КРИОГЕННЫЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ГРАДИЕНТА УСКОРЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при создании криогенных высокотемпературных сверхпроводниковых чувствительных элементов, предназначенных для использования в навигационных системах и системах управления движущимися объектами.

Известен криогенный сверхпроводниковый измеритель градиента ускорения, содержащий корпус, два инерционных тела с плоскими рабочими поверхностями, каждое из которых установлено в своем упругом центрирующем подвесе, систему съема информации, систему охлаждения до температуры жидкого гелия [1]
Недостатком этого устройства является:
сложность криогенной аппаратуры для охлаждения устройства;
большие энергозатраты на получение температуры жидкого гелия (малый коэффициент полезного действия системы охлаждения);
большой расход жидкого гелия из-за низкой теплоты испарения жидкого гелия (самая низкая из всех известных криогенных жидкостей);
в приборе движение инерционных тел от постоянного ускорения и градиента ускорения не разделяется и на фоне большего сигнала от постоянного ускорения приходится выделять слабый сигнал от градиента ускорения, что составляет большие трудности.

Известен криогенный сверхпроводниковый измеритель градиента ускорения, содержащий корпус, два инерционных тела с плоскими рабочими поверхностями, каждое из которых установлено в своем упругом центрирующем подвесе, систему съема информации, систему охлаждения, обеспечивающую температуру жидкого гелия (4,12-5К) [2]
В этом устройстве устранен один из недостатков трудность разделения сигналов от постоянного ускорения и градиента ускорения, однако есть другие недостатки.

Технический результат изобретения упрощение устройства и снижение энергозатрат за счет использования высокотемпературных сверхпроводников, работающих при температуре жидкого азота (77K).

Указанный результат достигается тем, что в криогенном сверхпроводниковом измерителе градиента ускорения, содержащем корпус, два инерционных тела с плоскими рабочими поверхностями, каждое из которых установлено в своем упругом центрирующем подвесе, систему съема информации, систему охлаждения,
инерционные тела выполнены в виде цилиндрических постоянных магнитов, расположены вдоль оси чувствительности на базовом расстоянии с полюсами, противоположно направленными друг другу;
между инерционными телами соосно с ними установлены жестко закрепленные на корпусе диски из высокотемпературного сверхпроводника с критической температурой Тк= 77К, например, YВа₂Cu₃O₇, диаметром больше диаметра инерционных тел;
с внешней стороны инерционных тел установлены жестко закрепленные на корпусе диски из высокотемпературного сверхпроводника с критической температурой Тк= 77К, например, YВа₂Cu₃O₇.

со стороны каждого диска, противоположной инерционным телам, установлены жестко закрепленные на корпусе постоянные магниты с полюсами, противоположными полюсам соответствующих инерционных тел.

На чертеже изображена упрощенная схема криогенного высокотемпературного сверхпроводникового измерителя градиента ускорения.

Герметичный корпус 1, который одновременно является магнитным экраном, изготовлен, например, из немагнитного материала, покрыт высокотемпературным сверхпроводником, погружен в ванну с жидким азотом системы охлаждения (на чертеже не показана), обеспечивающей охлаждение измерителя высокотемпературных сверхпроводников до температуры 77К. Внутри корпуса 1 создан вакуум. В корпусе жестко связанные с ним установлены:
три диска 2 из высокотемпературного сверхпроводника, например, YВа₂Cu₃O₇;
между дисками 2 на упругих центрирующих пружинах 3 инерционные тела - цилиндрические постоянные магниты 4. Пружины упругого подвеса, имеющие малую жесткость, выполненные, например, из тонкой бериллиевой бронзы в виде сложенных консольных пружин;
со стороны противоположных инерционным телам 4, над крайними высокотемпературными сверхпроводниковыми дисками 2 постоянные магниты 5.

Все постоянные магниты цилиндрические, выполнены из высококоэрцитивных материалов типа Nd-Fe-B или Sm-Co. Все магниты направлены друг относительно друга противоположными полюсами.

Диски из высокотемпературных сверхпроводников 2, имеют диаметр больше диаметра постоянных магнитов примерно в 1,5-2 раза. Толщина дисков примерно 5-10 мм. Материал должен иметь критическую температуру выше температуры жидкого азота Тк>77K, это, например, YВа₂Cu₃O₇.

Инерционные тела 4 находятся друг от друга на некотором расстоянии, которое в градиентометрах называется "базовым". Базовое расстояние зависит от требуемой чувствительности прибора и чувствительности системы съема информации. Чем оно больше, тем чувствительнее прибор, но при этом растут габариты. Для предлагаемого измерителя приемлемым может быть базовое расстояние 100-300 мм.

В качестве системы съема информации (на чертеже не показана) может быть использована, например, емкостная или оптическая. Например, в качестве электродов емкостного моста могут быть использованы диски 2. При перемещении инерционных тел будет изменяться емкость между дисками и инерционными телами. В этом случае необходимо, чтобы инерционные тела электрически соединялись с корпусом, например, через пружины 3, а диски 2 были электрически изолированы от корпуса 1.

При применении оптической системы съема информации изоляции дисков 2 от корпуса не требуется.

Постоянные магниты 5 устанавливают над крайними дисками 2 на таком расстоянии, чтобы их взаимодействие с инерционными телами 4 обеспечивало установку инерционных тел в среднее положение между дисками 2. Это должно производиться при дисках 2, находящихся в сверхпроводящем состоянии и отсутствии ускорения вдоль оси чувствительности (например, при горизонтальном положении оси).

Работает устройство следующим образом.

Измеритель в корпусе 1 погружают в ванну с жидким азотом системы охлаждения и охлаждают до температуры 77К. При этой температуре диски 2 находятся в сверхпроводящем состоянии, при этом магнитные потоки постоянных магнитов практически полностью проходят через диски и пинингуются в них. При этом силы взаимодействия между постоянными магнитами практически не изменяются.

Инерционные тела при отсутствии ускорения и градиента ускорения находятся в нулевом положении. Если принять емкостную систему съема информации, то можно считать, что все емкости между инерционными телами 4 и высокотемпературными дисками 2 равны.

При действии постоянного ускорения вдоль оси прибора инерционные тела 4 сместятся в одну сторону, на одинаковую величину (полагаем, что жесткость пружин 3 и массы инерционных тел 4 одинаковы). При этом пусть, например, емкости между дисками 2 и северными полюсами инерционных тел увеличатся, а дисками 2 и южными полюсами инерционных тел уменьшатся. Если построить систему съема информации так, что она будет реагировать только на разность изменения одинаковых емкостей, то в этом случае сигнала о постоянном ускорении не будет.

Действие градиента ускорения рассмотрим, когда на одно инерционное тело 4, например, нижнее действует ускорение, а на верхнее не действует. В этом случае нижнее инерционное тело 4 сместится, например, вниз, и емкость между северным полюсом этого инерционного тела и нижним диском 2 увеличится. Т.к. расстояние между инерционными телами увеличилось, то сила притяжения между ними ослабнет и верхнее инерционное тело поднимется вверх (его притягивает магнит 5).

Таким образом, при действии градиента ускорения инерционные тела расходятся в разные стороны. На выходе системы съема информации, работающей, как мы приняли, по разности одинаковых емкостей, появится сигнал, пропорциональный градиенту ускорения.

Использование: в области прецизионного приборостроения. Сущность изобретения: измеритель градиента ускорения содержит два инерционных тела в виде постоянного магнита с диском из высокотемпературного сверхпроводника между ними. Для выставки инерционных тел в нулевое положение с двух внешних сторон инерционных тел установлено еще по одному высокотемпературному сверхпроводниковому диску. Со стороны этих дисков, противоположной инерционным телам, установлены два постоянных магнита. Инерционные тела установлены в упругом центрирующем подвесе. Все высокотемпературные диски и два внешних постоянных магнита жестко закреплены в корпусе прибора. Наличие двух мод движения инерционных тел позволяет отделить сигналы, связанные с градиентом ускорения от сигналов, связанных с постоянным ускорением. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Криогенный высокотемпературный сверхпроводниковый измеритель градиента ускорения, содержащий корпус, два инерционных тела с плоскими рабочими поверхностями, каждое из которых установлено в своем центрирующем подвесе, систему съема информации, систему охлаждения, отличающийся тем, что инерционные тела выполнены в виде цилиндрических постоянных магнитов, расположенных вдоль оси чувствительности на базовых расстояниях друг от друга с полюсами, противоположно направленными друг другу, между инерционными телами соосно с ними установлен жестко закрепленный в корпусе диск из высокотемпературного сверхпроводника, диаметром больше диаметра инерционных тел, с внешней стороны инерционных тел установлены жестко закрепленные в корпусе диски из высокотемпературного сверхпроводника, диаметром больше диаметра инерционных тел, со стороны каждого внешнего диска противоположно инерционным телам установлены жестко закрепленные в корпусе постоянные магниты с полюсами, направленными противоположно полюсам соответствующих инерционных тел. 2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что высокотемпературные диски изготовлены из материала Y₁ Ba₂ Cu₃ O₇ с критической температурой выше 77К.