Акселерометр Советский патент 1981 года по МПК G01P15/08 

(54) АКСЕЛЕРОМЕТР

1

Изобретение относится к измери тельной технике и может быть использовано для измерения ускорений.

Известен датчик ускорений, содержащий газонаполненную колбу, в котором между двумя электродами анодом и катодом горит плазменный столб. По частоте автоколебаний этого столба судят об ускорении iT.

Известен также датчик, в котором плазменный столб изгибается и закручивается . По смещению тяжелых частиц в столбе плазмы судят об ускорении 2.

Однако в известных датчиках чувствительным элементом является плазма, которой, как известно, присущи различного рода неустойчивости, эти датчики в принципе не могут иметь высокую чувствительность и точность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является акселерометр, в котором между двумя нитями накала.

окруженными электронными облаками, создается ионное облако. Смещаясь под действием инерционной силы, тяжелые ионы сильнее компенсируют пространственный заряд возле одной нити, что вызывает разбаланс измерительного моста 3.

Однако данный акселерометр имеет источник быстрых электронов для создания ионного облака. Необходимым условием получения быстрых электронов является значительная разность потенциалов (порядка нескольких тысяч вольт, прикладываемая между ускоряющим электродом и нитью накала источника. Это снижает надежность работы акселерометра в связи с опасностью пробой изоляции высоким напряжением. Кроме того, при формировании узкого пучка электронов, с помощью прорези в ускоряющем электроде, экранирующая его часть значительно разогревается бомбардирующими ее быстрыми электронами, что приводит к температурной деформации и взаимно му смещению электродов. Это снилсает точность и чувствительность работы акселерометра. Целью изобрете шя является повышение чувствительности акселерометра Цель достигается тем, что в акселерометре, содержшцем газонаполненную колбу с анодом и двумя накала, в колбу введены второй анод и две сетки, каждая из которых распо ложенЗ анодом и нитью накала, при этом второй анод и сетки включены в мостовую с двумя источни ;ками питания, к минусу одного из которых подключены аноды, ыннус другог источзшка соединен с нитями накала, а плюсы обоих источников подсоединены к сеткам. На фиг, 1 схематически показано устройство акселерометра; на фиг, 2 вольтамперяая характеристика. В стеклянной газонаполненной колбе 1 имеются два источника электронов в виде одинаковых накальных нитей 2 и 3, (источники питания нитей не показaHbsJ, Нити 2 к 3 являются ка тодами. В колбу TEicace введены два анода 4 и 5 и две сетки б и 7. Нити 2 и 3 соединены с отрицательным полю сом источника ускоряющего наиряжегшя 8, а сетки 6 и 7 (через потенциометр 9) с его полож - тельным полюсом. Кроме этого э сетки coef KKei&i с положительным полюсом источника- тормозящего напряже1шя 10, Анодъ5 4 и 5 чере сопротивления 11 и 12 и потенциометр 13 соединены с отрицательным полюсом источника тормозящего напряжения 10. Микроамперметр 14 включен в диагональ моста, образованното сопротивле нием 11 и 12 и сопротивлениями проме жутков сетка-анод обеих систем одина KOBbix электродов. В качестве rasaj заполняющего колбу, использзется инертный газ с относительно тяжелыми анодами, например ксенон или радон. Давление газа выбирается около 1 мм рт,ст. В основе работы датчика ускорений лежит хорошо известный эфф.ект Франка и Герца, состоящий в том, что при скоростях электронов, испускаемых горячим - катодами 2 и 3, меньших некоторой критической скорости, соударение с атомами инертного газа происходит вполне упруго, т.е. электрон не передает атому своей энергии, но отскакивает от него, изменяя лишь 3 4 направление своей-скорости, такие не потерявшие своей энергии электроны способныпройти тормозящее поле за сеткой и попасть на анод. При скоростях, достигающих критической скорости, удар происходит неупруго т.е. электрон теряет свою энергию и передает ее атому, который переходит в возбужденное состояние, характеризуемое большей энергией. Электроны, потерявш1-1е всю свою энергию или ее часть в результате неупругих соударений, будут задержаны тормозящим полем за сеткой и не пройдут на анод. Ускорение электронов, испущенных горячими катодами 2 и 3, осуществляется ускоряющим полем между сетками 6 и 7 и катодами 2 и 3,, которое не превышает величины нескольких десятков волвт. По мере продвижения от катодов к сеткам изменяется энергия электронов. Если потенциал сеток относитепьно катодов не прев1.-ыает так ка.зьшаемого резонансного потенциаг а атома (дл,я ксенона, например, резонансный потенциал составляет порядка 8 в), то нигде в пространствах катод-сетка (обеих систем электродов) не может происходить неупругих столкновений. Провдя ускоряющее поле ме/кду сетками и катода ш, электроны, не потерявшие своей энергии, входят в тормозящее поле между анодами 4 и 5 и сетками 6 и 7. Это иоле устанавливается таким, чтобы }зсе быстрые электроны могли пройти на аноды, а медленньге электроны, испытавшие неупругие соударения с атомами газа, не смогли пройти тормозящее поле и возвратились бы на сетку (обычно достаточна тормозя0дая рэ,зность потенциалов величиной несколько вольт). Таким образом, если построить график анодного тока 0, протекающего через сопротивления 11 и 12, в зависимости от ускоряющего напряже1-шя {при постоянном тормозящем напряжении), то получится вольтамперная характеристика {фиг.2). Участок Д55 соответствует только упругим соударениям электронов с атомами аза/ Соответствующие этому участку скоряющие напряжения не способны, ообщить электронам энергию, достаточую для резонансного возбуждения томов, и среди электронов, испущеных катодами, нет медленных электроов. Поэтог-гу анодный ток обеих сис5тем электродов одинаково растет по мере увеличения . . Однако при достижении необходимой энергии, на ряду с упругими, начинаются и неупругие соударения - точка В на гр фике, которой соответствует напряжение начала резонансных возбужден Анодный ток начинает уменьшаться участок ВС, - так как в общем пото электронов, испущенных катодом, ст новится все больше медленных элект ронов, не способных пройти на анод Если продолжать увеличивать U -jf) и дальше, то анодный ток уменьшитс до некоторого минимума - точка С н характеристике, - так как большинс во электронов будет возвращено на ки 6 и 7. При дальнейшем увеличени и( неупругих соударений отод гается к катодам, электроны, испыта шие неупругие соурадения на оставшемся до сеток пути успевают набра энергию, достаточную для преодолени тормозящей разности потенциалов и анодный ток снова начинает расти участок правее точки С. Если рассмотреть изменение тока 1, соответствующее какой-то точке D падающего участка БС, то оно по существу представляет собой число электронов, претерпевших неупругие столкновения в некотором объеме V з 1 с и возвращенных тормозящим полем на сетку. Это изменение тока можно записать в виде Л1д, eCnNvGVi W, где п - концентрация атомов инертн го газа , N - число электронов, испущенн катодом, V - скорость электронов; (5 - сечение неупругого столкно вения (для данного газа мо но считать постоянной веЛИЧИНОЙ7 , V - объем, в котором возможны неупругие соударения. Концентрация атомов газа п в од нородном поле инерционных сил изме няется согласно закону Больцмана следующим образом у - viQ е где п - концентрация, соответствую щая относительной потенци альной энергии, равной нул (поле сил отсутствует); 6 W. - относительная потенциальная энергия атомов газа в поле инерционных сил; К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура газа. Таким образом , на изменение тока дI может влиять внешнее инерционное поле сил (через концентрацию п), т.е. ускорение, прикладываемое вдоль оси Х-Х датчика. Если ускорение направлено по стрелке А, то концентрация атомов между сеткой 6 и катодом 2возрастает, следовательно, точка D на вольтамперной характеристике для левой системы электродов смещается ближе к точке О. Наоборот, концентрация атомов между сеткой 7 и катодом 3уменьшается и для правой системы электродов точка D смещается вверх ближе к точке Б. Указанный разбаланс рабочих точек на вольтамперных характеристиках обеих систем электродов приводит к тому, что токи, текущие через одинаковые сопротивления 11 и 12 измерительного моста, делаются неодинаковыми, что, в свою очередь, приводит к появлению результирующего тока разбаланса в диагонали моста. По углу отклонения стрелки микро- амперметра 14 можно, таким образом, судить о величине приложенного к .датчику ускорения. Если знак ускорения изменится на обратный, то изменится и направление тока через микроаперметр 14 и его стрелка отклонится в противоположную сторону. Работа предлагаемого акселерометра осуществляется следуюш 1м образом. С помощью вспомогательных регулировок (не показаны) осуществляется установка рабочих точек на вольтамперных характеристиках обеих систем электродов на середину падающего участка ВС (точка D на фиг.2) , который обладает большой крутизной. Затем осуществляется балансировка измерительного моста - установка стрелки микроамперметра на нуль, находящийся в средней части шкалы. После этого акселерометр готов к измерению ускорений. При неизменных режимах питания накалов нитей, а также источников ускоряющего и тормозящего напряжений регулировку акселерометра достат.очно осуществить одократно, не прибегая уже к ней при повторных замерах :ускорений.

Повьппекие чувствительности акселерометра к очень малым ускорениям может достигаться, впервую очередь за счет увеличегшя расстояния между обеими электродными системами, так как чем больше это расстояние, тем больше изменение ко щентрации п при одном и том же ускорении.

Предлагаемый акселерометр может работать и при переменном ускоряюще напряжении, тогда ток разбаланса в диагонали моста будет переменным и легко может быть усилен обычными средствами.

Величины анодных токов, а, следовательно, и их изменения, могут быть существенно увеличены путем увеличения электронного потока с катодов (изготовление длинных катодов), а также площадей сеток и анодов (например, соответствующим выбором размеров электродов или многократным повторением электродных систем, включаемых параллельно, что может еще больше повысить чувствительность акселерометра).

Предлагаемый акселерометр может найти широкое применение в устройствах, измеряющих ускорения, особенно в тех случаях, где требуется высока чувствительность, стабильность и точность работы. Акселерометр может

816238

применяться как в промьшленности, так и в научных исследованиях.

5 Формула изобретения

Акселерометр, содержащий газонаполненную колбу с анодом и двумя нитями накала, включенными в мостовую схему, два источника питания, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в колбу введены второй анод и две сетки, каждая из которых расположена

5 между анодом и нитью накала, при этом второй анод и сетки включены в мостовую схему с двумя источниками питания, к минусу одного из которых подключены аноды, минус, другого источника соединен с нитями накала, а плюсы обоих источников подключены к сеткам.

Источники информации, принятые во внимарше при экспертизе

Jo

UijCH