Акселерометр

 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к приборам измерения параметров движения подвижных объектов, таких как самолеты. Сущность: акселерометр содержит корпус, подвижную часть, подвес подвижной части и дифференциальный емкостной датчик смещения, неподвижные пластины которого размещены на корпусе по обеим сторонам подвижной части. Подвижные пластины закреплены на подвижной части, на сторонах, обращенных к неподвижным пластинам. Акселерометр также содержит токоподводы, усилительно-преобразующий блок, выходы которого соединены с неподвижными пластинами емкостного датчика, и блок питания емкостного датчика. Акселерометр снабжен также двумя дополнительными неподвижными пластинами электрически соединенными друг с другом, расположенными по обеим сторонам подвижной части и подключенными к блоку питания емкостного датчика. При этом подвижные пластины электрически соединены друг с другом. Кроме того, дополнительно выполнены металлизированные площадки, например в форме сегментов, расположенных диаметрально противоположно подвесу на подвижной части центральной пластины и на боковых неподвижных пластинах и обращенные соответственно друг к другу. При этом высота сегментов составляет от 1/4 до 1/3 диаметра подвижной части центральной пластины. Технический результат: повышение точности прибора. 3 ил.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано в летательных аппаратах для измерения их ускорений и является усовершенствованием известного устройства, описанного в авт. св. №1840378, МКИ G 01 Р 15/08, приоритет от 10.10.77 г.

В основном изобретении по авт. св. №1840378 описан акселерометр, содержащий чувствительный элемент, состоящий из трех круглых пластин, выполненных в виде дисков. Центральная пластина выполнена из кварца и имеет незамкнутую кольцевую прорезь, образующую подвижную часть пластины (маятник). Неподвижные пластины выполнены также из изолирующего материала.

Обращенные друг к другу поверхности боковых пластин и центральной пластины разделены на секции, которые металлизированы. Часть этих секций используется для образования емкостного датчика угла (датчика положения), другая часть - для подачи питания.

Датчик момента - магнитоэлектрический.

Катушки его расположены на подвижной части центральной пластины, а магниты с магнитопроводом - на неподвижной части.

Для определения систематических составляющих погрешностей прибора (отклонение фактических величин систематических составляющих каждого прибора от расчетных величин) прибор необходимо устанавливать по крайней мере в два положения, отличных друг от друга на 180°. Определенные, таким образом, значения систематических составляющих погрешности учитываются в бортовой вычислительной машине (БЦВМ) при вводе полетного задания. Однако с течением времени хранения конструкционные параметры прибора и его элементов (момент тяжения упругого подвеса, состояние газовой среды внутри акселерометра, определяющей выталкивающую силу, действующую на маятник, смещение нуля усилителя обратной связи, изменение свойств магнита и магнитопровода и т.д.). Изменяются и вызывают изменение составляющих погрешности, в том числе и систематических составляющих погрешности масштабного коэффициента и тяжения (так называемые погрешности от запуска к запуску).

Для исключения погрешностей от запуска к запуску прибора производят его калибровку непосредственно перед использованием или в течение межрегламентного периода, т.е. снимают с борта изделия и определяют фактические величины систематических составляющих погрешностей, вводя в БЦВМ их новые значения. Это существенно повышает точность прибора.

Однако существует целый ряд объектов (типа крылатых ракет или управляемых боевых блоков), с которых съем акселерометров для определения упомянутых систематических составляющих погрешностей исключен, а при нахождении акселерометров в условиях невесомости на кораблях-спутниках или орбитальных станциях калибровка (по масштабному коэффициенту) известными методами вообще невозможна. Отсутствие возможности калибровки способствует увеличению погрешности прибора при его использовании.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности акселерометра.

Указанная цель достигается тем, что в известном акселерометре по авт. св. 1840378 на подвижной части центральной пластины и на боковых (неподвижных) пластинах выполнены дополнительные металлизированные площадки, например в виде сегментов, расположенных диаметрально противоположно подвесу. Указанные дополнительные площадки обращены друг к другу, при этом высота сегментов составляет примерно 1/3÷1/4 часть диаметра подвижной части центральной пластины.

Выполнение дополнительных металлизированных площадок позволяет использовать их для калибровки параметров акселерометра в составе изделия (без изъятия из изделия). При этом калибровку осуществляют путем подачи на указанные дополнительные боковые площадки попеременно напряжения постоянного тока разного знака, чем создают дополнительные моменты также разного знака.

Известно, что в любом конденсаторе при подаче на его обкладки напряжения возникают силы, стремящиеся сблизить обкладки. Величина указанных сил зависит от величины емкости конденсатора и от приложенного к пластинам конденсатора напряжения. Согласно законам электротехники (см. Мансуров Н.Н., Попов B.C. Теоретическая электротехника, М.: Энергия, 1965, издание девятое, с.290), сила взаимодействия между обкладками плоского конденсатора в воздушной среде определяется по формуле:

где U - напряжение, приложенное между обкладками в В,

d - расстояние между обкладками в м,

S - площадь поверхности обкладки в м².

Отсюда, зная параметры прибора, можно определить величину напряжения постоянного тока, которое нужно подать на обкладки конденсатора, чтобы получить необходимую силу F:

Например, для прибора, в котором реализовано основное изобретение по авт. св. 1840378, для создания момента 1,6 гсм, равного моменту от действия земного ускорения, когда ось чувствительности прибора совпадает с местной вертикалью, необходимо создать силу, равную 1 г, так как плечо до центра дополнительной емкостной обкладки составляет 1,6 гсм.

Учитывая, что площадь дополнительной обкладки S составляет 2 см² , зазор d=30 мкм, а требуемая сила F=1 г то

Таким образом, подавая строго дозированное напряжение, можно получить определенную силу, действующую на определенном плече, т.е. строго дозированный дополнительный момент.

Система обратной связи парирует дополнительный момент и по току обратной связи можно судить о величине момента, развиваемого датчиком момента прибора. Отличие величины тока обратной связи, определенной при изготовлении прибора и при очередной калибровке его в изделии, свидетельствует о той поправке, которую необходимо ввести в БЦВМ и учесть в полетном задании. Таким образом, предлагаемое конструктивное решение обеспечивает повышение точности акселерометра за счет калибровки его без съема с изделия в условиях Земли, а также в условиях невесомости.

На фиг.1 изображен общий вид описываемого устройства, на фиг.2 - вид центральной пластины, а на фиг.3 - вид боковых пластин.

Чувствительный элемент акселерометра включает центральную кварцевую пластину 1, которая с помощью утоненных перемычек 2 образует упругий подвес маятника 3. На маятнике 3 укреплены катушки датчика момента 4, магниты и магнитопроводы которого 5 расположены на неподвижных боковых пластинах 6 и 7. Зазор между пластинами образуется с помощью выступов (платиков) 8, находящихся на опорном (неподвижном) кольце центральной кварцевой пластины. Каждая из боковых пластин имеет по три изолированных друг от друга металлизированных участка. Участки 9 и 10, как и ранее по основному изобретению, служат для подачи питания на датчик положения и в качестве емкостного датчика положения соответственно.

Дополнительные участки 11 на боковых пластинах и 12 на центральной пластине служат для создания калибровочной силы притяжения центральной пластины (маятника) к боковой и, тем самым, дозированного момента, действующего на маятник 3 относительно оси его подвеса 2. По одной из упругих перемычек (на обе упругие перемычки из кварца напылен металлизированный слой) подается питание на обмотку датчика момента, по другой - питание на дополнительно введенные металлизированные площадки. Обратная сторона пластин имеет зеркальное отображение металлизированных участков, указанных на фиг.2.

Акселерометр работает следующим образом. При подаче на указанные участки 11 и 12 одной из боковых пластин 6 или 7 и центральной пластины 3 разноименного напряжения, на поверхностях этих участков возникают разноименные заряды. В результате взаимодействия этих зарядов возникает сила, стремящаяся сблизить упомянутые участки и используемая при калибровке.

Создавая в эксплуатации калибровочные силы подачей тарированного постоянного напряжения, определяют систематические значения величин масштабного коэффициента и уводящего момента на момент проверки. Разница значений упомянутых величин, полученных в эксплуатации на момент проверки, и значений, полученных на заводе-изготовителе (или на предыдущий калибровке) позволяет определить фактическое изменение величин систематических составляющих погрешности и внести в БЦВМ соответствующую поправку. Все это возможно без снятия прибора с изделия как в условиях Земли, так и в условиях невесомости.

Использование изобретения позволит повысить точность выходных параметров акселерометров за счет калибровки, достигаемой с помощью введенных в акселерометр дополнительных металлизированных площадок, не менее чем в 2 раза, так как полностью исключается погрешность изменения систематических составляющих погрешности, составляющей от 50 до 70% суммарной погрешности прибора.

Формула изобретения

Акслерометр по авт. св. №1840378, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в нем дополнительно выполнены металлизированные площадки, например, в форме сегментов, расположенные диаметрально противоположно подвесу на подвижной части центральной пластины и на боковых неподвижных пластинах и обращенные соответственно друг к другу, при этом высота сегментов составляет от 1/4 до 1/3 диаметра подвижной части центральной пластины.

РИСУНКИ