КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2001 года по МПК G01P15/13 

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейных низкочастотных ускорений.

Известен компенсационный акселерометр, содержащий корпус, подвижный элемент, соединенный с корпусом упругим шарниром, датчик положения, дифференциальный магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой на подвижном элементе и двумя постоянными магнитами, расположенными по обе стороны от подвижного элемента [1].

Недостатком этого компенсационного акселерометра является сложность конструкции, вызванная наличием двух постоянных магнитов.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2], содержащий корпус, пластину с неподвижной частью, подвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой и постоянным магнитом с диаметральным направлением намагниченности, n (n = 2, 3...) грузов, посредством которых компенсационная катушка установлена на подвижной части, усилитель.

Такому компенсационному акселерометру присуща вибрационная погрешность вследствие наличия механических резонансов системы, образованной подвижной частью, компенсационной катушкой и грузами.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения линейных ускорений.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем корпус, пластину с неподвижной частью, подвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой и постоянным магнитом с диаметральным направлением намагниченности, n (n = 2, 3...) грузов, посредством которых компенсационная катушка установлена на подвижной части, усилитель, тем, что грузы выполнены соединенными последовательно по окружности в фасонной шайбе, имеющей две цилиндрические поверхности, которые концентричны друг с другом и с цилиндрическими поверхностями компенсационной катушки, при этом каждый груз выполнен в форме меандра в профиле со стороны оси цилиндрических поверхностей фасонной шайбы с расположением вершины меандра относительно его основания по направлению образующей цилиндрических поверхностей фасонной шайбы, части фасонной шайбы у основания меандров соединены между собой с образованием верхней и нижней поверхностей основания меандра, поверхности фасонной шайбы на вершинах меандров расположены в первой торцевой плоскости, перпендикулярной цилиндрическим поверхностям фасонной шайбы, нижние поверхности оснований меандров расположены во второй торцевой плоскости, параллельной первой торцевой плоскости, на которую установлена компенсационная катушка, фасонная шайба установлена на подвижную часть посредством второй торцевой плоскости по нижним поверхностям оснований меандров.

В первом частном случае в компенсационном акселерометре грузы выполнены так, что по крайней мере одна из боковых поверхностей грузов, расположенных на перпендикуляре к радиусу от оси цилиндрических поверхностей фасонной шайбы, выполнена на цилиндрической поверхности, концентричной с цилиндрическими поверхностями фасонной шайбы и расположенной, между ними.

Во втором частном случае в компенсационном акселерометре боковые поверхности грузов, образующих профиль меандра, выполнены перпендикулярными торцевым плоскостям фасонной шайбы.

В третьем частном случае выполнения компенсационного акселерометра в грузах или в их части выполнена направленная по радиусу от оси цилиндрических поверхностей фасонной шайбы сквозная прорезь, расположенная в промежутке между вершиной меандра и образующими профиль меандра боковыми поверхностями грузов и распространенная до границы пересечения ее с второй торцевой плоскостью фасонной шайбы.

В четвертом частном случае в компенсационном акселерометре образованные сквозной прорезью промежутки между вершиной меандра и боковыми поверхностями грузов расстояния между верхними и нижними поверхностями основания меандра выполнены равными.

В пятом частном случае в компенсационном акселерометре пластина с неподвижной частью, подвижной частью и упругим шарниром, а также фасонная шайба выполнены из монокристаллического материала, например, кремния.

Путем выполнения грузов соединенными последовательно в фасонной шайбе, выполнения, профиля грузов в виде меандра, соединения частей фасонной шайбы у оснований меандров, расположения компенсационной катушки силового преобразователя на первой торцевой поверхности фасонной шайбы по вершинам меандров грузов, установки фасонной шайбы на подвижную часть по нижним поверхностям оснований меандров достигается увеличение механической жесткости системы, состоящей из подвижной части, фасонной шайбы и компенсационной катушки силового преобразователя, за счет укрепления подвижной части частями фасонной шайбы у основания меандров, увеличения жесткости связи между грузами. При этом резонансные частоты конструкции акселерометра смещаются в сторону частот, лежащих выше полосы частот пропускания акселерометра. В результате повышается точность измерения линейных ускорений за счет уменьшения вибрационной погрешности.

На фиг. 1 представлен общий вид компенсационного акселерометра; на фиг. 2 - вид пластины с неподвижной и подвижной частями; на фиг. 3 - вид в плане фасонной шайбы; на фиг. 4 - развертка профиля фасонной шайбы; на фиг. 5 - вид в плане фасонной шайбы в одном из вариантов выполнения; на фиг. 6 - часть развертки профиля фасонной шайбы в другом частном случае выполнения; на фиг. 7 - структурная схема компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр (фиг. 1 ) содержит корпус 1 со стойкой 2, на которой установлена пластина 3 с подвижной частью 4 и неподвижной частью 5. На стойке 2 также установлена плата 6 с неподвижными электродами 7', 7'' дифференциального емкостного преобразователя положения, подвижным электродом которого являются электропроводные поверхности подвижной части 4 пластины 3 в случае изготовления ее из электропроводного материала.

Магнитоэлектрический силовой преобразователь содержит постоянный магнит 8 с диаметральным направлением намагниченности и кольцевую компенсационную катушку 9 с концентричными друг другу цилиндрическими поверхностями 10, 11 с осью 0-0.

На поверхности 12 подвижной части 4 пластины 3 установлена фасонная шайба 13 с цилиндрическими поверхностями 14, 15, концентричными с цилиндрическими поверхностями 10, 11 компенсационной катушки 9. Фасонная шайба 13 прикреплена к поверхности 16 компенсационной катушки 9.

Пластина 3 и фасонная шайба 13 могут быть выполнены из монокристаллического материала, например, кремния. При выполнении пластины 3 из монокристаллического кремния в качестве подвижного электрода дифференциального емкостного преобразователя положения используется электропроводная поверхность подвижной части 4, образованная легированием кремния бором.

На подвижной части 4 пластины 3 укреплен также груз 17.

Пластина 3, плата 6 и магнит 8 прикреплены к стойке 2 гайкой 18. Корпус 1 закрыт крышкой 19.

Подвижная часть 4 пластины 3 соединена с неподвижной частью 5 упругим шарниром, образованным упругими перемычками 20', 20'' (фиг. 2).

На фасонной шайбе 13 (фиг. 3) грузы 21', 21''... 21⁽ⁱ⁾... 21⁽ⁿ⁾ расположены последовательно по окружности между цилиндрическими поверхностями 14, 15.

В развертке профиля фасонной шайбы 13 (фиг. 4) со стороны оси 0-0 грузы 21', 21''... 21⁽ⁱ⁾ .. 21⁽ⁿ⁾ имеют форму меандра с вершинами с поверхностями 22', 22''... 22⁽ⁱ⁾ ... 22⁽ⁿ⁾, направленными в направлении радиуса от оси 0-0 одними боковыми поверхностями 23', 23''... 23⁽ⁱ⁾ ... 23⁽ⁿ⁾ и другими боковыми поверхностями 24', 24''. .. 24⁽ⁱ⁾ ... 24⁽ⁿ⁾, а также с основаниями меандров 25', 25''. . . 25⁽ⁱ⁾ ... 25⁽ⁿ⁾ с верхними поверхностями 26', 2''... 26⁽ⁱ⁾ ... 26⁽ⁿ⁾ и нижними поверхностями 27', 27'' .... 27⁽ⁱ⁾ ... 27⁽ⁿ⁾.

При этом вершины меандров в профиле фасонной шайбы 13 расположены относительно оснований меандров 25', 25''... 25⁽ⁱ⁾ ... 25⁽ⁿ⁾ по направлению образующих цилиндрических поверхностей 14, 15 фасонной шайбы 13. Грузы 21', 21''. . . 21⁽ⁱ⁾ ... 21⁽ⁿ⁾ соединены между собой частями фасонной шайбы 13 в основаниях меандров 25', 25''... 25⁽ⁱ⁾ ... 25⁽ⁿ⁾. Поверхности 22', 22''... 22⁽ⁱ⁾ ... 22⁽ⁿ⁾ фасонной шайбы 13 на вершинах меандров расположены в первой торцевой плоскости 28-28, перпендикулярной цилиндрическим поверхностям 14, 15 фасонной шайбы 13.

Нижние поверхности 27', 27''... 27⁽ⁱ⁾ ... 27⁽ⁿ⁾ частей фасонной шайбы 13 в основании меандров расположены во второй торцевой плоскости 29-29, параллельной первой торцевой плоскости 28-28. На первую торцевую плоскость 28-28 фасонной шайбы 13 установлена компенсационная катушка 9 своей поверхностью 16. На поверхность 12 подвижной части 4 пластины 3 фасонная шайба 13 установлена своей второй торцевой плоскостью 29-29.

В одном частном случае выполнения фасонной шайбы 13 образующие профиль меандра боковые поверхности 23', 23''... 23⁽ⁱ⁾ ... 23⁽ⁿ⁾, 24', 24''... 24⁽ⁱ⁾ . . . 24⁽ⁿ⁾ грузов перпендикулярны первой 28-28 и второй 29-29 торцевым поверхностям. Во втором частном случае выполнения фасонной шайбы 13 (фиг. 5) одни боковые поверхности 30', 30''... 30⁽ⁱ⁾ ... 30⁽ⁿ⁾ грузов 21', 21'' ... 21⁽ⁱ⁾ . . . 21⁽ⁿ⁾, расположенные на перпендикуляре к радиусу от оси 0-0 цилиндрических поверхностей 14, 15, помещены на цилиндрической поверхности 31, концентричной с цилиндрическими поверхностями 14, 15. Другие боковые поверхности 32', 32"... 32⁽ⁱ⁾ ... 32⁽ⁿ⁾ помещены на цилиндрической поверхности 33, концентричной с цилиндрической поверхностью 31. При этом одна из цилиндрических поверхностей, например, цилиндрическая поверхность 31 может совпадать с цилиндрической поверхностью 14. Тогда цилиндрическая поверхность 33 будет расположена между цилиндрическими поверхностями 14, 15.

В третьем частном случае выполнения фасонной шайбы 13 в грузах образованы сквозные прорези. Например, в грузе 21' (фиг. 6) выполнена направленная по радиусу от оси цилиндрических поверхностей 14, 15 сквозная прорезь 34 с параллельной поверхности 22' поверхностью 35 и параллельными поверхностям 23', 24' поверхностями 36, 37, расположенными в промежутке между вершиной меандра с поверхностью 22' и образующими профиль меандра боковыми поверхностями 23' и 24' груза 21'. При этом прорезь 34 пересекает вторую торцевую плоскость 29-29.

Промежутки l₁, l₂, l₃ между поверхностями 22', 23', 24' груза 21' и поверхностями 35, 36, 37 сквозной прорези 34, а также расстояние l₄ между поверхностями 26', 27' основания меандра 25' могут быть выполнены равными.

Аналогично грузу 21 могут быть выполнены сквозные прорези во всех других грузах или в их части.

В компенсационном акселерометре (фиг. 7) выход дифференциального емкостного преобразователя положения 38 соединен с входом усилителя 39, к выходу которого подключена компенсационная катушка 9 магнитоэлектрического силового преобразователя. Дифференциальный емкостный преобразователь положения 38 выполнен по схеме моста, в плечи которого включены первый и второй конденсаторы, образованные неподвижными электродами 7', 7'' и подвижным электродом в виде электропроводной поверхности подвижной части 4.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения по его измерительной оси, перпендикулярной поверхности 12 подвижной части 4, под действием инерционной силы происходит угловое перемещение подвижной части 4. При этом изменяются емкости первого и второго конденсаторов дифференциального емкостного преобразователя положения 38, c его выхода поступает сигнал на вход усилителя 39. После преобразования и усиления в усилителе 39 сигнал с его выхода подается в компенсационную катушку 9 магнитоэлектрического силового преобразователя, в результате чего создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу и пропорциональная току компенсационной катушки 9. При этом компенсационный акселерометр измеряет ускорение, выдавая сигнал, пропорциональный току компенсационной катушки 9.

При креплении фасонной шайбы 13 второй торцевой поверхностью 29-29 на поверхности 12 подвижной части 4 пластины 3 увеличивается жесткость подвижной части 4 вследствие увеличения ее толщины за счет оснований меандров 25', 25''... 25⁽ⁱ⁾ ... 25⁽ⁿ⁾. При установке компенсационной катушки 9 своей поверхностью 16 на первую торцевую плоскость 28-28 фасонной шайбы 13 увеличиваются жесткость подвижной части 4 и жесткость механической системы, состоящей из подвижной части 4, грузов 21', 21''... 21⁽ⁱ⁾ ... 21⁽ⁿ⁾ и компенсационной катушки 9, за счет повышения жесткости связи между грузами 21', 21''. . . 21⁽ⁱ⁾ ... 21⁽ⁿ⁾, обеспечиваемой основаниями меандров 25', 25''... 25⁽ⁱ⁾ ... 25⁽ⁿ⁾.

В результате повышения жесткости подвижной части 4 и вышеуказанной механической системы механические резонансы конструкции акселерометра смещаются в область более высоких частот, не входящих в полосу частот пропускания компенсационного акселерометра. Поэтому повышается точность измерения линейных ускорений вследствие уменьшения вибрационной погрешности.

Источники информации
1. Патент Великобритании N 2162316A МКИ G 01 P 15/13, НКИ 1К. Акселерометр.

2. Патент РФ и 2051542 кл. G 01 P 15/08, 15/13. Компенсационный акселерометр. 1995 г. (прототип).

Акселерометр предназначен для использования в измерительной технике для преобразования линейных низкочастотных ускорений. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения линейных ускорений. Акселерометр содержит корпус, пластину с неподвижной частью, подвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с компенсационной катушкой, n (n = 2, 3...) грузов, посредством которых компенсационная катушка установлена на подвижной части. Грузы соединены последовательно в фасонной шайбе. Каждый груз выполнен в профиле в форме меандра. Части фасонной шайбы у основания меандров соединены между собой. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Компенсационный акселерометр, содержащий корпус, пластину с неподвижной частью, подвижной частью и соединяющим их упругим шарниром, дифференциальный емкостный преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с кольцевой компенсационной катушкой и постоянным магнитом с диаметральным направлением намагниченности, n (n = 2,3 ...) грузов, посредством которых компенсационная катушка установлена на подвижной части, усилитель, отличающийся тем, что грузы выполнены соединенными последовательно по окружности в фасонной шайбе, имеющей две цилиндрические поверхности, которые концентричны друг с другом и с цилиндрическими поверхностями компенсационной катушки, при этом каждый груз выполнен в форме меандра в профиле со стороны оси цилиндрических поверхностей фасонной шайбы с расположением вершины меандра относительно его основания по направлению образующей цилиндрических поверхностей фасонной шайбы, части фасонной шайбы у основания меандров соединены между собой с образованием верхней и нижней поверхностей основания меандра, поверхности фасонной шайбы на вершинах меандров расположены в первой торцевой плоскости, перпендикулярной цилиндрическим поверхностям фасонной шайбы, нижние поверхности оснований меандров расположены во второй торцевой плоскости, параллельной первой торцевой плоскости, на которую установлена компенсационная катушка, фасонная шайба установлена на подвижную часть посредством второй торцевой плоскости по нижним поверхностям оснований меандров. 2. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что грузы выполнены так, что по крайней мере одна из боковых поверхностей грузов, расположенных на перпендикуляре к радиусу от оси цилиндрических поверхностей фасонной шайбы, выполнена на цилиндрической поверхности, концентричной с цилиндрическими поверхностями фасонной шайбы и расположенной между ними. 3. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что боковые поверхности грузов, образующих профиль меандра, выполнены перпендикулярными торцевым плоскостям фасонной шайбы. 4. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что в грузах или в их части выполнена направленная по радиусу от оси цилиндрических поверхностей фасонной шайбы сквозная прорезь, расположенная в промежутке между вершиной меандра и образующими профиль меандра боковыми поверхностями грузов и распространенная до границы пересечения ее со второй торцевой плоскостью фасонной шайбы. 5. Компенсационный акселерометр по п.4, отличающийся тем, что образованные сквозной прорезью промежутки между вершиной меандра и боковыми поверхностями грузов, расстояния между верхними и нижними поверхностями основания меандра выполнены равными. 6. Компенсационный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что пластина с неподвижной частью, подвижной частью и упругим шарниром, а также фасонная шайба выполнены из монокристаллического материала, например кремния.