Датчик моментов акселерометра компенсационного Российский патент 2022 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для создания управляющих (противодействующих) моментов в системах тина электрической пружины, например, в акселерометрах компенсационного типа.

Известен аналог (патент РФ №2291450. Компенсационный маятниковый акселерометр / Бахратов А. Р., Егорова Т.Л., Игнатов А. С. и др. Опубл. 10.01.2007, Бюл. №1), в котором для создания противодействующего момента применен датчик момента магнитоэлектрического типа. Компенсационный маятниковый акселерометр содержит магнитоэлектрический датчик момента, содержащий две магнитные системы, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла. Первая и вторая магнитные системы содержат каждая: постоянный магнит, кольцевой ферромагнитный магнитопровод и центральный ферромагнитный магнитопровод. Элементы магнитных систем образуют между собой кольцевые зазоры, в которых размещаются также две катушки, закрепленные с обеих сторон маятникового пластинчатого чувствительного элемента.

Недостатком аналога является сложная конструкция, которая в предполагаемых габаритах не имеет резервов для увеличения крутизны датчика моментов и, следовательно, расширения диапазона измерения.

Известен компенсационный акселерометр, датчик момента которого принят за прототип (патент РФ №2028000. Компенсационный маятниковый акселерометр / Баженов В.И., Брищук Е.С., Вдовенко И.В. и др. опубликовано 27.01.1995). Акселерометр имеет корпус со стойкой и посадочными отверстиями во фланце корпуса, который закрыт крышкой. На стойке установлена пластина из монокристаллического кремния, имеющая внутреннюю неподвижную часть и внешнюю подвижную часть, которые соединены между собой двумя упругими перемычками. Магнитоэлектрический датчик момента (силовой преобразователь) акселерометра состоит из установленного на стойке дискового постоянного магнита с диаметральным направлением намагниченности, компенсационной катушки, установленной на подвижной части кремниевой пластины, магнитопровода, образованного корпусом и крышкой, которые изготовлены из магнитомягкого магнитного материала. С компенсационной катушкой также жестко связаны маятниковые грузы.

Установленные на стойке магнит, переходные платы, неподвижная часть кремниевой пластины закрепляются с помощью гайки, навинчиваемой на резьбовую концевую часть стойки.

Недостатком датчика моментов прототипа является заниженная крутизна моментной характеристики, что обусловлено диаметральной намагниченностью дискового постоянного магнита, что приводит к неравномерности магнитной индукции в зазоре магнитопровода, где размещена компенсационная катушка. При этом магнитная индукция в зазоре магнитопровода изменяется от нуля в магнитной нейтрале, до максимального значения в районе полюсов магнита. Заниженная крутизна в свою очередь приводит к снижению диапазона измерения акселерометра.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности работы датчика моментов акселерометра компенсационного, что приводит к расширению диапазона измерения ускорений акселерометра.

Технический результат достигается тем, что в датчике момента акселерометра компенсационного, содержащим маятник в одноосном упругом кристаллическом подвесе, имеющий неподвижную, жестко связанную с корпусом и подвижную кристаллические пластины, соединенные упругими перемычками, при этом на подвижной пластине установлен каркас с кольцевой катушкой, магнитную систему, включающую постоянный магнит и магнитопровод, которые закреплены на корпусе, новым является то, что магнит магнитной системы имеет два секторных цилиндрических магнита прямоугольного сечения, размещенных симметрично относительно оси подвеса и намагниченных по радиусу таким образом, что для первого магнита кольцевая катушка проходит над северным (южным) полюсом, а для второго магнита проходит над южным (северным) полюсом, магнитопровод также состоит из двух частей, имеющих П-образную конфигурацию, при этом в первом магнитопроводе установлен первый магнит, во втором магнитопроводе установлен второй магнит таким образом, чтобы магнитная индукция в зазоре, где размещена кольцевая катушка, была равномерной, а угловые размеры секторных магнитов и соответственно магнитопроводов равны , где угол между плоскостью, проходящей через ось подвеса упругих перемычек и плоскостью, которая определяет угловой размер секторных магнитов.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1–3, где:

на фиг. 1 приведен эскиз конструкции датчика момента акселерометра компенсационного, на фиг. 2 – расчетная схема для определения крутизны датчика момента по току для прототипа, на фиг. 3 – расчетная схема для определения крутизны датчика момента по току предполагаемого изобретения

На фиг. 1-3 приняты следующие обозначения:

1 – корпус;

2 – крышка;

3 – дисковый магнит, примененный в прототипе (фиг. 2);

3.1 – первый постоянный магнит, намагниченный по радиусу;

3.2 – второй постоянный магнит, намагниченный по радиусу;

4 – магнитопровод, примененный в прототипе (фиг. 2);

4.1 – первый магнитопровод;

4.2 – второй магнитопровод;

5 – подвижная часть кристаллической пластины;

6 – катушка кольцевая;

7 – переходная плата;

8 – комбинированная плата;

9 – втулка коническая;

10 – шайба пружинная;

11 – гайка;

12 – маятниковый грузик;

13 – каркас крепления катушки 6 к пластине 5;

14 – резиновая прокладка для герметизации;

15 – гайка для крепления крышки к корпусу;

16 – гермоввод (6 штук);

17 – упругая контактная пружина (жестко связана с гермовводом);

18 – стойка (является элементом корпуса).

На фиг. 1-3 приняты следующие буквенные обозначения:

– средний радиус катушки;

Ф – линия магнитного потока;

В – магнитная индуция в зазоре;

– ток в катушке;

– элементарная длина витка катушки;

– элементарная сила;

– элементарный момент;

– угловое положение элемента витка;

– элементарный угол, соответствуюий элементу витка ;

– угол, определяющий угловой размер секторных магнитов;

– величина зазора между магнитом и магнитопроводом.

В соответствии с эскизом конструкции акселерометра компенсационного, представленным на фиг. 1, датчик моментов имеет магнитную систему, состоящую из двух П-образных в сечении магнитопроводов 4.1 и 4.2, вмонтированных в корпус 1, выполненный из немагнитной стали. Два цилиндрических секторных магнита 3.1 и 3.2, намагниченных по радиусу, жестко закреплены в соответствующих магнитопроводах 4.1 и 4.2, при этом первый магнит 3.1 обращен в сторону зазора северным (южным) полюсом, а второй магнит 3.2 обращен в сторону зазора южным (северным) полюсом. В зазоре на каркасе 13 размещена кольцевая катушка 6. Оба магнита имеют форму сектора-кольца с угловой мерой, равной . Таким образом, кольцевая катушка будет иметь активную часть, равную в отличие от катушки прототипа, у которой активная часть равна . Катушка 6 соединяется с подвижной частью кристаллической пластины 5 с помощью каркаса 13, к которому крепится маятниковый грузик 12. Неподвижная часть кристаллической пластины 5 жестко соединена со стойкой 18 корпуса 1 через переходную плату 7 – посажена на его цилиндрическую часть и прижата комбинированной платой 8 с помощью конической втулки 9, пружинной шайбы 10 и гайки 11. Переходная плата 7 предназначена для демпфирования чувствительного элемента (подвижной части пластины 5 с маятником 12) во время вибрации.

Подвижная часть кристаллической пластины 5 и комбинированная плата 8, с нанесенной на нее металлизацией, образуют конденсаторы емкостного датчика угла, величина емкости которых изменяется в зависимости от положения, занимаемого подвижной частью кристаллической пластины 5 с маятником 12 относительно комбинированной платы 8.

Корпус 1 герметизируется крышкой 2 с помощью резиновой прокладки 14 и специальной гайки 15, которая заливается герметиком «Виксинт».

В крышке 2 имеется шесть гермовводов 16 с закрепленными на них контактами 17, с помощью которых осуществляется электрическая связь с подвижной частью пластины 5 и комбинированной платой 8.

Работа акселерометра компенсационного, в котором применен предлагаемый датчик моментов, хорошо описана в прототипе и состоит в следующем:

1) При действии ускорения вдоль оси чувствительности Z (фиг. 2 и фиг. 3) возникает инерционный момент , действующий по оси X , который отклоняет подвижную часть пластины 5 с маятниковым грузом 12.

2) Под действием инерционного момента подвижная часть пластины 5 отклоняется и емкостной датчик угла выдает сигнал, который в усилителе проходит преобразование, усиливается по напряжению и мощности и подается на катушку кольцевую 6 датчика моментов.

3) Датчик моментов создает момент , где – крутизна датчика моментов, определяемая его параметрами; – ток в катушке кольцевой 6.

4) В установившемся режиме измерения , следовательно, ток в катушке кольцевой определяется соотношением

,

из которого следует, что для повышения эффективности – увеличения диапазона измерения необходимо при прочих равных условиях увеличивать крутизну датчика моментов.

Для доказательства большей эффективности предлагаемого датчика момента необходимо показать, что при прочих равных условиях (габариты, ток в катушке, максимальная магнитная индукция в зазоре) крутизна предлагаемого датчика момента больше, чем крутизна датчика момента прототипа по току.

Определение суммарного момента датчика момента прототипа

Для этого в соответствии с расчетной схемой, приведенной на фиг. 2, определим суммарный момент датчика. Магнитная индукция в зазоре, создаваемая цилиндрическим магнитом, намагниченным по диаметру, уменьшается от при до при . Экспериментально установлено, что магнитная индукция в зазоре изменятся по закону, близкому к синусоидальному .

Элемент активной части витка катушки, по которой протекает ток , равен:

.

В соответствии с законом Ампера запишем элементарную силу, действующую на элемент для всех витков катушки:

.

Определим величину элементарного момента, приложенного к элементу всех витков катушки:

.

Проинтегрировав для всей активной части катушки, получим суммарный момент, создаваемый катушкой относительно оси подвеса маятника

Определение суммарного момента предлагаемого датчика момента

В соответствии с конфигурацией магнитной системы фиг. 3 магнитная индукция в зазоре постоянна (чтобы можно было корректно сравнивать два датчика момента).

Элемент активной части витка, как и в прототипе равен:

.

Запишем элементарную силу:

.

Определим величину элементарного момента:

.

Проинтегрировав, получим суммарный момент, создаваемый катушкой относительно оси подвеса маятника:

Сравнивая крутизну датчиков моментов для двух вариантов, которая в выражениях моментов является произведениями соостветствующих коэффициентов при токе , получим, что эффективность предлагаемой конструкции датчика момента эффективнее в N раз

.

Угол введен для исключения влияния первого и второго магнита друг на друга. Если принять, что , то магниты будут разведены на угол и этого вполне достаточно для исключения указанного влияния. При этом повышение эффективности будет в 1,25 раза, т.е. на 25%.

Предлагаемый датчик момента может найти применение при модернизации серийного акселерометра А-15, который выпускается Раменским приборостроительным заводом (РПЗ), а также при разработке новых акселерометров с расширенным диапазоном измерения.

Изобретение относится к измерительной технике. Магнит магнитной системы датчика момента акселерометра компенсационного имеет два секторных цилиндрических магнита прямоугольного сечения, размещенных симметрично относительно оси подвеса и намагниченных по радиусу таким образом, что для первого магнита кольцевая катушка проходит над северным полюсом, а для второго магнита проходит над южным полюсом, магнитопровод также состоит из двух частей, имеющих П-образную конфигурацию, при этом в первом магнитопроводе установлен первый магнит, во втором магнитопроводе установлен второй магнит таким образом, чтобы магнитная индукция в зазоре, где размещена кольцевая катушка, была равномерной, а угловые размеры секторных магнитов и соответственно магнитопроводов равны , где угол между плоскостью, проходящей через ось подвеса упругих перемычек, и плоскостью, которая определяет угловой размер секторных магнитов. Технический результат – повышение эффективности работы датчика моментов акселерометра компенсационного, расширение диапазона измерения ускорений акселерометра. 3 ил.

Датчик момента акселерометра компенсационного, содержащий маятник в одноосном упругом кристаллическом подвесе, имеющий неподвижную, жестко связанную с корпусом, и подвижную кристаллические пластины, соединенные упругими перемычками, при этом на подвижной пластине установлен каркас с кольцевой катушкой, магнитную систему, включающую постоянный магнит и магнитопровод, которые закреплены на корпусе, отличающийся тем, что магнит магнитной системы имеет два секторных цилиндрических магнита прямоугольного сечения, размещенных симметрично относительно оси подвеса и намагниченных по радиусу таким образом, что для первого магнита кольцевая катушка проходит над северным полюсом, а для второго магнита проходит над южным полюсом, магнитопровод также состоит из двух частей, имеющих П-образную конфигурацию, при этом в первом магнитопроводе установлен первый магнит, во втором магнитопроводе установлен второй магнит таким образом, чтобы магнитная индукция в зазоре, где размещена кольцевая катушка, была равномерной, а угловые размеры секторных магнитов и соответственно магнитопроводов равны , где угол между плоскостью, проходящей через ось подвеса упругих перемычек, и плоскостью, которая определяет угловой размер секторных магнитов.