Акселерометр Советский патент 1977 года по МПК G01P15/93 

непрозрачна, менее плотная - прозрачна и имеет одинаковый с материалом сосуда показатель преломления.

На чертеже схематично показан акселерометр, общий вид.

Акселерометр содержит полый сосуд 1 из прозрачного материала (сосуд можно изготовить из половин, которые затем склеить между собой). Внутренняя полость сосуда 2 выполнена в виде эллипсоида вращения. Система координат жестко связана с сосудом, ее начало совпадает с центром эллипсоида вращения.

Верхняя и нижняя части эллипсоида вращения могут быть срезаны (поверхность 3 в этом случае плоская). В нижней части сосуда укреплен упругий компенсационный элемент 4, который отделяет верхнюю (рабочую) часть внутренней полости сосуда от полости 5, заполненной газом. Наружная поверхность сосуда может быть выполнена цилиндрической. На ней в районе рабочей зоны наносят модуляционный рисунок 6 в виде чередующихся между собой прозрачных и непрозрачных темных полос. Сосуд укрепляют в оправах 7 и 8, имеющих полуоси 9 и 10, установленные в подшипниковых узлах 1 и 12, укрепленных в корпусе прибора.

Внутреннюю рабочую полость сосуда полностью заполняют двумя несмещивающимися и не вступающими в химическое взаимодействие между собой и материалом сосуда жидкостями различной плотности. Более плотную жидкость (рабочую) выбирают непрозрачной (например, ртуть), менее плотную жидкость (вспомогательную) - прозрачной (например, вода). Показатели преломления материала сосуда и прозрачной жидкости выбирают равными.

В исходном положении прибора рабочая жидкость занимает нижнюю часть сосуда, а вспомогательная - верхнюю (в условиях певесомости жидкости могут располагаться произвольно). Упругий элемент 4 служит для компенсации изменения объема л идкостей при изменении температуры. Сосуд приводится вокруг оси X, совпадающей с полуосями оправ, электродвигателем (на чертеже не по-

казан) с угловой скоростью со (ось X - ось чувствительности акселерометра).

Коллиматор 13, укрепленный в корпусе прибора, создает световой поток Ф параллельных лучей. Высота пучка равна высоте модуляционного рисунка.

Поток Ф направлен на сосуд сбоку таким образом, что он проходит через сосуд, когда падает на прозрачную полосу модуляционного рисунка, и задерживается сосудом, когда падает на темную полосу, т. е. каждой прозрачной полосе с одной стороны сосуда соответствует прозрачная полоса с противоположной стороны сосуда, и каждой непрозрачной полосе с одной стороны сосуда соответствует непрозрачная полоса с другой стороны

сосуда. С противоположной по отношению к коллиматору стороны сосуда в корпусе прибора укреплен фотоприемник 14, который может содержать или один площадной светочувствительный слой, или два светочувствительных элемента 15 и 16, соединенных между собой электрически по дифференциальной схеме. В первом случае верхняя половина модуляционного рисунка смещается относительно

нижней на щирину одной полосы.

Прибор работает следующим образом. При вращении ротора двигателя вращается сосуд и находящиеся в нем жидкости, увлекаемые во вращательное движение силами

вязкого трения.

В результате возникшего поля центробежных сил рабочая жидкость (более плотная) отбрасывается к периферийной части внутренней полости сосуда, вытесняя вспомогательную жидкость к центральной зоне (известный эффект центрифугирования). В установившемся режиме (при равномерном вращении сосуда) жидкости вращаются с той же скоростью, что и сосуд, при этом рабочая жидкость принимает форму кольца, внутри которого и в остальной части сосуда находится вспомогательная жидкость. Если ускорение

движения прибора / О (в дальнейщем под / понимается кажущееся ускорение, которое измеряют все акселерометры, в земных условиях при совпадении оси X с вертикалью места

/ -g, где g - ускорение силы тяжести; случай / 0 соответствует невесомости), то края жидкостного кольца располагаются симметрично относительно оси О У на расстоянии ±Ло от начала координат.

При ускорении движения / О в силу закона инерции жидкостное кольцо смещается по отношению к сосуду в сторону, противоположную ускорению, на некоторое расстояние, вытесняя при этом часть вспомогательной

жидкости в сторону ускорения. Чем больше ускорение, тем па больщее расстояние перемещается кольцо. В случае перемены знака ускорения кольцо по отношению к сосуду смещается в противоположном направлении. ТаКИМ образом, измеряя положение жидкостного кольца относительно сосуда, можно определить величину и знак ускорения.

Измерение смещения кольца относительно сосуда осуществляется фотоэлектрической системой съема информации, которая, работая «на просвет, определяет часть светового потока, задержанного непрозрачным жидкостным кольцом. Для повышения точности съема ипформации осуществляют модуляцию светового потока с помощью модуляционного рисунка, нанесенного на внешней поверхности сосуда таким образом, что при вращении сосуда свет от коллиматора пропускается через сосуд не

постоянно, а периодически (период определяется суммарной широтой прозрачной и темной полос, числом полос, скоростью вращения сосуда). При этом дальнейшее усиление сигнала фотоприемником ведется на переменном токе.

Для предотвращения отклонения световых лучей в плоскости ХОУ показатели преломления вспомогательной жидкости и материала сосуда выбирают равными. В качестве материала сосуда могут использоваться различные сорта оптического стекла, различного рода прозрачные пластмассы, а также ряд естественных или искусственных кристаллов.

Световые потоки, пройдя через сосуд, попадают в фотоприемник, светочувствительный слой которого располагается в фокальной плоскости линзы - сосуда. При этом происходит преобразование световой энергии потока в электрическую.

Если фотоприемник содержит два фотоэлемента, то для измерения разности световых потоков, нопадающих на них, достаточно соединить их по дифференциальной схеме.

Дифференциальное уравнение гидростатики Эйлера показывает, что внутренняя поверхность рабочей жидкости представляет собой параболоид вращения (факт хорощо известный) , за исключением случая / О, когда параболоид вращения вырождается в цилиндр. Можно показать, что верхняя граница (координата i) и нижняя граница (координата Xz жидкостного кольца определяются выражениями

V-я у I (

. --.-,---Т +/о;

X - - J -h . - ( 2 - о

0 ш2

где АО - половина высоты жидкостного

ольца при / 0.

Объем рабочей жидкости в сосуде связан с оотношением

1/16 , 3/о

V - - ,:-- /го.(3)

о а

Из выражений (1) и (2) находим

/1,-А,2.;(4)

, + X, .(5)

О -oJПолагая, что при

Y -

J - Утах 2 -,

З выражения (2) определяем

J1 9/1 /l2,, 2

Уп„..,(6)

Соотношение (б) определяет диапазон измеряемых ускорений, lie изменяя габариты прибора и скорость вращения сосуда, можно увеличить диапазон измеряемых ускорений,

уменьщая Ло (объем рабочей жидкости в сосуде) .

Полученные аналитические зависимости

полностью определяют геометрию устройства.

Из выражения (4) следует, что при изменении ускорения жидкостное кольцо, смещаясь в ту или иную сторону, деформируется так, что высота его остается неизменной. Таким образом, жидкостное кольцо с внутренней стороны имеет поверхность параболопда вращения, а с внещней стороны - эллипсоид вращения. При изменении ускорения высота кольца остается неизменной, а толщина его изменяется (чем дальше кольцо находится от нулевого положения, тем оно толще).

Из выражения (5) следует, что чувствительность (коэффициент передачи) предлагаемого прибора К,е определяется формулой

Я, .

с12 .

О

из которой видно, что чувствительность постоянная во всем диапазоне измеряемых ускорений (не зависит от /) и при данной скорости вращения сосуда может быть изменена в весьма щироком диапазоне.

При а Ь /, т. е. сосуд - сфера, К.е -

ш

Уменьщая малую ось эллинсоида (Ь), получить сколь угодно высокую чувствительность, не увеличивая габариты измерите(1) ля.

Формула изобретем и я

Акселерометр, содержаи1П11 приводимый во вращение полый сосуд, выполненный из прозрачного материала и заполненный двумя несмешивающимися между собой жидкостями различной плотности, и фотоэлектрическую

систему съе.ма информации, отличающийс я тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения диапазона измеряемых ускорений, внутренняя полость сосуда выполнена в виде эллипсоида вращения, более плотпая жидкость непрозрачна, менее плотная - нрозрачна (например, ртуть - глицерин) и имеет одинаковый с материалом сосуда показатель преломления.

Источники информации, принятые во внпмание при экспертизе:

1.Авторское свидетельство СССР Л;} 415583, кл. G 01Р 15/08, 1972.

2.Авторское свидетельство СССР 479034, кл. G 01Р 15/08, 1973.

13