ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ УСКОРЕНИЙ "ИНПЛАД" Советский патент 1972 года по МПК G01P15/00 

Известны электровакуумные приборы-механотроны для измерения линейных и угловых ускорений и вибраций. Электрический сигнал, характеризующий измеряемую величину, получается как результат изменения взаимного расположения электродов.

Наличие подвижного электрода обусловливает недостаточную прочность, большую инерционность либо малую чувствительность. Механотронам свойственны узкие пределы возможных изменений электрических параметров режима работы.

В предложенном датчике электроды устанавливаются относительно газоразрядной трубки неподвижно, а в качестве инерционного элемента используется возникающий в трубке пламенный шнур, состоящий из заряженных частиц, несущих приблизительно равные суммарные положительные и отрицательные заряды. Это позволяет получить механически прочный, без подвижных частей прибор с электрически нагреваемыми параметрами.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема описываемого датчика и схема его включения; на фиг. 2 и 3 - форма выполнения анодов и катода; на фиг. 4-7 - варианты выполнения анодного устройства; на фиг. 8 - форма выполнения газоразрядной трубки.

Датчик состоит из баллона 1 с разреженной газовой средой и двух близко расположенных друг к другу анодов 2 и 3, симметричных относительно катода 4. В цепях анодов включены сопротивления 6 и 7 и в цепи катода - сопротивление 8. Возникающий в датчике плазменный шнур 9 благодаря симметричному действию электрических полей оказывается сфокусированным вдоль оси катод - промежуток между анодами. Точки в цепях анодов определяются электронами, попавшими в аноды. Когда датчик находится в покое, эти токи равны, и гальванометр 10 на них не реагирует. Когда же датчик приходит в движение с ускорением W в направлении рабочей оси X, то на все нейтральные и заряженные частицы внутри трубки будут действовать силы инерции, смещающие положительный конец шнура относительно электродов. Вдоль рабочей оси никаких внешних напряжений не приложено, так что электроны следуют за ионами и увлекающими их нейтральными частицами; поэтому ток в цепи одного из анодов уменьшается, а в цепи другого увеличивается. Разность этих токов, функционально связанная с ускорением W, которое испытывает датчик, указывается гальванометром 10.

Для уменьшения влияния неизмеряемых компонентов ускорения анодам 2 и 3 и катоду 4 придается кольцевая форма (см. фиг. 2), причем катод может быть расположен как с внутренней, так и с внешней стороны анодов. Плазменный разряд при этом превращается в ободок. Однако при низких давлениях газа разряд может самопроизвольно шнуроваться между различными точками электродов. Для симметризации такого разряда вдоль зазора кольцевых анодов устанавливается несколько точечных катодов 4′, 4″, 4″′ (фиг. 3), каждый со своим сопротивлением 8′, 8″, 8″′, …, которые могут располагаться как снаружи, так и внутри трубки, например в виде пленочных сопротивлений, нанесенных на отростках от катодов.

Для получения плавной зависимости выходного сигнала от приложенного ускорения в широком диапазоне его изменения анодное устройство может быть выполнено в виде пленочного сопротивления (фиг. 4) с двумя выводами, включаемыми в электроизмерительную схему, аналогичную показанной на фиг. 1.

Датчик, показанный на фиг. 1, чувствителен не только к линейному ускорению, действующему вдоль оси X, но и к угловому ускорению относительно оси Z, перпендикулярной к плоскости чертежа. Если исследуемый сигнал содержит оба эти компонента и их необходимо выделить порознь, то это может быть осуществлено, если выполнить анодное устройство в виде двух пар плоских электродов, коммутируемых параллельно (аа′ и bb′) для измерения линейного компонента или креет на крест (ab′ и ba′) для измерения углового компонента (см. фиг. 5). При каждом таком включении сигнал от измеряемого компонента удваивается, а от неизмеряемого - взаимокомпенсируется. Аналогичное устройство может быть осуществлено при помощи электродов в виде двух пленочных сопротивлений, концы которых коммутируются так же, как на схеме фиг. 5. Для усиления фокусирующего действия на плазменный разряд электродам, входящим в анодное устройство, может быть придана вогнутость, обращенная к катоду.

Анодное устройство, состоящее из двух электродов, выполняет две функции. Эти электроды воспринимают поток электронов и фокусируют плазменный шнур. Однако первая функция при смещении плазменного шнура, происходящем под действием измеряемых сил инерции, вызывает нарушение второй, так как получается разбалансировка электрических полей. Этот эффект может быть ослаблен (усилен) введением отрицательной (положительной) электрической обратной связи, осуществляемой добавлением электродов 11 и 12, включаемых, как показано на фиг. 6.

Обратная связь может быть сделана и электромагнитной при помощи катушек 13 и 14, включаемых в анодную цепь, например, как показано на фиг. 7.

Происходящее при движении трубки смещение плазменного шнура может быть усилено благодаря его увлечению нейтральными частицами газа в трубке. В случае, когда производится измерение углового компонента ускорения, это может быть осуществлено приданием трубке формы тороида (фиг. 8), причем электроды располагаются так, чтобы плазменный шнур (плазменные шнуры) оказались в плоскости радиального сечения. Рабочая ось датчика перпендикулярна плоскости чертежа и проходит через центр тороида.

Описываемый датчик «ИНПЛАД» не содержит подвижных друг относительно друга механических деталей. Это резко повышает надежность прибора. Настройка «ИНПЛАДА» (параметров) производится электрическими средствами, что улучшает его точностные характеристики. Простота конструкции и высокая чувствительность практически не зависящая от габаритов, способствует миниатюризации прибора и повышению общих экономических показателей.

1. Датчик линейных и угловых ускорений, содержащий газоразрядную трубку, отличающийся тем, что, с целью увеличения механической прочности, создания устройства, не имеющего подвижных друг относительно друга механических частей, и возможности электрической настройки параметров, его электроды выполнены неподвижными в корпусе газоразрядной трубки и расположены так, что позволяют возбудить между ними, при включении датчика, плазменный шнур (шнуры), положение которого (которых) между электродами позволяет снять сигнал, характеризующий значение и направление ускорения, воздействующего на газоразрядную трубку.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что для измерения знака и значения ускорения положительные электроды выполнены плоской, вогнутой или кольцевой формы с зазорами между ними, расположенными против катодов.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что, с целью получения плавной зависимости выходного сигнала от приложенного ускорения, анод выполнен в виде пленочных сопротивлений, имеющих выводы для коммутации.

4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что, с целью выделения по выбору линейного или углового компонента движения, анод выполнен в виде двух пар электродов, коммутируемых параллельно или крест на крест.

5. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что для повышения чувствительности или для улучшения динамических характеристик в нем установлены дополнительные электроды по обе стороны анода, соединенные с основными частями анода.

6. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что для повышения чувствительности или для улучшения динамических характеристик в нем установлены катушки по обе стороны анода, электрически соединенные с частями анода.

7. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что для повышения чувствительности к угловым ускорениям корпус газоразрядной трубки выполнен в виде полого замкнутого кольца, например в виде тора, при таком расположении электродов, чтобы плазменный шнур оказался в плоскости радиального сечения.