Акселерометр Советский патент 1982 года по МПК G01P15/13 

(5) АКСЕЛЕРОМЕТР

Изобретение относится к элементам систем навигации и управления и предназначено для измерения ускорений и выдачи информации в аналоговой форме.

В инерциальных навигационных системах для измерения линейных ускорений подвижных объектов широко используют акселерометры маятникового типа, построенные по компенсационному принципу и обладающие высокой точностью измерения, малыми габаритами и массой. Существенными признаками таких акселерометров являются наличие инерционной массы - маятника, представляющего собой чувствительный элемент (ЧЭ) прибора, конструктивных элементов подвеса маятника и специальной следящей системы - электрической пружины, состоящей из датчика углового или линейного перемещения, усилителя, датчика момента и нагрузочного резистора Cl и L2.

При проектировании акселерометров указанного типа одной из основных

проблем является разработка такого подвеса инерционной массы, который обеспечил бы максимальную податливость только в одном направлении и был бы свободен от влияния трения, присущего жестким (камневым) опорам, а также гистерезиса, нестабильности и усталости, характерных для упругих подвесов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является акселерометр, содержащий маятниковый П-об|аазный ЧЭ в виде двух идентичных стоек, одни концы которых через струнные торISсионы связаны с кварцевым основанием, жестко закрепленным в корпусе, а вторые соединены планкой, фотоэлектрический датчик перемещения, подключенный ко входу усилителя, и датчик

20 момента. Для крепления подвеса в корпусе струны имеют массивные окончания, представляющие собой кварцевые основания, которые тем или иным спо3 . 9 собой зажаты в металлическом корпусё СЗ. К недостаткам устройства следует отнести влияние на выходные характеристики акселерометра и, прежде всего, на так называемый, нулевой си|- нал деформаций корпуса, вызванных изменением температуры окружающей среды или полем инерционных сил. Это влияние обусловлено конструктивными особенностями прототипа, у которого кварцевое основание, несущее все эле менты подвеса и рамки, имеют два узла крепления с корпусом, разнесенные относительно друг друга на сравнительно большое расстояние, определяемое суммарной длиной двух струн и планки рамки ЧЭ. Кроме того, осветитель и фотоприемник датчика перемещения, жестко связаны с металлически корпусом. В такой конструкцик деформации корпуса вызывают смещение элементов фотоэлектрического датчика относительно заслонки и взаимные смещения тонек крепления концов струнных торЬионов. .8 зависимости от направпения деформаций, последние могут привести как к изменению растягивающих усилий в струнах, так и к изменению пространственной ориентации ЧЭ. Поэтому в реальных условиях эксплуатации у акселерометров подобных конструкций наблюдаются значительные изменения нулевого уровня выходного сигнала и крутизны характеристики преобразования, возрастают погрешности от перекрестных ускорений. К недостаткам известного акселерометра можно также отнести сравнительно большие габариты его кварцевой части в направлении оси подвеса, что ограничивает возможности причинения таких приборов для ряда объек тов. Цель изобретения - повышение точности и уменьшение габаритов акселерометра. Указанная цель достигается тем. что в акселерометр, содержащий маятниковый П-образиый ЧЭ в виде даух идентичных стоек, одни концы которых через струнные торсионы связаны с кварцевым основанием, жестко закрепленным в корпусе, а вторые соединены планкой, фотоэлектрический датчик пе ремещения, подключенный ко входу уси лителя, и датчик момента, введена до 54 полнительная П-образная рамка, жестко связанная с ЧЭ и расположенная в его плоскости симметрично относительно струнных торсионов, развернутых внутрь контура ЧЭ, причем планка дополнительной П-образной рамки размещена в зазоре между осветителем и фотоприемником датчика перемещения, расположенными диаметрально на торце кварцевого основания, выполненного в виде цилиндра. На фиг. 1 и 2 представлена конструкция акселерометра. На держателях 1 основания 2 жестко закреплены осветитель 3 и фотоэлектрический преобразователь k, в зазоре между которыми размещена дополнительная планка 5, выполняющая роль заслонки. Элементы образуют фотоэлектрический датчик перемещения с открытым световым каналом. Планка 5 жестко укреплена на стойках 6, неподвижно соединенных с П-образным ЧЭ 7, который подвешен на струнных торсионах 8. При этом планка ЧЭ 7 размещена в рабочем зазоре магнитной системы 9«Кварцевое основание 2 и магнитная система 9 жестко закреплены в немагнитном металлическом корпусе 10. Струны торсионного подвеса 8 и П-образный ЧЭ металлизированы и образуют токопроводящий участок. При действии ускорения W по оси X МЭ отклоняется, перемещая заслонку 5/ что измеряется датчиком перемещения. На выходе дифференциального фотопре- . образователя Ц появляется напряжение, поступающее, на входы дифференциального усилителя. В выходной цепи усилителя включены нагрузочное сопротивление и токопроводящий контур ЧЭ. Ток, протекающий по планке 7, помещенной в постоянном магнитном поле, формирует момент обратной связи, уравновешивающий момент инерционных сил. Выходным сигналом является падение напряжения на сопротивлении нагрузки. В предлагаемом акселерометре можно в значительной степени устранить указанные выше недостатки прототипа. Это достигается так, что кварцевая часть акселерометра - ЧЭ, подвес, основание с держателями - выполнены в виде монолитного, кинематически законченного узла, крепление которого в металлическом корпусе осуществлено как бы в одной точке - по цилиндрической поверхности основания (в прототипе ис;:;

590

пользовано двухточечное крепление кварцевого основания в корпусе). Элементы датчика перемещения размещены с помощью держателей на кварцевой части и не связаны непосредственно с металлическим корпусом, как в известном акселерометре.

Указанные особенности приводят к тому, что деформации корпуса не вызывают относительного смещения заслонки и элементов датчика перемещения и не влияют на характер напряженного состояния струн. При этом погрешность возникает только за счет угловых смещений, которые могут изменить ориентацию оси чувствительности.прибора, величина ее не превосходит аналогичной погрешности в прототипе.

Введение дополнительной П-образной рамки позволяет расположить элементы фотоэлектрического датчика перемещения вне магнитной системы, достаточно близко друг относительно друга и на оси симметрии ЧЭ, проходящей через его центр тяжести, 8 результате удает ся увеличить коэффициент передачи датчика положения и уменьшить в его выходном сигнале составляющие, вызванные некоторыми вредными (нерабочими) движениями ЧЭ.

За счет расположения струн торсионного подвеса внутри контура ЧЭ, более чем в 1,5 раза уменьшены габариты кварцевой части вдоль оси подвеса и значительно уменьшено расстояние между точкакм крепления концов струн к основанию. Последнее существенно снижает влияние возможных де { юрмаций кварцевого основания на эле|

Менты рамки подвеса, а значит и на выходные характеристики акселерометра.

Формула изобретения

Акселерометр, содержащий маятниковый П-образный чувствительный элемент в виде двух идентичных стоек, одни концы которых через струнные торсионы связаны с кварцевым основанием, жестко закрепленным в корпусе, а вторые соединены планкой, фотоэлектри« еский датчик перемещения, подключенный ко входу усилителя, и датчик момента, отличающийся- тем, что, с целью повь11цения точности и уменьшения габаритов акселерометра, в него введена дополнительная П-образная рамка, жестко связанная с чувствительным элементом и расположенная в его плоскости симметрично относительно струнных торсионов,развернуть1х внутрь контура чувствительного эле мента, причем планка дополнительной П-образной рамки размещена в зазоре между осветителем и фотоприемником , датчика перемещения, расположенными диаметрально на торце кварцевого основания, выполненного в виде цилиндра

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Патент США № , кл.73-517 опублик. 1970,

2,Патент Великобритании N 10б9б7б кл, G 1 : N, опублик. 1966.

3,Патент США ff ,кл.73-516, опублик. 1971 (прототип).