Двухкомпонентный датчик ускорения Советский патент 1990 года по МПК G01P15/105 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам преобразования параметров механического перемещения в электрический сигнал.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет самоюстировки датчика.

На фиг. 1 приведена принципиальная конструктивная схема предлагаемого датчика; на фиг. 2 - блок-схема обработки сигналов.

Датчик состоит из связанного с перемещающимся объектом корпуса 1 , в котором закреплена магнитная система. Магнитная система состоит из четырех магнитов 2 (например, цилиндрические самарийкобальтовые магниты) с полюсными наконечниками 3. Полюсные наконечники имеют сечение гиперболы, размещены так, что одноименные полюса лежат в противолежащих квадратах. В центре магнитной системы с возможностью отклонения от него (например, на растяжке или подвесе) укреплена инерционная масса 4, выполненная из диамагнитного материала (висмут, медь и др.). С инерционной массой жестко связаны два взаимоперпендикулярных датчика Холла 5 и 6, установленных так, что их пластины размещены под углом 45 к осям постоянных магнитов.

Датчик ускорения работает следующим образом

СП

О СО

J

KD

4Ь

315

Инерционная масса 4 с пластинами датчиков Холла,5 и 6 под действием сил инерции пропорциональных ускорению отклоняется в любом направлении на плоскости X-Y (фиг.1), При этом значения выходных сигналов датчиков Холла U, ,U г изменяются на величины, пропорциональные Hrsin Ц и Hrcoatf,

где Н - напряженность магнитного по

ля в точке расположения датчиков ,Холла; ср - угол, составляемый векто- ром ускорения с осью X.

Отклонение инерционной массы от положения равновесия происходит до тех пор, пока инерционная сила, действующая на нее, не уравновесится пондеромоторной силой, действующей на диамагнитное поле, помещенное в ноднородном магнитном полео

Величина пондеромоторной силы определяется по формуле . Hj.. grad4r, где m - масса тела;

х - магнитная восприимчивость. Направление силы зависит от знака магнитной восприимчивости вещества, из которого изготовлена инерционная масса- 4. Для диамагнитных тел магнитная восприимчивость отрицательна и такие тела выталкиваются из области поля с большей напряженностью. Учитывая, что для-используемой магнитной системы напряженность магнитного поля выражается формулой

Н

г Н.г,

где Нв - напряженность магнитного поля на полюсном наконечнике j

г - радиус-вектор системы. Учитывая, что градиент напряженности магнитного поля величина постоянная, можно записать:

F m-x-gradH-Hor,

т.е. чем больше отклонение инерционной массы 4 от оси симметрии, тем

0

5

0

5

0

5

больше уравновешивающая пондеромотор- ная сила, действующая на нее. Таким образом, при снятии ускорения инерционная масса возвращается в исходное состояние.

В предлагаемом датчике не требуется производить специальной начальной юстировки, т.е. установления инерционной массы 4 и связанных с ней магниточувствительнмх элементов 5 и 6 в определенную точку поля, поскольку инерционная масса, выталкиваясь из любой области поля с напряженностью не равной нулю, самопроизвольно устанавливается по оси магнитной системы, где . Таким образом, исключается погрешность, связанная с ошибкой начальной установки и ошибкой последующего воспроизводства начальной точки отсчета, за счет чего повышается точность измерения.

Величина измеряемого ускорения пропорциональна напряженности магнитного поля в точке расположения датчиков Холла. Сопоставительный анализ выходных ЭДС датчиков Холла с учетом их знаков позволяет определить величину ускорения, а также его напряжение. В качестве примера рассмотрена следующая схема обработки сигнала (фиг.2).

На входы 7 и 8 датчиков Холла 5 и 6 последовательно подается постоянный ток от источника 9 стабилизрован- ного тока. Далее используются две параллельные схемы обработки выходных сигналов. Первая включает два аналогичных умножителя 10 и 11, на входы которых подаются ЭДС Холла, последовательно соединенные сумматор 12, ло- гарифматор 13, делитель 14, обратный логарифматор 15 и индикатор 16. Блок последовательно осуществляет следующие операции:

Изобретение относится к измерительной технике. Самоюстирующийся датчик ускорения позволяет определить величину и направление ускорения путем измерения знака и величины выходного напряжения двух датчиков Холла, связанных с инерционной массой, размещенной в неоднородном магнитном поле. Для этого инерционная масса 4 выполнена из диамагнитного материала и размещена с возможностью отклонения от оси симметрии магнитной системы. Магнитная система, жестко связанная с корпусом 1, состоит из четырех постоянных магнитов 2 с полюсными наконечниками 3 гиперболического профиля и образуют магнитный квадруполь. Пластины двух взаимно перпендикулярных датчиков Холла 5, 6 связаны с инерционной массой и расположены параллельно оси симметрии магнитной системы. 2 ил.

U, .sinV b 7g / pCHw -

U2 -cHrcos - c., j

HCH ZlnHj.,

В результате индикатор фиксирует величину, пропорциональную напряженности магнитного поля, т.е. величину, прямой пропорциональную определяемому ускорению. Вторая, параллельная первой, схема обработки сигнала включает два индикатора 17 и 18, фиксирующих величину и знак выходных ЭДС

датчиков Холла, делитель 19 и аналоговый блок 20 и осуществляет следующие преобразования:

ypH,l±ypHrsinif

9 JpHj- fyf Hrcosi/

&

tgi/

Неопределенность, связанная с неопределенностью tg p (/три изменении Ч 0-360 - (/+fJ)J, исключается при учете знаков выходных сигналов, так как в первом квадранте значения U, и U положительные, во втором - U положительное, U2 отрицательное, в третьем - U, и U отрицательные, в четвертом - U, отрицательное, U положительное. Следовательно, одновременная регистрация величин +Н sirMp, ±Hrcos if и их обработка позволяют однозначно определить значение и направление измеряемого ускорения. При этом за начало отсчета должно быть выбрано направление, перпендикулярное оси симметрии магнитной системы в плоскости расположения одного из датчиков Холла, поскольку при перемещении в заданном направлении (х) значения Hrcosif Hr, а HpSiiupO.

Формула изобретения

Двухкомпонентный датчик ускорения, содержащий корпус, инерционную массу на подвесе и преобразователь перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, преобразователь перемещений

выполнен в виде магнитной системы из четырех постоянных магнитов с полюсными наконечниками, размещенных на корпусе и образующих магнитный квад- руполь и двух взаимоперпендикулярных

5 датчиков Холла, установленных на инерционной массе, размещенной в центре квадруполя, причем полюсные наконечники выполнены гиперболического профиля, инерционная масса - из

0 диамагнитного материала, а пластины датчика Холла размещены под углом 45 к осям постоянных магнитов.

аг.1

20

Фиг.1