Одноосный маятниковый акселерометр Советский патент 1991 года по МПК G01P15/00 

Изобретение относится к точному приборостроению и может найти применение в акселерометрах для инеродальных навигационных систем. Целью изобретения является повьппение точности измерений за счет стабилизации величины нулевого сигнала акселерометра. На фиг. 1 представлена конструктивная схема одноосного маятникового акселерометра с упругим подвесом} на фиг. 2 - схема нагружения упруго- го шарнира перерезывающей силой Q и изгибающим моментом Mj на фиг. 3 форма упругой линии упругого шарнира и положение центра тяжести С маятника при смещении и повороте подвижного конца упругого шарнира с критической длиной 1; на фиг.4 - геометрическое c I отношение между расстоянием от подвижного конца упругого шарнира до центра тяжести и смещением центра тяжести маятника относительно первоначального положения; на фиг. 5 - упругий шарнир, образованный двумя цилиндрическими выточками; на фиг. 6форма поперечного сечения упругого шарнира. Одноосный маятниковый акселерометр содержит упругий подвес 1 маятниково го чувсгвительногд элемента с двумя упругими шарнирами 2, расположенными соосно и на равных расстояниях 1,( от продольной оси маятника х-х, центр тяжести С чувствительного элемента расположен на расстоянии 1д (плечо маятника) от оси подвеса у-у, расстояние между каждым упругим шарниром и продольной осью чувствительного элемента 1 равно расстоянию от оси подвеса до центра тяжести чувствительного элемента, т.е. д (фиг. 1). Указанное соотношение геометричес ких размеров обеспечивает оптимально соотношение между прочностью упругог подвеса и его габаритами. Действительно, при l2 1-дд величина критической ударной перегруяки, которую може вьщержать прибор, прямо пропорционал но возрастает с увеличением расстояния между упругими шарнираг-т. При 1 л крутизна рассматриваемой характеристики резко уменьшается. Следова тельно, расстояние от упругого шарни ра до продольной оси маятника 12.Ал является оптимальнь1м с точки зрения обеспечения высокой прочности упруго го подвеса, так как дальнейшее увеличение расстояния между упругими шарнирами не дает существенного возрастания значений критических ударных перегрузок, но приводит к неоправданному увеличению габаритов акселерометра. Упоры 3 расположены под углом маке продольной оси чувствительного элемента- и на расстоянии L от оси подвеса, превьш ающем расстояние до центра удара L. Из теоретической механики известно, что при ударе по твардому телу, закрепленному на оси, в точках закрепления этой оси импульсные реакции не возникают 5 если упор расположен в центре удара. Однако это справедливо только для случая использования жестких шарниров, допускающих только угловое перемещение, и несправедливо в случае использования упругих шарниров, допускающих не только угловое, но и линейное перемещение чувствительного элемента (ч. э. ). Оптимальное расстояние от оси подвеса до упора определяется исходя из двух условий: время движения ч.э. до упора равно времени, за которое максимальные на-, пряжения в.поперечных сечениях упругих шарниров достигают предела текучести;после удара об упор ч.э. останавливается, т.е. прекращается его поступательное и вращательное движения, при этом упругие шарниры не нагружаются дополнительно перерезывающей силой и изгибающим моментом. Оптимальное местоположение упоров рассчитывается по формуле Db - с 1 nt (И-р )iU ff) , , 1 ,де D -i-i-; (); Т - безразмерное время в интервао ле оти/Z до IT, удовлетворяющее соотношению D. it.:: : i|ii Hp cost t 2/Vr 1 5 Ч-;p p/b; «им I 9 -радиус инерции ч.з.; 1 - длина уп ругого шарнира, при которой последни можно рассматривать как балку; 1уц расстояние от оси подвеса до центра тяжести; рабочий угол акселе рометра; Ар А - коэффициенты, учит .вающие переменность поперечного сече ния упругих шарниров; Е - модуль упр гости I рода материала упругих шарни ров; высота наименьшего поперечного сечения; Сбт динамический предел текучести материала упругих шарниров; г - радиус цилиндрической выточки, образующей тонкую перемычку в упругом шарнире. Работа одноосного маятникового ак селерометра с упругим подвесом при воздействии ударных нагрузок заключается в следующем. При приложении к корпусу прибора ударного импульса, направленного параллельно оси чувствительности Z-Z (фиг. 1), чувствительный элемент акселерометра с момента пр11ложения удар ного импульса до момента остановки корпуса прибора движется, поступатель но вместе с корпусом акселерометра. С момента остановки корпуса прибора, т.е. с момента окончания действия ударного импульса, до момента удара чувствительногоэлемента об упор 3, ограничивающий его отклонение от нулевого положения, чувствительный элемент начинает колебаться относительно оси подвеса с двумя резко отличающимися друг от- друга часто.тами; низкой, совершая лишь часть периода колебаний, и высокой, совершая несколько колебаний до момента удара об упор. Деформации упругих шарниров 2 (фиг. 1) определяются в основном наличием высокочастотных колебаний. В момент остановки корпуса прибора упругие шарниры оказываются нагруженными перерезывающей силой О и изгибающим моментом М (фиг. 2). Упоры 3 расположены на таком расстоянии от оси подвеса, что даже, если к моменту удара об упор в опасном поперечном сечении упругих шарниров и возникают максимально допустимые нормальные напряжения, после удара чувствительного элемента об упор не происходит уве личения этих напряжений. Следовательно, пластические деформации в поперечных сечениях упругих шарниров возникают при больших значениях ускорений ударной нагрузки, что уменьшает всроятиостт-. c--. ifyjioHdго сигнала акге.чр-110 -1птр; j т лСюче-ч режиме. При воздейстпии у.г(арчого i- Nniyjrhr,-., направленного вдоль оси ггодпсса у-у чувствительного .элемента (фиг. 1), один нз упругих шлрниров 2 окаг5мпается нагруженным сж 1ма Г1 це:1 силой, а другой - растягивающей; при этом оба шарнира нагружены перерезывающей силой. Расстояние между упругими шарнирами позволяет снизить максимальные нормальные напряжения в опасных поперечньк сечениуХ упругих шарниров, поэтому значения допустимых ударных перегрузой повышаются. Равенство плеч 1д создает равенство нормальных и касательных напряжений в поперечных сечениях упругих шарниров, что обеспечивает равнопрочность упругого подвеса. Таким образом поньШ1ает-. ся устойчивость упругого подвеса к воздействию ударных нагрузок; пояапение пластических деформаций происходит при больших значениях ударных нагрузок, что снижает вероятность появления штастическюс деформаций и смещения нулевого сигнала акселерометра в рабочем режз-гме при включении следящей системы. Технический эфЛект изобретения заключается в повышении точностных характеристик акселерометра за счет стабилизации величины пулевого сигнала акселерометра путем повышения его устойчивости к воздействию динамических нагрузок. Так, при расстоянии Mejfy y упругими шарнирами, равном 1,882 см, критическое значение удар.юго ускорения вдоль оси чувствительности при синусоидальном ударном импульсе равно 73 g, а при расстоянии 0,2 см - 21 р. Следовательно, при ускорении ударной нагрузки 25 р, коэффициент запаса прочности в I случае составляет 2,9, а во II - 0,84j т.е. в I случае величина нулевого сигнала акселерометра будет стаб:ильной, а во II - изменяется более чем на 3,5 мВ, не удовлетворяя требованиям ТУ, т.е. точность акселерометра не обеспечена. Аналогично, при установке упоров под центром тяжести чувствительного элемента и в центре удара дoпycтIiMllIe ударные скорости соответственно на 16

И 7% меньше, чем при установке на расстоянии от оси подвеса, равном 2,432 см. Кроме того, при установке упоров в точке, отличной от расчетной,, в момент удара упоры дополнительно нагружаются перерезывающей силой и изгибаюищм моментом, вследствие чего допустимые ударные скорости максимально уменьшаются на 30% и соответственно увеличивается вероятность смещения нулевого сигнала акселерометра в рабочем режиме.

1 . ОЛНООС1ТЫГ1 МАЯТНИКОВЫЙ АКСЕЛЕРОЙЕТР, содержар5Ий. чувствительный элемент, закрепленный на упругом подвесе, выполненном в виде двух упругих шарниров, расположенных соосно и на равных расстояниях от продольной оси чувствительного элемента, а также упоры, расположенные на оси, параллельной оси чувствительности акселерометра, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет стабилизации , величины его нулевого сигнала, в нем упругие шарниры расположены относи тельно продольной оси чувствительиого элемента на расстоянии, равном стоянии от центра тяжести чувствительного элемента до оси подвеса. I . 2. Акселерометр по п, 1, о т л и . чающийся тем, что в нем :упоры расположены на оси, проходящей на расстоянии, превьппающем расстояние от оси подвеса до центра удара и определяемом из соотношения , р . ::f sint где D ili-P- fy. ( Дгде и , Г |ц.,, Ь-1д,-Н2. t - безразмерное время в интервале от