АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к области приборостроения и, в частности, к системам измерения параметров движения подвижных объектов и может быть использовано в приборах, измеряющих ускорение объектов.

Известен акселерометр [1] содержащий корпус, маятниковый чувствительный элемент (ЧЭ) на упругом подвесе, емкостной датчик перемещений, усилитель и узел силовой компенсации, состоящий из двух катушек, установленных на ЧЭ, и двух магнитных систем. Обмотки катушек размещены в кольцевых зазорах магнитных систем, в которых формируется магнитный поток. Каждая магнитная система состоит из магнита, полюсного наконечника, магнитопровода, выполненного в виде стакана. Рабочий магнитный поток формируется в радиальном зазоре между полюсным наконечником и магнитопроводом.

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная температурной нестабильностью магнитной индукции в рабочем зазоре, а также нестабильностью масштабного коэффициента в связи с изменением со временем номинального значения магнитной индукции в рабочем зазоре.

Наиболее близким к предлагаемому является акселерометр [2] содержащий корпус, маятниковый ЧЭ на упругом подвесе, преобразователь перемещений и узел силовой компенсации, состоящий из двух катушек, установленных на маятнике, и двух магнитных систем, каждая из которых включает постоянный магнит с полюсным наконечником и магнитопровод, на котором установлен выполненный в виде диска сердечник, соединенный с противоположным полюсному наконечнику полюсом постоянного магнита, закрепленного на плате из немагнитного материала, установленной внутри магнитопровода.

Рабочий магнитный поток формируется в радиальном зазоре между полюсным наконечником и магнитопроводом.

Известное устройство имеет недостаточную точность, что обусловлено следующими причинами.

Отсутствует долговременная стабильность масштабного коэффициента, т.к. с течением времени, в связи с изменением свойств магнита, меняется номинальное значение магнитной индукции в рабочем зазоре.

Кроме того, известно, что для повышения точности устройства желательно увеличение статического момента ЧЭ, (маятника) поскольку относительная величина всех имеющихся инструментальных погрешностей акселерометра с маятниковым ЧЭ обратно пропорциональна величине статического момента.

Однако, увеличение статического момента в классических схемах акселерометров ведет к увеличению величины масштабного коэффициента, т.е. к увеличению выходного тока (тока, протекающего через катушки датчика момента), а это, в свою очередь, ведет к существенному увеличению габаритно массовых характеристик преобразователя выходного сигнала акселерометра из аналогового вида в дискретный (мощность выходных устройств преобразователя пропорциональна квадрату увеличения тока).

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности при сохранении габаритно-массовых характеристик.

Указанная цель достигается тем, что в известном акселерометре, содержащем маятниковый чувствительный элемент на упругом подвесе, преобразователь перемещения и узел силовой компенсации, включающий две магнитные системы, каждая из которых состоит из магнитопровода и основного постоянного магнита с полюсным наконечником, в каждую магнитную систему введен дополнительный постоянный магнит в виде кольца, закрепленный на магнитопроводе таким образом, что его ось симметрии совпадает с осью симметрии основного магнита, при этом оба магнита выполнены из материалов, магнитные индукции которых изменяются в течение времени в противоположных направлениях.

Два основных постоянных магнита выполнены, из сплава КСД-25, а два дополнительных постоянных магнита из сплава ЮНДК35Т5БА.

На чертеже представлена конструкция акселерометра.

Акселерометр содержит маятниковый ЧЭ в виде пластины 1, соединенный посредством упругого подвеса 2 с кольцом 3. Эти три детали выполнены из единой заготовки АТ-среза монокристаллического кварца. В состав акселерометра входит также узел силовой компенсации, включающий две катушки 4, 5, установленные на пластине 1, и две магнитные системы, каждая из которых состоит из магнитопровода 6 (7), основного постоянного магнита 8 (9) с полюсным наконечником 10 (11) и дополнительного постоянного магнита 12 (13), закрепленного на магнитопроводе 6 (7) таким образам, что его ось симметрии 1' 1' совпадает с осью симметрии основного постоянного магнита 8 (9).

Форма дополнительных магнитов 12, 13 и их установка определены расчетным путем, исходя из известной конструкции прототипа с целью сохранения заданных габаритов и получения максимального увеличения дополнительной магнитной индукции в заданных габаритах.

Основные магниты 8, 9 с сердечниками 14, 15 и полюсными наконечниками 10, 11 установлены в платы 16, 17, выполненные из немагнитного материала, которые расположены в магнитопроводах 6, 7. Сборка устройства выполнена с помощью пластин 18, 19 и кольца 20. Катушки 4, 5 расположены в рабочих зазорах 21, 22 между полюсными наконечниками 10, 11 и магнитопроводами 6,7. На подвижной пластине 1 расположены обкладки 23, 24 преобразователя перемещения, выполненные в виде металлизированного напыления, а пластины 18 и 19 выполняют функции его неподвижных обкладок. Между кольцом 3 и поверхностями пластин 18, 19 установлены платики 25, образующие рабочий зазор для пластины 1. Между сердечниками 14, 15 и магнитопроводами 6, 7 выполнены зазоры 26, 27, предназначенные для компенсации температурной погрешности масштабного коэффициента. Основные магниты 8, 9 выполнены, например, из сплава КСД-25, а дополнительные из сплава ЮНДК35Т5БА, что обеспечивает стабильность масштабного коэффициента акселерометра в межрегламентный период.

Устройство работает следующим образом.

При движении объекта с ускорением в направлении оси чувствительности 1 1 прибора пластина маятникового ЧЭ1 отклоняется относительно неподвижных пластин 18 и 19. Отклонение пластины 1 регистрирует и преобразует в ток преобразователь перемещений. Узел силовой компенсации развивает при этом силу, равную инерционной силе пластины 1. Причем, ток, протекающий через обмотки катушек 4,5, пропорционален кажущемуся ускорению объекта в направлении оси чувствительности 1 1. В устройстве обеспечена временная компенсация стабильности масштабного коэффициента посредством основных постоянных магнитов 8, 9, выполненных из сплава КСД-25 и дополнительных постоянных магнитов 12, 13, выполненных из сплава ЮНДК35Т5БА, магнитные индукции которых изменяются с течением времени в противоположных направлениях.

Как показали исследования, проведенные авторами, величина масштабного коэффициента у акселерометров изменяется в течение времени по-разному. Авторами отмечена следующая закономерность. У акселерометров, в магнитных системах которых используются постоянные магниты из сплава ЮНДК35Т5БА масштабный коэффициент увеличивается, а у акселерометров, имеющих постоянные магниты из сплава КСД-25 уменьшается.

Таким образом, при выполнении магнитной системы из двух магнитов, например, из сплавов ЮНДК35Т5БА и КСД-25, суммарное изменение масштабного коэффициента в системе, вследствие взаимной компенсации будет существенно ниже, чем в магнитной системе, выполненной из магнитов одного сплава, т.е. в предлагаемом устройстве обеспечена стабильность величины масштабного коэффициента, что существенно повышает точностные характеристики акселерометра и тем самым увеличивает межрегламентный период (период в течение которого сохраняются заданные точностные характеристики прибора).

Как показали расчеты, в акселерометрах с магнитами из двух указанных сплавов значение достигнутого улучшения, по сравнению с прототипом, составит от 2 до 7 раз.

Кроме этого предлагаемое техническое решение позволило существенно уменьшить погрешности тяжения в акселерометре, т.к. за счет введения двух дополнительных постоянных магнитов увеличилась величина индукции в рабочем зазоре, вследствие чего величина масштабного коэффициента устройства уменьшилась. Если же сохранить величину масштабного коэффициента на прежнем уровне, то это дает возможность увеличить массу маятника (например, путем увеличения его толщины) и, следовательно, величину статического момента маятника, что и реализовано в предлагаемом устройстве.

Погрешность тяжения, как правило определяют по формуле:

где:
g ускорение силы тяжести,
Мв случайный момент,
G•l статический момент маятника.

Таким образом, введение двух дополнительных постоянных магнитов и сохранение того же масштабного коэффициента при увеличении статического момента маятника позволило повысить точность за счет уменьшения погрешности тяжения.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается еще в том, что оно обеспечивает повышение точности при сохранении габаритно-массовых характеристик устройства.

Это достигается тем, что дополнительные магниты, введенные в магнитные системы акселерометра, установлены так, что занимают там ту же часть, которую в прототипе занимали магнитопроводы. Увеличение же толщины пластины маятника, например, с 0,5 мм в прототипе до 1 мм увеличивает высоту прибора на 0,5 мм, что при обшей высоте 35 40 мм не превышает габаритно-массовые характеристики.

Как показал проведенный анализ предлагаемого устройства в нем, путем подбора конструктивных параметров маятникового ЧЭ, а, главное, путем введения двух дополнительных магнитов из сплава магнитная индукция которого в течение времени изменяется в противоположном направлении по сравнению со сплавом основных магнитов, обеспечена стабильность масштабного коэффициента в течение межрегламентного периода, уменьшена погрешность тяжения и сохранены заданные габаритно-массовые характеристики. Расчетным путем установлено, что в предлагаемом устройстве уход величины масштабного коэффициента во времени уменьшен в 3-5 раз.

Использование: в измерительной технике, в частности в инерциальных навигационных приборах. Сущность изобретения: акселерометр содержит маятниковый чувствительный элемент 1 на упругом подвесе 2. Узел силовой компенсации содержит две катушки 4 и 5 и две магнитные системы, каждая из которых состоит из магнитопровода 7 и двух постоянных магнитов 8(9) и 12(13), выполненных из разных сплавов. В связи с этим масштабные коэффициенты в магнитных системах изменяются с разными знаками, что обеспечивает стабильность величины масштабного коэффициента. 1 ил.

Акселерометр, содержащий маятниковый чувствительный элемент на упругом подвесе, преобразователь перемещения и узел силовой компенсации, включающий две магнитные системы, каждая из которых состоит из магнитопровода и основного постоянного магнита с полюсным наконечником, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при сохранении габаритно-массовых характеристик, в каждую магнитную систему введен дополнительный постоянный магнит в виде кольца, закрепленный на магнитопроводе так, что его ось симметрии совпадает с осью симметрии основного магнита, при этом основные постоянные магниты выполнены из сплава КСД-25, а дополнительные из сплава ЮНОКЗ5Т5БА.