Способ измерения линейных ускорений и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения линейных ускорений с получаемой информацией в виде частотного или временного сигнала.

Цель изобретения - повышение чувствительности и расширение диапазона измерения линейных ускорений, а также упрощение конструкции устройства для измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена электромеханическая схема устройства для измерения линейных ускорений.

Устройство для измерения линейных ус корений содержит инерционный элемент 1,

выполненный в виде постоянного магнита

и установленный в вертикальной плоскости

на вершине конической винтовой пружины 2, закрепленной основанием на корпусе 3. Инерционный элемент 1 установлен кон- центричнр в осевом отверстии 4 измерительной катушки 5, подключенной к дифференцирующей цепи 6 и через выпря- мительное устройство 7 к схеме обработки выходного сигнала, состоящей из нуль-органа 8, логического элемента И 9, счетчика 10, цифрового индикатора 11, генератора тактовых импульсов 12 и триггера 13. При этом выход нуль-органа 8 подключен к первому входу логического элемента И 9 и через триггер 13 ко второму входу логического элемента И 9, к третьему входу которого подключен генератор тактовых импульсов 12, а выход логического элемента И 9 подключен через счетчик 10 к цифровому индикатору 11.

00 U)

-а

О 00 Q1

СА

Предложенный способ измерения линейных ускорений реализуют на данном устройстве следующим образом.

Прикладывают измеряемое линейное ускорение а, под действием сил инерционного поля инерционный элемент 1 занимает положение статического равновесия, деформируя пружину 2. Замыканием ключа (на чертеже не показан) подают с дифференцирующей цепи 6 в измерительную катушку 5 электрический импульс типа короткий удар, возбуждая.тем самым свободные колебания инерционного элемента 1 на пружине 2 относительно положения статического равновесия. При этом амплитуду А наибольшего отклонения колебательной системы инерционный элемент 1 - пружина 2 от положения статического равновесия при заданном импульсном воздействии выбирают возможно более малой по сравнению со статической деформацией пружины 2 Лет. При свободных колебаниях постоянного магнита 1 в измерительной катушке 5 наводится ЭДС в виде затухающего электрического процесса свободных колебаний, причем, г1ервь й выброс процесса будет в противо- фазе с возмущающим электрическим импульсом. Далее в схеме осуществляется процесс фиксации длительности г первого выброса процесса свободных колебаний. Выпрямительное устройство 7 еозмущаю- щий импульс не пропускает, а у переходного процесса срезает верхнюю часть, имеющую одинаковую с импульсом поляр ность. Нуль-орган 8 преобразует первый выброс переходного процесса в стандартный прямоугольный импульс с периодом т. Передний фронт этого импульса перебрасывает триггер 13 в единичное состояние, при этом открывается второй вход логического элемента И 9, через него за счетчик 10 с генератора тактовых импульсов 12 поступает последовательность калиброванных импульсов с известным.периодом, г(одсчи- тываемых счетчиком 10. Последовательность импульсов проходит до тех пор, пока прямоугольный импульс после нуль-органа 8 задним фронтом опять перебросит триггер 13 в нулевое состояние, логический элемент И 9 закрывается, и число зарегистрированных счетчиком 10 импульсов определит длительность т первого выброса. Далее, по значению этой длительности и-по известным для данной колебательной системы значениям А, массы m инерционного элемента 1 и коэффициента а нелинейной восстанавливающей силы, определяют величину а линейного ускорения. При квадратичной характеристике нелинейной

и

восстанавливающей силы определяют линейное ускорение по формуле

m

Л

10

15

20

гь

30

35

40

где g - ускорение свободного падения.

В данном способе измерения реализуется зависимость динамических характеристик нелинейной колебательной механической системы от положения массы, и следовательно, от величины линейного ускорения. При импульсном воздействии типа короткий удар и малых амплитудах возмущения скоротечность импульсных процессов не позволяет развиваться нелинейным явлением и практически отсутствует различие в поведении нелинейной и соответствующей ей линейной колебательных систем. Поэтому при значениях времени, соизмеримых с длительностью импульсного воздействия, при малых по сравнению со статическим отклонением амплитудах импульсных воздействий нелинейные колебания системы описываются гармонической функцией. В качестве фиксируемого характерного параметра процесса свободных колебаний использована длительность т первого выброса, соизмеримая по времени с длительностью возмущающего импульса, и характеризующая мгновенное значение частотной характеристики нелинейной системы, являющейся функцией измеряемых1/ линейных ускорений.

Дифференциальное уравнение движения инерционного элемента 1 в случае квадратичной характеристики восстанавливающей силы имеет вид

m х m(g±a)- «(Л;т+ х)2.

(2)

45

где F а х - квадратичная восстанавливающая сила конической пружины 2. Так как в положении равновесия m(g±a)- «Я2Ст, то

Дет Vm (g±a)/«

(3).

Преобразуем уравнение (2) к стандартному виду

.

С учетом сказанного выше для коротких промежутков времени, соизмеримых с длительностью возмущающего импульса, и при малой интенсивности импульса решение нелинейного уравнения (4) можно описать гармонической функцией

x-AslnfЈ+/J)

(5).

Пользуясь наиболее распространенным при решении нелинейных задач теории колебаний методом гармонического баланса находим коэффициенты линеаризации нелинейной характеристики, и с их помощью зависимость (л/т) от А в виде

jt 22aAci + 0,85 А

m

Подставив в (6) значение Дет из (3) и выражая ускорение а получаем вышеприведенную зависимость (1) для определения линейных ускорений.

Точность предлагаемого устройства 0,05-0,1 %, что примерно соизмеримо с точностью известных конструкций пьезорезо- нансных акселерометров. При массе инерционного элемента порядка 3 г крутизна характеристики составила (3-4) х х10 Гцс /м, что в несколько раз выше максимальной крутизны характеристик пьезо- резонансных акселерометров. Диапазон измерения ускорений достижим в пределах от О до 300 м/с . что также превышает диапазон известных отечественных акселерометров. Конструкция механической части предлагаемого устройства для измерения линейных ускорений предельно проста и практически не критична к погрешностям изготовления, характеризуется значительной вибро- и ударопрочностью. Дешевизна и высокая технологичность конструкции наряду с высокими метрологическими и экс- плуатационными характеристиками позволит выпускать ее серийно.

Формула изобретения 1, Способ измерения линейных ускорений, включающий воздействие на колебательную систему сигналом, являющимся функцией измеряемых ускорений, возбуждение свободных колебаний системы и определение линейных ускорений по зафиксированному характерному параметру процесса, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения диапазона измерения, в качестве колебательной системы используют колеба

тельную систему с нелинейной восстанавливающей силой, возбуждение свободных колебаний системы производят импульсным воздействием в виде короткого удара, а

5 перед определением линейных ускорений определяют длительность т первого выброса в процессе свободных колебаний, и по значению этой длительности и по известным для данной колебательной системы

10 значениям наибольшего отклонения А системы об положении статического равновесия при заданном импульсном воздействии, массы m и коэффициента а нелинейной восстанавливающей силы, определяют ве15 личину а линейного ускорения.

2. Способ по п. 1. о т л и ч а ю щ и и с я тем, что при квадратичной характеристике нелинейной восстанавливающей силы определяют линейноеускорение по формуле

20

g-0. 4 (i Lj2m

-g.

где g - ускорение свободного падения.

3. Устройство для измерения линейных ускорений по пп.1 и 2, содержащее инерционную массу, установленную в вертикальной плоскости на упругом подвесе, и схему

обработки выходного сигнала, о т л и ч а - юще ее я тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения конструкции, в него введены измерительная катушка, дифференцирующая цепь и выпрямительное устройство, при этом инерционная масса выполнена в виде постоянного магнита, а упругий подвес - в виде конической винтовой пружины, причем инерционная масса установлена на конической

винтовой пружине в осевом отверстии измерительной катушки, подключенной к дифференцирующей цепи и через выпрямительное устройство к схеме обработки, содержащей нуль-орган, выход которого

подключен к первому входу логического элемента И и через триггер к второму входу логического элемента И, к третьему входу которого подключен генератор тактовых импульсов, а выход логического элемента И

подключен через счетчик к цифровому индикатору.

лляп

Использование: изобретение может быть использовано для измерения линейных ускорений. Сущность изобретения: устройство для осуществления способа измерения линейных ускорений содержит инерционный элемент в виде постоянного магнита, установленного в вертикальной плоскости на конической винтовой пружине в осевом отверстии измерительной катушки, подклю- ченной к дифференцирующей цепи и через выпрямительное устройство - к схеме обработки, содержащей нуль-орган, выход которого подключен к первому входу логического элемента И и через триггер - к второму входу логического элемента И, к третьему входу которого подключен генератор тактовых импульсов, а еыход логического элемента И подключен через счетмик к цифровому индикатору. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил. « мЭ