Сверхпроводящий высокотемпературный акселерометр-гравиметр

 

Использование: в прецизионном приборостроении. Сущность изобретения: для уменьшения энергозатрат и повышения точности предлагается по оси чувствительности прибора над высокотемпературным диском поместить постоянный магнит, обращенный к взвешенному постоянному магниту противоположным полюсом. Постоянный магнит создает силу, притягивающую взвешенный магнит, т.е. компенсирующую постоянную составляющую силы. Для полной компенсации этот магнит перемещают над диском до достижения нулевого положения взвешенного магнита и закрепляют в этом положении. 1 ил.

Изобретение относится к прецизионному приборостроению и может быть использовано при создании криогенных высокотемпературных сверхпроводящих чувствительных элементов, предназначенных для использования в навигационных системах и системах управления движущимися объектами.

Известен акселерометр, содержащий корпус, инерционную массу в виде цилиндрического постоянного магнита, установленного в центрирующем подвесе, систему обратной связи, включающую датчик положения, усилитель обратной связи, катушку постоянного магнитного поля.

Недостатком известного акселерометра является то, что при наличии постоянной составляющей ускорения, например силы тяжести, она компенсируется током, который течет через усилитель обратной связи. Это приводит к лишним энергозатратам, снижению точности, так как ток, соответствующий постоянной составляющей (например, ускорению силы тяжести), большой, его надо удерживать строго постоянным и на его фоне плохо видны небольшие изменения ускорения.

Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат и повышение точности устройства при работе с большой постоянной составляющей ускорения (например, ускорением силы тяжести).

Указанный результат достигается тем, что в высокотемпературный акселерометр дополнительно введен постоянный магнит, установленный над диском из высокотемпературного сверхпроводника, со стороны, противоположной взвешенному постоянному магниту, и обращенный к взвешенному постоянному магниту противоположным полюсом.

На чертеже изображена упрощенная схема сверхпроводящего высокотемпературного акселерометра-гравиметра с магнитом, расположенным над диском из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП).

Герметичный корпус прибора 1 одновременно является магнитным экраном, он изготавливается, например, из высокотемпературного сверхпроводника, помещен в криостат системы охлаждения (не показано), обеспечивающий охлаждение прибора до температуры жидкого азота (77 К). Внутри прибора создан вакуум. В корпусе 1 установлены жестко связанные с ним: диск 2 из высокотемпературного сверхпроводника, например, YBa₂Cu₃O₇ с критической температурой выше 77 К; цилиндрическая катушка 3, соосная с диском 2 и установленная на диске 2; цилиндрическая катушка 4 переменного магнитного поля, соосная диску, внутри которой установлен диск 2; пружина 5 системы центрирования, на которой в центре соосно диску закреплен взвешенный магнит 8; постоянный цилиндрический магнит 6, установленный соосно диску, например, внутри катушки 3; электрод 7 датчика системы съема информации.

Между диском 2 и электродом системы съема информации 7 взвешен постоянный цилиндрический магнит 8 из высококоэрцитивного сплава, например Nd-Fe-B или Sm-Co.

Вне системы охлаждения установлен усилитель 9 обратной связи, на выходе которого включено сопротивление 10, с которого снимается информация о действующем ускорении.

Вход усилителя 9 соединен с электродом 7, а выход через сопротивление 10 с цилиндрической катушкой 3.

Пружина 5 системы центрирования имеет малую жесткость вдоль оси чувствительности. Она может быть изготовлена в виде сложенной консольной пружины из тонкого листа фосфористой или бериллиевой бронзы.

В качестве пружины 5 могут быть использованы "отрицательные пружины" для уменьшения жесткости акселерометров вдоль оси чувствительности.

В качестве системы центрирования, обеспечивающей малую жесткость вдоль оси чувствительности, может быть использована система электростатического центрирования, содержащая две пары диаметрально расположенных вокруг взвешенного цилиндрического магнита электродов и усилителей обратной связи вне корпуса 1.

В предложенном акселерометре-гравиметре вместо изображенного на чертеже емкостного датчика (электрод 7) может быть установлен бесконтактный датчик другого типа, например оптический.

Усилитель обратной связи 9 может быть размещен внутри герметичного корпуса 1.

Герметичный корпус 1 может охватывать только магнит 8 и электрод 7.

Система охлаждения может охлаждать только диск 2 из высокотемпературного сверхпроводника.

Акселерометр-гравиметр работает следующим образом.

Предварительно перед герметизацией корпуса 1 охлаждают диск 2 до температуры жидкого азота, включают переменный ток в катушку 4 и устанавливают магнит 6 так, чтобы постоянный цилиндрический магнит 8 висел примерно в середине между диском 2 и электродом 7. Это положение принимается в дальнейшем за нулевое положение взвешенного магнита 8. Герметизируют корпус 1. Прибор в корпусе 1 помещают в криостат системы охлаждения, заполненный жидким азотом, и охлаждают до температуры сверхпроводимости высокотемпературного сверхпроводника. Включают переменный ток в катушку 4 переменного магнитного поля. Включают усилитель обратной связи и подключают к его выходу нагрузку, эквивалентную катушке 3 (катушку 3 перед этим отключают от выхода усилителя). Регулируя элементы на входе усилителя 9 (например, плечи емкостного моста, в одно из плеч которого включен электрод 7), добиваются на выходе тока, равного нулю. В это время измеряют (или записывают, если это известно) ускорение силы тяжести в данной точке с нужной точностью. Отключают эквивалентную нагрузку и подключают катушку 3 к выходу усилителя обратной связи. Прибор готов к работе. На выходе усилителя, на сопротивлении 10 падение напряжения будет пропорционально переменной составляющей ускорения.

Для получения абсолютного ускорения необходимо к ускорению силы тяжести прибавить (или отнять) переменную составляющую измеренного ускорения.

Рассмотрим теперь реализацию предложенного технического решения.

Известно, что обычный магнитный подвес, например, постоянного магнита в поле другого постоянного магнита неустойчив. Магниты или притягиваются друг к другу, или отталкиваются. Введение ВТСП между постоянными магнитами обеспечивает устойчивость подвеса одного магнита в поле другого.

Поэтому установка дополнительного постоянного магнита 6 над диском из высокотемпературного сверхпроводника 2 не нарушит устойчивости взвешенного постоянного магнита 8, только добавит ему силу притяжения, компенсирующую действие постоянной составляющей ускорения.

При изменении магнитного поля внутри контуров (например, за счет приближения или удаления одного магнита от другого) в них изменяется ток, взаимодействие которого с магнитным полем создает силу, стремящуюся сохранить положение магнитов друг относительно друга неизменным.

Компенсация постоянной составляющей ускорения производится изменением расстояния между постоянными магнитами путем, например, установки немагнитных прокладок между диском 2 и постоянным магнитом 6.

Предложенный сверхпроводящий высокотемпературный акселерометр удобно использовать в качестве гравиметра для измерения отклонения ускорения силы тяжести от измеренного ускорения силы тяжести.

Формула изобретения

Сверхпроводящий высокотемпературный акселерометр-гравиметр, содержащий корпус, инерционную массу в виде цилиндрического постоянного магнита, установленного в центрирующем подвесе, систему обратной связи, включающую датчик положения, усилитель обратной связи, катушку постоянного магнитного поля, отличающийся тем, что в него введены сверхпроводящий высокотемпературный диск, катушка переменного магнитного поля и дополнительный постоянный магнит, при этом сверхпроводящий высокотемпературный диск установлен внутри катушки перенного магнитного поля соосно с цилиндрическим постоянным магнитом, катушка постоянного магнитного поля и дополнительный постоянный магнит установлены над диском соосно с ним со стороны, противоположной цилиндрическому постоянному магниту, причем дополнительный и цилиндрический постоянные магниты обращены друг к другу противоположныи полюсами.

РИСУНКИ

Рисунок 1