Молекулярно-электронный акселерометр

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорения и может быть использовано в качестве первичного преобразователя в системах инерциальной навигации и сейсмометрии. Молекулярно-электронный акселерометр содержит диэлектрический корпус с двумя параллельными неподвижными электродами и третий подвижный электрод, установленный между неподвижными электродами. Подвижный электрод посредством упругих подвесов связан с жесткой рамкой, вмонтированной в корпус. Все электроды находятся в контакте с электропроводящей жидкостью, которая заполняет полость корпуса, и имеют внешние электрические выводы. Техническим результатом является уменьшение значения погрешности измерения ускорения, а также обеспечение широкого диапазона измерения ускорения при сохранении высокой чувствительности преобразователя во всем диапазоне измерения ускорения. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам для измерения ускорения, и может быть использовано в качестве первичного преобразователя в системах инерциальной навигации и сейсмометрии.

Известен датчик ускорения с несколькими электродами, которые погружены в токопроводяшую жидкость, используемую в качестве чувствительного к ускорению элемента. Указанные электроды и токопроводящая жидкость находятся в закрытом контейнере, который является общим электродом. При этом контейнер частично заполнен токопроводящей жидкостью (Пат. Германии 4025784 МПК G01C 9/06; G01C 9/20; G01P 1/00; G01Р 15/125. Датчик обнаружения ускорения или наклона автомобиля/Geisel Volker. - №DE 19904025184; заявл. 09.08.1990; опубл. 20.02.1992).

В данном датчике чувствительным к ускорению элементом является токопроводящая жидкость, частично заполняющая контейнер, т.е. датчик ускорения может функционировать, только находясь в поле тяготения, при этом вектор измеряемого ускорения должен быть нормален к вектору ускорения свободного падения, что является недостатком указанного датчика.

Известен молекулярно-электронный преобразователь параметров движения, содержащий корпус, частично заполненный электролитом, измерительные электроды, расположенные в корпусе по вертикали, попарно в диаметрально противоположных концах корпуса, и общий противоэлектрод, образующие совместно с электролитом окислительно-восстановительную систему. В преобразователь введен цилиндр, закрепленный посредством упругого подвеса в корпусе с зазором относительно его стенок (А.с. СССР 1103153 МКИ G01P 15/08. Молекулярно-электронный преобразователь параметров движения / А.И.Желонкин, Ю.Н. Осипов. - №3385086/18-10; заявл. 18.01.82; опубл. 15.07.84).

Недостатком данного молекулярно-электронного преобразователя является частичное заполнение его электролитом. При изменении температуры уровень электролита будет меняться вследствие объемного расширения жидкости, что приведет к изменению выходного сигнала и, как следствие, к погрешности в измерении ускорения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является акселерометр, представленный на фиг.1 (Пат. Нидерландов №6913191, МПК G01P 15/08, H01G 3/04. Акселерометр/Verhagen С.М. - 19690013191; заявл. 28.08.1969). Акселерометр содержит диэлектрический корпус 1, заполненный электролитом 2, два параллельных плоских электрода 3, которые представляют собой торцевые стенки корпуса, и третий упругий электрод 4, который устанавливается между двумя плоскими электродами 3 и находится в контакте с электролитом 2. Каждый из электродов имеет вывод 5.

В описании данного акселерометра заявлено, что электрическое поле в электролите является однородным, что обеспечивает высокую степень линейности преобразования ускорения в электрический выходной сигнал. В соответствии с теорией электромагнитного поля у однородного электрического поля силовые линии параллельны, имеют одинаковую плотность и направление (Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. 2-е изд. - М.: Мир, 1985. - С.324). При отсутствии воздействия на акселерометр сил инерции F_ин, когда электроды 4 и 3 параллельны, силовые линии 6 не деформированы и электрическое поле является однородным. При воздействии на акселерометр ускорения а (фиг.2) на упругий электрод 4 воздействует сила инерции F_ин, под действием которой он деформируется и приобретает форму криволинейной поверхности. Это нарушает параллельность силовых линий 6, что делает поле неоднородным, а следовательно, нарушает линейность преобразования ускорения в электрический выходной сигнал. При увеличении значения измеряемого ускорения увеличивается кривизна поверхности упругого электрода 4, что приводит к большей неоднородности электрического поля (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. Вузов. - 8-е изд., перераб. и доп. - М: Высш. шк., 1986. - С.52) и уменьшению линейности преобразования. Таким образом, для сохранения приемлемой линейности преобразования приходится уменьшать диапазон измерения ускорения. Попытка автора расширить диапазон изменения ускорений за счет применения упругого электрода 4 с большей жесткостью приводит к снижению чувствительности акселерометра и делает невозможным измерение малых значений ускорения. Следовательно, недостатками данного изобретения являются зависимость линейности преобразования от измеряемого ускорения, ограниченный диапазон измерения ускорения для получения приемлемой линейности преобразования, либо снижение чувствительности преобразователя при расширении диапазона измерения ускорения.

Задачей заявляемого изобретения является уменьшение значения погрешности измерения ускорения за счет высокой линейности преобразования ускорения в электрический выходной сигнал, а также обеспечение широкого диапазона измерения ускорения при сохранении высокой чувствительности преобразователя во всем диапазоне измерения ускорения.

Поставленная задача решается тем, что молекулярно-электронный акселерометр содержит диэлектрический корпус с двумя параллельными неподвижными электродами и третий подвижный электрод, установленный между неподвижными электродами. Все электроды находятся в контакте с электропроводящей жидкостью, которая заполняет полость корпуса, и имеют внешние электрические выводы. Отличием от прототипа является то, что подвижный электрод посредством упругих подвесов связан с жесткой рамкой, вмонтированной в корпус. Кроме того, отношение значений расстояния между подвижным и неподвижным электродами к значению диаметральных размеров всех электродов находится в диапазоне от 1:80 до 1:110. В подвижном электроде могут быть выполнены отверстия для снижения гидравлического сопротивления перетеканию электропроводящей жидкости. Предпочтительным материалом для изготовления диэлектрического корпуса является вакуум-плотная керамика. В качестве электропроводящей жидкости используют раствор ионофора в жидком органическом растворителе с числами переноса катиона и аниона 0,5.

Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурами.

На фиг.1 представлен акселерометр, взятый за прототип, в статичном состоянии;

на фиг.2 представлен акселерометр, взятый за прототип, при воздействии на него сил инерции;

на фиг.3 представлен заявляемый молекулярно-электронный акселерометр в статичном состоянии;

на фиг.4 представлен заявляемый молекулярно-электронный акселерометр при воздействии на него сил инерции.

Молекулярно-электронный акселерометр содержит диэлектрический корпус 7, заполненный электропроводящей жидкостью 8, два параллельных неподвижных электрода 9, подвижный электрод 10. Значение диаметров всех трех электродов одинаково. Подвижный электрод 10 связан посредством упругих подвесов 11 с жесткой рамкой 12, которая в свою очередь вмонтирована в корпус 7. Все электроды имеют внешние выводы 13. Соотношение расстояния между подвижным и неподвижными электродами L и диаметром D всех электродов находится в диапазоне от 1:80 до 1:110.

С увеличением значения межэлектродного расстояния L (при отношении L:D больше чем 1:80) проявляются краевые эффекты, т.е. сказывается влияние поля вне межэлектродного пространства.

С увеличением значения диаметра D (при отношении L:D меньше чем 1:110) возрастает значение гидравлического сопротивления перетеканию электропроводящей жидкости 8 в межэлектродных пространствах, что увеличивает значение динамической погрешности акселерометра.

В процессе изысканий по теме заявляемого изобретения опытным путем было установлено, что оптимальное отношение L:D равно 1:100.

Для снижения гидравлического сопротивления в подвижном электроде возможно наличие отверстий, что приводит к увеличению быстродействия акселерометра и, как следствие, снижению динамической погрешности измерения.

В качестве материала для диэлектрического корпуса выбрана вакуум-плотная керамика, так как значение температурного коэффициента линейного расширения керамики позволяет минимизировать изменение межэлектродного расстояния L при изменении температуры, что необходимо для обеспечения приемлемого значения температурной погрешности.

Кроме того, вакуум-плотная керамика позволяет проводить заполнение полости корпуса электропроводящей жидкостью в вакууме и исключает проникновение газов в полость в процессе эксплуатации с целью обеспечения временной стабильности.

Предпочтительной электропроводящей жидкостью является раствор ионофора в жидком органическом растворителе с числами переноса катиона и аниона 0,5, так как температурная зависимость электрических характеристик подобных растворов позволяет добиваться приемлемой температурной погрешности.

Молекулярно-электронный акселерометр работает следующим образом. При воздействии на акселерометр ускорения а на подвижный электрод 10 действует сила инерции F_ин, под действием которой деформируются упругие подвесы 11. В результате подвижный электрод 10 смещается в направлении действия силы инерции F_ин параллельно неподвижным электродам 9. При этом происходит изменение межэлектродных расстояний L₁, L₂ (фиг.4), что приводит к изменениям электрических свойств соответствующих объемов электропроводящей жидкости в межэлектродных пространствах. Измененные свойства электропроводящей жидкости вызывают разнонаправленные изменения электрических сигналов между выводами 13 подвижного 10 и неподвижных 9 электродов. Разнонаправленное изменение электрических сигналов линейно пропорционально значению измеряемого ускорения.

Заявляемая конструкция молекулярно-электронного акселерометра позволяет обеспечить линейность преобразования измеряемого ускорения в электрический выходной сигнал за счет того, что в процессе измерения ускорения все электроды остаются параллельными, т.е. однородность электрического поля не нарушается.

1. Молекулярно-электронный акселерометр, содержащий диэлектрический корпус, полость которого заполнена электропроводящей жидкостью, два неподвижных параллельных электрода с внешними выводами и третий подвижный электрод с внешним выводом, установленный между неподвижными электродами, отличающийся тем, что подвижный электрод посредством упругих подвесов связан с жесткой рамкой, вмонтированной в корпус.

2. Молекулярно-электронный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что отношение значений расстояния между подвижным и неподвижными электродами к значению диаметральных размеров электродов находится в диапазоне от 1:80 до 1:110.

3. Молекулярно-электронный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что в подвижном электроде выполнены отверстия.

4. Молекулярно-электронный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что материалом корпуса является вакуум-плотная керамика.

5. Молекулярно-электронный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве электропроводящей жидкости используют раствор ионофора в жидком органическом растворителе с числами переноса катиона и аниона 0,5.