ДАТЧИК УГЛОВЫХ УСКОРЕНИЙ С ЖИДКОСТНЫМ РОТОРОМ
ANGULAR ACCELERATION SENSOR WITH LIQUID ROTOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам угловых ускорений, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции.
Для измерения угловых ускорений применяют устройства с электромеханическими датчиками, выполненными в виде монтируемых на валу парных зубчатых дисков. Относительное смещение их пропорционально контролируемой величине.
Известно бесконтактное устройство для непрерывного измерения угловых ускорений [а.с. СССР №163446, 1964 г.], в котором упругий элемент датчика выполнен в виде немагнитного диска со сквозными отверстиями по торцовой поверхности, скрепленного ферромагнитным инерционным кольцом с зубьями, взаимодействующими в магнитном потоке с зубьями ферромагнитного диска.
Недостатками такого устройства является малая чувствительность и сложность конструкции.
Известны различные конструкции датчиков угловых ускорений, в которых механические воздействия преобразуются в электрические в результате электрокинетических явлений, возникающих при движении жидкости на границе раздела с твердым телом, например, электрокинетический датчик угловых ускорений, содержащий тороидальный (цилиндрический) корпус, заполненный полярной жидкостью, например ацетоном, внутри которого установлена по крайней мере одна пористая преобразующая перегородка с токосъемными электродами по сторонам [US 2644901, G01P 15/08, 1953 г.].
Недостатком известного датчика является низкая надежность, заключающаяся в нарушении герметичности в месте прохождения токовыводов через стенку корпуса под действием механических воздействий; возникновение пузырей при колебании электродов под действием перегрузок.
Электрокинетический датчик угловых ускорений (патент RU №2018851, G01P 15/08, 1990 г.) содержит заполненный рабочей жидкостью корпус, пористую перегородку, электроды, держатель, объединенные в модульную конструкцию при использовании в конструкции датчика держателя. При механическом воздействии (вращении датчика вокруг своей оси) рабочая жидкость начинает циркулировать, например по часовой стрелке, через пористую перегородку. Протекание жидкости через пористую перегородку приведет в результате электрокинетических явлений к возникновению разности потенциалов на электродах. При изменении направления вращения датчика произойдет смена направления движения жидкости на противоположное, что соответственно изменит знак зарядов на электродах.
Недостатком известного датчика является его низкая надежность, обусловленная сложностью технологии его изготовления и достаточно большим количеством комплектующих деталей.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является датчик угловых ускорений с жидкостным ротором (US 3520196, G01P 15/08, 1970 г.), в котором угловое ускорение преобразуется в электрический сигнал. Это устройство содержит тороидальный (цилиндрический) корпус, заполненный неэлектропроводной жидкостью, выполняющий функцию жидкостного ротора (инерционного элемента). В качестве чувствительного элемента (сенсора) используется электромеханическая система, состоящая из постоянного магнита, подвижной катушки индуктивности, механически связанной с заслонкой, один конец которой помещен в зазоре тороидального корпуса и реагирует на угловое перемещение жидкости в корпусе. Другой конец заслонки служит для преобразования углового перемещения в электрический сигнал, пропорциональный угловому ускорению.
Недостатками такого устройства является наличие подвижной катушки индуктивности, снижающей надежность работы устройства, а также сложность конструкции, обусловленная большим количеством прецизионных деталей, и, следовательно, высокая стоимость.
Задачей изобретения является упрощение конструкции при сохранении точностных характеристик, повышение надежности за счет отсутствия подвижных механических частей.
Это достигается тем, что в датчике угловых ускорений с жидкостным ротором, содержащем чувствительный элемент и тороидальный (цилиндрический) корпус, заполненных жидкостью и выполняющих функцию жидкостного ротора, чувствительный элемент представляет собой заполненный рабочей жидкостью цилиндр, выполненный из диэлектрического материала, в котором диаметрально противоположно расположены контактирующие с жидкостью металлические электроды в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, сверху и снизу установлены обмотки возбуждения, запитываемые двухполярным стабилизированным током, тороидальный корпус присоединен соосно к цилиндру чувствительного элемента с образованием кольцевой полости, заполненной рабочей жидкостью, при наличии углового ускорения электрический сигнал, пропорциональный его значению, снимается с электродов чувствительного элемента и подается на измерительное устройство.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен предлагаемый датчик угловых ускорений, состоящий из чувствительного элемента 1 и тороидального (цилиндрического) корпуса 2; на фиг.2 - датчик угловых ускорений, вид сверху, где ω - направление действия углового ускорения; на фиг.3 изображена функциональная схема устройства, с помощью которого осуществляется измерение углового ускорения.
зап.
Чувствительный элемент (сенсор) 1 содержит цилиндр 3, Э1, Э2 - электроды; ОВ1, ОВ2 - обмотки возбуждения; V - скорость движения жидкости относительно цилиндра; ИУ - измерительное устройство; f - выходной сигнал, пропорциональный ускорению движения жидкости; I - стабилизированный ток запитки (фиг.3).
Чувствительный элемент 1 представляет собой цилиндр 3, выполненный из диэлектрического материала, в котором диаметрально противоположно установлены металлические электроды Э1, Э2. В плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, установлены сверху и снизу обмотки возбуждения OB1, OB2, запитываемые двухполярным стабилизированным током. Тороидальный корпус 2 присоединяется соосно к цилиндру 3 чувствительного элемента 1. Образованная таким образом кольцевая полость заполняется рабочей жидкостью с определенной электропроводностью и вязкостью, например водой (фиг.1).
Жидкость выполняет роль инерционного элемента - жидкостного ротора.
Датчик угловых ускорений работает следующим образом.
При механическом воздействии - наличии углового ускорения относительно измерительной оси Y (фиг.2) происходит движение кольцевой полости относительно инерционного элемента (жидкости внутри кольцевой полости).
По закону электромагнитной индукции - в жидкости, движущейся в магнитном поле, наводится ЭДС:
e=-B·l·V,
где В - магнитная индукция;
l - расстояние между электродами;
V - скорость движения жидкости.
Электрический сигнал, пропорциональный ускорению снимается с электродов Э1 и Э2 и подается на измерительное устройство ИУ (фиг.3). С выхода измерительного устройства выдается сигнал, пропорциональный угловому ускорению. При изменении направления углового ускорения ω (фиг.2) произойдет изменение направления движения жидкости и, соответственно, на выходе измерительного устройства изменится полярность выходного сигнала.
Таким образом, при механическом воздействии (вращении датчика относительно измерительной оси) рабочая жидкость начнет циркулировать внутри кольцевой полости и по закону электромагнитной индукции в жидкости, движущейся в магнитном поле, наводится ЭДС, электрический сигнал, пропорциональный ускорению снимается с электродов и подается на измерительное устройство, а с выхода измерительного устройства выдается сигнал, пропорциональный угловому ускорению.
Отличительными особенностями предлагаемого изобретения являются отсутствие подвижных прецизионных частей, простота конструкции, низкая стоимость.