КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к компенсационным акселерометрам с магнитоэлектрическим силовым преобразователем.

Известен акселерометр с компенсацией температурной погрешности крутизны, содержащий корпус, установленный в нем чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным цилиндричес- ким магнитом с направлением намагниченности вдоль продольной оси магнита, термокомпенсатор, состоящий из набора брусков из термомагнитного материала, расположенных в центральном отверстии магнита вдоль продольной оси [1]
Подобный термокомпенсатор конструктивно сопрягается не со всеми конструкциями магнитных систем магнитоэлектри- ческого силового преобразователя.

Термокомпенсатор иной конструкции установлен в принятом за прототип акселерометре [2]
Акселерометр содержит корпус, связанный с ним с помощью упругого подвеса чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой и плоским дисковым магнитом с диаметральным направлением намагниченности, термокомпенсатор, выполненный в виде деформируемого кольца из магнитомягкого материала, установленного в рабочем зазоре силового преобразователя, усилитель.

Недостатком такого акселерометра является температурное изменение крутизны характеристики акселерометра, вызванное неоднородными температурными деформациями установочных элементов кольцевого термокомпенсатора и силового преобразователя.

Целью изобретения является повышение точности акселерометра.

Цель достигается в компенсационном акселерометре, содержащем корпус, связанный с ним с помощью упругого подвеса чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой и плоским дисковым магнитом с диаметральным направлением намагниченности, термокомпенсатор, усилитель, тем, что термокомпенсатор выполнен в виде полоски из термомагнитного материала с направлением слоев вдоль продольной оси полоски, плоскость полоски термокомпенсатора расположена на плоской поверхности магнита, полоска термокомпенсатора и магнит выполнены с центральными установочными элементами, установлены соосно по центральным установочным элементам с возможностью углового перемещения полоски термокомпенсатора относительно магнита по его плоскости, полоска термокомпенсатора установлена своей продольной осью относительно нейтральной оси магнита под углом ϕ_к, минимальная ϕ_к.мин, и максимальная ϕ_к.макс величины которого определяются соотношениями:
ϕ_к.мин=arcsin
ϕ_к.максarcsin где α_к.мин,α_к.макс соответственно минимальное и максимальное значения температурного коэффициента магнитной индукции термокомпенсатора;
D_м диаметр магнита;
δ зазор у полюсов магнита;
b, к коэффициенты;
μ_к относительная магнитная проницаемость материала полоски термокомпенсатора;
b=sin arctg где d_к ширина полоски термокомпенсатора;
l_к длина полоски термокомпенсатора;
K где h_к толщина полоски термокомпенсатора;
h_м толщина магнита.

Выполнение термокомпенсатора в виде полоски из термомагнитного материала с направлением слоев вдоль продольной оси полоски, расположение плоскости полоски термокомпенсатора на плоской поверхности магнита обеспечивают расположение направления слоев термокомпенсатора по направлению силовых магнитных линий магнита, чем достигается шунтирование части магнитного потока магнита термокомпенсатором и изменение соотношения магнитных потоков в рабочем зазоре и термокомпенсаторе в зависимости от температуры окружающей среды.

При выполнении полоски термокомпенсатора и магнита с центральными отверстиями, установлении их соосно по центральным отверстиям с возможностью углового перемещения полоски относительного магнита обеспечивается расположение продольной оси полоски на магните в пределах, определяемых расчетными соотношениями углов относительно нейтральной оси магнита, и достигается такой баланс между изменением в зависимости от температуры окружающей среды магнитного потока в рабочем зазоре и перерас- пределяемым термокомпенсатором магнитным потоком, при котором магнитный поток в рабочем зазоре силового преобразователя остается постоянным в диапазоне рабочих температур окружающей среды. В результате осуществляется компенсация температурного изменения крутизны характеристики акселерометра, вызванного температурными изменениями свойств магнита, соответствующих температурным изменениям крутизны характеристики акселерометра, обусловленным температурными изменениями свойств термоком- пенсатора. Поэтому устраняется температурная погрешность крутизны характеристики акселерометра и повышается точность измерения ускорений.

На фиг.1 показан акселерометр, общий вид; на фиг.2, 3 показаны конструкции чувствительного элемента и магнита с термокомпенсатором; на фиг.4 изображена структурная схема акселерометра.

Акселерометр содержит корпус 1 с центральной стойкой 2 и монтажными отверстиями 3 на фланце (фиг.1). Магнитоэлект- рический силовой преобразователь имеет постоянный магнит 4, установленный на стойке 2, и кольцевую компенсационную катушку 5, прикрепленную к чувствительному элементу 6, который связан с пластиной 7 с помощью упругого подвеса. Пластина 7 закреплена на стойке 2. На магните 4 установлен термокомпенсатор 8 с отверстием 9, напротив которого расположено окно 10 в корпусе 1. На чувствительном элементе 6 расположены грузы 11,11'.

На стойке 2 корпуса 1 закреплена плата 12, на которой выполнены неподвижные электроды 13,13' емкостного датчика положения, подвижный электрод 14 которого выполнен на чувствительном элементе 6. Магнит 4, плата 12, пластина 7 прижимаются к фланцу стойки 2 и крепятся гайкой 15, навинчиваемой на концевую резьбовую часть стойки 2. Акселерометр закрыт крышкой 16. Корпус 1 и крышка 16 выполнены из магнитомягкого материала и выполняют функцию магнитопровода, по которому замыкаются силовые линии магнитного поля магнита 4. Две упругие перемычки 17 соединяют чувствительный элемент 6 с пластиной 7 (фиг.2). Оси изгиба упругих перемычек 17 образуют ось подвеса х-х чувствительного элемента 6. С помощью выполнения масс грузов 11,11' различными произведено смещение центра масс подвижной системы акселерометра от оси подвеса х-х.

Магнит 4 имеет плоскую дискообразную форму и диаметральное направление намагниченности (фиг.3). На плоской поверхности магнита 4 установлен термокомпенсатор 8. Термокомпенсатор 8 выполнен в виде полоски из термомагнитного материала, например типа ТКМ-09-1, направление его слоев совпадает с продольной осью полоски термокомпенсатора 8. Магнит 4 и полоска термокомпенсатора 8 имеет центральные установочные элементы в виде отверстий 18. При установке на стойку 2 корпуса 1 с помощью центральных установочных отверстий 18 магнит 4 и термокомпенсатор 8 располагаются соосно. При этом полоска термокомпенсатора 8 получает возможность углового перемещения относительно магнита 4. Путем захвата за поверхность отверстия 9 термокомпенсатора 8 через окно 10 корпуса 1 продольная ось полоски термокомпенсатора 8 может быть повернута и установлена под любым углом ϕ относительно центральной оси 19 магнита 4.

Структурная схема акселерометра (фиг.4) содержит чувствительный элемент 6, датчик 20 положения с электродами 13,13', 14 емкостного преобразователя, выполненного по мостовой схеме, усилитель 21 и магнитоэлектрический силовой преобразо- ватель 22.

Акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения вдоль измерительной оси акселерометра, направлен- ной по оси А корпуса 1, вследствие смещения центра масс подвижной системы акселерометра от оси подвеса х-х под действием инерционной силы F_к чувствительный элемент 6 отклоняется на небольшой угол относительно оси подвеса х-х. При этом изменяются емкости, образованные электродами 13,13', 14 и с датчика 20 положения поступает сигнал в усилитель 21, откуда после усиления и преобразования электрический сигнал постоянного тока подается в компенсационную катушку 5 силового преобразователя 22. При взаимодействии магнитного поля, создаваемого током компенсационной катушки 5, с полем в рабочем зазоре постоянного магнита 4 в силовом преобразователе 22 создается компенсационная сила F_к, возвращающая чувствительный элемент 6 в исходное положение. Сила тока, протекающего по компенсационной катушке 5, пропорциональна ускорению.

При изменении температуры окружающей среды изменяется магнитный поток в рабочем зазоре постоянного магнита 4. Поэтому компенсация одной и той же инерционной силы происходит при различных значениях тока компенсационной катушки 5, что вызывает температурную погрешность крутизны характеристики акселерометра.

При увеличении температуры окружающей среды по сравнению с номинальной рабочей температурой магнитная индукция магнита 4 уменьшается. Так как термокомпенсатор 8 шунтирует часть магнитного потока магнита 4 и при этом с увеличением температуры шунтирующее действие термокомпенсатора 8 уменьшается, то существует такое положение продольной оси полоски термокомпенсатора 8 относительно нейтральной оси 19 магнита 4, при котором наступает равенство теряемого магнитом 4 магнитного потока при повышении температуры и незашунтированного, как бы отдаваемого, магнитного потока термокомпенсатором 8. Установлением термокомпенсатора 8 направлением продольной оси полоски под определяемым расчетным соотношением углом ϕ относительно нейтральной оси 19 магнита 4 достигается компенсация температурной погрешности крутизны характеристики акселерометра.

Магнитная индукция В_м дискового постоянного магнита имеет вид:
В_м В_оsin ϕ, (1) где В_о максимальная магнитная индукция на полюсах магнита;
ϕ угол между нейтральной осью и направлением намагниченности магнита.

Магнитный поток Ф_м магнита:
Ф_м В_оh_мD_м, (2) где h_м толщина магнита;
D_м диаметр магнита;
Магнитный поток Ф_к термокомпенсатора:
Ф_к В_кh_кd_к, (3) где В_к магнитная индукция в термокомпенсаторе;
h_к толщина полоски термокомпенсатора;
d_к ширина полоски термокомпенсатора.

В_к μ_oμ_к Н, (4) где μ_o абсолютная магнитная проницаемость;
μ_к относительная магнитная проницаемость материала полоски термокомпенсатора;
Н напряженность магнитного поля.

Так как термокомпенсатор находится в поле постоянного магнита, то его магнитные характеристики определяются магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля постоянного магнита:

(5) где δ длина рабочего зазора у полюсов магнита.

Отсюда находим напряженность Н, используя выражение (1) для магнитной индукции:
H sinϕ (6)
Так как магнитная индукция изменяется по ширине полоски термокомпенсатора, то магнитный поток Ф_к термокомпенсатора находим из соотношения (3), учитывая зависимости (4), (6):
Ф_к sinϕd·ϕ sinΔϕ·sinϕ
(7) где Δϕ угол между продольной осью полоски термокомпенсатора и лучом, проведенным из центра полоски термокомпенсатора к точке пересечения продольной стороны с поперечной стороной термокомпенсатора (фиг.3).

Δϕ=arctg (8) где l_к длина полоски термокомпенсатора.

Введем обозначения:
k (9)
sin arctg b (10)
В результате выражение (7) примет вид:
Ф_к sinϕ (11)
Магнитный поток Фр в рабочем зазоре силового преобразователя при номинальной рабочей температуре;
Ф_р=Ф_м-Ф_к=Ф1 sin (12)
При изменении температуры окружающей среды на Δ Т изменяются магнитные потоки магнита и термокомпенсатора.

Магнитный поток Ф_мт магнита будет:
Ф_мт Ф_м(1-α_м Δ Т), (13) где α_м температурный коэффициент магнитной индукции магнита.

Магнитный поток Ф_кт термокомпенсатора равен:
Ф_кт=Ф_к(1-d_кΔT) sinϕ(1-α_кΔT)
(14) где α_к температурный коэффициент магнитной индукции термокомпенсатора.

Магнитный поток Ф_рт в рабочем зазоре силового преобразователя:
Ф_рт=Ф_мт-Ф_кт=Ф_р-Фt Δtsin (15)
Cравнивая выражения (12) и (15), видно, что для получения неизменного значения магнитного потока в рабочем зазоре силового преобразователя независимо от температуры окружающей среды необходимо выполнить условие:
α_м sinϕ=0 (16)
Отсюда определяем номинальный угол ϕ, на который необходимо поставить продольную ось термокомпенсатора относительно нейтральной оси магнита, чтобы скомпенсировать с помощью термокомпенсатора температурное изменение магнитного потока в рабочем зазоре силового преобразователя:
ϕ=arcsin (17)
Учитывая разброс температурных коэффициентов магнитной индукции магнита и термокомпенсатора, действительный угол ϕ_к должен удовлетворять условию:
ϕ_к.мин≅ϕ_к≅ϕ_к.макс, (18) где ϕ_мин и ϕ_макс соответственно минимальный и максимальный углы расположения термокомпенсатора относительно нейтральной оси магнита.

ϕ_к.мин=arcsin (19)
ϕ_к.максarcsin (20) где α_м.мин,α_м.макc соответственно минимальное и максимальное значение температурного коэффициента магнитной индукции магнита;
α_к.мин, α_к.маск соответственно минимальное и максимальное значения температурного коэффициента магнитной индукции термокомпенсатора.

Использование: в измерительной технике, а именно в компенсационных акселерометрах с магнитоэлектрическим силовым преобразователем. Сущность изобретения: компенсационный акселерометр содержит корпус, связанный с ним с помощью упругого подвеса чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой и плоским дисковым магнитом с диаметральным направлением намагниченности, термокомпенсатор, усилитель. Термокомпенсатор выполнен в виде полоски из термомагнитного материала с направлением слоев вдоль продольной оси полости, плоскость полоски термокомпенсатора расположена на плоской поверхности магнита, полоска термокомпенсатора и магнит установлены соосно с возможностью углового перемещения полоски относительно магнита по его плоскости, полоска термокомпенсатора установлена своей продольной осью к нейтральной оси магнита под углом, определяемым расчетным соотношением. 4 ил.

КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус, связанный с ним с помощью упругого подвеса чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой и плоским дисковым магнитом с диаметральным направлением намагниченности, термокомпенсатор, усилитель, отличающийся тем, что термокомпенсатор выполнен в виде полоски из термагнитного материала с направлением слоев вдоль продольной оси полоски, плоскость полоски термокомпенсатора расположена на плоской поверхности магнита, полоска термокомпенсатора и магнит выполнены с центральными установочными элементами, установлены соосно по центральным установочным элементам с возможностью углового перемещения полоски термокомпенсатора относительно магнита по его плоскости, полоска термокомпенсатора установлена своей продольной осью относительно центральной оси магнита под углом ϕ_к, минимальная и максимальная величины которого определяются соотношениями


где соответственно минимальное и максимальное значения температурного коэффициента магнитной индукции магнита;
соответственно минимальное и максимальное значения температурного коэффициента магнитной индукции термокомпенсатора;
D_м диаметр магнита;
δ зазор у полюсов магнита;
b, k коэффициенты,
m_к относительная магнитная проницаемость материала полоски термокомпенсатора.

где d_к ширина полоски термокомпенсатора,
l_к длина полоски термокомпенсатора,

где h_к толщина полоски термокомпенсатора;
h_м толщина магнита.