Маятниковый компенсационный акселерометр Советский патент 2006 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в качестве прецизионного датчика линейных ускорений в системах навигации.

Известны маятниковые компенсационные акселерометры, содержащие подвижную часть, установленную в опорах, датчик угла, усилитель и датчик момента, состоящий из постоянного цилиндрического магнита с магнитопроводом и подвижной рамки, включающей в себя каркас (как правило, алюминиевый) и обмотку (обычно из медного провода), расположенную на каркасе.

Недостатком известного устройства является наличие погрешности от паразитного магнитного тяжения вследствие парамагнитных свойств материала рамки и неравномерного магнитного поля в зазоре магнитной системы.

Устранение неравномерности поля, то есть создание равномерного магнитного поля в зазоре, связано с технологическими трудностями, и, кроме того, изменение индукции в зазоре по косинусоидальному закону компенсирует в известном устройстве уменьшение плеча действующей на маятник силы при отклонении маятника.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности акселерометра путем исключения паразитного магнитного тяжения рамки.

Сущность изобретения состоит в том, что на каркас рамки моментного датчика под обмоткой нанесен слой графитового лака, причем толщина слоя выбрана в соответствии с соотношением:

Схема акселерометра представлена на фиг.1.

Поперечный разрез акселерометра и характер магнитного поля, в рабочем зазоре магнитной системы представлены на фиг.2.

Акселерометр представляет собой компенсационный прибор (см. фиг.1). Элементам, непосредственно воспринимающим ускорение, является одностепенной физический маятник 8, выполненный в виде неуравновешенной массы, расположенной на подвижной системе 2 на некотором расстоянии от оси вращения. Подвижная система 2 имеет возможность поворота относительно корпуса прибора в опорах 1. Канал обратной связи состоит из датчика угла 9, усилительного устройства 7 и датчика момента. Датчик момента содержит постоянный цилиндрический магнит с магнитопроводом, расположенный на корпусе прибора и рамку, связанную с подвижной системой. Рамка моментного датчика выполнена в виде каркаса 3 (например, алюминиевого), на который нанесен слой графитового лака 4, а поверх графитового покрытия размещена обмотка 5 (например, из медного провода).

Под действием ускорения маятник создает момент, который вызывает поворот подвижной системы 2 в опорах 1. Угол отклонения маятника преобразуется датчиком угла 9 в электрический сигнал, который усиливается усилителем 7 и подается в обмотку моментного датчика. Момент, возникающий при взаимодействии тока, протекающего в обмотке, с полем постоянного магнита (6), уравновешивает момент, создаваемый действующим ускорением.

Поскольку магнитное поле в рабочем зазоре между магнитом 6 и магнитопроводом 10 является неравномерным, (см. фиг.2) (индукция по углу поворота рамки изменяется по косинусоидальному закону), то при отклонении плоскости симметрии рамки от плоскости максимальной индукции (это отклонение может быть обусловлено разбросом размеров стыкующихся деталей, а также статизмом акселерометра) вследствие эффекта втягивания парамагнитного тела в неравномерное магнитное поле на парамагнитный каркас действует усилие, направленное в сторону увеличения магнитного поля. На обмотку моментного датчика, обладающую диамагнитными свойствами, действует усилие в противоположном направлении, обусловленное эффектом выталкивания диамагнитного тела из неравномерного магнитного поля.

Однако, как показала практика, диамагнитные тяжения обмотки рамки малы по сравнению с парамагнитными тяжениями каркаса и компенсации парамагнитных тяжений не обеспечивают. Это объясняется слабой объемной магнитной восприимчивостью материалов, применяемых для изготовления провода. Увеличение объема обмотки вызывает изменение электрических параметров рамки и потому не всегда приемлемо.

Нанесенное на каркас рамки графитовое покрытие обладает ярко выраженными диамагнитными свойствами (большой величиной объемной магнитной восприимчивости), поэтому даже незначительный по толщине слой графитового лака вызывает тяжения рамки, соизмеримые и противоположно направленные тяжениям парамагнитного каркаса.

Таким образом, при определенном соотношении между толщиной каркаса рамки в рабочем зазоре, толщиной графитового покрытия и толщиной обмотки рамки противоположно направленные усилия, приложенные к рамке моментного датчика со стороны ее парамагнитных и диамагнитных элементов, взаимно компенсированы и паразитные магнитные тяжения рамки отсутствуют.

Так как паразитные тяжения рамки в акселерометре этого типа вызывают появление паразитного выходного сигнала, то устранение тяжений повышает точность акселерометра.

Поскольку рамка моментного датчика является симметричной относительно оси вращения, то магнитные тяжения рамки сводятся к моменту, стремящемуся повернуть рамку вокруг оси вращения.

Суммарный момент тяжения, действующий со стороны магнитного поля на узкий продольный участок рамки определяется уравнением:

(1)

где ΔМ - момент тяжения выделенной узкой части рамки;

n - количество элементов рамки;

ΔV_i - объем i-го элемента;

H_i - напряженность магнитного поля, пронизывающего i-й элемент;

- градиент напряженности магнитного поля, пронизывающего i-й элемент рамки по углу поворота рамки;

æ_i - объемная магнитная восприимчивость материала i-го элемента.

Уравнение (1) путем интегрирования можно распространить на всю рабочую часть рамки с учетом того, что толщина каркаса рамки, графитового покрытия и обмотки в рабочем зазоре неизменны по ширине рамки и магнитное поле в зазоре магнитной системы в направлении, перпендикулярном оси вращения рамки, практически равномерно:

(2)

где M - момент тяжения рамки;

æ_к - объемная магнитная восприимчивость парамагнитного материала каркаса;

æ_гр - объемная магнитная восприимчивость графитового покрытия;

æ_обм - объемная магнитная восприимчивость диамагнитного материала обмотки;

h_к - толщина каркаса рамки в рабочем зазоре;

h_гр - толщина графитового покрытия;

h_обм - толщина обмотки;

l - ширина рабочей части рамки;

h - высота рабочей части рамки;

r - средний радиус рамки;

ϕ₀ - угол отклонения плоскости симметрии рамки от плоскости максимальной индукции магнитного поля в зазоре;

H - напряженность магнитного поля;

- градиент магнитного поля по углу поворота рамки.

Из уравнения (2) следует, что момент паразитных тяжений сводится к нулю в случае:

(3)

или

(4)

Из уравнения (4) определяется толщина графитового покрытия, необходимая для полной компенсации паразитных тяжений:

(5)

Таким образом, паразитные магнитные тяжения, обусловленные отклонением плоскости симметрии рамки от плоскости максимальной индукции магнитного поля, отсутствуют при условии, что толщина графитового покрытия прямо пропорциональна разности между произведением объемной магнитной восприимчивости материала каркаса рамки (например, алюминия) на толщину рабочей части каркаса рамки и произведением магнитной восприимчивости материала обмотки (например, меди) на толщину обмотки и обратно пропорциональна магнитной восприимчивости графитового лака.

В качестве примера определим толщину графитового покрытия при следующих исходных данных:

1. Каркас рамки выполнен из алюминия.

2. Обмотки рамки выполнены из медного провода, коэффициент заполнения обмотки медью равен 0,7.

3. Графитовое покрытие представляет собой лак, состоящий из двух весовых частей лака 34100 и одной весовой части графита, причем удельные веса графита и лака 34100 практически совпадают.

4. Объемная магнитная восприимчивость алюминия равна +1,7·10^-6 ед.

5. Объемная магнитная восприимчивость меди равна -0,7·10^-6 ед.

6. Объемная магнитная восприимчивость графита равна -7,7·10^-6 ед.

Подставляя указанные значения в уравнение (5), находим, что для полной компенсации паразитных магнитных тяжений необходимо, чтобы толщина графитового покрытия равнялась разности между шестьюдесятью шестью процентами от толщины алюминиевого каркаса в рабочем зазоре и двадцатью процентами от толщины обмотки рамки.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в качестве прецизионного датчика линейных ускорений в системах навигации. Сущность: акселерометр содержит чувствительный элемент с датчиком угла, датчик момента и усилитель. Обмотка датчика момента расположена на рамке чувствительного элемента. При этом на рамку чувствительного элемента под обмоткой нанесен слой графитового лака, толщина которого равна разности тяжения рамки и обмотки, деленной на объемную магнитную восприимчивость графитового лака. Технический результат: уменьшение тяжения чувствительного элемента. 2 ил.

Маятниковый компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент с датчиком угла, датчик момента, обмотка которого расположена на рамке чувствительного элемента, и усилитель, включенный между датчиками угла и момента, отличающийся тем, что, с целью уменьшения тяжения чувствительного элемента, на его рамку под обмоткой нанесен слой графитового лака, толщина которого равна разности тяжений рамки и обмотки, деленной на объемную магнитную восприимчивость графитового лака.