Устройство для измерения кажущегося ускорения Советский патент 1991 года по МПК G01P15/08 G01V7/14 

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к технике измерения параметров движения объекта.

Цель изобретения - миниатюризация устройства.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - устройство с инерционной массой, каркасом магнитопровода и цилиндрическим корпусом, выполненным из диэлектрика.

Устройство содержит вязкую среду 1. которой заполнен гермообъем цилиндрического корпуса 2, в котором свободно падает инерционная масса 3, индуктивный датчик А положения инерционной массы 3 относительно корпуса 2, системы регистрации пути (5) и времени (6) - электронносчетный частотомер.

Датчик 4 положения содержит каркас магнитропровода 7 с катушкой 8, которая включает обмотку 9 прямой связи и обмотку 10 обратной связи. Обмотки 9 и 10 подключены к усилителю 11 и образуют вместе с ним автогенератор с трансформаторной обратной положительной связью, при этом к обмотке 9 прямой связи параллельно подключен конденсатор 12, который совместно с обмоткой выполняет функцию частотно- задающего элемента. Функцию электрической емкости конденсатора 12 может выполнять межвитковая емкость обмотки 9 прямой связи.

Система регистрации пути содержит компаратор 13 и блоки 14 и Сформирования сигнала соответственно начала и конца отсчета времени пути, включающие соответст- венно фазовые детекторы 16 и 17 и компараторы 18 и 19. Вход компаратора 13 соединен с информационным выходом усилителя 11, а выход компаратора 13 параллельно подключен к первым входам фазовых детекторов 16 и 17, при этом на вторые входы фазовых детекторов поданы опорные частоты fion и f2on. Первые входы компараторов 18 и 19 соединены с соответствующими выходами фазовых детекторов 16 и 17, при этом на вторые входы компараторов подано опорное напряжение Uon, причем вход запуска злектронносчетиого частотомера б подключен к выходу компаратора 18, а вход останова злектронносчетно- го частотомера 6 подсоединен к выходу компаратора.

Инерционная масса 3 выполнена или из ферромагнитного материала, или из диэлектрического материала, например кварца или ситалла, в последнем случае на наружную поверхность инерционной массы нанесена пленка 20 электропроводящего материала (фиг. 2). Каркас магнитопровода

7 выполнен или из ферромагнитного материала, или из диэлектрического материала тороидальной формы, в последнем случае на поверхности тора навита и жестко скреплена с ней элегтропроводящая лента 21, витки которой изолированы друг от друга изолятором 22 и образуют обмотки 9 и 10 катушки 8, при этом аксиальная ось цилиндрического корпуса пересекает аксиальную

ось магкитопровода 7 и перпендикулярна к ней. В связи с тем, что витки выполнены из электропроводящей ленты и навиты на каркас магнитопровода, выполненный из диэлектрического материала, то между

поверхностью витков образуется электрическая емкость. Благодаря жесткой связи витков ленты с поверхностью каркаса магнитопровода, выполненного, например, из термостабильного кварца, обеспечивается высокая температурная стабильность межвитковой емкости. Межвитковая емкость и индуктивность витков ленты в. совокупности образуют частотозадающий элемент (колебательный контур). Благодаря

тому, что каркас магнитопровода полностью покрыт витками электропроводящей ленты, переменное магнитное поле полностью локализуется внутри него.

Устройство работает следующим образом.

Инерционную массу 3 выводят из зазора магнитопровода и отпускают.

Инерционная масса 3 может быть выведеиа из зазора каркаса магнитопровода 7, например, с помощью электромагнита (не показан), катушку которого размещают снаружи корпуса 2 и над зазором каркаса маг- я ито про во да 7, если инерционная масса 3

0 выполнена из ферромагнитного материала. В этом случае при подачи в катушку электромагнита напряжения инерционная масса 3 втягивается в катушку и устанавливается в определенном и заданном положении.

5 При выполнении инерционной массы 3 из диэлектрического материала с нанесенной на поверхность пленкой 20 электропроводящего материала катушку электромагнита размещают под зазором. При подаче пере0 менного тока Е катушку электромагнита в электропроводящей пленке 20 инерционной массы 3 возникает вихревой ток, который создает собственное магнитное , и в результате его взаимодействия с перемен5 ным магнитным полем катушки инерционная масса 3 выталкивается из катушки. Для фиксации положения инерционной массы . относительно зазора внутри корпуса могут быть установлены ограничители (не показаны).

При действии на обьект кажущегося ускорения W, проекция которого на ось чувст- витепьности х равна Wx, инерционная масса 3 под действием сил инерции совершает движение относительно корпуса в сторону, противоположную напоавлению кажущегося ускорения (при условии, что плотность инерционней массы больше плотности жидкости /,х).

Установившееся значение скорости движения V инерционной массы 3 от величины кажущегося ускорения Wx определяется выражением

v Q igyis--w .

где QM объем инерционной массы;

/Зм ,/Эж - плотность инерционней массы и жидкости;

5з - площадь зазора между корпусом и инерционной массой з сечении, перпендикулярном движению инерционной массы;

SM - площадь поперечного сечения инерционной массы;

tj- кинематическая вязкость жидкости,

Частота датчика 4 положения, определенная однозначно положением инерционной массы в зазоре каркаса магнитопровода 7, начинает изменяться.

Компаратор 13 осуществляет преобразование синусоидального колебания, снимаемого с выхода усилителя 11, в последовательность прямоугольных импульсов, которые поступают на фазовые детекторы. В начале движения инерционной массы 3 частота fx больше первой опорной частоты fion, подаваемой на второй вход фазового детектора 16, а частота fion больше опорной частоты f2on, подаваемой на второй вход второго фазового детектора 17. При приближении частоты fx (в процессе движения инерционной массы в зазоре магнитопровода частота fx уменьшается) к частоте fion на выходе фазового детектора появляется медленно меняющееся напряжение Uix, величина которого больше величины опорного напряжения Don.Если Uon О, то при совпадении частот fx и f ion, т.е. fx f ion, компаратор 18 срабатывает и на его выходе появляется перепад напряжения, который вызывает запуск электронносчетного частотомера. Счетчик импульсов частотомера начнет заполняться импульсами от собственного кварцевого генератора. Для ускорения должного запуска электронносчетного частотомера величину Uon целесообразно выбрать отличной от нуля, например некоторой положительной величиной. Это вызвано тем, что зона сравнения частоты fx с опорной частотой fion имеет огй

раниченную величину и может б.ть значительно меньше диапазона частоты fx при движении инерционной массы а зазоре магнитопровода. Увеличение рабочей зоны сраи- 5 нения частот фазовым детектором приводит к увеличению погрешности фи сяции положения инерционной массы в зззоре магнитопровода, что нежелательно. Поэтому, когда величинг (f x- f ion) больше рабочей зоны фазо10 cor о детектора, то на его выходе присутствует нулевое напряжение, что приводит к ложному згпуску злектрочносчетного частотомера Для устранения данного явления вепичину Uon выбирают, например, положительной,

15 Тогда 1 момент совладения частоты с рабочей оной фазового детектора на его выходе появляется максимальное-отрицательное постоянное медленно меняющееся напряжение и ксмпар.тгор 18 ложно не срабатывает. Его

20 срабатываниэ происходит только в тот момент, когда Uix становится равным положи- ткльчгмлу напряжении: Uon, и на .чачале сУ онта перепада выходного напряжения компаратора происходит запуск зпектрон25 несметного частотомера. При дальнейшем движении инерционной массы 3 частота fx уменьшается, и при совпадении ее с второй опорнсгл частотой hon происходит срабатывание компаратора 19, передний фронт перепэ-30 да выходного напряжения которого вызывает останов счета электронносчетного част отоме- ра 8.

Электронносчетный частотомер подсчитывает количество импульсов п. которые гене- 35 рируются собственным генератором. Связь интервала времени с подсчитанным количеством импульсов осуществляется в соответствии с выражением At TM п ,

40 где Ти -период следования импульсов.

При Ти const как при пункте наблюдении, так и на эталонном пункте алгоритм определения неизвестного кажущегося ускорения имеет вид

45,., хл, пэ

Wx W3 -- ,

Пх

где пэ, Пх - количество импульсов, подсчитанных электронносчетным частотомером при наблюдении на эталонном и новом (опреде50 ленном) пунктах.

Для случая, когда в акселерометре инерционная масса выполнена из диэлектрического материала с нанесенной на ее поверхность пленкой электропроводящего

55 материала, то при движении инерционной массы внутрь зазорз каркаса магнито проас- да частота генерации растет. В этом случае опорные частоты fion и feon выбирают из условия fion faon. Только в этом случае

обеспечивается возможность фиксации интервала времени злектронносчетным частотомером.

Таким образом, выходная информация о кажущемся ускорении представлена непосредственно во временном интервале перепада на выходе компараторов 18 и 19, что упрощает согласование предлагаемого устройства с вычислительной техникой и в це- лом уменьшает массогабаритные показатели устройства. Благодаря интегральному исполнению узлов 11-19 занимаемый ими объем очень мал, что позволяет их разместить, например, в гермообъеме цилиндрического корпуса 2, что при миниатюризации благоприятствует сохранению точностных показателей предлагаемого устройства за счет единого теплового режима электронной и механической частей устройства. Современная технология позволяет разместить электронную часть устройства в кристалле объемом менее 1 мм3, Таким образом, в основном массогабаритные показатели определяются механической частью устройства. Благодаря тому, что ось магнитной цепи 4 перпендикулярна аксиальной оси цилиндрического корпуса 2, бесконечно малое перемещение инерционной массы относительно некоторого положения в корпусе вызывает скачкообразное изменение выходного сигнала па выходах компараторов 18 и 19. Неопределенность срабатывания компараторов 18 и 19 при относительной нестабильности частот к величине порядка в основном определяется неопределенностью положения фаничной поверхности инерционной массы 3, величина которой из-за дискретной структуры вещества инерционной массы 3 порядка размера межатомного расстояния вещества инерционной массы и составляет типовую величину порядка 1СГ10 м, что позволяет существенно миниатюризировать чувствительный элемент и следовательно устройство в целом.

Другим фактором, ограничивающим миниатюризацию устройства, является габариты инерционной массы 3. Для нормальной работоспособности устройства длина инерционной массы 3 должна быть равна диаметру магнитной цепи 4 и при величине относительной чувствительности по перемещению инерционной массы должна быть более 0,1 мм. Диаметр инерционной массы 3 и зазор между инер- ционнсй массой и корпусом ограничиваются расстоянием, на которых начинают проявлять действие межмолекулярные силы. Радиус действия межмолекулярных сил составляет м. Эта величина определяет

предел, ограничивающий диаметр инерционной массы и зазор между инерционной массой 3 и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 2. При таких размеpax проявляется адгезия- (прилипание) между поверхностными слоями инерционной массы 3 и корпусом 2, что приводит к неработоспособности устройства. При диаметре инерционной массы и величине зазора между инерционной массой 3 и корпусом 2 10 м адгезией практически можно при- небречь, так как влияние межмолекулярных сил на движение инерционной массы 3 относительно корпуса 2 в данн ом случае имеет

относительную величину порядка .

В связи с тем, что работоспособность устройства возможна только в очень малом интервале пути, проходимого инерционной массой, то заполнение гермообъема корпуса 2 вязкой средой 1 позволяет за счет вязкого трения инерционной массы 3 в среде 1 существенно уменьшить скорость падения инерционной массы и увеличить время пролета интервала пути, зафиксированного

разностью эталонных частот, что приводит к увеличению интервала времени между перепадами напряжения на выходах компараторов 18 и 19. Размеры устройства определяет также длина цилиндрического

корпуса. Ее минимальная величина не превышает удвоенной длины инерционной массы, а максимальная величина определяется динамическими характеристиками устройства, анализ которых показывает, что постоянная времени успокоения скорости движения инерционной массы г- m m Т f KITS где f - удельная сила, приходящаяся на единицу линейной скорости движения инерционной массы 3 относительно цилиндрического корпуса 2.

Величина удельной силы f пропорциональна вязкости Я среды 1 и обратно пропорциональна площади S,занимаемой жидкостью между корпусом 2 и инерционной массой 3, в сечении, перпендикулярном к аксиальной оси корпуса, причем значение К - коэффициента пропорциональности, зависящего от формы инерционной массы, постоянно.

Как видно из формулы, постоянная времени успокоения туменьшается приуменьшении массы т, площади S и увеличении

вязкости среды, что благоприятствует миниатюризации устройства, причем типовое значение т при массе m 0,01-0,1 г может составлять величину от 106 для сильновязких жидкостей до десятых долей секунды

(для газовых сред под давлением). Скорость движения инерционной массы V под действием внешних сил может составлять от десятых долей до единиц десятков миллиметров в секунду, таким образом путь I, прейденный инерционной массой до окончания переходного процесса, составляет

I 3г- УвЗОО -КГ х

х(0,1-10)3()мм Таким образом, в устройстве при точности измерения кажущегося ускорения порядка вполне достижима миниатюризация устройства объемом нескольких единиц кубических миллиметров.

Формула изобретения Устройство для измерения кажущегося ускорения, содержащее герметичный цилиндрический корпус, в котором размещена инерционная масса, датчик положения инерционной массы относительно корпуса, выход которого подключен к входу системы регистрации пути с блоками формирования сигнала начала и конца отсчета времени пути, отличающееся тем, что. с целью миниатюризации устройства, во внутренний герметичный объем корпуса помещена вязкая среда, датчик положения выполнен

индуктивным с частотным выходом и содержит каркас магнитопровода,катушку с обмотками прямой и обратной связи на нем и усилитель, причем обмотки катушки подключены к усилителю, выход которого является выходом датчика положения, каркас магнитопровода имеет тороидальную форму и аксиальная ось цилиндрического корпуса пересекает аксиальную ось каркаса магнитопровода и перпендикулярна к ней,

магнитопровод, корпус и инерционная масса выполнены из одного м того же диэлектрического материала, при этом на поверхность инерционной массы наносят слой электропроводящего материала, обмотки катушки выполнены в виде ленты из электропроводящего материала, которая навита на каркас магнитопровода и жестко скреплеиэ с его поверхностью, а витки ленты изолированы друг от друга.

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к измерению па- рапегров дьижения объекта. Цель изобретения - ммниагюризэция устройства. В устройстве герметичный объем корпуса 2 содержит вязкую среду 1, датчик 4 положения выполнен индуктивным с частотным выходом и содержит каркас магнитопровода 7, катушку 8 с обмотками 9,10 прямой и обратной связи и усилитель 11. причем каркас магнитог овода 7 имеет тороидальную фор- . и аксиальная ось корпуса 2 пересекает аксиальную ось каркаса магнитопровода 7 и перпо- щикуляриа к ней. Каркас магнитопровода 7, корпус 2 и инерционная ivsacca 3 выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например кварца, ситал- ла. На поверхность инерционной массы 3 нанесеь слой электропроводящего матери- ,апа, а обмотки катушки 8 выполнены в виде ленты из электропроводящего материала, которая навита на каркас магнитопровода 7 и жестко скреплена с его поверхностью.. Витки ленты изолированы друг от друга изолятором. 2 ил. сл с сь ю о 2 СО

20

7 /