Акселерометр Советский патент 1990 года по МПК G01P15/13 

1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к маятниковым компенсационным измерителям линейных ускорений - акселерометрам.

Целью изобретения является повышение надежности конструкции акселерометра.

На фиг.1 представлена упрощенная конструкция предложенного акселерометра; на фиг. 2,3,4 - варианты выпол- нения чувствительного элемента акселерометра.

Акселерометр содержит кварцевый чувствительный элемент, выполненный в виде рамки-маятника 1, подвешенного на нитях - торсионах 2, прикрепленных к боковым .стойкам 3, имеющим Г-обраэную форму и отходящими от цилиндрического опорного элемента 4. К цилиндрическому опорному элементу 4 прикреплены также кольцевые ограничителя 5, охватывающие верхнюю перекладину маятника 1, н консольные пьезоэлектрические силовые элементы 6, установленные по торцам. Боковые стойки 3 снабжены отростками 7, каждый из которых охватывает по скользящей посадке пьезоэлектрический силовой элемент 6. Кварценый чувствительный элемент посредством призмы 8, в которой закрепляется цилиндрический опорный элемент 4, установлен в кор

00

оо to

р

3 . 14 пусе, при этом боковые стойки рамки- маятника располагаются в зазоре магнитных систем 9, а нижняя перекладина частично перекрывает световой канал управляемой оптопары, состоящей из источника излучения 10 и фотоприемника- 11. Акселерометр имеет упоры 52, ограничивающие перемещение нижней перекладины маятника, и усили тель обратной связи, к входу которого подключен фотоприемник 11. Нити- торсионы 2, боковые стойки 3, боковые стойки маятника I и его нижняя перекладина металлизированы.

Образованная таким образом электрическая цепь через нагрузочный резистор подключена к выходу усилителя обратной связи. Пьезоэлектрические силовые элементы 6 выполнены биморф- ными и включены в электрическую цепь управляющего напряжения и параллельно друг другу. В то же время по своему силовому воздействию (направлению прогиба консоли в результате проявле кия обратного пьезоэффекта) они ус- тановлены встречно.

Детали и элементы 1-5 и 7 выполнены из оптически чистого кварцевого стекла и соединены между собой свар- кой. Элементы 6 прикреплены к торцам опорного элемента 4 на клею.

Кольцевые ограничители 5 и верхняя перекладина маятника 1 в зоне прохождения через кольца покрыты ан- тифрлкционным рсвиноподобным материалом, например, фторопластом - IV.

Боковые стойки 3 чурствительного элемента (см.фиг.1 и 2, вид с торца цилиндрического опорного элемента) выполнены в виде рамки, охватывающей цилиндрический опорный элемент 4 и снабженной поперечной перекладиной, расположенной вдоль образующей цилиндра опорного элемента 4 и прикрепленной к нему со стороны, противоположной маятнику. Боковые стойки 3 чувствительно элемента (см.фиг.3 и 4, вид с торца цилиндрического опорного элемента с вырезом по сечению А-А) представляют собой относительно тон- кий Г-образно изогнутый стержень, проходящий с зазором в- пазу опорного элемента 4. В обоих случаях выполнения боковых стоек 3 их жесткость изгибу в направлении оси X соизмерима либо меньше изгибкой жесткости пьезоэлектрических силовых элементов.

5 прикосновения

0

5

0

5

0

5

Акселерометр работает следующим образом.

При наличии измеряемых ускорений по оси У маятник 1 поворачивается на нитях-торсионах 2. Перемещение нижней перекладины маятника вызывает разбаланс дифференциального фотоприемника 11, сигнал с которого поступает на усилитель обратной связи. Ток в выходной цепи усилителя, проходя по боковым перекладинам маятника 1, взаимодействует с- магнитным полем в зазоре магнитных систем 9, и в результате маятник удерживается в исходном положении. Падение напряжения на нагрузочном резисторе, включенном последовательно с цепью маятника, есть мера измеряемого ускорения. При наличии ускорений, существенно превышающих верхнюю границу диапазона измерения, наступает ограничение по току в выходной цепи усилителя и маятник перемещается до сокак с упорами 12, так

и с кольцевыми ограничителями 5 (ложится на упоры). Таким образом, элементы 5 и 12 ограничивают опасные деформации нитей - торсионов 2 при наличии перегрузок по оси У. Аналогичную роль по оси Z выполняют кольцевые ограничители 5. Режим перегрузок для акселерометра низкого диапазона измерения (с верхним пределом порядка ) является нерабочим и обычно известен по времени. Это этап вывода на орбиту космического корабля, сопровождающийся значительными виброударными ускорениями (старт, отстрел ступеней ракетоносителей), и его посадка на космических объектах, сопровождающаяся ударными нагрузками. Введение в конструкцию акселерометра пьезоэлектрических силовых элементов 6, подключаемых к напряжению питания U на действия перегрузок, позволяет защитить конструкцию кварцевого чувствительного элемента от разрушения в случае перегрузок по оси X. При подаче напряжения U на биморфные пьезо- элементы 6 последние: изгибаются навстречу друг другу и тем самым ослабляется или устраняется (возможны варианты) натяжение нитей-торсионов 2. В этом случае через маятник 1 либо не передаются на нити 2 опасные инерционные нагрузки, либо сам маятник упирается в кольцевые ограничители 5. Облицовка (покрытие) кольцевых ограничителей 5 и-верхней стяжки маятника 1 антифрикционным резиноподобным материалом способствует более эффективному процессу демпфирования движения маятника в случае виброударных воздействий, возникающих по всем осям. Следует обратить внимание на следующие два варианта соотношения параметров боковых стоек 3 и пьезо- элементов 6. В первом варианте изгиб нал жесткость боковых стоек 3 по величине соизмерима с изгибной жесткостью пьеэоэлементов 6; в этом случае рабочее натяжение нитей-торсионов 2 обеспечивается первоначальной (созданной при сварке чувствительного элемента) упругой деформацией боковых стоек 3, и роль пьезоэлементов сводится к облегчению нагрузки на торсионыг в нерабочие периоды перегрузок на объекте. Во втором варианте изгибная жесткость боковых стоек 3 значительно меньше изгибной жесткости пьезоэлементов 6, и рабочее на тяжение нитей-торсионов 2 обеспечивается первоначальной (созданной при сборке чувствительного элемента) упругой деформацией пьезоэлементов 6. Функции пьезоэлементов таким образом - создание требуемого рабочего натяжения нитей-торсионов и их защита от недопустимых перегрузок.

Выше рассмотрен режим работы чувствительного элемента с защитой относительно кратковременных перегру

зок, когда пьезозлементы подключают

ся к источнику напряжения на нерабочий период для данного устройства. Возможен и другой вариант, когда вре мя измерения мало по сравнению с нерабочим. В этом случае пьезоэлементы устанавливаются так, что их начальная упругая деформация обеспечивает провир подвеса маятника, а значит и его защиту от разрушения во всем, нерабочем периоде существования объекта и транспортировки. В рабочий же период подачей напряжения на пьезоэлементы обеспечивается освобождение боковых стоек 3 от поджатия пьезоэле- ментами и тем самым - требуемое рабочее натяжение нитей-торсиоиов. В качестве управляющего напряжения для

этого варианта устройства быть использовано напряжение питания усилителя обратной связи.

Оценка технико-экономического эффекта изобретения в сравнении с прототипом показывает, что в акселерометре типа КАМУ введение силовых пьезоэлектрических элементов и соответствующая формуле изобретения конструкция кварцевого чувствительного элемента позволяет повысить надежность, расширить нижнюю границу диапазона измерения в область использования подобных акселерометров. Расширение диапазона измерения и области использования оказывается возможным благодаря использованию более массивного маятника, в результате чего чувствительность акселерометра в целом возрастает, а его чувствительный элемент оказывается защищенным от воздействия разрушительных перегрузок.

Формула изобретения

ю 15 20 25

30

45

40

0

Акселерометр, содержащий подвешенный на нитях-торсионах рамочный маятник, установленный в корпусе посредством цилиндрического опорного элемента, снабженного консольными боковыми стойками и кольцевыми ограничителями, преобразователь переме- 3g щення маятника в электрический сигнал, магнитную систему и усилитель обратной связи, отличающий- с я тем, что, с целью повышения надежности, в нем на торцах цилиндрического опорного элемента вголь боковых стоек установлены консольные встречно-параллельно включенные пьезоэлектрические силовые элементы, причем каждая из боковых стоек выполнена в виде Г-образного кронштейна, прикрепленного к цилиндрическому опорному элементу со стороны, противоположной маятнику и охватывающего своим свободным концом свободный конец пьезоэлектрического силового элемента, при этом кольцевые ограничители и часть рамки маятника, охваченная кольцевыми ограничителями, покрыты антифрикционным материалом.

Заказ 3331

Тираж 450

Подписное

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к маятниковым компенсационным акселерометрам. Целью изобретения является повышение надежности акселерометра. Для этого в акселерометр, содержащий .подвешенный на нитях - торсионах 2 рамочный маятник 1, установленный в корпусе посредством цилиндрического опорного элемента 4, снабженного консольными боковыми стойками 3 и кольцевыми ограничителями 5, дополнительно введены установленные на торцах цилиндрического опорного элемента вдоль боковых стоек консольные встречно-параллельно включенные пьезоэлектрические силовые элементы 6, а боковые стойки 3 снабжены отростками 7, каждый из которых охватывает по скользящей посадке пьезоэлектрический силовой элемент. На период наличия перегрузок на биморфные пье- зоэлемёнты 6 подается напряжение U, пьезоэлементы изгибаются навстречу друг другу и тем самым ослабляется или устраняется натяжение нитей - форсионов 2. Последнее защищает конструкцию кварцевого чувствительного элемента от разрушения в случае наличия перегрузок по оси X его подвеса. 4 ил. (Л

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5