АКСЕЛЕРОМЕТР ИНДУКЦИОННЫЙ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к приборам измерения импульсов ускорения с помощью магнитно-чувствительных устройств G 01 P 15/105.
Известны датчики ускорения (акселерометры), описанные, в частности, в кн. Л.Д.Гик, «Измерение ускорений», изд-во «Наука», Новосибирск, или в кн. A.M.Туричин, «Электрические измерения неэлектрических величин», изд-во «Энергия», Москва, 1966 г. Описанные в указанных источниках приборы содержат чувствительные элементы на упругом подвесе, в т.ч. и имеющие магнитные свойства, в которых измерительная цепь измеряет величину смещения чувствительного элемента. Например, в индуктивных датчиках ускорения в результате смещения чувствительного элемента на упругом подвесе изменяется воздушный зазор в магнитопроводе и меняется индуктивность катушки. Цитата: «Для измерений катушку индуктивного датчика включают в дифференциальную или мостовую измерительную схему переменного тока, у которой указывающий элемент проградуирован в единицах измеряемой величины». Из описания видно, что акселерометры содержат довольно сложные измерительные цепи, требующие источников электропитания.
Целью полезной модели является получение устройства измерения ускорения, позволяющего снизить стоимость, повысить надёжность и достичь энергонезависимости процесса.
Указанная цель достигается акселерометром индукционным энергонезависимым, который содержит выполненный из магнитного материала чувствительный элемент на упругом подвесе и измерительную цепь, содержащую одну или более электромагнитные катушки и электрический интегратор, причем измерительная цепь выполнена с возможностью самостоятельно генерировать электрический сигнал, знак и величина которого находится в прямой зависимости от ускорения, действующего на акселерометр.
Такая конструкция акселерометра обосновывается следующими теоретическими положениями.
В традиционных акселерометрах ускорение определяется величиной отклонения чувствительного элемента на упругом подвесе под действием ускорения. В предлагаемом акселерометре величина смещения чувствительного элемента не измеряется непосредственно, а замеряются мгновенные скорости чувствительного элемента, они суммируются по времени (интегрируются), и этот интеграл, являясь аналогом отклонения
чувствительного элемента, преобразуется в электрическую величину. Этот принцип можно описать следующими формулами:
- в традиционных акселерометрах измеряется отклонение чувствительного элемента Х - оно пропорционально искомому ускорению А:
1
где k - постоянная величина, зависящая от массы чувствительного элемента и свойств упругого подвеса. В предлагаемом акселерометре отклонение Х получается в результате интегрирования по времени мгновенных скоростей чувствительного элемента - если скорость V=dX/dt, то координата Х
где V - скорость чувствительного элемента, t - время, ∫ - знак интегрирования.
Мгновенные скорости чувствительного элемента в предлагаемом акселерометре измеряются согласно закону электромагнитной индукции: намагниченный чувствительный элемент индуцирует в электромагнитной катушке, внутри которой он движется, ЭДС, пропорциональную его скорости:
2
где U - ЭДС электромагнитной катушки, k - постоянная величина, которая зависит от параметров электромагнитной катушки и намагниченного чувствительного элемента. Если включить эту электромагнитную катушку в электрическую цепь, в ней, согласно закону Ома, возникнет ток, пропорциональный ЭДС:
где I - величина тока, R - электрическое сопротивление в цепи, V и U - электродвижущая сила, пропорциональная скорости чувствительного элемента. Подставив значение U из формулы (3) в формулу (4), в итоге получим, что ток в цепи пропорционален скорости чувствительного элемента:
или, учитывая, что сопротивление R в цепи - величина постоянная:
то есть ток в цепи электромагнитной катушки является прямым электрическим аналогом скорости чувствительного элемента. Осталось проинтегрировать ток в цепи, и мы получим электрический аналог отклонения чувствительного элемента, то есть ускорения самого акселерометра. Электрическим интегратором в простейшем случае может служить электрическая ёмкость: согласно классической формуле, напряжение на обкладках
конденсатора равно интегралу по времени тока, протекшего в цепи, делённому на ёмкость конденсатора (Высшая школа, В.П.Попов, «Основы теории цепей», стр.21):
4
Подставим сюда полученное выражение для тока (6) и учитывая, что емкость С конденсатора - величина постоянная (примем k=1/С), получим:
или, собрав постоянные величины в одну,
отсюда, используя формулу (2) для координаты чувствительного элемента,
5
Таким образом, получается, что напряжение на обкладках конденсатора будет пропорционально отклонению чувствительного элемента в описанной схеме и некоторой постоянной величине k, которая зависит от свойств магнитного чувствительного элемента, параметров электромагнитной катушки, упругого подвеса, активного сопротивления в цепи и емкости конденсатора. Из выражения (1) следует, что напряжение на обкладках конденсатора будет пропорционально искомому ускорению акселерометра:
На рис.1 показан схематичный вид акселерометра индукционного энергонезависимого с простейшим интегратором.
Акселерометр содержит чувствительный элемент 1, выполненный из магнитного материала, упругий подвес 2, электромагнитную катушку 3, интегратор 4 с электрическим конденсатором 6, измерительный прибор 5.
Устройство работает следующим образом.
При нарастании или уменьшении ускорения намагниченный чувствительный элемент 1 приобретает скорость относительно катушки 3, в результате чего на её выходных контактах согласно закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром катушки, а, следовательно, скорости чувствительного элемента. Под воздействием ЭДС в электрической цепи контура возникнет ток, который будет накапливаться в конденсаторе 6 интегратора 4 в виде электрического заряда. Интеграл тока в измерительной цепи будет соответствовать интегралу скорости чувствительного элемента 1, и, следовательно, соответствовать его отклонению от нейтрального положения, которое, в свою очередь, соответствует ускорению самого акселерометра. Напряжение на выводах интегратора пропорционально величине накопленного в нём электрического заряда. Таким образом, измерительным прибором 5
2
может быть обычный вольтметр, проградуированный в целевых единицах измерения - м/сек. Простота, надёжность и энергонезависимость устройства достигаются благодаря тому, что измерительная цепь сама является генератором целевого электрического сигнала.
На рис.2 показан схематичный вид акселерометра индукционного энергонезависимого с интегратором, включающим транзисторные ключи. Акселерометр содержит чувствительный элемент 1, выполненный из магнитного материала, упругий подвес 2, электромагнитную катушку 3, интегратор 4, включающий два транзисторных ключа 6 и 7, управляемых двумя дополнительными электромагнитными катушками 8 и 9, и электрический конденсатор 10. Акселерометр, изображенный на рис.2, работает аналогично акселерометру на рис.1. Транзисторные ключи включены в измерительную цепь акселерометра для того, чтобы исключить влияние на точность измерения ускорения саморазряда конденсатора 10 через электромагнитную катушку 3 в случае, когда частота изменения ускорения невысока. Один из ключей открыт только в случае, когда чувствительный элемент 1 имеет скорость относительно катушки 3 и, соответственно, катушек 8 и 9. Только в этом случае происходит изменение ускорения, действующего на акселерометр, и, соответственно, происходит изменение заряда конденсатора 10. Когда ускорение, действующее на акселерометр, не изменяется, транзисторные ключи 6 и 7 закрыты и саморазряда конденсатора 10 через катушку 3 не происходит, и, соответственно, показания измерительного прибора 5 не изменяются.