СТРУННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Советский патент 2006 года по МПК G01P15/10 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано для измерения параметров движения объекта, в частности, для измерения ускорений.

Известен струнный акселерометр, используемый в системах инерциальной навигации.

Этот акселерометр содержит кронштейн, на котором с помощью плоской пружины натянута струна. Со струной и пружиной связана инерционная масса.

Недостатком такого акселерометра является зависимость показаний от температуры. Для уменьшения температурных погрешностей такого акселерометра обычно подбирают материалы струны, кронштейна и пружины по температурным коэффициентам линейного расширения. Кроме того, материалы пружины и струны должны иметь вполне определенное значение температурного коэффициента модуля упругости.

Если учесть, что к материалам перечисленных деталей предъявляется еще целый ряд специальных требований (электропроводность, высокие упругие свойства, независимость упругих свойств от температуры, немагнитность), выбор материалов, удовлетворяющих всей совокупности требований, ограничен.

Кроме того, даже для одной марки металла или сплава физические характеристики варьируются в зависимости от партии плавки, технологии изготовления и т.п. По этой причине точная температурная компенсация за счет свойств деталей в таком акселерометре весьма затруднительна.

Целью изобретения является повышение точности струнного акселерометра за счет уменьшения его температурных погрешностей.

Это достигается тем, что в известном струнном акселерометре, содержащем кронштейн, на котором с помощью плоской пружины натянута струна, инерционную массу, связанную со струной и пружиной, в кронштейне, рядом с местом его крепления с пружиной, выполнен упругий шарнир, ось которого перпендикулярна плоскости, в которой расположены продольные оси струны и пружины, и устройство снабжено упругим элементом, выполненным в виде двух Г-образных упругих пластин, одни концы которых установлены параллельно и жестко связаны между собой перемычкой, а другие концы расположены в одной плоскости, параллельной оси шарнира и продольной оси струны, и жестко связаны с кронштейном по обе стороны от оси упругого шарнира, при этом температурные коэффициенты линейного расширения материалов упругого элемента и кронштейна отличны друг от друга.

На чертеже изображен общий вид описываемого устройства.

Струнный акселерометр включает в себя струну 1, которая с помощью плоской пружины 2 натянута на кронштейне 3. С пружиной и струной связана инерционная масса 4. В нижней части кронштейна, рядом с местом его соединения с пружиной, выполнен упругий шарнир в виде тонкой перемычки 5. Вокруг оси шарнира, проходящей перпендикулярно плоскости, в которой расположены продольные оси пружины и струны (плоскость чертежа), через середину перемычки, может поворачиваться пружина 2.

В кронштейне установлен упругий исполнительный элемент, конструктивно представляющий собой две Г-образные упругие пластины 6 и 7, одни концы которых расположены параллельно и жестко связаны между собой перемычкой 8, а другие концы расположены в одной плоскости, параллельной оси шарнира и продольной оси струны, и каждым из концов посредством сварки соединены с кронштейном 3 по обе стороны от перемычки 5. Жесткость упругого элемента вдоль линии, проходящей через места его крепления с кронштейном и параллельной продольной оси струны, будет существенно зависить от высоты перемычки 8. В дальнейшем, указанную жесткость упругого элемента будем называть продольной.

Высота перемычки 8 регулируется путем изменения глубины прорези 9. Увеличение глубины прорези 9 приводит к увеличению длины элементов Г-образных пластин 6 и 7, примыкающих к перемычке 8, работающих на изгиб, т.е. к уменьшению продольной жесткости упругого элемента.

Упругий элемент выполнен из материала, имеющего температурный коэффициент линейного расширения отличный от коэффициента линейного расширения материала кронштейна (например, в предлагаемом образце акселерометра кронштейн выполнен из элинвара с α=+7,7·10^-6 1/°С, а упругий элемент - из стали 20Х13 с α=+12·10^-6 1/°С).

При изменении температуры, за счет разности коэффициентов линейного расширения, упругий элемент поворачивает пружину 2 вокруг оси упругого шарнира 5, в результате чего изменяется сила натяжения струны 1, а следовательно, ее частота колебаний.

Степень температурной компенсации, в частности, определяется величиной указанной разности коэффициентов линейного расширения упругого элемента и материала кронштейна и соотношением жесткостей упругого шарнира и упругого элемента.

B предлагаемой конструкции материал упругого элемента и начальное соотношение жесткостей шарнира и упругого элемента выбираются с таким расчетом, чтобы в исходном состоянии температурный коэффициент частоты колебаний струны (ТКЧ) несколько превышал расчетное значение с тем, чтобы обеспечить необходимый запас регулировки. Достижение требуемого значения ТКЧ осуществляется уменьшением продольной жесткости упругого элемента путем уменьшения высоты перемычки. Регулировка осуществляется по показаниям акселерометра путем измерения значений ТКЧ струны акселерометра при последовательном уменьшении высоты перемычки, например путем ее подпиливания.

Для предлагаемого акселерометра можно написать выражение:

где: λ_f - температурный коэффициент частоты струны;

λ_к - температурный коэффициент масштабного коэффициента акселерометра;

α_с - температурный коэффициент линейного расширения материала струны;

γ_с - температурный коэффициент модуля упругости материала струны;

η_о - коэффициент, учитывающий влияние изгибной жесткости струны.

Регулируя с помощью изложенной выше процедуры величину ТКЧ до значения, равного

получаем λ_к=0, т.е. независимость масштабного коэффициента акселерометра от температуры.

Для обеспечения независимости смещения нуля акселерометра от температуры используется дифференциальная схема с двумя предлагаемыми акселерометрами, подбираемыми в пару по разности отрегулированных значений λ_f.

Таким образом, удается добиться независимости от воздействия температуры как смещения нуля, так и масштабного коэффициента акселерометра.

Испытания предлагаемого струнного акселерометра показали, что его температурные погрешности могут быть снижены по крайней мере на порядок в сравнении с известным.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано для измерения параметров движения объектов, в частности, для измерения ускорений. Сущность: акселерометр содержит кронштейн, инерционную массу, струну, упругий шарнир и терморегулятор. При этом инерционная масса связана плоской пружиной с кронштейном. Концы струны закреплены в кронштейне и инерционной массе. Упругий шарнир выполнен в кронштейне вблизи места соединения пружины с кронштейном. Кроме того, терморегулятор выполнен в виде двух Г-образных пластин, одни концы которых установлены параллельно и жестко связаны между собой перемычкой. Другие концы пластин параллельны оси шарнира и продольной оси струны и жестко связаны с кронштейном по обе стороны от оси упругого шарнира. Технический результат: увеличение точности, уменьшение паразитных моментов, снижение чувствительности к осевым люфтам. 1 ил.

Струнный акселерометр, содержащий кронштейн, связанную плоской пружиной с кронштейном инерционную массу, струну, концы которой закреплены в кронштейне и инерционной массе, упругий шарнир, выполненный в кронштейне вблизи места соединения пружины с кронштейном, и терморегулятор, отличающийся тем, что, с целью упрощения терморегулятор выполнен в виде двух Г-образных пластин, одни концы которых установлены параллельно и жестко связаны между собой перемычкой, а другие концы параллельны оси шарнира и продольной оси струны и жестко связаны с кронштейном по обе стороны от оси упругого шарнира.