Датчик угловых ускорений

 

|Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть испо; ьзовано для измерения угловых ускорений технических объектов при их испытаниях и эксплуатации. Сущность изобретения: устройство состоит из 0-обрэзного магнитопровода 1, имеющего на стержне 2 участок 3 круглого сечения, служащий осью, на которую насажена инерционная масса 4, представляющая собой магнитомягкое кольцо, радиальная толщина которого постоянна, а внешняя образующая изменяется по окружности по линейному закону. Дополнительные немагнитные массы 5 и 6 используются для балансировки инерционного элемента 4. Зазор между внутренней поверхностью кольцевой массы 4 и участком 3 круглого сечения заполнен магнитной жидкостью 7. 4 ил.

СО1ОЗ СОВЕ ТСКИХ

СОЦИЛЛИ ТИ 1ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я) G 01 P 15/08

ГОС ТВЕННОЕ ПЛТЕНТНОЕ

БЕД SO СССР (ГОс Атент сссР)

О ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4928615/10 (22) 17,04.91 (46) 7.02.93. Бюл. Nã 5 (71) ашкентский политехнический институт им ..P. Бируни (72) .К. Азимов и Н.У. Маллин (56) 1Авторское свидетельство СССР

N. 8 2042, кл. G 01 Р 15/08. 1981, Авторское свидетельство СССР

N. 3 3684, кл. G 01 Р 15/08, 1973. (54) ДАТЧИК УГЛОВЫХ УСКОРЕНИЙ (57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых ускорений технических объектов при их ис. Ж„„1793384 Al пытаниях и эксплуатации. Сущность изобретения: устройство состоит из О-образного магнитопровода 1, имеющего на стержне

2 участок 3 круглого сечения, служащий осью, на которую насажена инерционная масса 4, представляющая собой магнитомягкое кольцо, радиальная толщина которого постоянна, а внешняя образующая изменяется по окружности по линейному закону. Дополнительные немагнитные массы 5 и 6 используются для балансировки инерционного элемента 4. Зазор между внутренней поверхностью кольцевой массы

4 и участком 3 круглого сечения заполнен магнитной жидкостью 7. 4 ил.

1793384

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых ускорений технических обьектов при их испытаниях и эксплуатации, Известен датчик угловых ускорений, содержащий 0-образный магнитопровод, инерционные элементы в виде постоянных магнитов, связанный с подвижной частью датчика плоскими пружинами, и измерительную обмотку.

Недостатками этого датчика являются узкий измерительный диапазон как следствие малой амплитуды отклонения инерционных масс от поло>кения равновесия и низкая надежность из-за наличия уг1ругих деформируемых элементов.

Известен также преобразователь угловых ускорений; содер>кащий магнитопровод, обмотку возбу>кдения переменного тока, измерительную обмотку и секторообразную магнитомягкую инерционную массу, поса>кенну1о нэ диамагнитную ось.

Недостатком данного преобразователя является наличие большого количества разнообразных и сло>кных по форме деталей магнитопровода, что определяет конструктивную сло>кность устройства.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик угловых ускорений, содер>кащий магнитопровод с размещенными на нем обмотками возбу>кдения постоянного тока и измерительными обмотками, одновременно являющимися пружинами, и кольцеву1о инерционную массу на магнитомягкой оси, Указанный преобразователь имеет сложную конструцию. Это обьясняется большим количеством сборочных деталей.

Кроме того, сложную технологию изготовления имеет пру>кинная обмотка, выполняемая из особых сортов стали и требующая эластичной изоляции во избежание замыкания витков на корпус и между собой. Использование такой обмотки в датчике усложняет его конструкцию еще и проблемой закрепления центральной части пельновитой пружины на инерционном элементе, К недостаткам данного устройства относятся также трудности, связанные с выводом наружу токоподводящих и сигнальных проводов обмоток, располо>кенных внутри цилиндрического корпуса. Кроме перечисленных недостатков, определяющих сложность конструкции преобразователя, его надежность снижается из-за повышенного износа пружинных обмоток.

Цель изобретения — упрощение конструкции и повышение надежности датчика.

Цель достигается тем, что в датчике угловых ускорений, содержащем магнитопровод с размещенными на нем обмотками возбуждения постоянного тока и измерительными обмотками и кольцевую инерционную массу на магнитомягкой оси, внешняя образующая кольцевой инерционной массы выполнена изменя1ощейся по окру>кности 10 линейному закону и посв>кена

10 на участок круглого сечения одного из стержней 0-образного магнитопровода, причем зазор, образованный участком круглого сечения стержня и внутренней поверхностью кольцевой массы, заполнен магнитной жид15 костью, а для балансировки кольцевой инерционной массы использованы немагн итн ы е вста в ки.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что заявляемое устройство от20 личается тем, что у инерционной массы внешняя образующая кольца выполнена изменяющейся по окружности по линейному закону, масса посв>кена на участок круглого сечения одного из стержней 0-образного

25 магнитопровода, причем зазор, образованный участком круглого сечения стер>кня и внутренней поверхностью кольцевой массы, заполнен магнитной жидкостью, а для балансировки инерционной массы исполь30 зованы немагнитные вставки. В результате патентного поиска и поиска по научно-технической литературе не было обнару>кено технических решений, име1ощих признаки, сходные с.отличительными признаками за35 являемого устройства. Поэтому заявляемое решение соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена конструкция датчика; на фиг, 2 — внешний вид инерцион40 ной массы без немагнитных вставок; на фиг.

3 — график выходной ЗДС при воздействии постоянного углового ускорения одного направления; на фиг. 4 — график выходной

ЭДС при воздействии постоянного ускоре45 ния противоположного направления.

Датчик угловых ускорений содер>кит 0образный магнитопровод 1, име1ощий на стержне 2 участок 3 круглого сечения и слу>кащий осью, на которую посажена инерци50 онная масса 4. Масса 4 представляет собой кольцо из магнитомягкого материала, радиальная толщина а которого постоянна, а внешняя образующая кольца изменяется по окружности по линейному закону

b„„с .. 0 и 2 Р, (1) где Ь вЂ” величина образующей;

Ь вЂ” наибольшее значение образующей (см. фиг. 2);

1793384

Заполнение зазора между участком круглого сечения стержня О-образного магнитопровода и внутренней поверхностью кольцевой массы магнитной жидкостью необходимо для получения малого магнитного

Q — величина угла, функцией которого вляется внешняя образующая кольцевой ассы, или угловое перемещение инерционой массы.

Различные величины внешней образуюей кольца обозначены на фиг. 1 как b> и Ьр. ополнительные массы 5 и 6, изготовленные из немагнитного материала, используi тся для балансировки инерционной массы

4 Зазор между внутренней поверхностью к льцевой массы 4 и участком 3 круглого с чения стержня 2 заполнен магнитной идкостью 7. Обмотки 8 и 9 возбуждения, р сположенные на стержнях магнитопровод 1, включены последовательно и встречно и питаются постоянным током. На магнитои оводе 1 также расположены измерительн е обмотки 10 и 11. которые включены и следовательно и согласно для выходной

Э С.

Датчик работает следующим образом.

При вращении испытываемого объекта с постоянной скоростью масса 4 покоится о носительно магнитопровода 1 и выходной с гнал равен нулю, 2

При появлении углового ускорения на м ссу действует вращающий момент, котор и вызывает вращение инерционной масс 4 с постоянной угловой скоростью, о ределяемой из принципа Даламбера как 3

o) = -д —" = -Г

dQ M (2)

r е а — угловое перемещение инерционной м ссы;

M — вращающий момент; 3

f — постоянный по величине коэффицие т трения вращения массы 4.на оси.

При этом

M=Io p. (3) где (о — момент инерции тела; 4 ! р — угловое ускорение исследуемого объекта.

Вращение инерционной массы 4 приводит к изменению площади воздушного зазора толщиной д (cM. фиг. 1) между внешней 4

I поверхностью кольцевой массы и продольнь м стержнем магнитопровода 1, Магнитным сопротивлением стали магни гопровода, а также зазора между участко)л 3 круглого сечения и внутренней 5 поверхностью кольца 4, который заполнен ма(нитной жидкостью 7, пренебрегаем ввиду их малости по сравнению с сопротивлени м воздушного зазора толщиной д. Для Фмагнитного потока датчика выполняется ф=

F (4)

Róñ где F — МДС обмоток возбуждения постоя> но1о тока; !

R q — магнитное сопротивление воздушного зазора толщиной д и площадью S.

Р p,S (5) где рД вЂ” магнитная проницаемость возду-, ха.

Так как внешняя образующая кольцевой инерционной массы изменяется по окружности (другими словами, в функции от Q) по линейному закону (1), то зависимость площади зазора от угла поворота массы так- же линейна:

5= 1+ 2 (6) где К1, K> — постоянные по величине коэффициенты, При изменениях магнитного потока в измерительных катушках 10 и 11 наводится

ЭДС. выражение для которой получим иэ условия (4) с учетом уравнений (5) и (6): бФ К2 dry

Fpq = — W = — W F p --,Г-, (7) где W — общее количество витков в катушках

10 и 11.

Подставим в выражение (2) формулу (3), а полученное уравнение в (7). Дифференцируя с учетом постоянной величины воздействующего ускорения, получим деизм — W F

Io/ о 2

Р.

0 . f

Из полученного следует, что при вращении инерционной массы 4 со скоростью. пропорциональной воздействующему ускорению, на выходе датчика появится ЭДС. также пропорциональная ускорению контролируемого объекта.

Выходной сигнал датчика определяется скоростью вращения массы, которая зависит от величины воздействия. При этом исключены деформируемые элементы, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной. Реализация такого режима работы устройства достижима в результате выполнения внешней образующей кольцевой массы изменяющейся по окружности по линейному закону.

Дальнейшим упрощением конструкции преобразователя является посадка инерционной массы на участок круглого сечения одного из стержней О-образного магнитопровода. При этом участок стержня магнитопровода одновременно выполняет функции оси и отпадает необходимость в использовании соответствующей детали.

1793384

30 сопротивления этого воздушного зазора и тем самым обеспечения высокой линейности выходного сигнала преобразователя.

Наиболее устойчивая работа предлагаемого датчика с учетом новых признаков обеспечивается применением дополнительных к инерционному элементу 4 масс, выполненных из немагнитного материала.

Y предлагаемого технического решения имеется дополнительное преимущество относительно прототипа, заключающееся в том, что при вращении инерционной массы

4 в выходном сигнале датчика кроме аналоговой составляющей также имеют место отрицательные выбросы выходного напряжения (см. фмг. 3 и 4). Этот отрицательный выброс объясняется наличием у массы 4 резкого перепада величины внешней образующей от максимального к минимальному значению. Один импульс соответствует одному полному обороту кольцевой массы, а интервал времени между двумя соседними выбросами равняется Т вЂ” периоду обращения инерционной массы.

Число импульсов и в единицу времени, пропорциональное воздействующему ускорению. определяется

Формула изобретения

Датчик угловых ускорений, содержащий кольцевую инерционную массу и магнитопровод с размещенными на нем катушками возбуждения постоянного тока и измерительными обмотками, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, магнитопровод выполнен О-образным с круговым сечением одного из стержней, на который насажена кольцевая инерционная масса, состоящая из магнитомягкого элеВоэможность одновременного получения выходного сигнала датчика в аналоговом и дискретном виде позволяет его универсальное использование как в анало-.

5 говых, так и в цифровых измерительных системах. При желании избавиться от дискретной составляющей сигнала выход датчика шунтируют емкостью.

Воэможность свободного вращения

10 инерционной массы на оси, неограниченной наибольшим углом закручивания пружины, обеспечивает еще два дополнительных преимущества относительно прототипа: расширение измерительного

15 диапазона устройства в сторону увеличения и возможность измерения внешних воздействия в течение неограниченного времени, т.е. чем большие угловые ускорения воздействуют на инерционную массу, с тем про20 порционально большей скоростью она имеет возможность вращаться в течение сколь угодно долгого по времени воздействия ускорения.

Указанные достоинства заявляемого

25 технического решения определяют экономическую и практическую целесообразность его использования в системах измерений, контроля и управления, мента и двух немагнитных элементов, причем сечение магнитомягкого элемента изменяется по линейному закону от максимального сечения кольца до нулевого по окружности за счет изменения толщины кольца симметрично со стороны обоих торцов кольца, а немагнитные элементы выполнены в виде вставок, дополняющих кольцо до полного объема, при этом зазор между, внутренней повсрхностью кольцевой инерционной массы и круговым сечением стержня заполнен магнитной жидкостью.

1793384 иг. 2 й2. 3 и2. 1

Составитель P. Азимов

Техред М.Моргентал Корректор Н. Король

Ред ктор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина. 101

Заказ 502 Тираж Подписное

НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР ! 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5