Акселерометр

 

и Ы.

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕ1ЕЙИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ п1 560ISI

Союз Соаетсних

Социалистических

Реслублик (61) Дополнительное к авт. свпд-ву (22) Заявлено 14.10.75 (21) 2180728/10 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 30.05.77. Бюллетень № 20 (51) М. Кл. - б 01Р 15/08

Государственный комитет

Совета Мииистров СССР оо делам иеоеретеиий и открвпий (53) УДК 531.768(088.8) Дата опубликования описания 07.07.77 (72) Авторы изобретения

П. В. Яковлев, Ю. В. Пашкин, Ю. А. Абрамов и P. В. Александров (71) Заявитель (54) АКСЕЛЕРОМЕТР

Изобретенпе относичся к области приборостроения и может быть использовано в инерциальных навигационных системах в качестве датчика первичной информации об ускоренном движении объекта, в качестве датчика систем коррекции гироскопических устройств и в качестве гравиметра — прибора для измерения ускорения силы тяжести.

Известны акселерометры с жидким чувствительным элементом (1). Они представляют собой полый цилиндрический сосуд, приводимый во вращение двигателем вокруг полярной оси. Сосуд частично заполняется однородной жидкостью или двумя несмешивающимися между собой жидкостями с различными плотностью и степенью прозрачности. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является акселерометр, содержащий полый цилиндрический сосуд, выполненный из прозрачного материала и приводимый во вращение электрическим двигателем вокруг его продольной оси. Внутренняя полость сосуда заполнена двумя несмешивающимися между собой жидкостями различной плотности, причем более плотная жидкость обязательно должна быть прозрачной, менее плотная — непрозрачной (2).

Для получения информации о величине и знаке ускорения применяется достаточно точньтй фотоэлектрический способ, основанный на использовании теневой проекции параболоида вращения (поверхности раздела между двумя жидкостями) на плоскость расположения фотоэлектрических приемников.

При изменении объема прозрачной жидкости в результате изменения температуры точность прибора падает. Поэтому прибор должен иметь систему терморегулирования, что усложняет устройство и уменьшает его надежность.

Для увеличения диапазона измеряемых ускорений при данной скорости вращения необходимо увеличивать радиус внутренней полости сосуда и уменьшать его высоту. Изменение размеров в указанном направлении нежелательно, поскольку это может привести к Iloтере устойчивости системы.

Чтобы увеличить диапазон измеряемых ускорений, следует повышать скорость враще20 пия сосуда. Это приводит к снижению чувствительности прибора. Таким образом, возможности такого акселерометра в отношении увеличения диапазона измеряемых ускорений огр анпчены.

2:> Цель изобретения — повышение чувствителbHoñòè и расширение диапазона измеряемых ускорений.

Поставленной цели достигают тем, что внутреннюю полость сосуда выполняют в виде эл30 липсоида вращения, более плотная жидкость

560181 непрозрачна, менее плотная — прозрачна и имеет одинаковый с материалом сосуда показатель преломления.

На чертеже схематично показан акселерометр, общий вид.

Акселерометр содержит полый сосуд 1 из прозрачного материала (сосуд можно изготовить из половин, которые затем склеить между собой). Внутренняя полость сосуда 2 выполнена в виде эллипсоида вращения. Система координат жестко связана с сосудом, ее начало совпадает с центром эллипсоида вращения.

Верхняя и нижняя части эллипсоида вращения могут быть срезаны (поверхность 3 в этом случае плоская). В нижней части сосуда укреплен упругий компенсационный элемент ч, который отделяет верхнюю (рабочую) часть внутренней полости сосуда от полости

5, заполненной газом. Наружная поверхность сосуда может быть выполнена цилиндрической. На ней в районе рабочей зоны наносят модуляционный рисунок Ь в виде чередуюшихся между собой прозрачных и непрозрачных темных полос. Сосуд укрепляют в оправах 7 и 8, имеющих полуоси 9 и 10, установленные в подшипниковых узлах 1 и 12, укрепленных в корпусе прибора.

Внутреннюю рабочую полость сосуда полностью заполняют двумя несмешивающимися и не вступающими в химическое взаимодействие между собой и материалом сосуда жидкостями различной плотности. Ьолее плотную жидкость (рабочую) выбирают непрозрачной (например, ртуть), менее плотную жидкость (вспомогательную) — прозрачной (например, вода) . Показатели преломления материала сосуда и прозрачной жидкости выбирают равнымии.

В исходном положении прибора рабочая жидкость занимает нижнюю часть сосуда, а вспомогательная — верхнюю (в условиях невесомости жидкости могут располагаться произвольно), Упругий элемент 4 служит для компенсации изменения объема жидкостей при изменении температуры. Сосуд приводится вокруг оси Х, совпадающей с полуосями оправ, электродвигателем (на чертеже не показан) с угловой скоростью а (ось Х вЂ” ось чувствительности акселерометра).

Коллиматор 13, укрепленный в корпусе прибора, создает световой поток Ф параллельных лучей. Высота пучка равна высоте модуляционного рисунка.

Поток Ф направлен на сосуд сбоку таким образом, что он проходит через сосуд, когда падает на прозрачную полосу модуляционного рисунка, и задерживается сосудом, когда падает на темную полосу, т. е. каждой прозрачной полосе с одной стороны сосуда соответствует прозрачная полоса с противоположной стороны сосуда, и каждой непрозрачной полосе с одной стороны сосуда соответствует непрозрачная полоса с другой стороны

Ы сосуда. С противоположной по отношению к коллиматору стороны сосуда в корпусе прибора укреплен фотоприемник 14, который может содержать или один площадной светочувствительный слой, или два светочувствительных элемента 15 и 1б, соединенных между собой электрически по дифференциальной схеме. В первом случае верхняя половина модуляционного рисунка смещается относительно нижней на ширину одной полосы.

Прибор работает следующим образом.

При вращении ротора двигателя вращается сосуд и находящиеся в нем жидкости, увлекаемые во вращательное движение силами вязкого трения.

В результате возникшего поля центробежных сил рабочая жидкость (более плотная) отбрасывается к периферийной части внутренней полости сосуда, вытесняя вспомогательную жидкость к центральной зоне (известный эффект центрифугирования). В установившемся режиме (при равномерном вращении сосуда) жидкости вращаются с той же скоростью, что и сосуд, при этом рабочая жидкость принимает форму кольца, внутри которого и в остальной части сосуда находится вспомогательная жидкость. Если ускорение

+ + движения прибора j = О (в дальнейшем под j понимается кажущееся ускорение, которое измеряют все акселерометры, в земных условиях при совпадении оси Х с вертикалью места

j = — g где g — ускорение силы тяжести; случай j = О соответствует невесомости), то края жидкостного кольца располагаются симметрично относительно оси ОУ на расстоянии

+6 от начала координат.

При ускорении движения j = 0 в силу закона инерции жидкостное кольцо смещается по отношению к сосуду в сторону, противоположную ускорению, на некоторое расстояние, вытесняя при этом часть вспомогательной жидкости в сторону ускорения. Чем больше ускорение, тем на большее расстояние перемещается кольцо. В случае перемены знака ускорения кольцо по отношению к сосуду смещается в противоположном направлении. Таким образом, измеряя положение жидкостного кольца относительно сосуда, можно определить величину и знак ускорения.

Измерение смещения кольца относительно сосуда осуществляется фотоэлектрической системой съема информации, которая, работая

«на просвет», определяет часть светового потока, задержанного непрозрачным жидкостным кольцом.

Для повышения точности съема информации осуществляют модуляцию светового потока с помощью модуляционного рисунка, нанесенного на внешней поверхности сосуда таким образом, что при вращении сосуда свет от коллиматора пропускается через сосуд не постоянно, а периодически (период определя560181 (2) 4 ba a3 — по.

3 а (3) (4) д ад bã„a

Jmax:—: э ga (6) ется суммарной широтой прозрачной и темной полос, числом полос, скоростью вращения сосуда). При этом дальнейшее усиление сшнала фотоприемником ведется на переменном токе.

Для предотвращения отклонения световых лучей в плоскости ХОУ показатели преломления вспомогательной жидкости и материала сосуда выбирают равными. В качестве материала сосуда могут использоваться различные сорта оптического стекла, различного рода прозрачные пластмассы, а также ряд естественных или искусственных кристаллов.

Световые потоки, пройдя через сосуд, попадают в фотопр нем ник, светочувствительный слой которого располагается в фокальной плоскости линзы — сосуда. При этом происходит преобразование световой энергии потока в электрическую.

Если фотоприемник содержит два фотоэлемента, то для измерения разности световых потоков, попадающих на них, достаточно соединить их по дифференциальной схеме.

Дифференциальное уравнение гидростатики

Эйлера показывает, что внутренняя поверхность рабочей жидкости представляет собой параболоид вращения (факт хорошо извест— > ный), за исключением случая 1 = О, когда параболоид вращения вырождается в цилиндр. Можно показать, что верхняя граница (координата Хг) и нижняя граница (координата Хд) жидкостного кольца определяются выражениями где ho — половина высоты жидкостного

> кольца при 1 = О.

Объем рабочей жидкости в сосуде связан с соотношением

Из выражений (1) и (2) находим

h = A, — Х, =- 2hÄ.

Р-:-Х,+Х,= — 2 /.

Полагая. что при

Н

J — Jmax

2 из выражения (2) определяем

Соотношение (6) определяет диапазон измеряемых ускорений. г1е изменяя габариты прибора и скорость вращения сосуда, можно увеличить диапазон измеряемых ускорений, уменьшая ho (объем рабочей жидкости в сосуде) .

Полученные аналитические зависимости полностью определяют геометрию устройства.

Из выражения (4) следует, что при изме10 ненни ускорения жидкостное кольцо, смещаясь в ту или иную сторону, деформируется так, что высота его остается неизменной. Таким образом, жидкостное кольцо с внутренней стороны имеет поверхность параболоида враще15 ния, а с внешней стороны — эллипсоид вращения. Прп изменении ускорения высота кольца остается неизменной, а толщина его изменяется (чем дальше кольцо находится от нулевого положения, тем оно толще) .

20 Из выражения (5) следует, что чувствительность (коэффициент передачи) предлагаемого прибора К, определяется формулой

К,=-2 (7) 25 из которой видно, что чувствительность постоянная во всем диапазоне измеряемых ускорений (не зависит от j) и при данной скорости вращения сосуда может быть изменена в весьЗЗ ма широком диапазоне.

При а = b = R, т. е. сосуд — сфера, К,=— шг

Уменьшая малую ось эллипсоида (Ь), можно получить сколь угодно высокую чувствиЗ5 тельHîñòü, не увели tèâèÿ габариты измерителя.

Формула изобретения.40 Акселерометр, содержащий приводимый во вращение полый сосуд, выполненный из прозрачного материала и заполненный двумя несмешивающимися между собой жидкостями различной плотности, и фотоэлектрическую

45 систему съема информации, о тл и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения диапазона измеряемы.; ускорений, внутренняя полость сосуда выполнена в виде эллипсоида вращения, более плот50 ная жидкость непрозрачна, менее плотная— прозрачна (например, ртуть — глицерин) и имеет одинаковый с материалом сосуда показатель преломления.

Источники информации, прпнятыс во внп55 мание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР ¹ 415583, кл. G 01P 15j08, 1972.

2, Авторское свидетельство СССР ¹ 479034, кл. G 01P 15/08, 1973.

560181

Составитель В. Со".îìàòîâ

Тс.;рсд Л. Денис!!ин.! (сдактор Т. Рыоалова (торре!!тор Е, Хмелева

Тпнографп!!, пр. Сапунова, 2

3ñ! ë r.! 1 iG2// И;! ": -170! Тпракк 1106 Г!одппспос

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Мое);ва, 1 -35, Раугпская наб., и. 4!5