СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2013 года по МПК G01P3/64 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных ускорений контролируемых объектов в инерциальных навигационных системах.

Предшествующий уровень техники

Известен способ измерения линейных ускорений объектов, описанный в кн. под редакцией Горенштейна И.А. Инерциальные навигационные системы. - М.: Машиностроение, 1970, с.117-120. В дальнейшем в описании указанная книга обозначена как литература {1}.

Гидродинамический поплавковый интегрирующий акселерометр, осуществляющий техническую реализацию указанного способа, представляет собой герметичную камеру, которую заполняют жидкостью, внутри которой помещают поплавок - инерционное тело. Камера приводится во вращение двигателем с постоянной угловой скоростью. Под действием центробежных сил, возникающих при вращении жидкости, поплавок устанавливается по оси симметрии цилиндрической камеры, вдоль которой он может перемещаться.

Величина осевого перемещения инерционного тела относительно герметичной камеры является мерой измерения линейного ускорения герметичной камеры относительно инерциальной системы координат.

Низкая точность измерения гидродинамического поплавкового интегрирующего акселерометра, осуществляющего техническую реализацию указанного способа, определяется невозможностью поддержания с высокой точностью постоянства угловой скорости цилиндрической камеры.

Низкая технологичность изготовления гидродинамического поплавкового интегрирующего акселерометра, осуществляющего техническую реализацию указанного способа, определяется необходимостью применения двигателя в указанном устройстве.

Наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемого способа измерения линейных ускорений контролируемых объектов является способ измерения линейных ускорений объектов, описанный в литературе {1}, с.120-122.

Внутри корпуса при данном способе помещают суспензию на основе специальной органической жидкости (фторорганической или кремнийорганической). В качестве твердой фазы этой суспензии выбирается ферромагнетик. В жидкость помещают цилиндрический поплавок из нейлона (инерционное тело), в который запрессованы восемь цилиндрических постоянных магнитов. Центровка поплавка осуществляется в результате взаимодействия связанного с поплавком постоянного магнитного поля и взвешенными в жидкости ферромагнитными частицами. Измеряемая составляющая ускорения уравновешивается исключительно лишь силами внутреннего трения в жидкости, которые пропорциональны скорости осевого перемещения инерционной массы и приведенной вязкости суспензии.

Величина осевого перемещения инерционной массы относительно корпуса является мерой измерения линейного ускорения корпуса относительно инерциальной системы координат.

При длительной работе устройства, осуществляющего техническую реализацию указанного способа, происходит расслоение суспензии и образование агрегатов частиц в магнитном поле, что снижает точность измерения.

Низкая технологичность изготовления определяется необходимостью применения в указанном устройстве совершенного магнитостатического экрана, который предназначен для локализации магнитного поля постоянных магнитов внутри объема прибора.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение точности измерения и технологичности изготовления устройства, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа измерения линейных ускорений контролируемых объектов.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения общих с прототипом, таких как инерционное тело помещают с возможностью перемещения в жидкую среду и отличительных существенных признаков, таких как инерционное тело, выполняют из магнитострикционного материала, возбуждают механические колебания в инерционном теле под действием приложенного к нему переменного магнитного поля, в колебательном контуре, содержащем катушку индуктивности и конденсатор, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля, перемещают инерционное тело вдоль оси корпуса, изменяют емкость колебательного контура, который является гальванически развязанным от измерительной схемы, а линейное ускорение контролируемого объекта измеряют за счет изменения частоты резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.

Высокая точность измерения устройства, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа, определяется гальванической развязкой колебательного контура от измерительной схемы. Вследствие этого отсутствуют соединительные проводники между колебательным контуром и измерительной схемой, что повышает точность измерения.

В предлагаемом способе происходит гидродинамическое взвешивание инерционного тела внутри корпуса в жидкой среде. Вследствие этого полностью отсутствует сухое трение между инерционным телом и корпусом, что повышает точность измерения.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - повышение точности измерения и технологичности изготовления устройства, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа измерения линейных ускорений контролируемых объектов.

Краткое описание чертежа

На чертеже изображена структурная схема устройства, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа измерения линейных ускорений контролируемых объектов.

Осуществление изобретения

Устройство, осуществляющее техническую реализацию предлагаемого способа измерения линейных ускорений контролируемых объектов, содержит корпус (на фигуре изображен продольный разрез корпуса), инерционное тело 3, возбуждающую катушку индуктивности 6, колебательный контур и измерительную схему 5.

Корпус состоит из двух дисков и кольца 7, выполненных из стекла. На фигуре места диффузионных соединений обозначены линиями двойной толщины.

Инерционное тело 3 выполнено в виде диска из магнитострикционного материала.

Возбуждающая катушка индуктивности 6 выполнена путем намотки провода на диэлектрическом каркасе. Первый и второй выводы возбуждающей катушки индуктивности 6 соединены с генератором переменного напряжения ультразвуковой частоты измерительной схемы 5 (на чертеже не показан).

Колебательный контур содержит катушку индуктивности 1 и конденсатор 2. Конденсатор 2 выполнен в виде трех металлических колец. Два металлических кольца конденсатора 2 размещены на внутренней цилиндрической поверхности кольца 7 и соединены с первым и вторым выводами катушки индуктивности 1. Третье металлическое кольцо конденсатора 2 расположено на цилиндрической поверхности инерционного тела 3.

Инерционное тело 3 помещают с возможностью перемещения в жидкую среду 4 (предпочтительно кремнийорганическую жидкость) внутри корпуса.

Измерительная схема 5 содержит катушку индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур, катушку индуктивности 9 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура, элемент ИЛИ 10, транзистор 11, компаратор 12 и вычислительное устройство (на фигуре не показано).

Второй 13 вход элемента ИЛИ 10 является входом запуска непрерывных незатухающих резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура. Выход элемента ИЛИ 10 соединен с базой транзистора 11, эмиттер которого соединен с выводом «Общий» питания.

Первый и второй выводы катушки индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур соединены соответственно с коллектором транзистора 11 и плюсовым выводом 14 источника питания постоянного тока (на фигуре не показан) измерительной схемы 5.

Первый и второй выводы катушки индуктивности 9 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура соединены соответственно с выводом «Общий» питания и прямым входом компаратора 12, на инверсный вход которого подают опорное напряжение. Выход компаратора 12 соединен с первым входом элемента ИЛИ 10 и вычислительным устройством.

Катушка индуктивности 1, катушка индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур и катушка индуктивности 9 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура выполнены путем намотки провода на диэлектрический каркас.

Устройство, осуществляющее техническую реализацию предлагаемого способа измерения линейных ускорений контролируемых объектов, работает следующим образом.

После включения питания из параллельного канала вычислительного устройства на второй 13 вход элемента ИЛИ 10 подают единичный положительный импульс. Вследствие этого на базу транзистора 11 поступает положительный импульс, который открывает транзистор 11 и через катушку индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур начинает протекать ток, который наводит ЭДС - электродвижущую силу индукции в колебательном контуре, в котором возникают резонансные колебания электромагнитного поля.

Частоту резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура измеряют путем снятия частоты с катушки индуктивности 9 считывания частоты резонансных колебаний колебательного контура, которая затем поступает на прямой вход компаратора 12, на инверсный вход которого подают опорное напряжение. С выхода компаратора 12 положительные сигналы прямоугольной формы поступают на первый вход элемента ИЛИ 10 (на второй 13 вход элемента ИЛИ 10 в это время подают уровень логического нуля) и в вычислительное устройство.

С выхода элемента ИЛИ 10 прямоугольные импульсы поступают на базу транзистора 11, при открывании которого через катушку индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур течет ток, при изменении которого в колебательном контуре возникает ЭДС индукции, под действием которой в колебательном контуре возникают токи, согласные с направлением тока в каждый полупериод колебаний колебательного контура.

В положительный полупериод колебаний в колебательном контуре происходит подкачка энергии во время увеличения тока в катушке индуктивности 8 подкачки энергии. В отрицательный полупериод колебаний подкачка энергии происходит во время уменьшения тока в катушке индуктивности 8 подкачки энергии, так как передача энергии происходит в моменты изменения тока в катушке индуктивности 8 подкачки энергии в колебательный контур.

Таким образом в колебательном контуре возбуждают непрерывные незатухающие резонансные колебания электромагнитного поля с подкачкой энергии в определенные моменты времени, увеличивают в эти моменты амплитуду колебаний и преобразуют эти колебания в положительные сигналы прямоугольной формы.

Подают переменное напряжение ультразвуковой частоты от генератора измерительной схемы 5 на возбуждающую катушку индуктивности 6 (указанное переменное напряжение может иметь постоянную - подмагничивающую составляющую). Вследствие этого происходит возбуждение механических колебаний в инерционном теле 3 под действием приложенного к нему переменного магнитного поля и гидродинамическое взвешивание инерционного тела 3 внутри корпуса.

При линейном ускорении контролируемого объекта относительно инерционной системы координат происходит перемещение инерционного тела 3 вдоль оси корпуса и изменение емкости конденсатора 2, а также частоты резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.

Линейное ускорение контролируемого объекта относительно инерциальной системы координат измеряют за счет изменения частоты резонансных колебаний колебательного контура.

Промышленная применимость

Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения линейных ускорений контролируемых объектов, может быть изготовлено из доступных элементов и материалов в условиях радиотехнического производства.

Предлагаемый способ измерения линейных ускорений контролируемых объектов найдет широкое применение в устройствах применения настоящего изобретения. Специалистам будут очевидны и другие частные случаи измерения линейных ускорений контролируемых объектов.

Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.

Технический результат - повышение точности измерения и технологичности изготовления устройства, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа.

Изобретение относится к измерительной техники и может быть использовано для измерения линейных ускорений контролируемых объектов в инерционных навигационных системах. Техническим результатом является повышение точности измерения и технологичности изготовления устройства, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа измерения. Технический результат достигается благодаря тому, что способ измерения линейных ускорений контролируемых объектов включает следующие этапы, инерционное тело помещают с возможностью перемещения в жидкую среду. При этом инерционное тело выполняют из магнитострикционного материала, возбуждают механические колебания в инерционном теле под действием приложенного к нему переменного магнитного поля, в колебательном контуре, содержащем катушку индуктивности и конденсатор, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля, перемещают инерционное тело вдоль оси корпуса, изменяют емкость колебательного контура, который является гальванически развязанным от измерительной схемы, а линейное ускорение контролируемого объекта измеряют за счет изменения частоты резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура. Предлагаемый способ найдет широкое применение в устройствах автоматизации измерения линейных ускорений контролируемых объектов. 1 ил.

Способ измерения линейных ускорений контролируемых объектов, заключающийся в том, что инерционное тело помещают с возможностью перемещения в жидкую среду, отличающийся тем, что инерционное тело выполняют из магнитострикционного материала, возбуждают механические колебания в инерционном теле под действием приложенного к нему переменного магнитного поля, в колебательном контуре, содержащем катушку индуктивности и конденсатор, возбуждают резонансные колебания электромагнитного поля, перемещают инерционное тело вдоль оси корпуса, изменяют емкость колебательного контура, который является гальванически развязанным от измерительной схемы, а линейное ускорение контролируемого объекта измеряют за счет изменения частоты резонансных колебаний электромагнитного поля колебательного контура.