Компенсационный маятниковый акселерометр Советский патент 1987 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к элементам систем ориентации и навигации подвижных объектов, и предназначено для измерения входных параметров в бесплатформенных инерциальных навигационных системах.

Цель изобретения - повышение виброустойчивости акселерометра и расширение его функциональных возможностей.

На чертеже представлена электрокинематическая схема компенсационного маятнико- вого акселерометра.

Чувствительный элемент (ЧЭ) прибора выполнен в виде треугольного контура, имеющего две стойки 1 и планку 2 и подвешенного на струнах 3 и 4, укрепленных в корпусе 5. Планка 2 расположена в зазоре постоянных магнитов 6, и ее смещение вдоль зазора контролируется оптоэлектрическим преобразователем 7. Дополнительные оптопреобра- зователи, содержащие осветители 8 и 9, фотоприемники 10 и 11, а также осветители 12 и 13 и фотоприемники 14 и-15, предназначены для контроля за смещением точек стоек 1. Усилитель 16, резистор 17, напыленный на кварцевый ЧЭ, и резистор 18 входят в систему формирования сил и моментов обратной связи (ОС). Сумматоры 19 и 20 формируют сигналы на логическое устройство 21, осуществляющее анализ выходного сигнала акселерометра.

На чертеже обозначены также ось Y - измерительная ось акселерометра и оси X и Z- соответственно оси подвеса и маятника ЧЭ.

Компенсационный маятниковый акселерометр работает следующим образом.

При появлении ускорения ау по измерительной оси Y прибора происходит смещение ЧЭ и его элементов. Суммарное смещение планки 2 контролируется фотоприемником оптопреобразователя 7, выход которого поступает на усилитель 16 и последовательно соединенные резисторы 17 и 18. Ток, протекающий по резистору 17 рамки, взаимодействует с полем постоянных магни- тов 6, формирует силу и момент ОС, уравновешивающие инерционные силы и моменты Выходной сигнал - падение напряжения на эталонном резисторе 18 - однозначно определяет измеряемое ускорение ау.

Маятниковые акселерометры характери- зуются, в частности, чувствительностью к угловым ускорениям е по оси X подвеса. Следовательно, выходной сигнал такого акселерометра содержит информацию как о а, так и о ЕХ, разделить которую традиционными методами невозможно.

Предлагаемый акселерометр обеспечивает возможность разделения выходного сигнала на составляющие. Такая возможность выявилась в результате анализа специфики поведения маятникового акселерометра с ЧЭ на струнном торсионном подвесе, допускающем пространственное смещение рамки. В частности, при наличии линейных а

и угловых 8;t ускорении рамка одновременно смещается поступательно вдоль оси Y и вращается относительно оси X. Поэтому возможно нахождение мгновенного центра вращения рамки, лежащего на пересечении некоторой оси, параллельной оси X, и оси2, и условий невозмущаемости положения этой точки линейными ускорениями ау. Возможно также нахождение аналогичного центра, не возмущаемого угловыми ускорениями e. Исследования показали, что координата L инвариантной точки, не возмущаемой ускорениями ау основания, существует и определяется выражением:

р. KL.(L-.O + CT

-К(Еос-М+С{ц

а координата точки, не возмущаемой угловыми ускорениями е.

Ся.

К toe

с+ к

е ос и lu - соответственно расстояния от оси подвеса до точки приложения равнодействующей уравновешивающей силы контура компенсации и до центра масс ЧЭ; С и Ст - соответственнопоперечная

жесткость упругого подвеса ЧЭ и его жесткость на кручение; поперечная жесткость контура компенсации акселерометра.

К

Параметры акселерометра выбирают таким образом, чтобы инвариантные точки, располагаясь на оси Z ЧЭ, находились внутри его контура. Тогда, материализовав в ЧЭ на оси Z две наблюдаемые точки, отстоящие от оси X на расстояниях Ei и fj и используя дополнительные оптопреобразователи, осуществляют контроль за их смещением.

Одна пара оптопреобразователей (12-15) располагается на расстоянии fi, другая пара (8-11) - на расстоянии 2 от оси X. Выходы соответствующих фотоприемников 10 и 11, 14 и 15 через сумматоры 20 и 19 поступают на логическое устройство 21, оценивающее соотношение между составляющими напряжений и 19 и U20. Это позволяет провести разделение в выходном сигнале U, так как его составляющие и( U(ay), зависящие соответственно от углового ускорения и линейного ускорения, находят из соотношений

V()r llfru

20

U(a,)U

и

20

U|9+U20

В предлагаемом акселерометре предусмотрен как обычный выход U, содержащий суммарную информацию, так и выходы по составляющим: U (а,,); U (е), причем U (ау)+ +U(e.)U.

Одновременно можно получить дополнительную информацию об угловом ускорении по оси Z, выделяемую по разности сигналов оптопреобразователей соответствующих пар.

Действительно,

Uu+ Ui5 BX , Ui4- Ui5 U20+ UM a,/; U20-- Uii R.

Поэтому на соответствующих выходах сумматоров 20 и 19 может быть дополнительно получена информация об угловом ускорении.

Формула изобретения

Компенсационный маятниковый акселерометр, содержащий корпус и укрепленный в нем на упругом торсионном подвесе маятниковый чувствительный элемент в виде замкнутого контура, пересекаемого осью подвеса и образованного двумя стойками и электропроводной планкой, параллельной оси подвеса, а также оптоэлектронный датчик положения планки, магнитную систему, в рабочем зазоре которой расположена планка, и электронный усилитель контура компенсации, соединяющий выход датчика положения с электропроводной планкой, отличающийся тем, что, с целью повышения виброустойчивости и расширения функциональных возможностей, в него введены две пары оптоэлектронных датчиков положения, два

сумматора и логический блок, при этом две стойки и планка чувствительного элемента образуют равносторонний треугольник, основанием которого является планка, датчики положения каждой пары расположены у стоек чувствительного элемента на одинаковом расстоянии от оси подвеса по разные стороны от оси маятника, выходы датчиков положения каждой пары соединены с входами соответствующих сумматоров, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами логического блока, третий вход которого соединен с выходом электронного усилителя контура компенсации, датчики положения расположены попарно по разные стороны от оси подвеса на расстояниях от нее, равных

f - К LC (1с- tu) + Ст

- K(toc- b)-f CIu

еггде toe и ч - соответственно расстояния от оси подвеса до точки приложения равнодействующей уравновешивающей силы контура компенсации и до центра масс чувствительного элемента; С и Ст - соответственнопоперечная

жесткость упругого подвеса чувствительного элемента и его жесткость на кручение; К - поперечная жесткость контура компенсации акселерометра.

Изобретение относится к элементам систем ориентации и навигации подвижных объектов и позволяет повысить виброустойчивость и расширить функциональные возможности устройства. Устройство содерл ит оптопреобразователн, включающие осветители 8, 9, 12, 13, фотоприемники 10, 11, 14 и i5, предназначенные для контроля смещения точек стоек 1, усилитель 16, резисторы 17 и 18, сумматоры 19 и 20, формирующие сигнал на логическое устройство 21, осуществляющее анализ выходного сигнала акселерометра. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют осуществить анализ специфики поведения акселерометра на струнном торсионном подвесе, допускающем пространственное смещение рамки. 1 ил.