Способ калибровки датчика ускорения и датчик ускорения

 

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения: датчик ускорений имеет упругий элемент, на котором закреплен инерционный элемент. При возникновении усилия ускорений упругий элемент деформируется. Для измерения абсолютной величины ускорения может проводиться калибровка. При этой калибровке при определенной плотности газа, окружающего инерционный элемент, получают измеряемую величину ускорения на основании отклонения инерционного элемента . Вслед за тем при измененной плотности газа, окружающего инерционный элемент, проводят второе измерение того же ускорения и тем самым получают вторую измеряемую величину. С помощью разностей плотностей газа и измеряемых величин может быть рассчитана при дальнейших измерениях абсолютная величина ускорения. На основании датчика один конец упругого элемента и закреплено устройство перемещения для наконечника. Устройство перемещения состоит из пьезокристалла, на противолежащий друг другу торцевых сторонах которого предусмотрены электроды. Наконечник закреплен на одном электроде. Наконечник находится на малом-расстоянии от инерционного элемента. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил. СП С

-СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 Р 15/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

t (21) 4743930/10 (22) 28.05.90 (46) 15.07.93. Бюл. М 26 (31) P 3917611.8 (32) 31.05.89 (33) ОЕ (71) ДОИЧЕ Фортунгсанштальт фюр ЛюфттУнд Раумфарт е,ф. (DE) (72) Дитмар Нойхаус (DE) (56) Заявка ФРГ М 3631651, кл. G 01 P 15/12, 1987. (54) СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКА УС. КОРЕНИЯ И ДАТЧИК УСКОРЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения: датчик ускорений имеет упругий элемент, на котором закреплен инерционный элемент. При возникновении усилия ускорений упругий элемент деформируется. Для измерения абсолloTHoA величины ускорения может Ilðaводиться калибровка, При этой калибровке

Изобретение относится к измерительной технике-и к способам калибровки датчика ускорений.

Целью изобретения является повышение точности калибровки и точности измерения датчика.

Указанная цель — повышение точности калибровки — достигается тем, что в способе калибровки датчика ускорения изменяют плотность среды, окружающей инерционный элемент, и при одинаковом ускорении измеряют отклонение инерционного элемента при различных плотностях среды, а на основании зависимости отклонения инерционного элемента от плотности среды

„„Я „„1828547 АЗ при определенной плотности газа, окружающего инерционный элемент, получают измеряемую величину ускорения на основании отклонения инерционного элемента. Вслед за тем при измененной плотности газа, окружающего инерционный элемент, проводят второе измерение того же ускорения и тем самым получают вторую измеряемую величину. С помощью разностей плотностей газа и измеряемых величин может быть рассчитана при дальнейших измерениях абсолютная величина ускорения.

На основании датчика один конец упругого элемента и закреплено устройство.перемещения для наконечника. Устройство перемещения состоит из пьезокристалла, на противолежащий друг другу торцевых сторонах которого предусмотрены электроды, Наконечник закреплен на одном электроде.

Наконечник находится на малом-расстоянии от инерционного элемента. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил. определяют абсолютное ускорение с учетом известной константы силы, системы, состоящей из инерционного и упругого элементов.

Укаэанная цель, повышение точности измерения, достигается тем, что в датчике ускорения инерционный элемент выполнен электропроводным, чувствительный элемент выполнен в виде направленного на инерционный элемент наконечника, снабженного устройством его перемещения для поддержания постоянного расстояния между инерционным элементом и наконечником, при этом последний соединен с измерительной цепью, включающей ампер3

1828547 и- ствует усилие ускорения, направленное llOперек поверхности упругого элемента 2, то метр, подключенный к источнику тока, плюсовой полюс которого через упругий элемент соединен с инерционным элементом, регулируемый источник напряжения, соединенный своими выходами с электродами устройства перемещения наконечника, а входом — с выходам регулятора, подключенного к амперметру, причем корпус выполнен герметичным, а его полость заполнена газом или жидкостью. Кроме того, в датчик введен второй аналогичный чувствительный элемент, расположенный по другую сторону от инерционного элемента, и подключенный к введенной второй измерительной цепи, аналогичной первой.

В датчике ускорений согласно изобретению изменяат Не массу инерционного элемента, а плотность среды, окружающей инерционный элемент. Тем самым изменяется подъемное усилие, которое вызывает инерционный элемент при определенном ускорении. Это подъемное усилие является зависимым от объема среды, вытесненного инерционным элементом, и от ее плотности.

Че л большим является ускорение, тем большей является разность подъемных усилий между обоими состояниями с различными плотностями среды. Ускорение Ь при способе согласно изобретению мажет определяться в соответствии со следующим уравнением; ь=- ЛЛ Пр, где k — компонента усилия упругой системы;

Ьх — разность между отклонениями инерционного элемента при обоих измерениях; v— объем инерционнага элемента, hp — разность плотностей среды при обоих измерениях. Таким образом, является возможным калибровать датчик ускорений за счет измерения отклонения при одном и том же ускорении и при различных плотностях среды для тога, чтобы при известной постоянной усилия k упругой системы определять начало системы координат, через которое проходит прямая, характеризуюшая зависимость между Ь и х.

Изменение плотности среды, окружающей инерционный элемент, может осуществляться за счет того, что изменяют давление среды в камере, окружающей инерционный элемент, или за счет того, что в зту камеру вводят различные среды, например, газы.

Изменение плотности происходит с постоянными времени в диапазоне секунд, так чтобы датчик ускорений является особенно пригодным для определения низкочастотных или статических ускорений.

Датчик ускорений можно использовать для измерения ускорений на земле, где ун версальным является ускорения свободного падения g или же для измерений ускорений в невесомом пространстве, например. в космическом пространстве, В любом случае возможна высокочастотная калибровка, так что с высокой точностью может определяться абсолютная величина ускорения, На фиг. 1 дано схематическое изображение механической конструкции датчика ускорения, на фиг. 2 — электрическая схема регулировки чувствительного элемента; на фиг, 3 — форма осуществления с двумя чувствительными элементами, расположенными по обеим сторонам инерционного элемента, для компенсации таких изменений туннельного тока, которые вызываются изменениями плотности.

Согласно фиг. 1 датчик ускорений имеет основание 1, на котором зажат один конец упругого элемента 2. Упругий элемент 2 со.стоит из тонкой кремниевой пластины.

Кремний является особенна хорошо пригодным в качестве упругого элемента, так как он имееттачна известную постояннуюупругости и ега ложна очень точно изготавливать s отношении желаемых размеров, например, за счет травления.

На верхнем конце упругого элемента 2 закреплен инерционный элемент 3, Этот инерционный элемент 3 состоит из корпуса

4 и окружающего корпуса 4 покрытия 5 для создания требуемого качества поверхности инерционного элемента 3, Форма упругого элемента 2 в виде пла35 ты была выбрана для тога, чтобы датчик ускорения селективно определял компоненту ускорения в совершенно определенном заданном пространственном направлении.

Эта компонента ускорения проходит под

40 прямым углом к плоскости упругого элемента 2, выполненного в виде изгибного вибратора. Для достижения желаемой постоянной упругости в зоне между зажимом на основании 1 и массой 3 могут пре45 дусматриваться окна б в пластине упругого элемента 2, Из оснований 1 выступает вверх стойка

7, на которой через изолятор 8 закреплено устройство перемещения 9 для наконечника

10. Устройство перемещения 9 состоит из пьезокристалла, на противолежащей друг другу торцевых сторонах которого предусмотрены электроды 11, 12. Наконечник 10 закреплен на электроде 12 с прамежуточным включением изоляции 13 таким образом, что он направлен на боковую поверхность инерционного элемента 3.

Если на инерционный элемент 3 воздей20

35

55 упругий элемент 2 действует как изгибной вибратор, то есть он изгибается таким образом, что инерционный элемент 3 перемещается либо в направлении наконечника 10, либо в сторону от него. Датчик ускорений обладает большой селективностью по направлению, Для определения ускорений в обоих других. пространственных направлениях могут соответственно предусматриваться такие же датчики ускорений, у которых упругий элемент расположен под прямым углом к упругому элементу 2.

Весь датчик ускорений расположен в

° герметичном по давлению корпусе 14, в который входит труба 15, присоединенная к источнику газа, Далее с помощью фиг, 2 поясняется принципиальный способ действия датчика ускорений.

Наконечник 10 находится.на малом расстоянии от инерционного элемента 3, Это расстояние составляет несколько 10-10 м.

Источник тока 16 подключен одним полюсам к упругому элементу 2 и через этот упругий элемент соединен с электропроводным инерционным элементам 3. Другой полюс источника тока 16 через амперметр 17 соединен также проводящим наконечникам 10. Источник -ока 16, напряжение которого составляет б

Вольт, производит между наконечником 10 и инерционным элементом 3 туннельный ток, сила которого измеряется амперметром 17. Выходной сигнал амперметра 17 подводится к регулятору 18, который управляет источником высокого напряжения 19.

Выходные провода источника высокого напряжения 19 соединены с электродами 11 и

12 на обоих концах устройства перемещения 9, В связи с тем, что это устройство перемещения 9 состоит из пьезокристалла, оно изменяет сво о длину в зависимости от величины приложенного на его концах высокого напряжения, Регулятор t8 варьирует длину устройства перемешения 9 таким Образом, что туннельный ток между наконечником 10 и инерционным элементом 3 остается постоянным, За счет этого также остается постоянным расстояние между наконечником 10 и инерционным элементом, то есть наконечник 10 отслеживает перемещение инерционного элемента 3 с постоянным расстоянием. Выходной сигнал 20 регулятора 18 абразует измерительный сигнал, пропорциональный Отклонению инерционного элемента 3 ат его исходного положения.

Для калибровки датчика ускорений производят измерение при воздействующем на инерционный элемент 3, вначале неизвестном усилии ускорения, при этом на выходной линии 20 получают выходной сигнал.

Это изменение производят тогда, когда в корпусе 14 имеется низкая плотность газа.

Для этого давление газа в корпусе 14 умень- шают. Вслед за тем через присоединение 15 давление газа и тем самым плотность газа в корпусе 14 повышают до тех пар, пока не будет установлена определенная плотность газа. Тогда производят второе измерение при том же имеющемся ускорении. Вследствие повышенного подьемнаго усилия инерционного элемента 3 при втором измерении отклонение инерционного элемента от ега исходного положения является меньшим, чем при первом измерении. Поэтому также уменьшенным является сигнал на выходной линии 20. Благодаря обоим измерениям с различным подъемным усилием, направленным противоположно усилию ускорения, и достигаемым при этом различным сигналам на выходной линии 20 определяют пропорциональность между выходным сигналом и абсолютным ускорением. Таким образам, датчик ускорений откалиброван.

Вслед за калибровкой в течение длительного времени могут производиться измерения ускорения, причем используют либо пониженную плотность газа, либо повышенную плотность газа. За счет того, что газ можно выводить из корпуса 14, имеется возможность проводить циклы калибровки с произвольной частотой.

При примере осуществления согласно фиг. 3 дополнительно к описанному чувствительному элементу, наконечник 10 которого расположен на одной стороне инерционного элемента 3, на противолежащей стороне расположен следующий чувствительный элемент, компоненты которого соответствуют компонентам первого чувствительного элемента и снабжены теми же ссылочными позициями, причем соответственно добавлена добавка "а™1. Когда инерционный элемент отклоняется от своего исходного положения в одну сторону, одно устройство перемещения 9, соответственно 9а, укорачивается, -огда как противолежащее устройство перемещения расши ряется.

Пример согласно фиг, 3 является целесообразным в тех случаях, когда туннельный ток между наконечником 10 и инерционным элементом 3 изменяется лишь за счет измененного давления газа, или в там случае, когда загрязнения на поверхности инерционного элемента 3 изменяют этот туннельный ток. Оба регулятора 9 и 9а соединены меэкду сббОЙ таким Образам, что их выходные сигналы вычитаются. В нормальном случае выходные сигналы регуляторов 9 и

1828547

18а равны по модулю и отличаются по знаку, так что вычитание этих выходных сигналов дает величину 0; когда инерционный элемент 3 находится в его среднем положении.

Однако, разность выходных сигналов регу- 5 ляторов 9 отличается от 0 в том случае, когда инерционный элемент 3 находится в отклоненном положении. Тем самым эту разность используют в качестве измерительного сигнала. 10

При описанных выше примерах осуществления инерционный элемент, несомый упругим органом, является свободно подвижным. Возможной является также форма осуществления, при которой на 15 инерционный элемент воздействует устройство возврата, таким образом, что этот элемент при всех воздействующих усилиях ускорения удерживается в одном и том же положении. При этом для измерения уско- 20 рения может использоваться то усилие, которое прикладывается устройством возврата для того, чтобы удерживать инерционный элемент в заданном положении.

При этом чувствительный элемент служит 25 для регулирования усилия устройства возврата, Формула изобретения

1. Способ калибровки датчика ускорения, заключающийся в измерении с по- 30 мощью чувствительного элемента отклонения инерционного элемента, закрепленного на упругом элементе при действии ускорения, отличающийся тем, что, с целмо повышения точности калибров- 35 ки, изменяют плотность среды, окружающей инерционный элемент, и при одинаковом ускорении измеряют отклонение инерционного элемента при различных ао плотностях среды. а на основании зависимости отклонения инерционного элемента от плотности среды определяют абсолютное ускорение с учетом известной константы силы системы, состоящей из инерционного и упругого элементов.

2. Датчик ускорения. содержащий корпус, в котором расположены инерционный элемент,.закрепленный на упругом элементе, и чувствительный элемент для определения положения инерционного элемента, о т л и v а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, инерционный элемент выполнен электропроводным, чувствительный элемент выполнен в виде направленного на инерционный. элемент наконечника, снабженного устройством его перемещения для поддержания постоянного расстояния между инерционным элементом и наконечником, при этом последний соединен с измерительной цепью, включающей амперметр, подключенный к источнику тока, плюсовой полюс которого через упругий элемент соединен с инерционным элементом, регулируемый источник напряжения, соединенный своими выходами с электродами устройства перемещения наконечника, а входом — с выходом регулятора, подключенного к амперметру, причем корпус выполнен герметичным, а его полость заполнена газом или жидкостью.

3. Датчик по и. 2, от л и ч а ю щи и си тем, что, с целью измерения знакопеременного ускорения, в него введен второй аналогичн ый чувствительный элемент, расположенный по другую сторону от инерционного элемента и подключенный к введенной второй измерительной цепи, аналогичной первой, 1828547

/У

1828547

Составитель Т; Макарова

Техред М.Моргентал Корректор Г. Кос

Редактор С, Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. У)кгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2370 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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