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

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

Известны акселерометры с электростатическим подвесом, содержащие вакуум-прочный корпус, чувствительный элемент, емкостную систему съема информации, следящую систему. Сюда относятся акселерометры однокоординатные, трехкоординатные, пространственные, с чувствительными элементами металлическими (или с электропроводящим покрытием), в виде пластин, цилиндров, сфер, кубов, крестообразной формы. Все эти акселерометры содержат вакуум-прочный корпус, емкостную систему съема информации, измерительные электроды, которые, как правило, совмещены с силовыми электродами электростатического подвеса, следящую систему, на вход которой подается сигнал с системы съема информации, а к выходу которой подключены силовые электроды.

В качестве конкретных примеров приведен:
акселерометр с электростатическим подвесом, содержащим вакуум-прочный корпус, чувствительный элемент в виде плоского диска, емкостную систему съема информации, следящую систему. (Slater J.M. Inertial Guidance Sensor, New York, 1964);
акселерометр с электростатическим подвесом, содержащий вакуум-прочный корпус, чувствительный элемент в виде цилиндра, емкостную систему съема информации, следящую систему. (В книге "Теория и применение электромагнитных подвесов", под ред. Осокина Ю.А. М. Машиностроение, 1980, 284 с)
акселерометр с электростатическим подвесом, содержащий вакуум-прочный корпус, крестообразный чувствительный элемент, емкостную систему съема информации, следящую систему. (Патент Франции N 2511509, G 01 P 15/125, 1983).

Ближайшим аналогом к изобретению является:
акселерометр с электростатическим подвесом, содержащий вакуум-прочный корпус, сферический чувствительный элемент, емкостную систему съема информации, следящую систему. (Acta, Astronautica, 1980, v. 7, p. 1-13)
Недостатками известного акселерометра является:
сложность создания, изготовления и эксплуатации приборов с вакуум-прочными корпусами,
необходимость в условиях Земли приложения к силовым электродам высокого напряжения и применения высоковольтных преобразователей,
необходимость периодического вакуумирования полости корпуса (для этого в приборах, используемых в условиях Земли, устанавливают высоковакуумные насосы).

Задачей изобретения является усовершенствование конструкции акселерометров с электростатическим подвесом, что позволяет:
упростить конструкцию корпуса,
снизить величину силового напряжения,
исключить периодическое вакуумирование прибора. Кроме того, дополнительной задачей является повышение ударовибропрочности и упрощение корректирующих звеньев следующей системы.

Указанный технический результат достигается тем, что в акселерометре с электростатическим подвесом, содержащем корпус, чувствительный элемент, емкостную систему съема информации, следящую систему, полость, в которой расположен чувствительный элемент, заполняется диэлектрической жидкостью с относительной диэлектрической проницаемостью ε > 4, при этом плотность чувствительного элемента превышает плотность жидкости.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен вариант схемы конструкции акселерометра со сферическим чувствительным элементов.

На чертеже изображено: 1 чувствительный элемент, 2 корпус, 3 - электроды, 4 электропроводящие стержни, 5 клеммная колодка, 6 - диэлектрическая жидкость, 7 трубка, 8 сосуд, 9 сильфон, 10 штенгель, 11 кожух.

На чертеже приведен вариант конструкции акселерометра с электростатическим подвесом со сферическим чувствительным элементом.

Чувствительный элемент 1 расположен внутри сферической полости корпуса 2, изготовленного из двух половин. Каждая половина корпуса 2 изготовлена из изоляционного материала, например, керамики или кварца. На внутреннюю поверхность корпуса наносятся, например, вакуумным напылением электроды 3, которые через запрессованные в корпус электропроводящие стержни 4 соединяются с клеммной колодкой 5, к которой подключается электронный блок (на чертеже не показан). Так как при ортогональной конструкции расположения электродов горизонтальные электроды "разрезаются" разъемом корпуса, они изготовлены из двух половинок, обе половинки подключаются к одной клемме колодки 5. Внутренняя полость заполняется диэлектрической жидкостью 6 с относительной диэлектрической проницательностью e > 4 и плотностью меньше средней плотности чувствительного элемента. Внутренняя полость корпуса соединена через трубки 7 с сосудом 8, который заполнен жидкостью 6. Сосуд заканчивается сильфоном 9, который при заполнении полости жидкостью 6 соединяется с установкой для заполнения через штенгель 10. Все устройство защищено кожухом 11.

При необходимости поддержания постоянной плотности жидкости или диэлектрической проницаемости жидкости прибор снабжается системой термостабилизации (на чертеже не показана), которая обычно включает термодатчик, электронный блок и нагреватель.

Противоположные электроды 3 по каждой оси подключены к датчику положения, который преобразует изменение емкости при перемещении чувствительного элемента в пропорциональное изменение напряжения на выходе датчика. Сигнал с датчика через предварительный усилитель, блок коррекции подается на вход выходного усилителя и затем в виде напряжения на электроды 3 по этой же оси.

Обычно следящая система акселерометра с электростатическим подвесом проектируется таким образом, чтобы при действии допустимых ускорений чувствительный элемент оставался неподвижным в центре подвеса.

Компенсационный акселерометр, к которому относится акселерометр с электростатическим подвесом, измеряет силу путем сравнения действующей на чувствительный элемент силы, равной F_g= ma, где m масса чувствительного элемента, a действующее ускорение с силой, создаваемой электростатическим подвесом, равной F_э=ε_aE²S/2 где ε_o абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, которая заполняет пространство между электродами и чувствительным элементом, E напряженность электрического поля на поверхности чувствительного элемента, S площадь электрода.

В известных акселерометрах с электростатическим подвесом средой является вакуум, который создается для исключения электрического пробоя между электродами и чувствительным элементом. При этом, чем больше E= U/d, где U - напряжение на электроде, d зазор между электродом и чувствительным элементом, тем большая сила может быть уравновешена. Величина ускорения определяется из уравнения баланса

где ε_o электрическая постоянная. Отметим, что в настоящее время E достигает 2•10⁷ В/м.

В общем случае среда в полости корпуса может отличаться от вакуума, например, как мы предлагаем, быть заполнена жидкостью, тогда

где ε_a абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, E - относительная диэлектрическая проницаемость, которая показывает во сколько раз диэлектрические свойства среды выше свойств вакуума.

Для уменьшения напряжения на электродах имеется несколько путей.

Увеличение площади электрода S. Увеличение площади ведет к увеличению габаритов прибора, и если одновременно увеличивается чувствительный элемент, то может не привести к снижению напряжения.

Уменьшение рабочего зазора d. В настоящее время "стандартный" зазор составляет 100 мкм, но в ряде приборов доходит до 30 мкм и меньше. Уменьшение зазора приводит к повышению требований к чистоте поверхности чувствительного элемента и электродов для исключения возможности электрического пробоя, что является задачей весьма сложной.

Для уменьшения напряжения на электродах полость между электродами и чувствительными элементами заполняют жидкость с значением относительной диэлектрической проницаемости ε не менее 4. Из выражения для силы следует, что при неизменной силе уменьшение напряжения может быть скомпенсировано увеличением e при этом т.е. увеличение в 4 раза позволяет уменьшить напряжение в 2 раза. При этом сила остается неизменной, работает энергия диэлектрика (аналогично как в случае постоянного магнита).

Применение ε менее 4 нецелесообразно, так как эффект уменьшения напряжения не оправдывает некоторые условия конструкции акселерометра (введение сильфона, операции заполнения жидкостью).

В соответствии с работой Н.П.Богародицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева "Электротехнические материалы" (Л. Энергия, 1977, издание шестое) наибольшее e 80 имеет чистая вода. Известны синтетические диэлектрические жидкости - нитробензол, этиленгликоль, цианоэтилсахароза, которые имеют e 35-39. Применение этих жидкостей позволяет в 6 раз уменьшить напряжение, подаваемое на электроды.

Реализация изобретения не вызывает трудностей, так как конструкция и технология изготовления подобных приборов с заполнением жидкостью обработана на гироскопических поплавках приборах и акселерометрах с механическими опорами, в которых тяжелая жидкость используется для разгрузки опор часового типа.

При применении жидкости заполняющей полость, в которой находится чувствительный элемент, необходимо, чтобы средняя плотность чувствительного элемента была больше плотности жидкости. Измерительной массой, которая "чувствует" ускорение, является разность масс, равная массе чувствительного элемента минус масса жидкости в объеме чувствительного элемента. При необходимости можно скомпенсировать уменьшение массы чувствительного элемента увеличением плотности материала, из которого он изготавливается.

Так как чувствительный элемент находится в жидкости, то при его перемещениях на него будет действовать вязкое трение, т.е. будет иметь место демпфирование движения чувствительного элемента, это позволяет снизить требования к соответствующим элементам следящей системы и тем самым упростить ее.

Таким образом, изобретение позволяет:
уменьшить величину силового напряжения, подаваемого на электроды электростатического подвеса, и тем самым уменьшить энергию, потребляемую акселерометром от источника питания;
упростить конструкцию корпуса, сделав его вместо вакуум-прочного - герметичным;
исключить периодическое вакуумирование прибора;
повысить ударо- и вибростойкость прибора;
упростить корректирующие звенья следящей системы.

Использование: автономные навигационные системы, системы управления движущимися объектами. Сущность изобретения: Акселерометр с электростатическим подвесом содержит корпус, чувствительный элемент, емкостную систему объема информации, следящую систему. Полость корпуса, в которой расположен чувствительный элемент, заполнена диэлектрической жидкостью с относительной диэлектрической проницаемостью ε > 4, плотность чувствительного элемента превышает плотность жидкости. 1 ил.

Акселерометр с электростатическим подвесом, содержащий корпус, чувствительный элемент, емкостную систему съема информации и следящую систему, при этом чувствительный элемент установлен в полости корпуса, отличающийся тем, что полость корпуса заполнена диэлектрической жидкостью с относительной диэлектрической проницаемостью меньше 4, а плотность чувствительного элемента превышает плотность жидкости.