Акселерометр Советский патент 1993 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к преобразователям линейного ускорения в электрический сигнал и может быть использовано в автономных виброизмерительных системах, навигационных системах, устройствах ориентации, гидрофизических волног- рафах, буях и т.п.

Известны акселерометры, содержащие корпус, заполненный рабочей жидкостью и разделенный преобразователем расхода рабочей жидкости в электрический сигнал на две камеры, в которых заключены газовые объемы, ограничители перемещения газовых объемов.

Недостатком известных акселерометров является ограниченность функциональных возможностей, т.к. они могут работать лишь в одном режиме работы, либо как акселерометры с самоустановлением измери- тельной оси вертикально, либо как

акселерометры с измерительной осью жестко привязанной к корпусу.

Известен также акселерометр вертикального ускорения, содержащий корпус, заполненный рабочей и разделенный преобразователем расхода рабочей жидкости в электрический сигнал на две камеры, в которых заключены газовые объемы, ограничители перемещения газовых объемов.

Прототипу также присущ недостаток аналогов - ограниченные функциональные, возможности, т.е. он функционирует лишь в одном режиме, как акселерометр с измерительной осью жестко привязанной к корпусу.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей акселерометра путем обеспечения двух режимов работы (режима с самоустановлением измерительной оси вертикально и режима с жесVJ

00

00

4

VI

ю

ткой привязкой измерительной оси к корпусу).

Поставленная цель достигается тем, что первая камера выполнена сферической, а вторая состоит из двух сообщающихся между собой секций, одна из которых выполнена в виде двух пересекающихся под прямым углом полых торов, а другая в виде сферы, которая расположена соосно первой камеры и соединяется с ней в месте пересечения двух торов, причем преобразователь расхода установлен в канале между сферической камерой и местом пересечения двух торов, а концы ограничителей перемещения газовых объемов выполнены в виде отрез- ков капиллярных трубок, расположенных в центре первой камеры и сферы соответственно, причем объем газа во второй камере меньше половины объема сферической секции,

При такой конструкции акселерометра обеспечено два режима его работы:

1. режим с самоустановлением измерительной оси, когда акселерометр ориентирован в поле сил тяжести так, что сферическая секция второй камеры расположена внизу относительно первой камеры;

2. режим с жесткой привязкой оси к корпусу акселерометра, когда акселерометр ориентирован в поле сил тяжести, что сферическая секция второй камеры расположена вверху относительно первой камеры.

В первом режиме газовый объем второй камеры находится в полости торов. По- скольку первая камера и торы установлены концентрично, и уровень заполнения торов соответствует их общему центру, то расположение уровней жидкости в камерах при наклонных положениях акселерометра не зависит от угла наклона. Инерционным телом (чувствительным элементом) акселерометра является столб рабочей жидкости задаваемый разностью уровней жидкости в камерах. Уровни жидкости устанавливают- ся горизонтально, поэтому измерительная ось акселерометра устанавливается вертикально. Расход рабочей жидкости через преобразователь расхода пропорционален вертикальному ускорению и не зависит от наклона акселерометра, т.е. коэффициент преобразования акселерометра не зависит от наклона.

Во втором режиме газовый объем второй камеры расположен в сферической сек- ции. Поскольку газовый объем меньше по величине половины объема сферической секции, то конец отрезка капиллярной трубки ограничителя перемещения газового объема погружен в жидкость. Коэффициент

преобразования акселерометра в этом режиме определяется длиной столба рабочей жидкости вдоль оси,по которой установлен преобразователь расхода и отрезки капиллярных трубок ограничителей перемещения газовых объемов, а измерительная ось направлена на этой оси, т.е. жестко привязана к корпусу.

На чертеже изображен схематично вариант выполнения заявленного акселерометра.

Герметичный корпус акселерометра состоит из первой сферической камеры 1, и второй камеры,состоящей из двух сообщающихся между собой секций. Одна секция выполнена в виде двух пересекающихся под прямым углом полых торов 2, а другая секция в виде сферы 3. Камера 1 установлена внутри пересекающихся под прямым углом торов секции 2 и пристыкована через преобразователь расхода рабочей жидкости в электрический сигнал 4 к месту пересечения торов секции 2. Соосно первой камеры 1 с другой стороны к этому же месту пересечения торов секции 2 пристыкована сфера секции 3. С двух сторон к каналу между сферической камерой 1 и местом пересечения двух торов секции 2, в котором установлен преобразователь расхода 4, пристыкозаны ограничители перемещения газовых объемов 5, 61выполненные в виде отрезков капиллярных трубок, концы которых расположены в центре первой камеры 1 и сферы секции 3 соответственно. Корпус акселерометра заполнен рабочей жидкостью 7 так, что в каждой из камер заключено по газовому объему 8, 9. Величина газового объема 9, заключенного во второй камере, меньше половины объема сферы секции 3 и равен половине объема торов секции 2. Величина газового объема 8, заключенного в сферической камере 1 меньше половины объема камеры 1.

Акселерометр работает следующим образом.

Режим 1: Корпус акселерометра новлен так, что сферическая секция 3 расположена снизу относительно камеры 1. При такой ориентации газовый объем 9 во второй камере размещается в верхней части полых торов секции 2 причем уровень заполнения второй камеры проходит через центр установки, камеры 1. При вертикальном ускорении рабочая. жидкость 7, являющаяся инерционным телом (чувствительным элементом) акселерометра, перетекает из одной камеры в другую через ограничители 5, 6 и преобразователь 4, на выходе которого выдается электрический сигнал несущий информацию о расходе и, следовательно, об ускорении акселерометра. Протекание жидкости обусловлено разностью уровней жидкости в камерах и сжимаемостью газовых объемов 8, 9. Существенно, что наклон акселерометра в пределах, когда газовый объем 9 во второй камере расположен в области пересечения торов 2, не влияет на разность уровней жидкости 7 в камерах, Поскольку уровень жидкости 7 в камерах устанавливается горизонтально, камера 1 и торы секции 2 второй камеры установлены концентрично, уровень жидкости в торах проходит через центр установки камеры 1, то положение уровней при наклонах остается неизмен- ным.

Таким образом направление измерительной оси акселерометра самоустанавливается в указанных пределах углов наклона вертикально. Величина коэффициента пре- образования акселерометра при этом так же не зависит от угла наклона.

Режим 2: Корпус акселерометра установлен так, что сферическая секция 3 второй камеры расположена выше камеры 1. При этом газовый объем 9 во второй камере находится в сферической секции 3 второй камеры. Уровень заполнения сферы секции 3 рабочей жидкостью 7 расположен выше центра сферы секции 3, 4, следовательно, конец ограничителя перемещения газового объема 6 погружен в рабочую жидкость 7. При ускорении акселерометра вдоль измерительной оси - прямой соединяющей центры камеры 1 и сферы секции 3, рабочая жидкость перетекает из одной камеры в другую через преобразователь 4 и ограничители 5, б. На выходе преобразователя 4 выдается электрический сигнал,несущий информацию об ускорении. Существенно, что измерительная ось в этом режиме жестко привязана к взаимному расположению центра камеры 1 и сферы секции 3, т.е. жестко привязана к корпусу акселерометра. Величина коэффициента преобразования вследствие сферической формы камеры 1 и секции 3 второй камеры не изменяется при наклонах при выполнении условия Режима 2 (газовый объем 9 расположен в сфере секции 3).

Ограничители перемещения газовых объемов 5, 6 служат для предохранения от проскока газовых пузырьков из камер в канал, в котором установлен преобразователь расхода 4.

Возможность работы акселерометра в двух режимах, позволяет получить более полную информацию об измеряемом ускорении. В первом режиме (режим с самоустановлением измерительной оси)

акселерометр позволяет определить величину проекции линейного ускорения на вертикаль.

Во втором режиме (режим с жесткой привязкой измерительной оси) акселерометр позволяет определить величину проекции линейного ускорения на направление связывающее центры камеры 1 и сферы секции 3.

Например, для волнографа (морской буй) данные режимы позволяют получить параметры волнения,независимые от наклона буя и с учетом наклона буя, что позволяет с одной стороны определить параметры волнения, а с другой параметры движения буя при волнении, его ориентацию.

Базовым объектом сравнения является прототип-. Для измерения вертикального ускорения необходимо заранее устанавл и- вать базовый акселерометр так, чтобы его измерительная ось была вертикальна. Заявленное устройство имеет расширенные фун- кциональные возможности, т.к. в нем обеспечено самоустановление измерительной оси вертикально, а так же и режим работы без самоустановления измерительной оси.

Заявляемый акселерометр целесообразно применять в автономном вибро- и сейсмо-измерительных устройствах, по условиям эксплуатации задать или определить ориентацию которых невозможно или сложно (морское дно, поверхность моря, глубокая скважина и т.п.).

Кроме того, заявленный акселерометр возможно использовать в автономных навигационных устройствах, системах стабилизации ориентации судов, промышленных роботов.

Формула изобретения

Акселерометр; содержащий корпус, заполненный рабочей жидкостью и разделенный преобразователем расхода рабочей жидкости в электрический сигнал на две камеры, в которых заключены газовые объемы, ограничители перемещения газовых объемов, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения двух режимов работы, первая камера выполнена сферической, а вторая состоит из дйух со- общающихся между собой секций, одна из которых выполнена в виде двух пересекающихся под прямым углом полуых торов, а другая - в виде сферы, которая расположена соосно первой камере и соединяется с ней- в месте пересечения двух торов, причем преобразователь расхода установлен в канале между сферической камерой и местом пересечения двух торов, а концы ограничителей перемещения газовых объемов выполнены в виде отрезков капиллярных трубок, расположенных в центре первой

камеры и сферы соответственно, причем объем газа во второй камере меньше половины объема сферической секции,

Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: акселерометр содержит корпус, заполненный рабочей жидкостью и разделенный преобразователем расхода рабочей жидкости в электрический сигнал на две камеры. Первая камера выполнена сферической, а вторая состоит из двух сообщающихся между собой секций, одна из которых выполнена в виде двух пересекающихся под прямым углом полых торцов, а другая в виде сферы, которая расположена соосно первой камере и соединяется с ней в месте пересечения двух торов. Преобразователь расхода установлен в канале между сферической камерой и местом пересечения двух торов. Концы ограничителей перемещения газовых объемов выполнены в виде отрезков капиллярных трубок, расположенных в центре первой камеры и сферы соответственно. Объем газа во второй камере меньше половины объема сферической секции. 1 ил. ё