Магнитно-инерциальный измеритель Советский патент 1988 года по МПК G01R33/02 

OL Г

Изобретение может быть использовано при построении малогабаритных магнитно-инерциальных навигационных систем. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей измерителя. Измеритель содержит воспринимающий элемент 1, автогенератор 3 и преобразовательный блок 4, включающий индукционные катушки 5 и 6, алгебраические сумматоры 7-9, умножители 10-13, апериодические фильтры 14 и 15, интегратор 16 и фазовращатель 17. Модулятор 2 выполнен в виде цилиндра, охватывающего концы стержней-концентраторов с зазором, равным толщине индукционных катушек. Суммарная длина последних превышает длину цилиндра. Предложенная конструкция позволяет расширить функциональные возможности в части одновременного измерения индукции магнитного поля и ускорений. 3 ил. (О (Л

б

Ml

00

со ел ел

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, предн 1знлченным для одновременного измерения магнитных полей, позде11стпующих на объект, и ускорений его перемещения в пространстве, и может быть использовано при построении малогабарит1Л1х магнитно- инерциальньк навигационных систем.

Цель изобретения - расширение функциональных лозможностей измерителя при одновременном измерении индукции магнитного поля и ускорений.

На фиг. 1 представлена структур- пая схема измерителя; на фиг. 2 - схема магнитной цепи воспринимающего .гга; на фиг, 3 - схема измери- е,)Но-преобразовательного процесса.

Комбинированный магнитно-инерци- lIЗ epитeль (фиг. 1 ). состоит И- воспринимаи;;цего элемента 1 , моду- .иятора 2, автоге} оратора 3 и преобразовательного блока 4, содержаг(его индукционные катушки 5 и 6, первый /, BTo;T):i 8, третий 9 алгебраические су 1маторы, первый 10, второй 11, третий. 12 и четвертый 13 умножители, ;-:.;|шы1 1ч И второй 15 япр.оио тмческие фильтры, интегратор 16 и фазоврад1а Т:Л.Ь 1 7 .

lii.ixf.Mi, катупки 5 соединен с сумми- pyiMimiMi: входами сумматоров 7 и 8, вы ::o;i iraryujKH 6) соединен с суммируюп им ),ком cy:iN aTopa 8 и вычитающим вхо- ;-,о -1 су :матора 7 , выходы сумматоров 7 и В сое11,и1;ены с первьи- и входами v. Hc nni ejieii 10 и 11, вторые входа ко го1)ых соединены с выходом фазовращателя 17, вход фазоврашателя 17 соеди Н ;н С ВЫХОДОМ автогенератора 3. Вы- ХОЩ- умножителей 10 и 11 попарно соединены с входами апериодических фильтров 14 и 15, выход фильтра 15 соединен с суммирующим входом аглебра- ического сумматора 9, вычитаю .ций вход которого соединен с выходом умножителя 12, выход сумматора 9 соединен с первым входом умножителя 13, В1КОД которого соединен с входом интегратора 16, выход интегратора 16 яиляется вторым выходом устройства и соединен с первым входом умножителя 12, а вторые входы умножителей 12 и 13 соединены с выходом фильтра 14, который является первым выходом из- мерителя.

Воспр нимамщий элемент и модулято (фиг, 2} объединены в едином блоке и содержат сердечники-концентраторы

1Н, размещенные с зазором внутри ферромагнитного цилиндра 19 модулятора, укрепленного на пьезоэлектрическом вибраторе 20, причем индукционные катушки 5 и 6 размещены на участках сердечников-концентраторов 18, расположенных внутри ферромагнитного цилиндра 19 так, чтобы часть витков катушек 5 и 6 выступала за края цилиндра.

Комбинированный магнитно-инерциаль ный измеритель работает следующим образом.

При включении автогенератора 3 пьезоэлектрический вибратор 20 с укрепленным на нем ферромагнитным цилиндром 19, входяищх в состав модулятора 2, совершают гармонические колебания (фиг. 2). Возникаюпше цри этом линейные перемеп{ения концов цилиндра 19 на участках I и II (фиг.2) описываются следуюи1 1ми соотношениями ;

(1)

где 1 - среднее значение перемещения;

1, - амплитуда колебаний; m - масса цилиндра; k - коэффициент жесткости пьезэлектрического вибратора; а - действующее на объект в

плоскости колебаний вибратора линейное ускорение; Л,,-а1л- перемещения концов цилиндра на участках I и И. Площади перекрытия цилиндром 19 сердечников-концентраторов 18 составляют

S,, S,S,-2f(,

(2)

где S , и S - площади перекрытия маг- нитопроводов на участках;

S - среднее значение площади перекрытия;

К - внутренний радиус цилиндра.

Перемещение цилиндра 19 приводит к изменению числа витков в катущках 5 и 6, пронизываемых магнитным потоком, так как часть из них выступает за край цилиндра

W,W«-t-K,jl,

:w,,4i,

,-

где WQ - число витков в катушках,

находящихся в воздушном за- зоре между цилиндром и воспринимающим элементом при

Kj - pjar намотки катушек (число витков на единицу длины ка туики).

Учитывая соотношения (1)-(3), можно записать следующие выражения для потокосцеплений if и t4. катушек

rv, BW,S,B(Wo+K,/ll)(So+2MRal), ,.. lv,BW, (W,)(So-2fWl).

Выражения для ЭДС Е и Е катушек 5 и 6 на основании закона электромагнитной индукции могут быть запи- саны в виде

а±

dt

Указанные ЭДС складываются в алгебраическом сумматоре 8 и вычитаются в алгебраическом сумматоре 7, в результате чего на их выходах форми- руютсй напряжения соответственно Uj и и,,равные

Ц - --(4.,-ы ).

(i-.) аЛ1ц,ЯсозПг+ &llflsin2 t.

Окончательные выражения для указанных напряжений с учетом приведенных соотношений могут быть записаны дО в виде

и, В 4riRW +2KjSo -a+Jl slcos t , (K,R(|-)aa-t-dl sinflt |-а+

Умножители 10 и 11 выполняют роль синхронных детекторов, в апериодические фильтры 14 и 15 подавляют вы- сокочастотные гармоники, возникающие в результате детектирования, поэтому на выходах фильтров 14 и 15 формируются сигналы и, и U,j, равные

|и„ ,t2K,SjB,

1 41пЛ1 лЯ -„ .,„ U,j- ,НИ-а.

10

5

Работа умножителей 10 и 11 в режиме синхронного детектирования обеспечивается фазовращателем 17, который сдвигает сигнал автогенератора, пропорциональный sinf., на угол

- и формирует на своем выходе сигнал,

пропорциональный cosnt.

Таким образом, как следует из первого уравнения системы (8|, выходной сигнал и,, формируемый на первом выходе измерителя, пропорционален индукции измеряемого магнитного поля и(в). Третий алгебраический сумматор 9, умножители 12 и 13, а также интегратор 16 вьтолняют функцию выделения из сигнала U,j, пропорционального произведению В-а, сигнала, пропорционального действующему на измеритель линейному ускорению.

Работа указанных устройств описывается следующим уравнением:

(5)

25

и ,j-u,,-u,Ju,,,

(9)

где сигналы соответствующих элементов; Т - постоянная времени интегратора 16.

Подставляя в уравнение (9) выражения для сигналов U,-U через измеряемые величины, получают

35

и, N,Ba-N,BU,JN,B, ., 4mdl дЯi KлR

л,

(10)

Щ i/ll.,n 4 RWo+2K.SJ .

Преобразуя первое уравнение системы (10), получают ,

(11)

,-, Г Ni ,,1

Нг-г- к; - - После завершения переходного процесса настройки и в указанных элементах измерителя выполняется следующее равенство

1 а«.и(а).

(12)

Таким образом, на втором выходе измерителя (выход интегратора 16) формируется сигнал, пропорциональный действующему на измеритель в плоскости движения линейному ускорению. Формула изобретения

Магнитно-инерциальный измеритель,

содержащий воспринимающий элемент.

модулятор, автогенератор и преобра- зовательньй блок, причем воспринимающий элемент содержит два ферромагнитных стержня-концентратора, на которых расположены две индукционные катуг ки, выход автогенератора соединен с пьезоэлектрическим вибратором, на котором жестко закреплен модулятор из ферромагнитного матери- ала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей при одновременном измерении индукции магнитного поля и ускорений, модулятор выполнен в виде цилиндра, охватывающего концы стержней-концентраторов с зазором, равным толпдане индукционных катушек суммарная длина которых превышает длину 1Ц1линдра, а в преобразователь- ный блок введены три алгебраических сумматора, четыре умножителя, два апериодических фильтра, фазовращатель и интегратор, причем выход первой индукционной катушки соединен с суммирующими входами первого и второго алгебраических сумматоров, выход второй индукционной катушки сое

0 5

5

динен с вычитающим входом первого и с ммирующим входом второго алгебраических сумматоров, выходы этих сумматоров соединены с первыми входами первого и второго умножителей, вторые входы которых соединены с выходом фазовращателя, вход которого соединен с выходом автогенератора, выходы первого и второго умножителей соединены соответственно с входами первого и второго апериодических фильтров, выход второго апериодического фильтра соединен с суммирующим входом третьего алгебраического сумматора, вычитающий вход которого соединен с выходом третьего умиожи- тепя, выход третьего сумматора соединен с первым входом четвертого умножителя, выход которого соединен с входом интегратора, выход интегратора соединен с первым выходом измерителя и соединен с первым входом третьего умножителя, вторые входы третьего и четвертого умножителей соединены с выходом первого апериодического фильтра и со вторым выходом измерителя,

to