СТРУННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Советский патент 2006 года по МПК G01P15/10 

Изобретение относится к приборам инерциальной навигации, а именно, к измерителям ускорений - струнным акселерометрам.

Известен струнный акселерометр (см. авт.св.65802, кл. G 01 p 15/10), содержащий кронштейн, на котором с помощью плоской пружины натянута струна. Струна одним своим концом соединена с кронштейном, другим с закрепленной на пружине инерционной массой.

Струна включена в схему автогенератора.

При измерении ускорений происходит изменение частоты колебаний струны в определенном (рабочем) интервале частот.

Если в указанном интервале частот находятся собственные частоты элементов конструкции, колебания струны возбуждают резонансные колебания конструкции, что приводит к явлению затягивания частот и возникновению погрешности измерения ускорений. При сильной механической связи возможен срыв колебаний струны.

Теория работы генераторов со связанными контурами и явление затягивания частот известны в литературе (см., например, Капчинский И.М. Методы теории колебаний в радиотехнике, Энергоиздат, 1954, раздел 9-3).

При разработке струнных акселерометров стремятся к тому, чтобы собственные частоты элементов конструкции находились вне рабочего диапазона частот колебаний струны. Однако, учитывая, что конструкция акселерометра является сложной механической системой с распределенными параметрами, удовлетворить вышеуказанному требованию чрезвычайно трудно, и известная конструкция акселерометра практически всегда имеет собственные частоты колебаний в рабочем диапазоне.

Таким образом, известное устройство не обеспечивает высокой точности из-за погрешности, обусловленной взаимодействием колебаний струны с резонансными колебаниями конструкции.

Целью настоящего изобретения является повышение точности струнного акселерометра за счет ослабления динамической связи струны с элементами конструкции акселерометра.

Это достигается тем, что концы струны жестко соединены с дополнительными грузами, один из которых связан с кронштейном, другой - с инерционной массой посредством плоских ленточных шарниров, оси вращения которых перпендикулярны плоскости колебаний струны, причем каждый дополнительный груз имеет симметричную форму и установлен таким образом, что одна из его плоскостей симметрии совпадает с плоскостью колебаний струны, продольная ось которой перпендикулярна плоскостям лент шарниров и проходит через центры масс дополнительных грузов и оси упругих шарниров.

Размеры, величина массы, момент инерции относительно оси соответствующего упругого шарнира каждого из дополнительных грузов, угловая жесткость соответствующего упругого шарнира выбраны так, что перерезывающая сила, возникающая в заделке струны при ее колебаниях, находится в центре удара и ее воздействие не передается на конструкцию акселерометра и, следовательно, не возбуждает резонансных колебаний конструкции.

На фиг.1 изображен общий вид описываемого устройства, на фиг.2 представлена схема, поясняющая принцип ослабления динамической связи струны с элементами конструкции (на примере дополнительного груза, связанного через шарнир с кронштейном).

Струнный акселерометр состоит из кронштейна 1, на котором с помощью плоской пружины 2 натянута струна 3. На конце пружины 2 закреплена инерционная масса 4. Струна 3 своими концами жестко соединена с промежуточными грузами 5, 6, один из которых (5) связан с кронштейном 1, другой (6) - с инерционной массой 4 посредством плоских ленточных упругих шарниров 7, 8. Грузы 5, 6 имеют симметричную форму, и струна 3 закреплена своими концами к грузам так, что плоскость ее колебаний (плоскость чертежа) является плоскостью симметрии каждого из грузов, а оси вращения упругих шарниров 7, 8 перпендикулярны плоскости колебаний струны, и, соответственно, упомянутым плоскостям симметрии грузов, то есть они являются главными осями инерции грузов 5, 6.

При этом продольная ось струны 3 проходит через центры масс дополнительных грузов 5, 6 и оси упругих шарниров 7, 8 (середины длин лент) и перпендикулярна плоскостям лент этих шарниров.

Устройство работает следующим образом.

При наличии ускорения инерционная масса 4 изменяет натяжение струны 3, и, следовательно, частоту ее колебаний.

При колебаниях струны в ее заделках возникает перерезывающая сила с частотой колебаний струны, которая является внутренним источником вибрации и может возбуждать резонансные колебания конструкции (при совпадении резонансных частот колебаний конструкции и струны), что приводит к явлению затягивания частот и, следовательно, к погрешности измерения ускорения.

Предлагаемое устройство позволяет существенно уменьшить воздействие струны на конструкцию.

Если рассмотреть движение дополнительного груза 5 (см.фиг.2), как движение свободного тела под действием импульса силы (в нашем случае, это перерезывающая сила F), то груз движется так, что происходит перемещение центра масс С груза в направлении силы и вращения груза вокруг центра масс (движение груза в плоскости чертежа), при этом, в начальный момент времени некоторая точка груза остается неподвижной (мгновенный центр скоростей). Опорные реакции, возникающие в идеальном шарнире, помещенном в эту точку и связывающем дополнительный груз с остальными элементами конструкции, отсутствуют.

В предлагаемом устройстве реализован ленточный упругий шарнир. Для такого шарнира (на фиг.2 это шарнир 7) условие отсутствия опорной силы реакции определяется соотношением:

где r - расстояние от центра масс С дополнительного груза 5 до ленты шарнира 7,

b - расстояние от центра масс С дополнительного груза 5 до заделки струны,

j - приведенный радиус инерции дополнительного груза 5,

P_ϕ - частота собственных колебаний дополнительного груза 5 на угловой жесткости шарнира 7,

ν - частота колебаний струны.

При выполнении аналогичного условия для дополнительного груза 6 и упругого шарнира 8, воздействие струны не будет передаваться на конструкцию акселерометра и, следовательно, не возбуждает резонансных колебаний конструкции.

Испытания предложенной конструкции акселерометра показали, что колебания струны не возбуждают резонансных колебаний элементов конструкции в рабочем диапазоне частот, что позволяет повысить точность измерения ускорения.

Изобретение относится к приборам инерциальной навигации, в частности, к измерителям ускорений - струнным акселерометрам. Сущность: акселерометр содержит кронштейн, на котором с помощью плоской пружины натянута струна, и инерционную массу. При этом концы струны жестко соединены с дополнительными грузами. Один из грузов связан с кронштейном, другой - с инерционной массой посредством плоских ленточных шарниров. Оси вращения ленточных шарниров перпендикулярны плоскости колебаний струны. Кроме того, каждый дополнительный груз имеет симметричную форму и установлен таким образом, что одна из его плоскостей симметрии совпадает с плоскостью колебаний струны. При этом продольная ось струны перпендикулярна плоскостям лент шарниров и проходит через центры масс дополнительных грузов и оси упругих шарниров. Технический результат: повышение точности. 2 ил.

Струнный акселерометр, содержащий кронштейн, на котором с помощью плоской пружины натянута струна и инерционную массу, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, концы струны жестко соединены с дополнительными грузами, один из которых связан с кронштейном, другой - с инерционной массой посредством плоских ленточных шарниров, оси вращения которых перпендикулярны плоскости колебаний струны, причем каждый дополнительный груз имеет симметричную форму и установлен таким образом, что одна из его плоскостей симметрии совпадает с плоскостью колебаний струны, продольная ось которой перпендикулярна плоскостям лент шарниров и проходит через центры масс дополнительных грузов и оси упругих шарниров.