Способ измерения ускорения
Использование: при измерении силовых эффектов землетрясений, моментов на крыле самолета, тяги двигателей и др. Сущность изобретения: свободно взвешивают постоянный магнит над сверхпроводником, возбуждают колебания постоянного магнита, определяют резонансные частоты упругих колебаний постоянного магнита с нулевым (Оо и ненулевым а) ускорением, а величину ускорения определяют из соотношения а о -в1Й)
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
<и> БЫ Ои 17б7443 А1
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ =g ш — 1 .1ил. 6 (21) 4888961/10 (22) 06.12,90 (46) 07.10.92. Бюл. ¹ 37 (71) Институт металлофизики АН УССР (72) В, В. Немошкаленко, А.А, Кордюк, А.Д.Морозовский и Б,Г,Никитин (56) 1. Арендт В.А„Сэвент К,Дж, Практика следящих систем. Гос, Энерг. Изд. Н., 1962, с. 368. 2. Чепмек и Эзекиль. Сверхпроводящий, подвес для чувствительного акселерометра. — Приборы для научных исследований, 1965, ¹ 1, стр. 101. Изобретение относится к области измерений с помощью приборов со сверхпроводимостью ускорений перемещающегося объекта и может найти применение при измерении, например, силовых эффектов землетрясений, моментов на крыле самолета, тяги двигателей и др. Известен способ измерения ускорения а, по которому масса перемещается по оси, вдоль которой происходит ускорение, после чего, регистрируя величину перемещекия массы Лх, по предварительно построенной градуировочной зависимости Л х от а, определяют значение ускорения (11, Основными недостатками способа являютсяя. 1. Градуировка прибора по смещениям Л х в зависимости от ускорения а, требующая высокочувствительных позиционных датчиков. 2. Погрешность в измерениях, возникающая за счет механического трения при перемещении массы вдоль направляющей, Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ изме(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ (57) Использование: при измерении силовых эффектов землетрясений, моментов на крыле самолета, тяги двигателей и др. Сущность изобретения: свободно взвешивают постоянный магнит над сверхпроводником, возбуждают колебания постоянного магнита, определяют резонансные частоты упругих колебаний постоянного магнита с нулевым в0 и ненулевым в ускорением, а величину ускорения определяют из соотношения а = рения ускорения а, включающий свободное взвешивание над сверхпроводником постоянного магнита, после чего, регистрируют величину линейных смещений Л х постоянного магнита по оси, вдоль которой происходит ускорение, по предварительно построенной градуировочной зависимостиДх от а, определяют значение ускорения (21 Основными недостатками известного способа являются: 1, Градуировкэ прибора по линейным смещениям Лх постоянного магнита в зависимости от ускорения а, требующая высокочувствительных позиционных датчиков, работающих при низких температурах. 2. Трудность в защите от микросейсми- ческих помех, которые создают погрешности при измерениях линейных смещений постоянного магнита. Целью изобретения является повышение достоверности измерений, Поставленная цель достигается тем, что способ включает свободное взвешивание постоянного магнита над сверхпроводни1767443 ком в системе постоянный магнит — сверхпроводник, определение резонансной частоты в упругих колебаний постоянного магнита в системе постоянный магнит— сверхпроводник, находящийся в состоянии с нулевым ускорением, и резонансной частоты упругих колебаний постоянного магнита в системе постоянный магнит сверхйроводник, движущейся с ускорением а, а величи -;у ускоренйя а ; определяют по формуле a=g — — 1, где g — ускорение своб дного падения. Наличие новых операций по сравнению с прототипом позволяет заключить, что они соответствуют критерию "новизна". При изучении других известных способов в данной области не обнаружено использование признаков, отличающих заявляемое изобретение от прототипа и поэтому они обеспечивают заявляемому способу соответствие критерию "существенные отличия". На чертеже представлена схема конструкции для определения ускорения, например, в вертикальном направлении, Здесь постоянный магнит (ПМ) 1 из Sm cos c массой m =0.,021 r""I магнитным моментом ,и"-1,2 Гс см взвешивался над таблеткой 2 из ВТСП диаметром 3 см и толщиной 0 5 см, которая была помещена в стакан 3 из теплоизоляционного материала и охлаждалась жидким азотом 4. В качестве материала для ВТСП применялась керамика 4ВагСвзОт с ТС=93 К. Для определения резонансных частот системы ПМ-ВТСП при нулевом ускорении этой системы и при ее движении с ускоре. нием применялась детектирующая катушка 5 (50 витков), сигнал с которой через усилитель 17-1 6 подавался на вольтметр В7-21А 7. Критерием достижения резонанса в системе являлась максимальная амплитуда колебаний ПМ, определяемая по показаниям вольтметра, Вертикальные колебания ПМ возбуждались с помощью задающей катушки 8 (100 витков), на которую подавалось синусоидальное напряжение от звукового генератора Г3-1239, Выходная частота генератора контролировалась частотомером 43 — 32(10). Разность фаз между напряжением на задающей и детектирующей катушек измерялась с помощью фазометра 11. Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом. Заявляемый метод проверялся при вертикальном ускорении а системы ПМ-ВТСП, F = Ртяж + „= m(g + а) — —, (1) dWH а 45 бх х4 где Ртяж — сила тяжести, действующая на магнит массы, а a — коэффициент пропорциональности, a > О. Положение равновесия достигается при F = 0 и из (1) находим расстояние от покоящегося магнита до поверхности ВТСП 1/4 хо = (я+ а). (2) Коэффициент упругости данной системы К= BF xl. =.. создаваемом с помощью устройства, кот"," рое представляет собой вал 12 диаметром 1 см с наматываемой на него лентой 13 толщиной d = 0,05 см и шириной 4 см. 5 При постоянной скорости вращения вала аь, ускорение, с которым сматывается. лента и движется стакан 3, определяется по формуле d г 10 2 7г Физическая сущность изобретения заключается в том, что высокотемпературные сверхпроводники являются сверхпроводниками ll рода и ниже температуры сверх15 проводящего перехода в магнитном поле Н » Н« (H« — первое критическое поле) магнитный поток проникает в ВТСП, образуя вихревую решетку, которая закрепляется на центрах пиннинга. Когда сила F, 20 необходимая для срыва вихрей, больше mg (m — масса магнита), то магнит в данной точке зависает над ВТСП, С другой стороны, при небольших смещениях магнита происходит упругое деформирование вихревой 25 решетки с сохранением магнитной индукции В = const. Это адекватно появлению в системе ПМ-ВТСП упругого элемента, который и задает собственные частоты свободных колебаний ПМ, 30 . Таким образом, если расстояние от магнита до поверхности ВТСП равно Х, то изменение энергии мейснеровского отталкивания, при движении магнита в упругой области с В = const, 35 BdH „Н бх 8 г х4 где Н вЂ” поле, создаваемое ПМ на поверхности ВТСП. Суммарная сила, действующая на магнит при движении всей системы ПМ-ВТСП с ускорением d вдоль вертикальной оси Из (1) и (2); тывая, ч о резонансная частота в = Чг, .: получаем резонансную частоту колебаний магнита при движении системы ПМ вЂ” ВТСП с ускорением 1/8 в=2 — (g+ а) 5|8 а (3) Когда ускорение системы ПМ вЂ” ВТС" равно нулю, резонансная частота колеба ний магнита 1/8 во =2 — g (4) Учитывая (3) и (4}, получаем выражение для ускорения системы ПМ вЂ” ВТСП а=g — — 1, (5) Обозначим изменение резонансной частоты Лв= в- во, тогда (5) приобретает вид (it+A м) В 1) (6) При малых ускорениях системы ПМ— ВТСП (а «g ) Л в = во, и (6) можно разложить в ряд, учитывая только первые члены «8 Лв S во (7) л 2дв Лр= - агстц о где 2 д — ширина резонансной кривой на высоте Амакс Ф Амакс максимальная амплитуда коле баний магнита, В условиях резонанса Лр = О. Так как Л N «No (при à «g), то (8) принимает вид к д Лр= -arctg — (9) Формула (7) позволяет для повышения экспрессности и достоверности использовать при измерениях малых ускорений à «g фазометр. Для этого Лв в (7) выражается через разность фаз Лр между напряжением, подаваемым на задающую катушку, и напряжением, снимаемым с детектирующей катушки. В общем случае А р можно записать Если Лв «д, то арктангенс можно разложить в ряд по степеням h, > /д и, ограничиваясь первыми членами, по.тучим из (9) (10) Учитывая (10), выражение (7) можно переписать в виде 10 а= —.g Лр, д (11) о При проверке предлагаемого способа 15 малые ускорения создавались при воащении вала с угловой скоростью о (=0,35 рад/с и в8 = 9,72 рад/с. При этом ускорения определялись по формуле а = =d/2 лаР (здесь б = 0,05 см — толщина ленты 20 2) и составили d() = 9,75 ° 10 см/с; Р> = 4.,14 10 см/с 25 . Измерения резонансной частоты во, коэффициента затухания д и разности фаз между напряжениями на задающей и детектирующей ха ушках Лр при колебаниях ПМ над ВТСП осуществлялась при высоте завы30 сания Хо=0,25 см, Ускорение системы ПМ— ВТСП определялось по формуле (11). Измерения дали следующие результаты, во= 24,0 Гц; д(0 = д(= 0,6 Гц; 35 ЛP) =- 25 мкм рад; а() = 9,810 4 см/с Лp ) = 105 мк рад; а(= 4,110 см/с . Таким образом, заданные значения ускорений совпадают с измеренным, что подтверждает достоверность заявляемого спо40 саба, Преимуществом заявляемого способа по сравнению с базовым является: 1. Отсутствие необходимости градуировки, так как ускорение определяется по формуле (5), за счет измерения резонансных частот, 2. Отсутствие необходимости защиты от микросейсмических помех, поскольку, резонансная частота во выбирается вдали от частот, характерных для этих помех, путем вариации высоты зависания ПМ, коэффициента заполнения ВТСП, а также массы и магнитного момента магнита, Заявляемый способ может найти широкое применение при измерении, например, силовых эффектов землетрясений, моментов на крыле самолета, тяги двигателей, изменения ускорения свободного падения и др 1767443 сные частоты упругих колебаний постоянного магнита с нулевым во и ненулевым й) ускорением, а величину ускорения определяют из соотношения Формула изобретения Способ измерения ускорения, заключающийся в свободном взвешивании постоянного магнита над сверхпроводником и определении ускорения, о т л и ч а ю щ и й- 5 с я тем, что, с целью повышения достоверности измерений, возбуждают колебания постоянного магнита, определяют резонанt ) t ) c ÿ Ь 4 Составитель Т. Макарова Редактор С. Кулакова Техред М.Моргентал Корректор О. Густи Заказ 3546 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101
