Акселерометр Советский патент 1983 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к электр кинетическим преобразователям информации. Известны акселерометры линейных ускорений, основанные на электрбкинетическрм преобразовании, содер щие корпус, заполненный рабочей жидкостью, плунжерную пару и элект роды 1 . Наиболее близким к предлагаемом являетсяэлектрокинетический акселерометр, содержащий герметичный корпус, заполненный рабочей жидкостью, плунжер, установленный с капиллярным- зазором относительно стенки корпуса, электроды 2 , Недостатки известных акселерометров - ограниченное время работоспособности при действии низкочастотных ускорений, вследствие остановки плунжера в торцах корпус ограниченный снизу диапазон частот а также отсутствие сигнала, информирующего о положении плунжера в акселерометре, что ограничивает функциональные возможности. Цель изобретения - расширение его функциональных возможностей. Указанная цель достигается тем, что в акселерометре, содержащем герметичный корпусj заполненны рабочей жидкостью, плунжер,установ ленный с капиллярным зазором относительно стенки корпуса, электроды в стенку корпуса, образующую с плу жером капиллярный зазор, установлены дополнительные электроды запо лицо или заглублено с внутренней поверхностью корпуса симметрично относительно его торцов, связанные с плунжером упругими элементами. Введение дополнительных электродов позволяет увеличить число выход ных (или входных электрических сигналов. При положении электрода в капиллярном зазоре между плунжером и стенкой электрические сигналы зависят от положения плунжера по оси относительно электрода, т.е. электр ческий Ьигнал с электрода несет информацию, о положении плунжера. Знание информации о положении плун жера расширяет функциональные возможности акселерометра. На чертеже изображен схематично акселерометр линейных ускорений. Акселерометр содержит корпус 1, плунжер 2, установленный с капилляр ным зазором относительно внутренне .поверхности стенки корпуса. В торцы корпуса встроены основные электроды 3, а. в стенку корпуса, образующую с плунжером капиллярный зазор, встроен дополнительный электрод 4. Плунжер связан с торцами корпуса упругими элементами 5 (пружинами)о Корпус заполнен рабочей жидкостью. Для устранения возможного шумового влияния ориентации плунжера в корпусе на выходной сигнал поверхности контакта дополнительного электрода с рабочей жидкостью расположены симметрично относительно оси корпуса в плоскости перпендикулярного сечения. Акселерометр работает следующим образом. При ускорении акселерометра вдоль измерительной оси - оси корпуса 1, плунжер 2 создает перепад давления, вызывающий течение рабочей жидкости в капиллярном зазоре, вследствие чего возникает э-лектрокинетическая разность потенциалов на торцах плунжера. Распределение потенциала вдоль оси в зазоре линейное и величина потенциала на дополнительном электроде 4 в зазоре линейно зависит от положения плунжера относительно электрода. Таким образом, на основных электродах в торцах корпуса разност потенцисшов не зависит от положения плунжера, а для дополнительного электрода относительно основного .3 - зависит. Указанная зависимость потенциала дополнительного электрода от положения плунжера является источником дополнительной метрологической информации, что позволяет расширить функциональные возможности акселерометра. Упругие элементы 5 предохранявэт плунжер от сэстановки з торцах кор пуса, возвращая его в положение равновесия, обеспечивая постоянную способность, устройства воспринимать внешние ускорения, т.е. работоспособность. . . Работа предлагаемого устройства с одним дополнительным электродом не отличается принципиально от работы устройства с несколькими дополнительными электродами. При ускорении акселерометра уравненгме движения плунжера имеет db (pi-polEq cvj dt R5 9R V где h - координата центра плунжера по оси начала, координат, для удобства - положение равновесия, плунжера, KOTcfрое совпадает с положением электрода; t - время; рд, плотность рабочей жидкости и материала плунжера соответственно; - высота плунжера а - ускорение; R - .гидросопротнвление капилля ного зазора по реи; S - площадь сечения корпуса; q - отношение жесткости упругц элементов к площади сечени корпуса. Для гармонической составляющей, т.е. -4 , где А - амплитуда ускорения; со - частота, комплексн амплитуда координаты Н выражается IPi-poieA Д-iw RS Для нижних частот q/SR ), Н ( р - ро ) A/q, т.е. координата отслеживает ускорение. Для верхних частот со q/RS, Н i ( р - Ро ) А СО- S-R . Т.е. производная dh/dt отслеживает ускорение. Поскольку р SRdh/dt, то давление также отслеживает уско рение (т.е. пропорционально ему). В-свою очередь hvjadt. Общее выражение для перепада давления при гар моническом ускорениир . ( Р - Ро ) .gA SR . И для нижних частот SR ( р - Ро) ел . р iCO Обозначив торцовые электроды индексами 1 -и 2, а боковой - 3, получаем согласно -линейной зависимости по оси потенциала в зазоре и - .и, k р, , II т, , - 2h и - и kp где k - электрокинетический коэффициент преобразования заэора по давлению. Поскольку в эти выражения не входит частота, то для любой часто ты h (U2 ). + (l}i - и) г : 2(0 - . При обработке выходных сигналов по вышеприведенной зависимости получают сигнал, пропорциональный координате плунжера. Известны электронные устройства, производящие обработку электрических сигналов в аналоговой форме, что позволяет произвести обработку выходг ных сигналов по указываемым зави-/ симостям, возможно также применени микропроцессоров.. Поскольку h для верхних частот .пропорционально скорости акселерометра (интегралу от ус корения) , предлагаемый акселероме.тр можно ис пользовать, как велосиметр. Причем ДЛЯ q О (отсутствие упругих элементов) значение h сохраняется долго5R-л c,R riMr iLt4il±l.1 7(UrU4) tp.-poU prp где знак u - означает приращение за интервал BpeMeHHdt. Таким образом, акселерометр вы- .. полняе.т функции велосиметра.. Поскольку выражение в скобках не зависит .от частоты,-ОНО может измеряться Втой частотной области, где минимальна погрешность их измерения. Обеспечена коррекция спада сигнала на основных электродах с понижением частоты, согласно выражению, т.е. фактически амплитудночастотная характеристика становится рлрской р (i- 3inui-u,)-j ipi-po) --z.cu.-u,)- J Кроме того,- нижняя граничная частота снижена до нулевого значения и время работоспособности увеличено, что позволяет использовать акселерометр как наклономер в поле сил тяготения. В предлагаемом акселерометре коэффициент преобразования К элементов может быть, прокалиброван по ускорению с неизвестной амплитудой. Для гармонического ускорения. (Р1-ро)А (,) Cl) I MWRS) 2(Ua-U,r (.р1-ро)еА(ОК5 . ( Отсюда 2 (Ut - Ш) К CO RS e (U-2 - U)-b(U - .из ) т.е. К выражается лишь через напряжение и частоту (Н, S, Е-- const). Величина жесткости, согласно выражег нию (l), может являться фактически . одним параметром, который необходимо калибровать, поскольку величина ускорения в нем не зависит от коэффициента преобразования. . Таким образом, возможно измерение ускорения при неизвестном К. Калибровку величины q легко произвести по ускорению свободного надения (W о), и измерению отношения н.апряжения при W / 0.; Исключая А, ожно связать q и k и измеряемые напряжения. Данное расширение функциональных возможностей (самокалибровка, т,е. наличие в выходных сигналах информации, достаточно

для контроля параметров q и k, значения которых могут изменяться со временем очень существенно для применения акселерометра в автономных системах с длительным сроком службы, поскольку повышена надежности работы и стабильность метрологических параметров.

Таким образом, введение в акселерометр дополнительных электродов, установленных заподлицо или заглубленно с внутренней поверхностью корпуса симметрично относительно его торцов, связанных с плунжером упругими элементами, расширяет его функциональные возможности.

АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий герметичный корпус, заполненный рабочей жидкостью, плунжер, установленный с капиллярным зазором относительно стенки корпуса, электроды, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей,, в стенку корпуса, образующую с. плунжером капиллярный зазор, установлены дополни-. тельные электроды заподлицо или заглубленно с внутренней поверхностью корпуса симметрично относительно его торцов, связанные с плунжером упругими злементами. О)