Преобразователь ускорений Советский патент 1984 года по МПК G01P15/105 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для двухкО- ординатного преобразования и отображения в плоскости как направления так и величины комплексной временной производной от суммарных ускорений, которым подвергается контролируемый объект при одновременном воздействии на него однородных и разнородных знакопеременных усилий. Известен преобразователь изменений линейных ускорений, который содержит цилиндрический полый магни топровод с внутренним полюсом, две обмотки у оснований магнитопровода и подвижный элемент, причем внутрен ний полюс магнитопровода выполнен прямоугольным, основания магнитопро вода соединены магнитомягкой осью, а подвижной элемент выполнен по ши рине внутреннего полюса из полого, с радиальным намагничиванием магнит свободно охватывающего ось магниторровода .И . Наряду с асимметрированием выход ных сигналов, создаваемым начальным смещением подвижного элемента преоб разователя относительно геометричес кой магнитной нейтрали преобразователя, к ограничениям и недостаткам этого преобразователя необходимо от нести его узко регламентированную область использования - контроль изменений ускорений только при лине ных вибрациях. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является вибрационный пороговый датчик, содержащий магнитопровод с катушками индуктивности и подвижный инерционный элемент 2J , Однако- известный датчик обладает рядом таких существенных ограничени и недостатков, как неизбирательный характер реакции на любые линейные вибрации, ортогональные к оси магнита, при полной неспособности регистрировать и обеспечить индикацию не только плавных количественных изменений знакопеременных ускорений, но и направления (пространственной ориентации) исследуемых виброколебаний. Кроме того, имеет дискретный характер выдаваемой информации и неспособность осуществит плавное количественное преобразование временных производныхот контро лируемых ускорений. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, повыше ние чувствите;1ьности и разрешающей способности преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе ускорений, содержащем магнитопровод с катушками индуктивности и подвижный инерционный элемент, магнитопровод выполнен в виде расположенных кругрсимметрично трех И -образных ветвей, в нем установлен шаровой шарнир, выполненный из магнитомягкого материала, роторная часть которого жестко соединена с инерционным элементом, выполненным в виде усеченного конуса из магнитного материала, продольно намагниченного, имеющего основание в форме сферическогосегмента, а статорная часть жестко содинена с тремя ветвями, образующими своими свободными концами трехсекционный внутренний полюс магнитопровода, секции которого установлены с диамагнитными зазорами в виде трех треугольных сферических дуг, расположенных по окружности, причем установленные на каждой из ветвей катушки одними своими одноименными концами соединены между собой, а другие их одноименные концы включены дифференциально. Кроме того, внутренний полюс магнитопровода выполнен в виде разделенных радиальными диамагнитными зазорами трех вписанных в окружность цилиндрических магнитных секторов, раздельно соединенных со свободными концами ветвей магнитопро.вода. предлагаемое выполнение устройства позволяет вместе с увеличением его преобразоват;ельно-индикаторной чувствительности одновременно повысить помехоустойчивость и надежность функционирования преобразователя, расширив при этом его частотный и амплитудный динамические диапазоны работы. На фиг. 1 приведен предлагаемый преобразователь, общий вид (в сборе) j на фиг. 2 - конструктивное исполнение входящего в преобразователь шарового шарнира с присоединенным к нему подвижным элементом магнитной цепи преобразователя; на фиг. 3 и 4 - соответственно основное и видоизмененное исполнение трехсекционного дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода преобразователя. На фиг. 1-4 индентичные конструктивные элементы и узлы предлагаемого преобразователя и его видоизменения обозначены одинаково. Магнитная цепь преобразователя в соответствии с основным вариантом его исполнения, представленным на фиг. 1 составлена идентичными по форме и кpyгocи /Iмeтpичнo расположенны1 1и тремя П -образньгми боковыми бетвями., состоящими из прямоугольных прямых сердечников 1 - 3, а также жестко связанных с ними под прямым углом и радиально расположенных магнитопроводящих перемычек 4-6 сверху и 7 - 9 снизу.

Перемычки 4-6 жестко соединяют сердечники 1 - 3 и их нижние перемычки 7 - 9 с неподвижной статорной частью 10 шарового магнитопроводящего шарнира 11, роторная часть

12которого с помощью резьбы жестко соединяется с подвижным элементом

13магнитной цепи преобразователя. Подвижный элемент 13 преобразо- О

вателя имеет усеченно-коническую форму, соединяясь своей вершиной (суженной стороной) с ротором 12 шарового шарнира, в то время как свободная .от сочленения нижняя 15 часть подвижного элемента 13 - его основание имеет форму сферического сегмента.

Статорная часть 10 шарокого шарнира 11 магнитопровода.преобразова- 20 теля (фиг. 2) состоит из верхней

14и нижней 15 половин, Г1ервая из которых жестко связывается с магнитопроводящими перемычками 4 - б С-образных ветвей магнитной цепи 25 преобразователя, а вторая - имеет цилиндрическое отверстие 16, в кото рое коаксиально введены полиэтиленовая 17 и резиновая 18 трубки, выполняющие функции амортизирующих ог- раничителей положения подвижного элемента 13 преобразователя.

Между сферической полостью статорной части 10 шарового шарнира 11 и внешней поверхностью его роторной части 12 введена фторопластовая 35 пленочная прркладка 19, устаняющая непосредственное соприкосновение и трение сочленяемых частей шарового шарнира.

Верхняя 14 и нижняя 15 половины 40 статорной части шарового шарнира 11 снабжены элементами 20 для взаимного точного совмещения и сочленяются с помощью резьбовых элементов 21.

Конический подвижный элемент 13 5 расширенное основание которого имеет форму сферического сегмента, выполнен из магнитного материала с большой коэрцитивной силой, например из сплава альнико, и намагничен в нап- равлении продольной оси симметрии (по высоте) конуса.

Части 10 и 12 шарового шарнира j;,,, 11 совместно с подвижным магнитным элементом. 13, обладающим ограниченной свобЬдой перемещения в пределах 55 сферического сектора, образуют перг ;Вый подвижный внутренний полюс (Ъбщий) магнитной цепи преобразователя.

Второй внутренний полюс развет- 60 ленного магнитопровода преобразоателя, являющийся неподвижным, ыполнен дифференцированным в виде бращенных к свободному от сочленеия концу (основанию) подвижного 5

элемента 13 трех сопрягающихся и симметрично расположенных в пределах окружности треугольных сферических сегментов 22 - 24 (фиг. 1 и 2), которые образованы повернутыми внутрь магнитопровода окончаниями нижних магнитопроводяпцих перемычек 7 - 9, входящих в три С-образных магнитрмягких боковых ветви преобразователя, содержащих также сердечники 1 - 3 и верхние магнитопроводящие перегФгаки 4 - 6.

Сопряженные треугольные сферические сегменты 22 - 24, образующие дифференцированный внутренний полюс магнитной цепи преобразовате-. ля, магнитно разделены между собой .тремя диамагнитными заз.О1зами 25-27, в которые могут быть введены изолирующие прокладки, фиксируемые в зазорах эпоксидной смолой.

Расширенное сферическое окончани свободной от сочленения части подвижного магнитного элемента 13 преобразователя образует совместно с концентрически расположенными относительно этого основания тремя симметрично сходящимися сферическими сегментами 22 - 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода воздушные зазоры в виде трех трехугольных сферических дуг, окаймленных общей окружностью.

На каждый из прямоугольных сердечников 1-3., входящих в состав трех симметричных ГГ-образных магнитомягких боковых ветвей преобразователя, насажена одна из трех Идентичных, катушек индуктивности 28 - 30, .одни из одноименных концов которых соёдйнены между собой, в то время как другие одноименные концы этих катушек образуют дифференциальный выход 31 преобразователя.

В соответствий с видоизмененным исполнением преобразователя дифференцированный внутренний полюс его магнитной цепи (фиг. 4) выполнен .в виде разделенных радиальными воздушными диамагнитными) зазорами 32 - 34 трех сходящихся 6 окружности цилиндрических секторов 35 - 37, которые изготовлены из магнитного материала с большой коэрцитивной силой.

Цилиндрические сектора 35 - 37 намагничены вдоль образующей описанного вокруг них цилиндра и сориетированы одноименными полюсами внутрь магнитопровода преобразователя. При этом направление намагничивания цилиндрических секторов 3537 совпадает с направлением намагничивания расположенного над ними подвижного магнитного элемента 13, жестко соединенного с роторной частью 12 шарового шарнира 11.

Вторые одноименные полюса сходящихся в окружности цилиндрических магнитных секторов 35 - 37 дифференцированного внутреннего полюса магнитной цепи преобразователя, /(фиг. 4) жестко и без зазоров раздельно соединены со свободными концами нижних магнитопроводящих перемычек 7-9, входящих в три симметричные С-образные магнитомягкие боковые ветви преобразователя, несувдие на себе его идентичные катушки индуктивности 28 - 30 (фиг. 1 и 4).

Работу преобразователя временно го градиента комплексных ускорений рассмотрим на примере функционирования основного варианта исполнения преобразователя (фиг. 1-3).

При равномерном движении контролируемого объекта с постоянной линейной скоростью, вектор которой направлен ортогонально к оси подвиж ного элемента 13 преобразователя либо под произвольным углом к этой оси, подвижный магнитный элемент 13 (фиг, 1 и 3) под влиянием действующих на него сил магнитного притяжения к трем сходящимся сферическим сегментам 22-24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода преобразователя устанавливается .в своем среднем (нейтральном) положении, симметричном относительно всех трех расчлененных зазорами 25 - 27 частей дифференцированного внутреннего полюса 22-24. В указанном состоянии через все три С-образных магнитопроводящих боковых ветви преобразователя, образованных элементами 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9, протекают одинаковые (равные)) и постоянные по величине магниные потоки, а между клеммами 31 дифференциального выхода преобразователя отсутствуют напряжения.

Аналогичное положение имеет место и в случае неравномерногоперемещения контролируемого объекта с постоянной угловой скоростью, включая случаи,

когда плоскость вращения преобразо вателя проходит через нейтральное положение продольной оси подвижного магнитного элемента 13. И в этих случаях подвижный магнитный элемент 13 магнитной цепи преобразователя устанавливается в среднем (нейтральном) положении относительно частей 22 - 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода, обусловливая равенство разветвленных магнитных потоков, протекающих через все три С-образных магнитопроводящи боковых ветви 1-4-7, 2-5-8, 3-€-9, и отсутствие напряжений между выходными клеммами 31 преобразователя

В случае перемещения контролируемого объекта с постоянным угловым ускорением, когда на массу подвижного магнитного элемента 13, расположенную вне зоны его шарнирного сочленения с неподвижными частями магнитной цепи преобразователя (элементы 1-9, 14, 15, 22 - 24), воздействует постоянный по величине вращающий момент инерции, расположенный в любой из бесконечного множества плоскостей, которые могут проходить через линию нейтрального положения подвижного элемента 13 преобразователя, указанный вращающий момент инерции в той или иной степени преодолевает увлекающий подвижный элемент 13 собственный момен преобразователя, момент, обусловленный силой притяжения подвиисного магнитного элемента 13 к ближайше расположенным к его свободному концу элементам 22-24 дифференцированного внутреннего полюса магнитной цепи преобразователя.

В результате действия момента инерции, пытающегося сохранить неизменным пространственное положение свободного конца подвижного элемента 13 при вращении неподвижной части магнитопровода преобразователя (элементы 1 - 9, 14, 15, 22 - 24/ вместе с контролируемым объектом вокруг центра шарового шарнира 11, а в результате одновременного противодействия упомянутому ivjoMeHTy инерции другого момента, обусловленного силой взаимодействия магнитного элемента 13 со сходящимися секторами дифференцированного внутреннего полюса 22-24 магнитопровода преобразователя, подвижный элемент 13 отклоняется от своего исходного .нейтрального (центрального) положения относительно всех трех элементов 22 - 24 магнитной цепи преобразователя.

При постоянстве величины и знака углового ускорения, воздействующего на исследуемый объект и на жестко связываемую с ним неподвижную (ст.аторную) часть преобразователя, указанное отклоненное положение подвижного магнитного элемента 13 относительно его исходной нейтрали и относительно центра дифференцировайного внутреннего полюса 2 - 24 гчагнитной цепи преобразователя будет оставаться фиксированием

Магнитный поток, создаваемый подвижным магнитным элементом 13 и распределяемый при нейтральном исходнЗм положении этого элемента равномерно по всем трем С-образным боковым ветвям магнитопровода преобразователя, в рассмотренном случае фиксированного отклонения элемента 13 от нейтрального положения при действии на контролируемый объект постоянных по величине и знаку угловых ускорений распределяется Б симмиметричных С-образных боковых ветвях магнитопровода, .соетавленных элементами 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9, по различному - в соответствии с абсолютной величиной и направлением отклонения подвижного магнитного элемента 13 от своего нейтрального положения - относитель но центра секторов 22 - 24 диффере цированного внутреннего магнитного полюса. Соотношение величин разветвившихся частей магнитного потока, протекающих через С-образные магнитопроводящие боковые ветви 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9 магнитной цепи преобразователя, определяемое абсолютной величиной и направлением отклонения подвижного магнитного элемента 13 от своей нейтрали, остается неизменным при. действии на контролируе мый объект постоянных по величине и знаку {направлению угловых ускорений, что исключает возможность индуцирования, в обмотках катушек 28 - 30 электродвижущих сил, определяющих соответствующие сигналы на дифференциальном выходе 31 преобразователя . Аналогичная картина имеет место также и в случаях равноускоренного линeй oгo перемещения контролируемого объекта в одном и более направлениях (одновременно), образующих с линией нейтрального положения подвижного магнитного элемента 13 преобразователя произвольные углы. И в этих условиях, (режимах) работы подвижный элемент 13 преобразователя под влиянием воздействую щих на его свободную от шарнирного соединения часть сил инерции,пытающихся воспрепятствовать перемещению свободной части элемента 13 синфазно с секторами 22 - 24 дифференцированного внутреннего полюса неподвижной части магнитопровода преобразовате.Ля, получает определенное отклонение от своего нейтрального положения и смещается относительно центра дифференцированного внутреннего полюса 22 - 24 в соответствии как с абсолютной величиной, так и с направлением мгновенной равнодействующей сил, отвечающих группе одновременно воздействующих на контролируемый объект ускорений Поскольку при фиксированном по величине и направлению отклонении подвижного элемента 13 относительн центра дифференцированного полюса 22-24 соотношение, согласно кото рому распределяется магнитный пото вП-образных ветвях 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9 магнитопровода преобразователя, остается постоянным, нетрудно увидеть, что и при равноускоренном линейном перемещении контролируемого объекта в направлениях, образующих с линией нейтрали элемента 13 преобразователя произвольные углы, в обмотках катушек 28 - 30 не наводится ЭДС, что обуславливает и отсутствие сигналов на дифференциальном выходе 31 преобразователя. В случае же, когда на контролируемый объект воздействуют силы, вызывающие изменение ускорения углового перемещения исследуемого объекта, включая изменения величины и знака углового перемещения контролируемого объекта, когда крутильные виброколебания происходят в любой из бесконечного числа плоскостей, проходящих через линию нейтрального положения (O-oj подвижного элемента 13 магнитной цепи преобразователя на часть подвижного элемента 13, находящуюся вне области его шарнирного сочленения с неподвижными частями магнитопровода преобразователя элементы 1 - 9, 14, 15, 22 - 24), воздействуют силы инерции, стремящиеся сохранить исходное положение свободной части элемента 13 и воспрепятствовать его синхронному перемещению (под действием магнитных сил притяжения) с элементами 22 - 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитной цепи преобразоватед я. При действии на исследуемый объект и, соответственно, на жестко связываемую с ним неподвижную часть магнитопровода преобразователя угловых (крутильных) виброколебаний, происходящих в произвольной плоскости, проходящей через линию нейтрального положения подвижного магнитного элемента 13, как и при одновременном воздействии на контролируемый объект и на неподвижную часть преобразователя (элементы 1 - 9, 14, 15, 22-24, 28 - 30j параллельно двух и более знакопеременных ускорений, частоты которых независимы, а плоскости действия которых про ходят через линию нейтрали 0-0 подвижного элемента 13 преобразователя, свободная от шарнирного сочленения часть магнитного элемента 13, отставая ввиду действия на нее сил инерции от сложных суммарных перемещений неподвижной части магнитопровода преобразователя и, в частности, от перемещений центра дифференцированного внутреннего полюса 22 - 24 магнитной цепи преобрйзователя, непрерывно меняет свое положение относительно каждого из элементов 22 - 24. Происходящее при этом непрерывное перераспределение величин и на равлений между переменньами составляющими магнитных потоков, протекающих через С-образные боковые ветви 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9 магните провода преобразователя, вызывает индуктирование в Обмотках 28-30 электродвижущих сил, попарная алгебраическая сумма которых обуслав ливает формирование на соответствующих парах выходных клемм 31 преобразователя результирующих нап ряжений, которые отражают и дают исчерпывающую информацию не только об абсолютной в еличине мгновенной равнодействующей группы временных градиентов угловых ускорений, которьом подвержен контролируемый объект но и о пространственной (геометрической) ориентации мгновенной равнодействующей временных производных группы знакопеременных крутильных ускорений, параллельно действующих на обследуемый объект. При воздействии на контрблируемый объект и на-жестко связываемую с ним неподвижную статорную часть преобразователя (элементы 1-9, 14, 15, 22 - 24, 28 - 3Q) виброколебаний линейного характера, направ ленных под произвольными углами к линии нейтрального положения подвижного магнитного элемента 13, как и при одновременном воздействии на исследуемый объект .группы линейных знакопеременных ускорений, имеющих различные направления по отношению к нейтральной линии О-О подвижного элемента 13 преобразователя, сек тора 22 - 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода преобразователя, перемещаясь в соответствии с суммируемыми результирующими линейными колебаниями исследуемого объекта, пытаются увлечь за собой магнитно связанную с HHMJJ свободную от шарнирного сочленения часть подвижного элемента 13, которая, однако, под влиянием воздействующих на нее моментов инерции все время препятствует синфазному перемещению элемента 13 с центром дифференцированного внутреннего плюса 22 - 24 магнитной цепи преобразователя. В результате запаздывающего пере-, мещения свободного конца магнитного элемента 13, имеющего форму сферического сегмента, относительно перемещений дифференцированного внутреннего полюса 22 - 24, образующего со свободным окончанием элемента 13 воздушные зазоры в виде трех треугольных сферических дуг, пpoдqльнаа ось симметрии элемента 13 непрерывно смещается относительно центра дифференцированного внутреннего полюса 22 - 24 магнитопровода преобразователя, что обуславливает вместе с перераспределением абсолютных величин и направлений мгновенных значений переменных составляющих магнитных потоков, протекающих через ветви 1-4-7, 2-5-8 и 376-9 магнитопровода преобразователя, наличие также Непрерывно индуктируемых в обмотках 28 - 30 электродвижущих сил, попарные алгебраические суммы которых образуют сигналы на соответствующих парах выходных клемм 31 преобразователя сигналы, содержа§дие полную информацию как об аб- . солютной величине, так и о направлении {геометрической ориентации) мгновенной равнодействующей группы временных градиентов линейных и угловых знакопеременных ускорений, одновременно воздействующих на контролируемый объект. Так;им образом, предлагаемый преобразователь ускорений позволяет вместе с расширением функциональных возможностей контроля повысить чувствительность и разрешающую способность измерений.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕ.НИЙ, содержащий магнитопровод с катушкёини индуктивности и подвиж- ный инерционный элемент, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, повышения чувствительности и разрешающей способности преобразователя, магнитопровод выполнен в виде расположенных кругосимметричных трех П -образных ветвей, в нем установлен шаровой шарнир, выполненный из магнитомягкого материала, роторная часть которого жестко соединена с инерционным элементом. . -U выполненным в виде усеченного конуса из магнитного материала, продольно намагниченного, имеющего основание в.форме сферического сегмента, а статорная часть жестко соединена с тремя ветвями, образующими своими свободными концами трехсекционный внутренний полюс магнитопровода, секции которого ус- тановлены с диамагнитными зазорами в виде трех треугольных сферических дуг, расположенных по окружности, причем установленные на каждой из ветвей катушки одними своими одноименными концами соединены между собой, а другие их одноименные i концы включены дифференциально. 2. Преобразователь по п. 1, отW личающийся тем, что внутренний полюс магнитопровода выполнен в виде разделенных радиальными диамагнитными зазорами трех вписанных в окружность цилиндрических магнитных секторов, раздельно соединенных со свободными концами ветвей магнитопровода. 1 эо СлУ С -J