ДАТЧИК УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ Советский патент 1970 года по МПК G01P15/10 

Изобретение относится к приборам инерциальной навигации.

В известных бортовых системах для контроля параметров нолета и положения объекта, используются устройства, отличающиеся один от другого по принципу действия и конструктивно например сложные и непадежные гироскопические приборы.

Целью изобретения является создание комнлекта однотипных устройств точных, простых и падежных для всех компонентов ориентации.

Для этого в известный но основному авт. св. jYo 250550 датчик углового ускорения введены две несмешивающиеся и невзаимодействуюи(,ие жидкости, благодаря чему датчик отмечает также и линейное ускорение.

С иомощью щести нредложенных датчиков, чувствительных к двум компонентам ускорения и расиоложенных попарно по трем взаимно перпендикулярным осям, можно измерять все компоненты ориентации.

Выходной величиной предложенного датчика, так же, как и известного, является частота переменного электрического напряжения, равная K Wjf+f(, где Ki и /Сз - различные постоянные коэффициенты, ЙУ - составляющая вектора линейного ускорения в направлении оси X, ту - составляющая вектора углового ускорения относительно оси У.

Предложенные и известные датч1 К11, будучи одиотипиыми, могут работать в общей системе.

Предложепиый датчик для измерения угловых и линейных ускорений отличается тем, что каждый виток спирального канала заполнен двумя невзаимодействующими и несмешивающимпся жидкостями с различными массо1И)1мп плотностями таким образом, что поверхиости раздела жидкостей в каждом витке канала касаются граней двугранного угла, реб|)о которого совпадает с осью спирального капала.

Ма фиг. 1 показано конструктивное выполFieniie предложепрюго датчика; на фиг. 2 - схема заполнения жидкостями герметичной клмеры, образованной сниральпым каналом и резопаторамп; на фпг. 3 - вибрационный датчик давлення в разрезе; на фиг. 4 и 5 - детали вибрациоииого датчика давлеиия; на фиг. 6 - припципиальная электрическая схема датчика. Чувствительный элемент (см. фиг. 1) датчика представляет собой длинную каниллярную трубку /, навитую на жесткое основание 2 в виде катущки и залитую затвердевающим компаундом 3. Чувствительный элемент имеет форму кольца прямоугольного, сечения и изомногослойной поперечной обмоткой 4 из тонкой ленты, одна сторона которой металлизнрована и имеет зеркальную отражаюш,ую поверхность. Для изготовления ленты выбирают материал с малой теплопроводностью (например, полиэтилентерефталатная пленка). Шаг теплоизолирующей обмотки несколько {на 20--40%) больше, чем ширина ленты. Вместе со слоем теилоизоляции чувствительный элемент помешен в герметичный сварной кожух 5, из которого откачан воздух. Кониы капиллярной трубки У с помощью соединительных каналов 6 сообщены с внутренними полостями цилиндрических резоиаторов - вибрационных датчиков давлепия 7 (ВДД). Таким образом, капиллярная трубка с внутренними нолостями резонаторов образует замкнутый сииральный капал, схематично изображенный на фиг. 2. Этот капал заполняется двумя несмещивающимися и невзаимодействующими жидостями с различными массовыми плотностями (например, ртутью и спиртом) таким образом, что .участки витков, лежащле внутри двугранного угла а, образованного двумя полуплоскостями, которые проходят через ось У спирального канала, заполняются одной «сидкостью, а участки витков, лелсащие вне этого угла, - другой жидкостью. Внутри заполняющих канал жидкостей создается некоторое постоянное начальное давление, обусловленное упругой деформацией ограничивающих канал поверхностей. Вибрационный датчик давления (см. фиг. 3) содержит корпус 8 с намотагпгым на нем ленточным магнитопроводом Я в котором профрезерованы окна для установки ностояиных магнитов 10 и рассверлены отверстия для тонкостенного цилиндрического резонатора И. Внутрь корнуса 8 вставлены катущки 12 системы самовозбуждения, намотанные на общий каркас 13. (Кориус 8 вибрационного датчика давления с магнитоироводом 9 изображен на фиг. 4, а каркас 13 катущек системы самовозбуждения - на фиг. 5). Принципиальная электрическая схема датчика (см. фиг. 6) включает в себя электрическую схему 14 собственно датчика ускорений и электрические схемы 15 самовозбуждения первого и второго вибрационных датчиков давления (ВДД-1 и ВДД-2). Обе схемы самовозбуждения 15 идентичны и представляют собой мостовую схему, одна из диагоналей которой подключается к входу, а другая - к выходу широкополосного усилителя 16. Два плеча этой мостовой схемы образованы одинаковыми омическими сопротивлениями 17 и 18, а другие два плеча - комплексными сопротивлениями катущек возбуждения 12 датчика ВДД-1 и обмоток 19 балансиой иидуктивности, которая выполнена аналогнчно ВДД и отличается от него лищь тем, что резонатор ее заполнен твердым диэлектриком. Сигналы широкополосных усилителей 16 систем самовозбуждения преобразуются затем с помощью двух преобразователей частоты .20 и 21. Преобразователь частоты 20 имеет -два входа и два выхода. Па один из этпх выходов поступает сигнал, частота которого равна разности частот входных сигналов. Этот сигнал является выходным сигналом всей системы. . Па другой выход нреобразователя 20 поступает сигнал, частота которого равна сумме частот входных снгналов. Этот сигнал направляется затем па одип из входов преобразователя частоты 21, имеющего два входа и один выход. Па другой вход этого преобразователя от генератора 22 приходит сигнал строго стабильиой оиорной частоты. Па вы.ходе преобразователя частоты 21 появляется сигнал постояппого тока, сила которого линейно зависит от разности частот его входных сигналов. Сигнал подается на тенловыделяющий элемент 23, в качестве которого иснользуется капиллярная трубка чувствительного элемента (трубка изготовляется из электропроводного материала или металлизируется по поверхности). Прибор работает следующим образом. Под действием составляющей w вектора, кажущегося (линейного) ускорения в направлении оси X (см. фиг. 2) и составляющей гПу вектора углового ускорения в направлении оси У в жидкостях, заполняющих сниральный канал чувствительного элемента, нроисходит перераспределение давлений, в результате которого меледу давлениями Р и Р жидкости в замыкающих спиральпый канал цилиндрических резонаторах иоявляется разность давлений АР, определяемая по формуле (aw + b.my,(1) где а, b - постоянные, определяемые конструктивными параметрами датчиков. Давления PI и PZ в первом и втором резонаторах принимают значения Л Я2 Р« Т Эти давления измеряются вибрационными датчиками давления ВДД-1 и ВДД-2, частоты выходных сигналов которых равны собственным частотам изгибных колебаний резонаторов и определяются формулами /2 /2±МЛ /|.,(3) где /о - собственная частота изгнбных колебаний резонаторов при отсутствии иерепада давлений между ними (т. е. при условии АР 0 или PI Р2 Ро; - коэффициент пропорциональности.

Изгибиые колебания резонаторов вибрационных датчиков давления поддерживаются системами самовозбуждения.

Из формул (3) следует, что если сумму частот поддерживать постоянной, так чтобы выполнялось условие

/1+/2 2/о,(4)

то разность этих частот будет прямо иропорциональна разности давлений АР

kc

f ---{aw.,+ bmy)(5)

/о

Для технических расчетов с погрешностью, не превышающей ±17о, при числе витков спирали можно принять:

с 3 2nR; а (- - Ti) sin - ; b

|1-Л2«) + .

R- средний радиус витка сиирали

е

накала, см;

YI и Y2 - массовая плотность более легкой и более тяжелой жидкости, г/смз,

а - двугранный угол, ограничивающий участки спирального канала, заполненные более легкой жидкостью, рад.

Сигнал, частота Af которого равна разности частот fi-/2 и линейно связана с измеряемыми величинами ш и Шу, вырабатывается преобразователем частоты 20 (см. фиг. 6). Этот сигнал является выходным сигналом прибора. Постоянство суммы частот fiH-/2 обеспечивается системой температурной стабилизации суммы частот, которая включает в себя генератор 22 стабильной частоты, преобразователь частоты 21 и тепловыделяющий элемент 23.

При отклонении суммы частот /i и fz от нормального значения 2fo преобразователь частоты 21 изменяет ток, протекающий через тепловыделяющий элемент 23 таким образом, что

соответствующее измеиеиие температуры жидкости (а следовательно, и давления) выравнивает это отклонение.

Предложенный датчик особенно эффективнг) может быть использован при созданпи так называемых «бесилатформенных инерциальных систем, иоскольку блок из; щестп таких датчиков, одноименные оси которых поиарно совмеидены с тремя взаимно перпендикулярными направлениями и ориентированы в разные стороны, обеспечивает получение всей первичной информации, необходимой для рещения навигационной задачи. Действительно, из щести уравнений (5), отнесенных к соответствующим

осям, можно получить значения трех линейных и трех угловых ускорений по трем взаимно перпендикулярным осям.

Крутизна характеристики предложенного датчика пропорциональна числу витков спирального капала, которое может быть сделано весьма больщим без существенного увеличения габаритных размеров прибора.

Выбор основных конструктивных параметров датчика среднего радиуса R снирального канала, число витков этого канала и величины двугранного угла, грани которого разделяют учястки витков, заполненные различными жидкостями, - производится с учетом предъявляемых к прибору требований по точности и дилпазону измерения.

Предмет изобретения

Датчик углового ускорения но авт. св. № 250550, отличающийся тем, что, с целью од-иовремеииого получеиия информации о составляющей линейного ускорения, иерпендикулярпой оси сннральпого канала, каждый виток

этого канала заполнен двумя несмещивающамися и невзаимодействующими жидкостями с различной массовой илотностью таким образом, что поверхности раздела жидкостей в каждом витке касаются граней двугранного

угла, ребро которого совпадает с осью канала.

fus.