ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ Российский патент 1997 года по МПК G01P15/00 

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано в автономных навигационных системах, системах управления движущимися объектами, для измерения сил, действующих на движущийся объект.

Известен пространственный акселерометр с электростатическим подвесом, содержащий сферическую электропроводящую чувствительную массу, силовые элементы подвеса, систему датчиков положения чувствительной массы, следящие системы, включающие блоки коррекции, выходные усилители, корпус из двух одинаковых частей с общей осью симметрии [1]
К недостаткам прибора можно отнести:
малую подъемную силу (при напряженности поля 2•10⁷ В•м^-1 плотность подъемных сил составляет 0,2 Н•см^-2;
необходимость для работы подвеса иметь в полости корпуса глубокий вакуум, что резко усложняет конструкцию и технологию изготовления прибора;
противоречие между простотой конструкции корпуса из 2-х одинаковых половин и трехосным ортогональным подвесом чувствительной массы, при таком подвесе четыре силовых поля "разрезаются" пополам или требуется усложнение конструкции корпуса.

Известен пространственный акселерометр с электромагнитным подвесом с электропроводящей сферической чувствительной массой, силовыми элементами подвеса, системой датчиков положения чувствительной массы, содержащей следящие системы, включающей блоки коррекции, выходные усилители, корпус. [2]
Акселерометр содержит сферическую немагнитную массу из электропроводящего материала, взвешенную в переменном магнитном поле шести катушек, расположенных симметрично по две на каждой взаимно перпендикулярной оси прибора. Взвешивание чувствительной массы осуществляется за счет взаимодействия вихревых токов, возбуждаемых в чувствительной массе переменным магнитным полем катушек. Соосно с катушками, вблизи чувствительной массы расположены емкостные датчики положения, включенные в мостовые схемы. Сигналы с емкостных мостов поступают непосредственно и через дифференцирующее устройство в регулятор, а оттуда в виде тока в катушки.

Акселерометр с электромагнитным подвесом не требует для своей работы вакуума.

Недостатками этого прибора являются:
низкая подъемная сила подвеса, что вызвано, в основном, большим воздушным зазором, а, следовательно, большим магнитным сопротивлением между катушками и чувствительной массой;
сохранением противоречия между конструкцией корпуса и ортогональной системой подвеса, которая "разрезает" четыре катушки или требует усложнения корпуса.

Целью изобретения является увеличение подъемной силы повеса и упрощение конструкции корпуса.

Указанная цель достигается тем, что в пространственном акселерометре с электромагнитным подвесом, содержащем сферическую чувствительную массу, силовые элементы подвеса, датчики положения чувствительной массы, подключенные к следящей системе, включающей предварительные усилители, блоки коррекции и выходные усилители, и корпус, выполненный из двух одинаковых частей с общей осью симметрии, силовые элементы подвеса выполнены в виде восьми электромагнитных катушек, расположенных по четыре в каждой половине корпуса, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях под углом к оси симметрии, корпус и чувствительная масса выполнены из ферромагнитного материала, а в следящую систему введены линейный преобразователь сигналов положения в ортогональную систему координат и линейный преобразователь распределитель сигналов, при этом первый из них по своему входу соединен с предварительными усилителями, а по выходу блоками коррекции, а линейный преобразователь-распределитель сигналов соединен по входу с блоками коррекции, а по выходу с выходными усилителями и электромагнитными катушкам.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен разрез корпуса акселерометра по плоскости; на фиг.2 вид сверху на половину корпуса с чувствительной массой; на фиг.3 примерная блок-схема управления подвесом по одному каналу; на фиг.4 ортогональная система координат x,y,z и одна ось силовых элементов; на фиг.5 куб с диагоналями, по которым в приборе направлены оси силовых элементов и ортогональной системы координат.

На фиг.1 обозначено: 1 половина корпуса акселерометра, 2 - чувствительная масса, 3 сердечник силового элемента подвеса, 4 катушка силового элемента подвеса, 5 электрод емкостного датчика положения.

На фиг.3 дополнительно обозначено: 6 датчик положения, 7 - предварительный усилитель, 8 линейный преобразователь координат, 9 блок коррекции, 10 преобразователь координат распределитель сигналов.

В центральной сферической полости ферромагнитного ферритового корпуса акселерометра, изготовленного из двух одинаковых половин 1, свободно взвешенная сферическая ферромагнитная (или ферритовая) чувствительная масса 2. В каждой половине корпуса сделаны четыре цилиндрических отверстия с сердечниками 3 внутри. Оси отверстий и сердечники 3 расположены под углом к оси симметрии корпуса. Друг относительно друга отверстия и сердечники 3 в каждой половине корпуса расположены под углом 90^o. Внутри отверстия на сердечники 3 надеты катушки 4 силового элемента подвеса. Силовой элемент подвеса содержит ферромагнитный сердечник 3 и катушку 4.

Таким образом, силовые элементы подвеса расположены по направлению на диагоналях куба, вписанного в корпус. Этот куб показан на фиг.5. На конце каждого сердечника 3 жестко закреплен (например, с помощью клея), изолированный электрически от корпуса электрод 5 емкостного датчика положения чувствительной массы. Конец электрода 5, обращенный к чувствительной массе 2, имеет форму эквидистантную чувствительной массе. При расположении чувствительной массы в центре подвеса корпуса расстояние между поверхностью чувствительной массы 2 и поверхностью электрода 5 равно d₀ - номинальному рабочему зазору. Электрод соединен с датчиком положения 6 (например, емкостным мостом переменного тока) электрическим проводником (на чертеже не показан).

С датчика положения 6 сигнал о смещении чувствительной массы 2, под действием ускорения "а" (см. фиг.3) поступает на предварительный усилитель 7, с предварительного усилителя 7 на преобразователь координат 8, который преобразует сигнал неортогональной системы координат прибора в ортогональную систему координат, затем сигнал подается в блок коррекции 9, с выхода которого подается в систему управления объекта (или систему информации) и одновременно в преобразователь-распределитель 10, который преобразует обработанный в блоке коррекции сигнал из ортогональной системы координат в неортогональную систему координат и распределяет его по силовым элементам подвеса прибора (катушки 4).

Работает устройство следующим образом.

При включении питания во все силовые элементы подвеса подается одинаковый ток I₀, который создает силу F₀, взвешивающую чувствительную массу 2, при отсутствии ускорения в центре подвеса. При этом между электродами 5 и поверхностью чувствительной массы 2 образуется рабочий зазор d₀. При действии ускорения "а" в произвольном направлении в этом направлении смещается чувствительная масса 2, и изменяются зазоры между электродами 5 и поверхностью чувствительной массы, т. е. изменяются емкости в датчиках положения. Изменение емкостей в датчиках положения приводит к появлению на выходе датчиков сигнала, по амплитуде и фазе пропорционального смещению чувствительной массы 2 под действием ускорения. Этот сигнал в следящей системе, состоящей из предварительного усилителя, преобразователя координат, блока коррекции, преобразователя-распределителя, выходного усилителя, преобразуется в изменение тока в катушках 4, при этом ток в катушке 4, к которой приблизилась чувствительная масса 2, уменьшается, а ток в катушке, от которой чувствительная масса удаляется увеличивается. Изменение тока в катушках создает силу, стремящуюся вернуть чувствительную массу в первоначальное положение, т.е. компенсировать действующее на чувствительную массу ускорение. Изменение тока в такой системе пропорционально действующему ускорению.

Особенность данной системы заключается в неортогональности подвеса.

В следящих системах акселерометров для удержания чувствительной массы в центре подвеса применяют интегрирование сигнала и тем самым создают силы по оси силовых элементов, возвращающие чувствительную массу в центр подвеса.

В ортогональной системе подвеса появление силы по одной оси подвеса не создает силы по другим осям. В неортогональной системе появление силы по одной оси проектируется на другие оси и это может привести к тому, что прибор перестанет работать. Для исключения этого эффекта сигнал неортогональной системы преобразуется в ортогональгую систему координат, в ней производятся все действия над сигналом (дифференцирование, интегрирование и т. д), затем обработанный сигнал вновь поступает в неортогональную систему и распределяется по соответствующим силовым элементам.

Дальнейшее рассмотрение работы предлагаемого устройства проведем на простых примерах.

Оси, на которых расположены силовые элементы, направлены по диагоналям куба (см. фиг.5). Расположим оси ортогональной системы координат таким образом, как показано на фиг.5, т.е. оси x и y под углом 45^o к взаимно перпендикулярным плоскостям, в которых расположены основные элементы, а ось z по оси пересечения этих плоскостей.

Так как оси силовых элементов расположены по диагоналям куба, то это значит, что синус, косинус и тангенс угла между осью z и направлением осей с силовыми элементами соответственно равны:

откуда угол α = 54,7^°.

Предположим, что сила, действующая на чувствительную массу F₀, направлена по одной оси с силовыми элементами (см. фиг.4), которая составляет с осями x,y,z угол α.

Тогда из условий симметрии проекции силы F₀ на оси координат будут равны друг другу, т.е. F_x=F_y=F_z. В этом случае можно записать (см. фиг.4):
F_z= F_ocosα

так как F_z=F_x, то ,
откуда α =54,7^°.

Предположим, что действующее ускорение направлено по оси z. Тогда из условий симметрии проекций, действующие силы по оси силовых элементов должны быть одинаковыми и равными, т.е. F₁=F₂=F₃=F₄ (F_i суммарная сила, действующая по осям с силовыми элементами, i=1,2,3,4).

Для компенсации действующей силы в силовых элементах должны возникнуть силы, равные и противоположно направленные действующим составляющим, тогда:
F_z=(F₁+F₂+F₃+F₄)cosα = 4F₁cosα
Откуда сила, создаваемая по силовой оси, должна быть

Пусть теперь по оси x (или y) действует сила F_x (F_y), равная F_z. Для компенсации этой силы в осях с силовыми элементами должны возникнуть силы, равные
откуда F₁=F₂=F₃=F₄=, но F_x=F_y=F_z
Таким образом, при принятом расположении осей силовых элементов, при действии одинаковых сил по осям ортогональной системы координат X,y,z в силовых осях возникают равные компенсационные силы, т.е. предлагаемый неортогональный подвес с расположением 8 силовых элементов по диагоналям куба является равножестким.

При принятом техническом решении корпус состоит из 2-х равных половин, с общей осью симметрии, при этом исчезает противоречие между простотой конструкции корпуса и системой подвеса. Расположение силовых элементов подвеса не мешает изготовлению корпуса из двух половин, силовые элементы не попадают в разрез корпуса.

В принципе такой подвес уже может быть работоспособен, но неортогональность усложняет упражнение.

Получающаяся при таком техническом решении неортогональность подвеса в предлагаемом изобретении компенсируется в системе управления двойным преобразованием координат из неортогональной системы в ортогональную, решение всех операций по корректировке и выдаче сигнала в ортогональной системе координат, а затем преобразование полученных сигналов в прежнюю неортогональную систему и распределение сигналов по соответствующим силовым элементам.

Использование: в автономных навигационных системах и системах управления движущимися объектами. Цель: увеличение подъемной силы электромагнитного подвеса и упрощение конструкции корпуса акселерометра. Сущность изобретения: в ферромагнитном корпусе акселерометра, выполненного из двух половин 1, подвешена ферромагнитная чувствительная масса 2. Силовые элементы подвеса выполнены в виде восьми электромагнитных катушек 4, расположенных по четыре в каждой половине 1 корпуса в двух взаимно перпендикулярных плоскостях под углом α= 54,7^° к оси симметрии. Емкостные датчики положения 6 чувствительной массы 2, подключены к следящей системе, включающей последовательно соединенные предварительные усилители 7, линейный преобразователь 8 сигналов датчиков положения в ортогональную систему координат, блоки коррекции 9, линейный преобразователь-распределитель 10 сигналов и выходные усилители. Выход преобразователя-распределителя 10 соединен также с электромагнитными катушками 4. 5 ил.

Пространственный акселерометр с электромагнитным подвесом, содержащий сферическую чувствительную массу, размещенную в сферической полости корпуса, выполненного из двух одинаковых частей с общей осью симметрии, силовые элементы подвеса, расположенные в корпусе и датчики положения чувствительной массы, подключенные к следящей системе, включающей предварительные усилители, блоки коррекции и выходные усилители, отличающийся тем, что силовые элементы подвеса выполнены в виде восьми электромагнитных катушек, расположенных по четыре в каждой части корпуса в двух взаимно перпендикупярных плоскостях под углом к оси симметрии, корпус и чувствительная масса выполнены из ферромагнитного материала, а в следящую систему введены линейный преобразователь сигналов датчиков положения в ортогональную систему координат и линейный преобразователь-распределитель сигналов, при этом первый из них по своему входу соединен с предварительными усилителями, а по выходу с блоками коррекции, а линейный преобразователь-распределитель соединен по входу с блоками коррекции, а по выходу с выходными усилителями и электромагнитными катушками.