Инерционный датчик ускорения и скорости "идус

 

О П И С А Н--И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ (F1165ÎÎ! 7

Союз Советских

Социалистичесних

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 10.10.75 (21) 2179948/18-10 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 28.02.79. Бюллетень № 8 (45) Дата опубликования описания 28.02.79 (51) М. К, G 01Р 15/00

Государственный комитет (53) УДК 531.768 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

П. В. Модерау и В. В. Коваленко (71) Заявитель

Челябинский политехнический институт имени Ленинского комсомола (54) ИНЕРЦИАЛЪНЪ|Й ДАТЧИК УСКОРЕНИЯ И СКОРОСТИ

«ИДУС»

Изобретение относится к инерциальным чувствительным элсментам приборов, автономно измеряющих кажущуюся скорость и ускорение движения объекта, и может быть использовано в системах управления летательными аппаратами или в устройствах автоматики, а также в качестве прецизионного уровнемера (датчика горизонта).

Известные устройства аналогичного назначения — акселерометры различных типов и конструкций основаны на измерении (прямым или косвенным методом) силы, удерживающей чувствительную массу (чувствительный элемент устройства) в отклоненном положении или величины отклонения чувствительной массы (1). Для повышения чувствительности стремятся различными способами уменьшить трение в подвесе чувствительной массы, используя, в частности, опоры с газовой смазкой.

Наиболее близким по технической сущности является акселерометр, в котором для подвеса его чувствительной втулки используется гладкая газодинамическая цилиндрическая опора (2). Основными недостатка- 25 ми его являются необходимость измерения малого линейного перемещения (осевого смещения втулки) с высокой точностью; погрешности схемы съема выходного сигнала, обусловленные нестабильностью постоянных магнитов и напряжения питания, температурными изменениями параметров электрических цепей и т. д.; наличие специального механизма торможения чувствительной втулки в ее вращении относительно продольной оси для обеспечения реализации и функционирования ее газодинампческого подвеса; наличие специальной электронной схемы управления для создания электромагнитной восстанавливающей (компенсирующей) силы, которой присущи все недостатки, аналогичные недостаткам цепи съема сигнала; взаимное влияние схем съема выходного сигнала и создания компенсирующей силы, существенно увеличивающее погрешности прибора в целом.

Цель изобретения — увеличение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что газодинамические опоры выполняют в виде неподвижного стакана и подвижного, соединенного с ротором двигателя, а в качестве датчика положения чувствительного элемента использован датчик параметров его в р а ще ни я.

На фиг, 1 — 3 показан предлагаемый датчик.

Инерциальный датчик ускорения и скорости состоит из корпуса 1 с размещенными в нем чувствительной массой 2, подве650017 шенной в двух совмещенных газодинамических опорах, образованных неподвижным

3 и подвижным 4 стаканами, и напрессованных на ось подвижного стакана ротора электродвигателя 5 и диска б с прорезями, а также устройства съема и обработки выходного сигнала, имеющего в своем составе источник 7 света, фотоприемники 8, 9, призмы 10, 11, 12 и схему 13 сравнения количества импульсов с вычислителем 14.

Чувствительная масса 2, выполненная в данном варианте в виде сплошного диска с центральной цилиндрической втулкой, имеет на внешних цилиндрических поверхностях втулки спиральные микроканавки (элементы профилированной радиальной газодинамической опоры), обозначенные пунктиром, а на ободе диска — сквозные прорези (радиальные щели) — элементы оптического (в данном варианте) датчика угловой скорости вращения чувствительной массы 2 вокруг оси (чувствительности) х — х,.

Подвес чувствительной массы 2, образованный двумя совмещенными газодинамическими опорами, выполненными в виде неподвижного и подвижного (вращающегося) стаканов 3 и 4, на торцовых опорных поверхностях которых также нанесены спиральные микроканавки — элементы торцовой газодинамической опоры. Он служит для выполнения функций собственно подвеса чувствительной массы 2 с минимальным трением (вязкостным, так как сухое трение в опорах с газовой смазкой отсутствует полностью) в направлении оси чувствительности Х вЂ” Х> и центрирования ее в исходном (нулевом) положении; для приведения чувствительной массы 2 во вращение вокруг оси Х вЂ” Х со скоростью, зависящей от смещения чувствительной массы от ее нулевого (исходного) положения в направлении этой оси; для создания восстанавливающей (компенсирующей) силы, действующей на чувствительную массу в отклоненном положении (например, при ускоренном движении прибора вместе с объектом, на котором он установлен, в направлении оси чувствительности Х вЂ” X> и стремящейся вернуть ее в исходное (нулевое) положение.

Диск б с прорезями — элементами оптического датчика угловой скорости вращения подвижного стакана 4 — такими же, как и на ободе диска чувствительной массы 2, напрессован на ось подвижного стакана 4,приводом которого служит электродвигатель 5.

При подаче питания на электродвигатель

5 приводится во вращение подвижной стакан 4, увлекая за собой чувствительную массу 2, тормозящуюся с другой стороны неподвижным стаканом 3 и имеющую поэтому скорость вращения, меньшую скорости вращения подвижного стакана 4. Воз5

4О

65 никающие при этом реакции в смазочных (газовых) слоях совмещенных газодинамических опор со спиральными канавками подвижного и неподвижного стаканов обусловливают всплытие и центрирование в подвесе чувствительпои массы 2 и дальнейшее вращение ее под действием силы вязкого трения вокруг оси чувствительности со скоростью, которая при отсутствии кажущегося ускорсния прибора вдоль этой оси теоретически равна половине номинальной скорости вращения электродвигателя 5, поддерживаемой в дальнейшем постоянной.

В этом исходном состоянии прибора поток света источника 7, сфокусированный и направленный призмой 11 через прорези на ободе диска чувстиительнои массы 2 и далее призмой 10 в фотоприемник 8, вызывает появление на выходе последнего электрических импульсов, частота которых соответствует номинальной скорости вращения чувствительной массы.

При действии кажущегося ускорения в направлении оси чувствительности Х вЂ” Х (ускоренное движение прибора или наклон его относительно плоскости горизонта в поле тяготения) смещается чу вствительная масса 2, изменяя толщины смазочных слоев в области торцовых участков несущих поверхностей опор подвеса. Возникающее при этом нарушение соотношения сил вязкого трения на торцовых поверхностях чувствительной массы (с увеличением толщины смазочного слоя трения уменьшается и, наоборот) приводит к изменению ее скорости вращения, а следовательно и частоты электрических импульсов на выходе токоприемника 8, свидетельствуя о величине и направлении действующего ускорения. (Так, например, при действии вдоль оси

Х вЂ” X> вправо, чувствительная масса отклоняется влево; тормозящий момент, действующий на нее со стороны неподвижного стакана увеличивается, а вращающий уменьшается, снижая скорость ее вращения и частоту импульсов на выходе фотоприемника 8).

Действие кажущегося ускорения в направлении, перпендикулярном к оси чувствительности, не вызывает изменения частоты выходных импульсов, так как смещение чувствительной массы в радиальном направлении в равной степени изменяет тормозящие и вращающие силы вязкого трения на цилиндрических поверхностях газодинамических опор подвижного и неподвижного стаканов, и следовательно, не приводит к изменению скорости вращения чувствительной массы. Таким образом, важным свойством предлагаемого прибора является нечувствительность его к поперечным (перекрестным) ускорениям.

Однако нестабильность скорости вращения подвижного стакана 4 (вследствие, например, изменения частоты напряжения

650017 о питания электродвигателя 5) непосредственно вносит ошибку в его показания. Для устранения этого явления неооходимо постоянно корректировать получаемую с фотоприемника Ь информацию в зависимости от дрейфа скорости вращения электродвигателя о, что и осуществляется вторым каналом устроиства съема выходного сигнала. 110TQK света источника 7 направляется, кроме того, призмой 11 через прорези диска 6 и призму 12 в фотоприемник 9, частота импульсов на выходе которого соответствует скорости вращения электродвигателя 5. Сигнал на выходе схемы 13 сравнения, подключенной к фотоприемникам 8 и 9, несет информацию о кажущемся ускорении прибора в направлении его оси чувствительности, свободную от погрешности, обусловленной нестабильностью скорости вращения приводного двигателя.

Изменение скорости движения объекта за опредсленный промежуток времени определяют путем регистрации разности количества импульсов, поступивших на вход схемы сравнения за этот промежуток времени. В том случае для упрощения схемы сравнения число прорезей на ободах диска 6 и диска чувствительной массы 2

Э

2О

25 следует выполнять различным и таким, чтобы в исходном состоянии прибора число импульсов на выходах фотоприемников 8 и 9 (при различных скоростях вращения дисков, соответствующих исходному состоянию) было одинаковым.

Формула изобретения

Инерциальный датчик ускорения и скорости, содержащий чувствительный элемент, газодинамические опоры его подвеса, приводной двигатель и датчик положения чувствительного элемента, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности, газодинамические опоры выполнены в виде неподвижного стакана и подвижного, соединенного с ротором двигателя, а в качестве датчика положения чувствительного элемента использован датчик параметров его вращения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Никитин Е. А., Балашова А. А. Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров. M., «Машиностроение», 1969.

2. Патент CILIA Xe 3068704, кл. 73 — 516, заявл. 1960.

650017

А — А

Ч !2

Рь г.

Рыг

Редактор T. Рыбалова

Заказ 84/15 Изд. № 203 Тираж 1089 Подписное

НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений п открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2,о

72

Составитель Н. Граникова

Техред А. Камышникова

Корректоры: Л. Котова и Л. Орлова