Акселерометр Советский патент 1983 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано в качестве датчика различных навигационных систем. Известны акселерометры, в которы для подвеса чувствительного элемента прибора используется вращающая- ся в сосуде жидкость. Они представ ляют собой полай герметичный сосуд, внутрення полость которого выполнен в виде кругового цилиндра. Сосуд мо жет приводиться во вращение электри ческим двигателем. Внутрь сосуда помещается твердое тело, выполненно либо в виде сплсядного цилиндра, либо в виде цилиндра, имеющего осевое сквозное отверстие Недостатками указанных приборов являются низкие угловая жесткость подвеса и чувствительность прибора, значительное влияние на точность пр бора температуры жидкости,. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является акселеромет содержащий связанный с приводом полый прозрачный сосуд, частично запо ненный жидкостью, размещенный в сосуде цилиндрический чувствительный элемент, снабженный постоянным магнитом и прозрачными цилиндрическими шайбами, расположенными у его торцов, фотоэлектрический датчик перемещения, соединенный через усилитель с электрическими обмотками датчика силы . В известном акселерометре точность работы связана с действием на чувствительный элемент сил в нап равлении измерительной оси прибора. Эти силы меняют свою величину при изменении приведенной массы чувстви тельного элемента в случае изменения температуры жидкости. Приведенная же масса зависит от плотности и объема жидкости. На чувствительный элемент кроме силы инерции {п j действует со стороны .жидкости сила Архимеда Рд . Результирующая этих сил F для известного а.кселерометра имеет вид: ,.,.., г fC8рК ( 1, п , -Vr-C - -f - 1тг)1. j н-е с-о где J - измеряемое ускорение )(, - координата середины чуа . Етвит.ельного элемента относительно центра цилиндрического сосуда; tw - угловая скорость враще- ния сосуда; 2R и Н ,- диаметр и длина рабочей полости цилиндрического сосуда, 2 г и 1 - диаметр и длина цилиндрического чувствительно го элемента; fFi - масса чувствительного элемента, f м V - плотность и объем жидкое. ти, находящейся в сосуде. Из (1) видно, что при изменении температуры жидкости изменяются J и V, Следовательно, изменится сила F, дейгствунмдая на чувствительный элемент при данном ускорении J, а поэтому возникнет погрешность прибора. Второй член в (1) flT (1) зависит от , но не зависит от V. Его можно уменьшить путем увеличения скорости вращения сосуда йУ . Рассмотрим теперь первое слагаемое в t 1) : )ич По физическому смыслу величину , TefH ( «) - -нГГ целесообраз,но назвать приве денной массой чувствительного элемента т, поскольку mj{.j есть сила инерции. В (4) m - масса чувствительногоэле- , мента. Она не зависит от температура жидкости; а алгеб раический добавок к ней т зависит от температуры жидкости, fflj, есть масса жидкости, которую вытесняет чувствительный элемент при ускорении j О, mj, зависит от плотности f и объема V жидкости, находящейся в сосуде, а также от размеров цилиндрического сосута и чувствительного элемента. Нормальная работа известного акселерометра обеспечивается при , однако при этом зависимость приведенной массы чувствительного/элемента от температуры жидкости Остаётся,:, что и является его недостатком. Кроме того, при запуске прибора возможно возникновение эффекта залийания, в результате которого чувствительный элемент как бы Прилипает своим торцом к торцу сосуда. Для отрыва его требуется приложить нейоторо.е усилие.. В приборах с малым диапазоном измерения (малой силой обратной связи) это обстоятельство может просто вывести прибор из строя. При запуске известного акселерометра часть жидкости остается з сквозном отверстии- чувствительного элемента. От запуска к запуску эта часть жидкости изменяется, что , риводит к возникновению погрешнеети. Кроме того, следы жидкости внутри чувствительного элемента мог исказить ход лучистого потока датчика смещения. Цель изобретения v- повьлиение точ ности изменения ускорений. Указанная цель достигается тем, что в акселерометре, содержащем свя занный с приводом полый прозрачный сосуд, частично заполненный жидкостью, размещенный в сосудег цилиндрический чувствительный элемент, снаЬ женный постоянным магнитом и прозра яшт. цилиндрическими шайбами, распо ложенными у его торцов, -фотоэлектри :чёский датчик перём ения, соединен ный через усилитель с электрическим обмотками датчика силы, на цилиндри ческой поверхности чувствительного элемента по всей длине выполнены сквозные пазы постоянного сечения, а внутренняя поверхность сосуда вы;полнена в виде трех составных соосных цилиндров, причем длина h центрального сосуда, его радиус R., дли :на Н полости сосуда и раднусы R боковых цилиндров связаны с радиусом чувствительного элемента соотно шением. .4 п. h ,„:г г V - ) где « г К . Прозрачные шайбы «чувствительного элемента выполненыНз материала,оптический показатель преломления которого равен оптическому показателю преломления жидкости. Креме этого, внутренние торцы сосуда снабжены ш ступами, длина каждого из которых превышает длину, бокового цилиндрасосуда. На фиг. 1 изображена упр эденная. конструктивная схема акселерометра на фиг. 2 - сечение А-А на фмг. 1, В подшипниковых узлах 1 корпуса прибора установлен полый герметичес кий сосуд 2. Внутренняя полость сосуда выполнена в виде тгрех составны соосных цилиндров различных размеро Центральный цилиндф имеет диаметр 2I к длину h, боковые цилиндры одинаковы, имеют ди шет{нл длины I (H-h), причем R R. В средней части боковые цилиндры ИАФЗЮТ выступы.. 3, длина которых несколько больше длины самих цилиндров. Сосуд может приводитьсяво. враще ние электрическим двигателем 4, укрепленным в корпусе прибора, с постоянной угловой скоростью вокруг осевой линии, подшипников, являющейся измерительной осью акселерометра Во внутреннюю полость сосуда помещается чувствительный элемент 5 и запивается небольшой объем проз-, рачной жидкости 6. оставшуюся часть свободной полости 7 сосуда занимают пары жидкости или пары жидкости в т смеби с каким-либо газом. Чувствительный элемент (ЧЭ) выполняется в виде кругового цилиндра диаметром 2г рабочей зоной которого является центральный цилиндр сосуда. Диаметр ЧЭ несколько больше диамет- ров боковых цилиндров сосуда и меньше диаметра центрального цилиндра (Rgr г R ), На чувствительном элементе укрепляется постоянный магнит 8. В чувствительном элементе могут быть выполнены полые герметические полости 9. Остальная часть чувствительного элемента целиком может выполняться из прозрачного материала или частично из прозрачного 10 и частично из непрозрачного 11 материалов. На поверхности чувствительного элемента во всю его длину выполнены пазы 12, которые могут иметь прямоугольную, овальную или иную форму. Количество пазов - от одного до нескольких. Глубина паза выбирается таким образом,, чтобы в рабочем состоянии прцбора жидкость занимала лишь часть паза. При этом прозрачная часть чувствительного элемента, обеспечивакяцая работу датчика смещения, вьтолняется из материала с оптичес- .. КИМ показателем преломления, равным оптическому показателю преломления жидкости. Равенство оптических показателей преломления обеспечивает оптическую гомогенность (однородность) среды несмотря на разнородность материалов (жидкость и твердое тело). При прохождении лучистого потока через оптически однородную систему жидкость - твердое тело произвольной Формы и при смёмении твердого тела в поперечном по отношению к потоку направлении лучи не будут изменять своего направления. Радиус чувствительного элемента выбирается из соотношения -С - С ) (6) Неподвижно в корпусе прибора укреплены соленоиды (катушки) 13,и в.районе прозрачной части чувствительного элемента в диаметральном по отношению к сосуду направлении - источни-, ки 14 лучистого потока и фотоприемники 15. Источники 14 излучения, фотоприемники 15, прозрачные части сосуда, прозрачная жидкость между сосудом и чувствительным элементом, а также прозрачная цилиндрическая часть чувствительного элемента 10 совместно с непрозрачной его частью образуют датчик перемещения чувствительного элемента. Фотоприемкики соединены по диф.ференциальной схеме и подключены на вход усилителя-преобразователя 16, в котором осуществляется усиление сигнала фотоприемников. Выход усили теля подключен к соленоидам 13. Акселерометр работает следующим образом. В установившемся режиме вращения жидкость, отбрасываемая к периферий ным частям сосуда центробежными силами, располагается во всех трех цилиндрах, образуя единую цилиндрическую свободную поверхность, при этом происходит радиальное центри15о вание (взвешивание) чувствительного элемента и он освобождается от действия сил сухого трения, приобретая при этом возможность свободно перемещаться вдоль измерительной оси пр бора. Выступы 3, находящиеся в рабочем состоянии прибора в газовой среде, предотвращают залипание чувствительного элемента. После взвешивания чувствительного элемента жидкость будет находить ся в пазах, оставляя свободным небо Шую часть пространства между дном паза и своей свободной поверхностью через которое газовый компонент при движении чувствительного элемента может свободно перетекать из одной половины сосуда в другую. При возникновении ускорения j в направлении, измерительной оси акселерометра чувствительный элемент начинает перемещаться в сторону, противоположную ускорению. С датчика перемещения электрический сигнал через усилитель подается на соленоиды 13. В результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по соленоидам, возникает сила, действующая на чувствительный элемент и направленная в сторону, противоположную его смещ нию от нейтрального положения. В предлагаемом приборе путем выбора формы сосуда и параметров системы обеспечивается независимость приведенной массы чувствительного прибора от температуры жидкости при сохранении работоспособности прибора. Результирующая сил инерции F и Архимеда Рд дЛя предлагаемого акселерометра имеет вид: , („ a grgpnf. ТСН jr H-tU) V)V,. - IL.fHi.r.l . .. ц - н-е H-V и Размерй внутренней полости сосуда и радиус чувствительного элемента выбирают из условия . - г .г, jL,n . R) (9) При выполнении условия (9) и (8) пропадут первые четыреслагаемых. Подставив (9) в (8), получим Произведение pv выражает массу всей жидкости, находящейся в .сосуде. Поскольку произведение V не зависит от температуры жидкости, то гп тоже ; не будет зависеть от температуры жидкости, а следовательно, и приведенная масса чувствительного элемента при соблюдении условия (9) не будет зависеть от температуры жидкости. Принцип действия прибора следую.щий. Со стороны жидкости на тел действует сила Архимеда, которая при постоянном ускорении силы тяжести определяется массой жидкости, оторая вытеснена телом. Допустим теперь, что температура жидкости изменяется (например, возрастает), тогда плотность жидкости уменьшается, а в силу постоянств-а произведения- pV объем ее увеличивается и увеличивается объем части тела, которая находится в жидкости. Однако изменение указанных параметров влияет на массу вытесняемой жидкости в противоположных направлениях. Уменьшение плотности жидкости при данном ее объеме влечет за собой уменьшение массы жидкости, вытесняемой телом, а увеличение объема части тела, которая находится в жидкости, приводит к увеличению массы жидкости, вытесняемой телом. Следовательно, возможна взаимная компенсация: уменьшение массы жидкости, вытесняемой телом, при уменьшении ее плотности можно скомпенсировать за счет увеличения объема жидкости, который вытесняется телом. Отсутствие в чувствительном элементе сквозного осевого отверстия и оптическая однородность чувствительного элемента и жидкости, исключающая возникновение помехи при колебаниях ЧЭ в поперечном по отношению к лучистому потоку направлении, повышают разрешающую способность датчика перемеще- . ния. Таким образом, благодаря конструктивным особенностям предлагаемого акселерометра изменение температуры жидкости не влияет на точность работы прибора, исключено залипание чувствительного элемента на торце сосуда в момент запуска прибора, причем внутри чувствительного элемента жидкость не остается.

Кроме того, возрастает эффективность использования магнитного потока постоянного магнита, а также увеличивается разрешающая способность

датчика перемещения. Все это cnocotsствует повышению точности и расширению диапазона измерения акселерометра..

/f

ФиЬ 2