ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК G01P15/13 

Данное изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейных и угловых ускорений.

Известен преобразователь инерциальной информации, содержащий основание, чувствительный элемент с шестью степенями свободы, емкостные преобразователи линейного и углового положений, электростатические силовые преобразователи, усилители, к входам которых подключены выходы преобразователей положения, а к выходам - электростатические силовые преобразователи [1].

Такой преобразователь инерциальной информации имеет малый диапазон измерений вследствие ограничения величины напряжения, прилагаемого к электростатическому силовому преобразователю на верхнем пределе измерения.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь инерциальной информации [2], содержащий основание, чувствительный элемент в форме параллелепипеда или куба с степенями линейного и углового перемещений относительно трех ортогональных осей, датчики линейного и углового положений относительно каждой оси с неподвижными электродами емкостных преобразователей в основании и подвижным электродом в виде электропроводной поверхности чувствительного элемента, магнитоэлектрические силовые преобразователи в цепи обратной связи преобразователей линейного и углового ускорений по каждой оси, фазочувствительный усилитель для каждого датчика линейного и углового положений по каждой оси.

Недостатком данного преобразователя инерциальной информации является недостаточная компактность конструкции вследствие малой эффективности использования объема.

Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов преобразователя инерциальной информации за счет использования внутреннего объема чувствительного элемента для установки элементов преобразователя инерциальной информации.

Данный технический результат достигается в преобразователе инерциальной информации, содержащем основание, чувствительный элемент в форме параллелепипеда или куба с степенями линейного и углового перемещений относительно трех ортогональных осей, датчики линейного и углового положений относительно каждой оси с неподвижными электродами емкостных преобразователей в основании и подвижным электродом в виде электропроводной поверхности чувствительного элемента, магнитоэлектрические силовые преобразователи в цепи обратной связи преобразователей линейного и углового ускорений по каждой оси, фазочувствительный усилитель для каждого датчика линейного и углового положений по каждой оси, тем, что по крайней мере в одной паре параллельных друг другу граней чувствительного элемента в каждом углу грани выполнено окно, через окна в гранях введены неподвижные электроды емкостных преобразователей, ориентированные относительно внутренних поверхностей чувствительного элемента.

Выполнение окон в углах граней чувствительного элемента, введение в них неподвижных электродов емкостных преобразователей с ориентацией относительно внутренних поверхностей чувствительного элемента приводит к уменьшению габаритных размеров преобразователя инерциальной информации вследствие использования внутреннего объема чувствительного элемента для размещения неподвижных электродов емкостных преобразователей преобразователя инерциальной информации.

На фиг. 1 представлена фронтальная проекция преобразователя инерциальной информации, на фиг. 2 - профильная проекция преобразователя инерциальной информации, на фиг. 3-6 - виды блоков электродов, на фиг. 7, 8 - виды чувствительного элемента, на фиг. 9, 10 - электрические схемы преобразователей линейного ускорения, на фиг. 11, 12 - электрические схемы преобразователей углового ускорения.

Преобразователь инерциальной информации содержит основание 1 (фиг. 1) с первой торцевой частью 2, второй торцевой частью 3, первой боковой частью 4 и второй боковой частью 5. В основании 1 установлен чувствительный элемент 6 из электропроводного материала с первой торцевой гранью 7 с внутренней 8 и внешней 9 поверхностями, с второй торцевой гранью 10 с внутренней 11 и внешней 12 поверхностями. Чувствительный элемент 6 также образуют первая боковая грань 13 с внутренней 14 и внешней 15 поверхностями, вторая боковая грань 16 с внутренней 17 и внешней 18 поверхностями.

Блок электродов 19^I' с первым неподвижным электродом 20^I, вторым неподвижным электродом 21^I и третьим неподвижным электродом 22^I расположен во внутреннем объеме чувствительного элемента 6 и прикреплен к основанию 1. Первый неподвижный электрод 20^I расположен напротив внутренней поверхности 14 первый боковой грани 13, второй неподвижный электрод 21^I расположен напротив внутренней поверхности 8 первой торцевой грани 7, а третий неподвижный электрод 22^I расположен напротив внутренней поверхности 11 второй торцевой грани 10.

Также во внутреннем объеме чувствительного элемента расположен блок электродов 23^I. Его первый неподвижный электрод 20^II расположен напротив внутренней поверхности 17 второй боковой грани 16, второй неподвижный электрод 21^II расположен напротив внутренней поверхности 8 первой торцевой грани 7, а третий неподвижный электрод 22^II расположен напротив внутренней поверхности 11 второй торцевой грани 10.

На основании 1 установлены постоянные магниты 24^I, 24^II - 24^VIII с радиальным направлением намагниченности. На внешних поверхностях 9, 18, 12, 15 соответственно граней 7, 16, 10, 13 чувствительного элемента 6 расположены кольцевые компенсационные катушки 25^I, 25^II - 25^VIII.

Постоянный магнит 24^II с компенсационной катушкой 25^II и постоянный магнит 24^VI с компенсационной катушкой 25^VI образуют магнитоэлектрический силовой преобразователь цепи обратной связи преобразователя линейного ускорения по оси О₁ - O₁. Постоянные магниты 24^I, 24^III, 24^V, 24^VII вместе с соответствующими компенсационными катушками 25^I, 25^III, 25^V, 25^VII образуют магнитоэлектрический силовой преобразователь цепи обратной связи преобразователя углового ускорения относительно оси, перпендикулярной осям O₁ - О₁ и O₂ - O₂.

Постоянными магнитами 24^IV, 24^VIII с компенсационными катушками 25^IV, 25^VIII образован магнитоэлектрический силовой преобразователь цепи обратной связи преобразователя линейного ускорения по оси O₂ - О₂.

В профильной проекции (фиг. 2) преобразователя инерциальной информации в основании 1 с третьей боковой частью 26 и четвертой боковой частью 27 во внутреннем объеме чувствительного элемента 6, образованном первой торцевой гранью 7, второй торцовой гранью 10, третьей боковой гранью 28 с внутренней поверхностью 29 и внешней поверхностью 30, четвертой боковой гранью 31 с внутренней поверхностью 32 и внешней поверхностью 33, расположены блоки электродов 19^II, 23^II. Первый неподвижный электрод 20^III блока электродов 19^II расположен напротив внутренней поверхности 29 третьей боковой грани 28, первый неподвижный 20^IV блока электродов 23^II расположен напротив внутренней поверхности 32 четвертой боковой грани 31. Вторые электроды 21^III, 21^IV блоков электродов 19^II, 23^II расположены напротив внутренней поверхности 8 первой торцевой грани 7, третьи электроды 22^III, 22^IV расположены напротив внутренней поверхности 11 второй торцевой грани 10.

На основании 1 установлены постоянные магниты 24^IX - 24^XIV. На внешних поверхностях 9, 33, 18, 30 соответственно граней 7, 31, 10, 28 расположены компенсационные катушки 25^IX - 25^XIV.

Постоянный магнит 24^XI с компенсационной катушкой 25^XI и постоянный магнит 24^XIV с компенсационной катушкой 25^XIV образуют магнитоэлектрический силовой преобразователь цепи обратной связи преобразователя линейного ускорения по оси O₃ - O₃. Постоянные магниты 24^IX, 24^X, 24^XII, 24^XIII с компенсационными катушками 25^IX, 25^X, 25^XII, 25^XIII образуют магнитоэлектрический силовой преобразователь цепи обратной связи преобразователя углового ускорения относительно оси O₂ - O₂.

В блоках электродов 19^I, 23^I (фиг. 3-6) выполнены соответственно первые неподвижные электроды 20^I, 20^II, вторые неподвижные электроды 21^I, 21^II, третьи неподвижные электроды 22^I, 22^II и четвертые неподвижные электроды 34^I, 34^II в виде, например, металлизированных участков. Аналогичные неподвижные электроды 20^III, 20^IV, 21^III, 21^IV, 22^III, 22^IV, 34^III, 34^IV образованы в блоках электродов 19^II, 23^II.

Чувствительный элемент 6 (фиг. 7) может быть выполнен в виде параллелепипеда или куба. В углах его первой торцевой грани 7 образованы окна 35^I - 35^IV. На внешней поверхности 15 первой боковой грани 13 расположены компенсационные катушки 25^XV, 25^XVI, а на внешней поверхности 18 второй боковой грани 16 - компенсационные катушки 25^XVII, 25^XVIII. Компенсационные катушки 25^XV - 25^XVIII вместе с соответствующими постоянными магнитами, расположенными на основании 1, образуют магнитоэлектрический силовой преобразователь цепи обратной связи преобразователя углового ускорения относительно оси O₁ - О₁.

Через окно 35^I во внутренний объем чувствительного элемента 6 устанавливается блок электродов 19^I так, чтобы первый неподвижный электрод 20^I и четвертый неподвижный электрод 34^I располагались напротив внутренней поверхности 14 первой боковой грани 13, второй неподвижный электрод 21^I располагался напротив внутренней поверхности 8 первой торцевой грани 7, а третий неподвижный электрод 22^I располагался напротив внутренней поверхности 17 второй боковой грани 16 между окнами 35^I и 35^IV. Через окно 35^III во внутренний объем чувствительного элемента 6 устанавливается блок электродов 23^I так, чтобы первый неподвижный электрод 20^II и четвертый неподвижный электрод 34^II располагались напротив внутренней поверхности 17 второй боковой грани 16, второй неподвижный электрод 21^II находился напротив внутренней поверхности 8 первой торцевой грани 7, третий неподвижный электрод 22^II располагался напротив внутренней поверхности 11 второй торцевой грани 10 между окнами 35^II, 35^III. Через окно 35^II во внутренний объем чувствительного элемента 6 устанавливается блок электродов 19^II так, чтобы первый неподвижный электрод 20^III и четвертый неподвижный электрод 34^III располагались напротив внутренней поверхности 29 третьей боковой грани 28, второй неподвижный электрод 21^III находился напротив внутренней поверхности 8 первой торцевой грани 7, а третий неподвижный электрод 22^III располагался напротив внутренней поверхности 11 второй торцевой грани 10 между окнами 35^I, 35^II.

Через окно 35^IV во внутренний объем чувствительного элемента 6 устанавливается блок электродов 23^II так, чтобы первый неподвижный электрод 20^IV и четвертый неподвижный электрод 34^IV располагались напротив внутренней поверхности 32 четвертой боковой грани 31, второй неподвижный электрод 21^IV находился напротив внутренней поверхности 8 первой торцевой грани 7, а третий неподвижный электрод 22^IV располагался напротив внутренней поверхности 11 второй торцевой грани 10 между окнами 35^III, 35^IV.

Для симметрии чувствительного элемента 6 (фиг. 8) в углах его второй торцевой грани 10 выполнены окна 36^I- 36^IV. Окна для установки блоков электродов могут быть выполнены в других любых гранях чувствительного элемента 6.

Преобразователь линейного ускорения (фиг. 9) по оси O₂ - О₂ содержит выполненный по мостовой схеме датчик линейного положения с резисторами R₁^I и R₂^I и конденсаторами C^I1 и C^I2, из которых конденсатор C^I1 образован первым неподвижным электродом 20^I емкостного преобразователя и подвижным электродом в виде электропроводной поверхности чувствительного элемента 6, а конденсатор C2 образован первым неподвижным электродом 20^II и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 6. Выход датчика линейного положения соединен с входом фазочувствительного усилителя 37^I, к входу которого подключены последовательно включенные компенсационные катушки 25^IV, 25^VIII.

Фазочувствительный усилитель 37^I может быть выполнен в составе дифференциального усилителя, усилители переменного тока, фазового демодулятора и усилителя постоянного тока.

Датчик линейного положения запитывается от источника переменного напряжения U_~. Выходным сигналом преобразователя линейного ускорения является напряжение U_а на резисторе R^I_н.

Аналогично выполнен преобразователь линейного ускорения по оси O₃ - O₃, у которого в схему включены первые неподвижные электроды 20^III, 20^IV и компенсационные катушки 25^XI, 25^XIV.

В преобразователе линейного ускорения (фиг. 10) по оси О₁ - О₁ конденсатор С^II1 образован соединенными вместе третьими неподвижными электродами 22^I, 22^II и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 6, а конденсатор C^II2 образован соединенными вместе вторыми неподвижными электродами 21^III, 21^IV и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 6. К выходу фазочувствительного усилителя 37^II подключены компенсационные катушки 25^II, 25^VI.

В преобразователе углового ускорения (фиг. 11) относительно оси О₁ - O₁ в датчике углового положения конденсатор C^I3 образован соединенными вместе четвертыми неподвижными электродами 34^I, 34^III и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 6, конденсатор C^I4 образован соединенными вместе четвертыми неподвижными электродами 34^II, 34^IV и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 6. К выходу фазочувствительного усилителя 37^III подключены компенсационные катушки 25^XV - 25^XVIII. Выходным сигналом преобразователя углового ускорения является напряжение U_ε на резисторе R_н^III.

В преобразователе углового ускорения (фиг. 12) относительно оси O₂ - O₂ в датчике углового положения конденсатор C^II3 образован третьим неподвижным электродом 22^III, конденсатор C^II4 образован третьим неподвижным электродом 22^IV и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 6. К выходу фазочувствительного усилителя 37^IV подключены компенсационные катушки 25^IX, 25^X, 25^XII, 25^XIII.

Аналогично выполнен преобразователь углового ускорения относительно оси O₃ - O₃, у которого в схему включены вторые неподвижные электроды 21^I, 21^II и компенсационные катушки 25^I, 25^III, 25^V, 25^VII.

Преобразователь инерциальной информации работает следующим образом. При наличии линейного ускорения, например, по оси O₂ - О₂ (фиг. 9), происходит поступательное перемещение чувствительного элемента 6 вдоль оси O₂ - O₂, при этом изменяются емкости конденсаторов C^I1, C^I2, и с выхода датчика линейного положения на вход фазочувствительного усилителя 37^I поступает сигнал рассогласования следящей системы преобразователя линейного ускорения. После преобразования и усиления сигнал с выхода фазочувствительного усилителя подается в компенсационные катушки 25^IV, 25^VIII магнитоэлектрического силового преобразователя. За счет проходящего через компенсационные катушки 25^IV, 25^VIII тока восстанавливается баланс следящей системы, в результате чего падение напряжения U_а1 на резисторе R_н^I пропорционально линейному ускорению.

Аналогичным образом производится измерение линейных ускорений по осям O₁ - О₁ и O₃ - O₃.

При наличии углового ускорения, например, относительно оси O₂ - O₂ (фиг. 12), происходит угловое перемещение чувствительного элемента 6 относительно оси O₂ - O₂, емкости конденсаторов C^II3, C^II4 изменяются, и с выхода датчика углового положения на вход фазочувствительного усилителя 37^IV подается сигнал рассогласования следящей системы преобразователя углового ускорения. После его преобразования и усиления сигнал с выхода фазочувствительного усилителя 37^IV подается в компенсационные катушки 25^IX, 25^X, 25^XII, 25^XIII магнитоэлектрического силового преобразователя. За счет проходящего через них тока восстанавливается баланс следящей системы преобразователя углового ускорения относительно оси O₂ - O₂ и на резисторе R^IV_н получается падение напряжения U_ε2, пропорциональное угловому ускорению.

Аналогичным образом производится измерение угловых ускорений относительно осей O₁ - O₁ и O₃ - O₃.

Таким образом, посредством преобразователя инерциальной информации производится измерение линейных ускорений по трем ортогональным осям и угловых ускорений относительно этих осей.

Источники информации
1. Патент Франции N 2511509, кл. G 01 P 15/125. Трехосный акселерометр с электростатическим подвесом крестовидной контрольной массы.

2. Патент США N 4711125, кл. G 01 C 21/12, НКИ 73/510, 73/517. Инерциальное измерительное устройство.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейных и угловых ускорений. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов преобразователя инерциальной информации. Преобразователь содержит основание, чувствительный элемент со степенями линейного и углового перемещений относительно трех ортогональных осей, датчики линейного и углового положений относительно каждой оси с неподвижными электродами емкостных преобразователей в основании, магнитоэлектрические силовые преобразователи, фазочувствительный усилитель для каждого датчика углового и линейного положений. В каждом углу по крайней мере двух граней чувствительного элемента выполнено окно, через окна в гранях введены неподвижные электроды емкостных преобразователей, ориентированные относительно внутренних поверхностей чувствительного элемента. 12 ил.

Преобразователь инерциальной информации, содержащий основание, чувствительный элемент в форме параллелепипеда или куба со степенями линейного и углового перемещений относительно трех ортогональных осей датчики линейного и углового положений относительно каждой оси с неподвижными электродами емкостных преобразователей в основании и подвижным электродом в виде электропроводной поверхности чувствительного элемента, магнитоэлектрические силовые преобразователи в цепи обратной связи преобразователей линейного и углового ускорений по каждой оси, фазочувствительный усилитель для каждого датчика линейного и углового положений по каждой оси, отличающийся тем, что по крайней мере в одной паре параллельных друг другу граней чувствительного элемента в каждом углу грани выполнено окно, через окно в гранях введены неподвижные электроды емкостных преобразователей, ориентированные относительно внутренних поверхностей чувствительного элемента.