fop» и f2o» выбирают из условия 11 < 1;». Только в этом случае 1620943 обеспечивается воэможность фиксации интервала времени электронносчетным частотомером. Таким образом, выходная информация о кажущемся ускорении представлена непосредственно во временном интервале перепада на выходе компараторов 18 и 19, что уп poLUàåò согласование предлагаемого устройства с вычислительной техникой и в целом уменьшает массогабаритные показатели устройства. Благодаря интегральному исполнению узлов 11-19 занимаемый ими объем очень мал, что позволяет их разместить, например, в гермообъеме цилиндрического корпуса 2, что при миниатюризации благоприятствует сохранению точностных показателей предлагаемого устройства за счет единого теплового режима электронной и механической частей устройства, Современная технология позволяет разместить электронную часть устройства в кристалле объемом менее 1 мм . Таким образом, в основном массогабаритные показатели определяются механической частью устройства, Благодаря тому, что ось магнитной цепи 4 перпендикулярна аксиальной оси цилиндрического корпуса 2, бесконечно малое перемещение инерционной массы относительно некоторого положения в корпусе вызывает скачкообразное изменение выходного сигнала на выходах компараторов 18 и 19, Неопределенность срабатывания компараторов 18 и 19 при относительной нестабильности частот к величине порядка 10 б в основном определяется неопределенностью положения граничной поверхности инерционной массы 3, величина которой из-за дискретной структуры вещества инерционной массы 3 порядка размера межатомного расстояния вещества инерционной массы и составляет типовую величину порядка 10 м, что позволяет существенно миниатюризировать чувствительный элемент и следовательно устройство в целом. Другим фактором, ограничивающим миниатюризацию устройства, является габариты и нерционной массы 3. Дгя нормальной работоспособности устройства длина инерционной массы 3 должна быть равна диаметру магнитной цепи 4 и при величине относительной чувствительности по перемещению инерционной массы 10— -5 106 должна быть более 0,1 мм. Диаметр инерционной массы 3 и зазор между инер.ционной массой и корпусом ограничиваются расстоянием, на которых начинают проявлять действие межмолекулярные силы, Радиус действия межмолекулярных сил составляет 10 м. Эта величина определяет -ч 35 предел, ограничивающий диаметр инерционной массы и зазор между инерционной массой 3 и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 2. При таких-размерах проявляется эдгезия.(прилипание) между поверхностными слоями инерционной масси 3 и корпусом 2, что приводит к неработоспособности устройства. При диаметре инерционной массы и величине зазора между инерционной массой 3 и корпусом 2 10 м адгезией практически можно принебречь, так как влияние межмолекулярных сил на движение инерционной массы 3 относительно корпуса 2 в данном случае имеет относительную величину порядка 10 В связи с тем, что работоспособность устройства возможна только в очень малом интервале пути, проходимого инерционной массой, то заполнение гермообъема корпуса 2 вязкой средой 1 позволяет за счет вязкого трения инерционной массы 3 в среде 1 существенно уменьшить скорость падения инерционной массы и увеличить время пролета интервала пути, зафиксированного разностью эталонных частот, что приводит к увеличению интервала времени между перепадами напряжения на выходах компэрэторов 18 и 19, Размеры устройства определяет также длина цилиндрического корпуса. Ее минимальная величина не превышает удвоенной длины инерционной массы, а максимальная величина определяется динамическими характеристиками устройства, анализ которых показывает, что постоянная времени успокоения скорости движения инерционной массы Al Гп KKKS где f — удельная сила, приходящаяся на единицулинейной скорости движения инерционной массы 3 относительно цилиндрического корпуса 2. Величина удельной силы f пропорциональна вязкостиil среды 1 и обратно пропорциональна площади S,çàèèìàåìàé жидкостью между корпусом 2 и инерционной массой 3, в сечении, перпендикулярном к аксиальной оси корпуса, причем значение К вЂ” коэффициента и ропорциональности, зависящего от формы инерционной массы, постоянно. Как видно из формулы, постоянная времени успокоения туменьшается при уменьшении массы rn, площади S и увеличении вязкости среды, что благоприятствует миниатюризации устройства, причем типовое значение т при массе m = 0 01 — 0,1 r может составлять величину от 10 6 для сильновяэких жидкостей до десятых долей секунды Составитель А.Полынков Техред М.Моргентал Корректор M.Càìáoðcêàÿ Редактор А.Огар Заказ 4243 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент"... Ужгород, ул.Гагарина, 101 (для газовых сред под давлением). Скорость движения инерционной массы Ч под действием внешних сил может составлять от десятых долей до единиц десятков миллиметров в секунду, таким образом путь 5 I, пройденный инерционной массой до окончания переходного процесса, составляет 1=3t Ч=3(10 — 10 )х x(0,1 — 10} =3 (10 7-1) мм Таким образом, в устройстве при точности измерения кажущегося ускорения поряд к а 1 0-4 1 0-5 в и о л н е д миниатюризация устройства объемам нескольких единиц кубических миллиметров. Формула изобретения Устройство для измерения кажущегося ускорения, содержащее герметичный цилиндрический корпус, в котором размещена 2> инерционная масса, датчик положения инерционной массы относительно корпуса, выход которого подключен к входу системы регистрации пути с блоками формирования сигнала начала и конца отсчета времени пути, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью миниатюризации устройства, во внутренний герметичный объем корпуса помещена вязкая среда, датчик положения выполнен индуктивным с частотным выходом и содержит каркас магнитопровода,катушку с об мотками прямой и обратной связи на нем и усилитель, причем обмотки катушки подключены к усилителю, выход которого является выходом датчика положения, каркас магнитопровода имеет тороидальную форму и аксиальная ось цилиндрического корпуса пересекает аксиальную ось каркаса магнитопровода и перпендикулярна к ней, магнитопровод, корпус и инерционная масса выполнены из одного и того же диэлектпического материала, при этом на поверхность инерционной массы наносят слой электропроводящего материала, обмотки катушки выполнены в виде ленты из электропровадящего материала, которая навита на каркас магнитопровода и жестка скреплена с его поверхностью, а витки ленты изол =.рованы друг от друга.
