Акселерометр с частотным выходом Советский патент 1985 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аксе лерометрам с колебающейся массой чувствительного элемента, и может быть использовано для стендовых измерений и на транспорте. Известны емкостные акселерометры с подвижными электродами lj . Такие акселерометры обладают высокой точностью измерения. Однако известные акселерометры имеют относительно .сложную конструк Щ-1Ю, применение при стендовых измерениях -требует использования дополнительной специализированной аппара туры. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемым результатам является акселерометр, содержащий установленные в корпусе электроды и массу чувствительного элемента, выполненного в виде токопроводящей сферы и расположенного в межэлектродной области (2j . В нем масса чувствительного элемента связана с корпусом посредством упругого подвеса. При достиже нии некоторого предельного значения измеряемого ускорения происходит контакт массы чувствительного элеме та с заземленным электродом, при этом переносится заряд, создающий импульс тока на сопротивлении нагру ки. Недостатком устройства является низкая точность измерения ускорений обусловленная конструкцией чувствительного элемента, непозволяющей оп ределить знак измеряемого ускорения Целью изобретения является повышение точности измерения ускорений. Указанная цель достигается тем, что в акселерометре, содержащем уст новленные в корпуса электроды и мас чувствительного элемента, выполненного в виде токопроводящей.сферы и расположенного в межэлектродной области, электроды выполнены в виде двух пар симметрично и коаксиально расположенных тел вращения с расходящимися к оси симметрии образующим и разделенными друг от друга соосно расположенным заземленным кольцом. Кроме того для визуального опред ления измеряемого ускорения внешние эйектроды выполнены в виде прозрачного токопроводящего покрытия, нане сенного на внутренней поверхности 202 прозрачной стеклянной трубки, на внешней стороне которой нанесена шкала. На фиг.1 схематически изображен акселерометр, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - вид Б на фиг.2 на фиг.4 - электрическая схема акселерометра. Акселерометр содержит прозрачный корпус 1, ц1-шиндрические электроды 2 и 3, изолированные друг от друга втулкой 4, в которой соосно укреплено заземленное кольцо 5. Электроды 2 и 3 выполнены в виде стеклянных трубок, на внутреннюю поверхность которых нанесено токопроводящее прозрачное покрытие спиртового раствора SnCIj. Внутри электродов 2 и 3 и кольца 5 концентрично расположен электрод 6, выполненньй в виде двух усеченных конусов, соединенных меньшими основаниями. Вся система электродов крепится при помощи крышек 7 и 8, в которые вмонтированы штепсельные разъемы 9 и 10 и штуцер 11, служащий для заправки межэлектродной области дизотектрической средой 12. В качестве диэлектрической среды может быть использован газообразный диэлектрик (например,азот, фреон) под давлением 1,5-50 атм, диэлектрическая жидкость (например j гексан или четыреххлористьй углерод). Между электродами помещена масса чувствительного элемента 13, выполненного в виде электропроводящей сферы. Для визуального отсчета измеряемого ускорения вдоль межэлектродного зазора укреплена шкала 14, которая может быть нанесена непосредственно на прозрачный корпус 1. Разность потенциалов между электродами создается при помощи источника 15 постоянного напряжения (фиг.4), при этом электрод 5 заземлен, а электроды 2 и 3 соединены с сопротивлениями нагрузки R и R, подключенными к входам усилителей-формирователей 16 и 17. Акселерометр работает следующим образом. Перед измерением ускорений внутренний электрод 6 подключают к источнику постоянного напряжения, а кольцо 5 заземляют, при этом сферическая электропроводящая частица 13, выполняющая роль инерционной массы, под действием электрического аоля начинает перемещаться в межэлектродиой области н при этом совершает автоколебательное движение. Так как углы расхождения между образугащими электродов 2-6 и 3-6 равны, то режим автоколебаний электропроводящей частицы 13 установится в наиболее широкой части межэлектродного пространства, между кольцом 5 и электродом 6. При действии ускорения а направленного вдоль оси чу ствительности акселерометра Х-Х, на частицу 13 действует инерционная сила F, . где m - масса частицы 13. Под Действием силы F колеблющаяся частица 13 перемещается вдоль оси Х-Х,т.е. в пространство между электродами 2-6 или 3-6. Направлени перемещения зависит от направления действия ускорения. При перемещении частицы относительно начального положения зазор между электродами d 2-6 или 3-6 уменьшается, т.е. d срт (х).1 (2) . Это приводит к измерению частоты ко лебаний частицы 13 f K(d) или с учетом (2) имеем f Чг х)Сила ударазависит от скорости движения соударяющихся тел, а следовательно, от частоты колебания частицы 13 (f) . . (5 Перемещение частицы 13 вдоль оси Х-Х происходит до тех пор, пока составляющая силы yflapa.Fij частицы об электроды, расположенные под угпом друг к другу, направленная вдол рси, не уравновесит шерционную сиру Ff. При этом выполняется условие Р:)А 11Решая совместно уравнения (1), (4) ;(5) и (6) относительно перемещения частицы 13 вдоль оси Х-Х, получим (ее,). (7) 204 Таким образом, по величине перемещения чувствительного элемента вдоль оси можно определить величину действующего ускорения. Величина перемещения колеблющейся частицы 13 отсчитывается по шкале 14, предварительно отградуированной в единицах ускорения. Решая уравнения (1), (5) и (6) относительно частоты колебаний частицы 13, получим f i,(a,), (8) т.е. частота колебаний чувствительного элемента несет в себе информа- цию об измеряемом ускорении. Так как колебания частицы 13 сопровождаются переносом заряда, то на резисторах R I или Rj (в зависимости от направления измеряемого ускорения) формируются импульсы напряжения с частотой f , Kf. Импульсы усиливаются с помощью ус11лителей-формирователей 16 и 17. При этом для получения информации о направлении измеряемого ускорения в одном из усилителей-формирователей предусмотрено изменение фазы импульсов на 180 . Частота импульсов на выходе усилителей-формирователей может быть измерена с помощью частотомера. Так как величина перемещения траектории движения инерционного элемента 13 в направлении продольной оси электродов зависит не только от массы m инерционного элемента 13, но и от напряжения питания и,угла между расходящимися электродами of а также угла между продольной осью . электродов и направлением силы тяжести, то задавая величины т, и,«;и за кон распраделения величины d в направлении продольной оси электродов, можно регулировать чувствительность и пределы измерения.. Применение изобретения позволяет повысить точность измерений и расширить область применения акселерометра (может быть использован в ка- честве первичного преобразователя (датчика) ускорений в частотный сигнал и прибора с непосредственным отсчетом ускорения. .

1. АКСЕЛЕРОМЕТР С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ, содержащий установленные в корпусе электроды и массу чувст-. вительного элемента, выполненного в виде токопроводящей сферы и расположенного в межэлектродной области, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения ускорений, электроды выполнены в виде двух пар коаксиально установленных тел вращения, расположенных со- осно и зеркально сииметрично, с образованием- в -каждой паре кольцевогозазора, расширяющегося к оси симметрии, при этом между внешними электродами соосно установлен заземленный кольцевой электрод. 2. Акселерометр по п.1, о т л ичающийся тем, что, с целью визуального определения измеряемого ускорения, внешние электроды выпол(П нены в виде прозрачного токопроводящего покрытия, нанесенного на внутс ренней поверхности прозрачной стеклянной трубки, на внешней стороне ко торой нанесена шкала.