Способ измерения ускорения Советский патент 1992 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к области измерений с помощью приборов со сверхпроводимостью ускорений перемещающегося объекта и может найти применение при измерении, например, силовых эффектов землетрясений, моментов на крыле самолета, тяги двигателей и др.

Известен способ измерения ускорения а, по которому масса перемещается по оси, вдоль которой происходит ускорение, после чего, регистрируя величину перемещения массы Ах, по предварительно построенной градуировочной зависимости Ах от а, определяют значение ускорения 1,

Основными недостатками способа являются:

1.Градуировка прибора по смещениям А х в зависимости от ускорения а, требующая высокочувствительных позиционных датчиков.

2.Погрешность в измерениях, возникающая за счет механического трения при перемещении массы вдоль направляющей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ измерения ускорения а, включающий свободное взвешивание над сверхпроводником постоянного магнита, после чего, регистрируют величину линейных смещений Ах постоянного магнита по оси, вдоль которой происходитускорение, по предварительно построенной градуировочной зависимо- стиДх от а, определяют значение ускорения 2.

Основными недостатками известного способа являются:

1.Градуировка прибора по линейным смещениям Ах постоянного магнита в зависимости от ускорения а, требующая высокочувствительных позиционных датчиков, работающих при низких температурах.

2.Трудность в защите от микросейсмических помех, которые создают погрешности при измерениях линейных смещений постоянного магнита

Целью изобретения является повышение достоверности измерений

Поставленная цель достигается тем что способ включает свободное взвешивание постоянного магнита над сверхпроводнисл

с

х| О х|

Јь

СО

ком в системе постоянный магнит - сверхпроводник, определение резонансной частоты (О упругих колебаний постоянного магнита в системе постоянный магнит - сверхпроводник, находящийся в состоянии с нулевым ускорением, и резонансной частоты упругих колебаний постоянного магнита в сисгей «Г пЬстоянн;ый магнит - сверхпроводник, движущейся с ускорением а, а вёличи .у ускорения а, определяют по формуле

ft)8/s

- 5) 1

где g - ускорение своЈ дного падения.

Наличие новых операций по сравнению с прототипом позволяет заключить, что они соответствуют критерию новизна. При изучении других известных способов в данной области не обнаружено использование признаков, отлич.пощих заявляемое изобретение от прототипа и поэтому они обеспечивают заявляемому способу соответствие критерию существенные отличия.

На чертеже представлена схема конструкции для определения ускорения, например, в вертикальном направлении, Здесь постоянный магнит (ПМ) 1 из Sm cos с массой m 0 021 г ч магнитным моментом ,2 Гс см3 взвешивался над таблеткой 2 из ВТСП диаметром 3 см и толщиной 0,5 см, которая была помещена в стакан 3 из теплоизоляционного материала и охлаждалась жидким азотом 4. В качестве материала для ВТСП применялась керамика 4ВагСиз07 с ТО93К.

Для определения резонансных частот системы ПМ-ВТСП при нулевом ускорении этой системы и при ее движении с ускорением применялась детектирующая катушка 5 (50 витков), сигнал с которой через усилитель 17-1 б подавался «а вольтметр В7-21А 7. Критерием достижения резонанса в системе являлась максимальная амплитуда колебаний ПМ, определяемая по показаниям вольтметра. Вертикальные колебания ПМ возбуждались с помощью задающей катушки 8 (100 витков), на которую подавалось синусоидальное напряжение от звукового генератора ГЗ-1239. Выходная частота генератора контролировалась частотомером 43-32(10). Разность фаз между напряжением на задающей и детектирующей катушек измерялась с помощью фазометра 11

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом.

Заявляемый метод проверялся при вертикальном ускорении а системы ПМ-ВТСП,

создаваемом с помощью устройства, -crm рое представляет собой вал 12 диаметром I см с наматываемой на него лентой 13 толщиной d 0,05 см и шириной 4 см. 5При постоянной скорости вращения вала УЬ, ускорение, с которым сматывается- лента и движется стакан 3, определяется по формуле

10

d 2

Физическая сущность изобретения заключается в том, что высокотемпературные сверхпров одники являются сверхпроводниками II рода и ниже температуры сверхпроводящего перехода в магнитном поле Н Нс (НС1 - первое критическое поле) магнитный поток проникает в ВТСП, образуя вихревую решетку, которая закрепляется на центрах пиннинга. Когда сила F,

необходимая для срыва вихрей, больше mg (m - масса магнита), то магнит в данной точке зависает над ВТСП, С другой стороны, при небольших смещениях магнита происходит упругое деформирование вихревой

решетки с сохранением магнитной индукции В const. Это адекватно появлению в системе ПМ-ВТСП упругого элемента, который и задает собственные частоты свободных колебаний ПМ,

Таким образом, если расстояние от магнита до поверхности ВТСП равно X, то изменение энергии мейснеровского отталкивания, при движении магнита в упругой области с В const,

35

dWn

BdH dx

где Н - поле, создаваемое ПМ на поверхности ВТСП.

Суммарная сила, действующая на маг- нит при движении всей системы ПМ-ВТСП с ускорением d вдоль вертикальной оси

45

РТЯж+ т(д + а)О)

где РТЯЖ - сила тяжести, действующая на магнит массы, а а - коэффициент пропорциональности, а 0.

Положение равновесия достигается при F 0 и из (1) находим расстояние от покоящегося магнита до поверхности ВТСП

Хо

а

1/4

Ј fe + a).

m

(2)

Коэффициент упругости данной систе- мь,К aF

Ж

о

Из (1) и (21 /Т1тывая;что резонансная частота О) УN получаем резонансную частоту колебаний магнита при движении системы ПМ - ВТСП с ускорением

ml «J

1/8

(g + а)

5/8

(3)

Когда ускорение системы ПМ - ВТСП равно нулю, резонансная частота колеба ний магнита

Если AGJ « 5, то арктангенс можно разложить в ряд по степеням At /б и, ограничиваясь первыми членами, получим из (9)

Д#

До -$(10)

Учитывая (10), выражение (7) можно переписать в виде

(И)

Использование: при измерении силовых эффектов землетрясений, моментов на крыле самолета, тяги двигателей и др. Сущность изобретения: свободно взвешивают постоянный магнит над сверхпроводником, возбуждают колебания постоянного магнита, определяют резонансные частоты упругих колебаний постоянного магнита с нулевым (Оо и ненулевым а) ускорением, а величину ускорения определяют из соотношения а о -в1Й)

ml

а)

1/8

,5/8

(4)

Учитывая (3) и (4), получаем выражение для ускорения системы ПМ - ВТСП

(и)

(5)

Обозначим изменение резонансной частоты Дш а)о, тогда (5) приобретает вид25

)

(6)

При малых ускорениях системы ПМ - зо ВТСП (а « g ) Aft %, и (6) можно разложить в ряд, учитывая только первые члены

d 2У 0)0

(7)

Формула (7) позволяет для повышения экспрессности и достоверности использовать при измерениях малых ускорений а «д фазометр. Для этого А а в (7) выражается через разность фаз А между напряжением, подаваемым на задающую катушку, и напряжением, снимаемым с детектирующей катушки.

В общем случае А(р можно записать

A 5-arctg-| ftJ or -

0$

где 2 д ширина резонансной кривой на

высоте Амакс

Амакс - максимальная амплитуда колебаний магнита.

В условиях резонанса Д 0.

Так как А (О « ш0 (при a «g), то (8) принимает вид

пд

Ay 2-arctg

(9)

15

20

25

зо

35

40

45

50

55

При проверке предлагаемого способа малые ускорения создавались при вра- щении вала с угловой скоростью (оь 0,35 рад/с и оЖ 9,72 рад/с. При этом ускорения определялись по формуле а d /2 ли (здесь d 0,05 см - толщина ленты i2)и составили

d(l) 9,75-10 4 см/с2;

а(и) 4,14-10 3см/с2.

Измерения резонансной частоты WQ, коэффициента затухания д и разности фаз между напряжениями на задающей и детектирующей атушках колебаниях ПМ над ВТСП осуществлялась при высоте зависания Хо-0,25 см, Ускорение системы ПМ - ВТСП определялось по формуле (11).

Измерения дали следующие результаты:

Шо 24,0 Гц; (5{|) 5(||) 0,6 Гц;

25 мкм рад; а(|) 9,8-10 см/с2,

) 105 мк-рад;а(|) 4,1. см/с2. Таким образом, заданные значения ускорений совпадают с измеренным, что подтверждает достоверность заявляемого способа.

Преимуществом заявляемого способа по сравнению с базовым является:

Заявпяе мый способ может найти широкое применение при измерении, например, силовых эффектов землетрясений, моментов на крыле самолета, тяги двигателей, изменения ускорения свободного падения и ДР.

Формула изобретения Способ измерения ускорения, заключающийся в свободном взвешивании постоянного магнита над сверхпроводником и определении ускорения, отличающий- с я тем, что, с целью повышения достоверности измерений, возбуждают колебания постоянного магнита, определяют резонан

t/ jЈ$, &}&& Irjfff/

ц Лл

;

сные частоты упругих колебаний постоянного магнита с нулевым ftfe и ненулевым а) ускорением, а величину ускорения определяют из соотношения

,

Ы