Датчик угловых ускорений Советский патент 1993 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых ускорений технических объектов при их испытаниях и эксплуатации.

Известен датчик угловых ускорений, содержащий 0-образный магнитопровод, инерционные элементы в виде постоянных магнитов, связанный с подвижной частью датчика плоскими пружинами, и измерительную обмотку.

Недостатками этого датчика являются узкий измерительный диапазон как следствие малой амплитуды отклонения инерционных масс от положения равновесия и низкая надежность из-за наличия упругих деформируемых элементов..

Известен также преобразователь угловых ускорений, содержащий магнитопровод, обмотку возбуждения переменного то ка, измерительную обмотку и секторооб разную магнито.мягкую инерционную массу, посаженную на диамагнитную ось.

Недостатком данного преобразователя является наличие большого количества разнообразных и сложных по форме деталей магнитопровода, что определяет конструктивную сложность устройства.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик угловых ускорений, содержащий магнитопровод с размещенными на нем обмотками возбуждения постоянного тока и измерительными обмотками, одновременно являющимися пружинами, и кольцевую инерционную массу на магнитомягкой оси.

Указанный преобразователь имеет Сложную конструцию. Это объясняется большим количеством сборочных деталей. Кроме того, сложную технологию изготовления имеет пружинная обмотка, выполняемая из особых сортов стали и требующая эластичной изоляции во избежание замыкания витков на корпус и между собой. Использование такой обмотки в датчике усложняет его конструкцию еще и проблемой закрепления центральной части пель- нопитой пр у-ж ины на инерционном элементе. К недостаткам данного устройства относятся также трудности, связанные с выводом наружу токоподводящих и сигнальных проводов обмоток, расположенных внутри цилиндрического корпуса. Кроме перечисленных недостатков, определяющих сложность конструкции преобразователя,

его надежность снижается из-за повышенного износа пружинных обмоток.

Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение надежности датчика

Цель достигается тем, что в датчике угловых ускорений, содержащем магнитопровод с размещенными на нем обмотками возбуждения постоянного тока и измерительными обмотками и кольцевую инерционную массу на магнитомягкой оси, внешняя образующая кольцевой инерционной массы выполнена изменяющейся по окружности по линейному закону и посажена

0 на участок круглого сечения одного из стержней 0-образного магнитопровода, причем зазор, образованный участком круглого сечения стержня и внутренней поверхностью кольцевой массы, заполнен магнитной жид5 костью, а для балансировки кольцевой инерционной массы использованы немагнитные вставки.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что; заявляемое устройство от0 личается тем, что у инерционной массы внешняя образующая кольца выполнена изменяющейся по окружности по линейному закону, масса посам ена на участок круглого сечения одного из стержней 0-образного

5 магнитопровода, причем зазор, образованный участком круглого сечения стержня и внутренней поверхностью кольцевой массы, заполнен магнитной жидкостью, а для балансировки инерционной массы исполь0 зованы немагнитные вставки. В результате патентного поиска и поиска по научно-технической литературе не было обнаружено технических решений, имеющих признаки, сходные с-отличительными признаками за5 являемого устройства, Поэтому заявляемое решение соответствует критериям новизна и существенные отличия.

На фиг. 1 представлена конструкция датчика; на фиг. 2 - внешний вид инерцион0 ной массы без немагнитных вставок; на фиг. , 3 - график-выходной ЭДС при воздействии постоянного углового ускорения одного направления; на фиг, 4 - график выходной .ЭДС при воздействии постоянного ускоре5 ния противоположного направления.

Датчик угловых ускорений содержит 0- образный магнитопровод 1, имеющий на стержне 2 участок 3 круглого сечения и служащий осью, на которую посажена инерци0 онная масса 4. Масса 4 представляет собой кольцо из магнитомягкого материала, радиальная толщина а которого постоянна, а внешняя образующая кольца изменяется по окружности по линейному закону

5ь„

Ь

JM3KC

1л

а,. О а 2 п.

(D

где b - величина образующей;

Ьмакс - наибольшее значение образующей (см. фиг. 2);

о. - величина угла, функцией которого является внешняя образующая кольцевой ассы, или угловое перемещение инерционной массы.

Различные величины внешней образую- щей кольца обозначены на фиг. 1 как bi и Ь2. Ј ололнительные массы 5 и б, изготовленные из немагнитного материала, использу- к тся для балансировки инерционной массы 4 Зазор между внутренней поверхностью к льцевой массы 4 и участком 3 круглого сэчения стержня 2 заполнен магнитной жидкостью 7. Обмотки 8 и 9 возбуждения. р эсположенные на стержнях магнитопрово- д з 1, включены последовательно и встречно и питаются постоянным током. На магнито- п эоводе 1 также расположены измеритель- н ie обмотки 1.0 и 11, которые включены последовательно и согласно для выходной ЭЦС.

Датчик работает следующим образом.

При вращении испытываемого объекта постоянной скоростью масса 4 покоится носительномагнитопровода 1 и выходной

а

гнал равен нулю.

При появлении углового ускорения на M.iccy действует вращающий момент, который вызывает вращение инерционной массы 4 с постоянной угловой скоростью, or ределяемой из принципа Даламбера как

Л1 - d.g - М

« т,(2)

где о.-угловое перемещение инерционной млссы;

М - вращающий момент;

f - постоянный по величине коэффициент трения вращения массы 4-на оси.

При этом

М 1о р.

кои J круглого сечения и внутренней позерхностыо кольца 4, который заполнен

где lo - момент инерции тела:

. р - угловое ускорение исследуемого объекта.

Вращение инерционной массы 4 приво- дитк изменению площади воздушного зазора толщиной б (см. фиг. 1) между внешней поверхностью кольцевой массы и продольным стержнем магнитопровода 1.

Магнитным сопротивлением стали магнитопровода, а также зазора между участ- 3

ма

гнитной жидкостью 7, пренебрегаем ввиду их малости по сравнению с сопротивлением воздушного зазора толщиной д. Для Ф- маЫитного потока датчика выполняется 55

Ф -тЈ-, (4)

R

/

где F - МДС обмоток возбуждения постоянного тока;

510

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Rj{ - магнитное сопротивление воздушного зазора толщиной д и площадью S.

(5)

где д магнитная проницаемость воздуха.

Так как внешняя образующая кольцевой инерционной массы изменяется по окружности (другими словами, в функции от а) по линейному закону (1), то зависимость площади зазора от угла поворота массы также линейна:

S Ki + К2 а.(6) где Ki, K2 - постоянные по величине коэффициенты.

При изменениях магнитного потока в измерительных катушках 10 и 11 наводится ЭДС, выражение для которой получим из условия (4) с учетом уравнений (5) и (6):

,.; d IA/ с К2 ,,v

f-изм - - W - W F -g- -ат. (7)

где W - общее количество витков в катушках 10и 11.

Подставим в выражение (2) формулу (3). а полученное уравнение в (7). Дифференцируя с учетом постоянной величины воздействующего ускорения, получим

IO//Q К2

Ји

-W F

уИз полученного следует, что при вращении инерционной массы 4 со скоростью, пропорциональной воздействующему ускорению, на выходе датчика появится ЭДС. также пропорциональная ускорению контролируемого объекта.

Выходной сигнал датчика определяется скоростью вращения массы, которая зависит от величины воздействия. При этом исключены деформируемые элементы, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной. Реализация такого режима работы устройства достижима в результате выполнения внешней образующей кольцевой массы изменяющейся по окружности по линейному закону.

Дальнейшим упрощением конструкции преобразователя является посадка инерционной массы на участок круглого сечения одного из стержней 0-образного магнитопровода. При этом участок стержня магнитопровода одновременно выполняет функции оси и отпадает необходимость в использовании соответствующей детали.

Заполнение зазора между участком круглого сечения стержня 0-образного магнитопровода и внутренней поверхностью кольцевой массы магнитной жидкостью необходимо для получения малого магнитного

сопротивления этого воздушного зазора и тем самым обеспечения высокой линейности выходного сигнала преобразователя.

Наиболее устойчивая работа предлагаемого датчика с учетом новых признаков обеспечивается применением дополнительных к инерционному элементу 4 масс, выполненных из немагнитного материала.

У предлагаемого технического решения имеется дополнительное преимущество относительно прототипа, заключающееся в том, что при вращении инерционной массы 4 в выходном сигнале датчика кроме аналоговой составляющей также имеют место от- рицательные выбросы выходного напряжения (см. фмг. 3 и 4). Этот отрицательный выброс объясняется наличием у массы 4 резкого перепада величины внешней образующей от максимального к минимальному значению. Один импульс соответствует одному полному обороту кольцевой массы, а интервал времени между двумя соседними выбросами равняется Т - периоду обращения инерционной массы. Число импульсов п в единицу времени, пропорциональное воздействующему ускорению, определяется.

: - Тд +

Возможность одновременного получения выходного сигнала датчика в аналоговом и дискретном виде позволяет его универсальное использование как в аналоговых, так и в цифровых измерительных системах. При же-лании избавиться от дискретной составляющей сигнала выход датчика шунтируют емкостью.

Возможность свободного вращения

инерционной массы на оси, неограниченной наибольшим углом закручивания пружины, обеспечивает еще два дополнительных преимущества относительно прототипа: расширение измерительного

диапазона устройства в сторону увеличения и возможность измерения внешних воздействия в течение неограниченного времени, т.е. чем большие угловые ускорения воздействуют на инерционную массу, с тем пропорционально большей скоростью она имеет возможность вращаться в течение сколь угодно долгого по времени воздействия ускорения.

Указанные достоинства заявляемого

технического решения определяют экономическую и практическую целесообразность его использования в системах измерений,контроля и управления.

|Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть испо; ьзовано для измерения угловых ускорений технических объектов при их испытаниях и эксплуатации. Сущность изобретения: устройство состоит из 0-обрэзно- го магнитопровода 1, имеющего на стержне 2 участок 3 круглого сечения, служащий осью, на которую насажена инерционная масса 4, представляющая собой магнито- мягкое кольцо, радиальная толщина которого постоянна, а внешняя образующая изменяется по окружности по линейному закону. Дополнительные немагнитные массы 5 и 6 используются для балансировки инерционного элемента 4. Зазор между внутренней поверхностью кольцевой массы 4 и участком 3 круглого сечения заполнен магнитной жидкостью 7. 4 ил.

Формула изобретения

Датчик угловых ускорений, содержащий кольцевую инерционную массу и магнито- провод с размещенными на нем катушками возбуждения постоянного тока и измерительными обмотками, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, магнитопровод выполнен 0-образным с круговым сечением одного из стержней, на который насажена кольцевая инерционная масса, состоящая из магнитомягкого элемента и двух немагнитных элементов, причем сечение магнитомягкого элемента изменяется по линейному закону от максимального сечения кольца до нулевого по окружности за счет изменения толщины кольца симметрично со стороны обоих торцов кольца, а немагнитные элементы выполнены в виде вставок, дополняющих кольцо до полного объема, при этом зазор между внутренней поверхностью кольцевой инерционной массы и круговым сечением стержня заполнен магнитной жидкостью.

Јuj«

V

Риг.З

t-iy.

т

Уьг.Ч

/

9м. г

Т