Маятниковый акселерометр

Полезная модель относится к области точного приборостроения и может найти применение в системах пространственной ориентации, стабилизации, траекторного управления и навигационного счисления движения различных объектов за счет прецизионного измерения ускорений, действующих на объект в широком диапазоне эксплуатационных температур.
Известен маятниковый акселерометр, содержащий чувствительный элемент, жестко закрепленный в корпусе акселерометра. Чувствительный элемент включает маятниковый элемент, состоящий из неподвижной и подвижной частей, при этом неподвижная часть жестко зафиксирована между двумя основаниями. Основания и подвижная часть маятникового элемента выполняют функцию обкладок совмещенных конденсаторов, по изменению емкости которых судят об измеряемом ускорении [1].
Такое закрепление акселерометра с корпусом осуществляется с помощью металлического кольца или с помощью конструкционного клея, такого как эпоксидная смола.
Жесткое соединение чувствительного элемента с корпусом акселерометра, а также оснований и неподвижной части маятникового элемента приводит к микросмещениям указанных элементов относительно друг друга, следствием чего является искажение измерений ускорения.
Указанная система крепления, как правило, не обеспечивает точную и стабильную центровку преобразователя относительно его корпуса. Соответствующие требование к системам крепления может также привести к нежелательным механическим колебаниям преобразователя, когда корпус подвергается вибрации.
Такая технология монтажа приводит к передаче напряжения на акселерометр из-за теплового расширения между акселерометром и монтажным кольцом и корпусом.
Известен маятниковый акселерометр, имеющий герметичный корпус, внутри которого размещен маятник из аморфного кварца, на подвижной части которого расположены последовательно соединенные катушки датчика силы и электроды дифференциального датчика перемещения, а неподвижная часть зажата между двумя идентичными корпусами из токопроводящего материала с низким коэффициентом температурного расширения, каждый из которых является частью магнитной системы датчика силы и электродом дифференциального датчика перемещения, при
этом корпуса чувствительного элемента соединены между собой с помощью упругих элементов и снабжены поперечными выступами, обеспечивающими фиксацию чувствительного элемента между опорными элементами, причем один из упомянутых опорных элементов является промежуточным между плоской пружиной и поперечными выступами одного из соединяемых корпусов, а другой является промежуточным между фиксирующим элементом и установочным кольцом [2].
Недостатком указанного известного акселерометра являются конструктивные решения соединения корпусов чувствительного элемента, которое не обеспечивает одновременного решения задач их центрирования, а так же стабилизации нормальных и тангенциальных сил в местах зажима неподвижной части маятника. Указанное является одной из существенных причин нестабильности температурных зависимостей выходных параметров акселерометра, являющихся следствием различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов маятника, корпусов чувствительного элемента и опорных элементов, что приводит к снижению точности измерений. Это происходит вследствие непропорционального изменения линейных размеров указанных элементов конструкции при изменении температуры по причине различных значений температурных коэффициентов линейного расширения материалов, из которых эти элементы изготовлены.
Задачей, на решение которой направлено настоящая полезная модель, является повышение точности акселерометра в условиях широкого диапазона температур.
Поставленная задача достигается за счет того, что в маятниковом акселерометре, содержащем корпуса, внутри корпуса размещен маятник из аморфного кварца, на подвижной части которого расположены последовательно соединенные катушки датчика силы и электроды дифференциального датчика перемещения, а неподвижная часть зажата между двумя идентичными корпусами из токопроводящего материала с низким коэффициентом температурного расширения, каждый из которых является частью магнитной системы датчика силы и электродом дифференциального датчика перемещения, при этом корпуса чувствительного элемента соединены между собой с помощью скобы, а сам чувствительный элемент установлен в кожух акселерометра, при этом скоба, соединяющая корпуса чувствительного элемента, имеет кольцевую поверхность, согласно полезной модели, кожух акселерометра содержит множество изгибных упругих элементов, проходящих радиально для контакта чувствительного элемента и кожуха акселерометра, каждый изгибный упругий элемент выполнен с возможностью изгиба в радиальном направлении, перпендикулярном входной оси, и остается неподвижным в осевом направлении, параллельном входной оси, при этом температурные коэффициенты линейного расширения материала кожуха акселерометра, корпуса чувствительного элемента и материала изгибного упругого элемента одинаковы.
Признаками, отличающими заявляемый акселерометр от известных является то, что кожух акселерометра содержит множество изгибных упругих элементов, проходящих радиально для контакта чувствительного элемента и кожуха акселерометра, каждый изгибный упругий элемент выполнен с возможностью изгиба в радиальном направлении, перпендикулярном входной оси, и остается неподвижным в осевом направлении, параллельном входной оси, при этом температурные коэффициенты линейного расширения материала кожуха акселерометра, корпуса чувствительного элемента и материала изгибного упругого элемента одинаковы.
Так, наличие в конструкции акселерометра предложенного изгибного упругого элемента обеспечивает за счет его кольцевой поверхности строгое центрирование корпусов чувствительного элемента внутри кожуха акселерометра, исключая соприкосновение корпусов чувствительного элемента с опорными элементами, которые вследствие различия ТКЛР их материалов могут привести к перекосу маятника чувствительного элемента относительно кожуха прибора. Кроме того, за счет изгибного упругого элемента обеспечивается гарантированное усилие сжатия корпусов чувствительного элемента во всем рабочем температурном диапазоне. Таким образом, в результате указанного выполнения упругого элемента стабилизируются нормальные и тангенциальные силы в местах зажима неподвижной части маятника, а, следовательно, снижается нестабильность нулевого сигнала акселерометра, что позволяет в целом повысить точность измерений. Кроме того, предлагаемый упругий элемент упрощает установку и фиксацию чувствительного элемента между опорными элементами в кожухе акселерометра, так как не требует строгого центрирования опорных элементов, что позволяет упростить процесс сборки акселерометра.
На фиг. 1, 2, 3, 4, 5 схематично изображен заявляемый маятниковый акселерометр, где:
1 - крышка кожуха акселерометра,
2 - основание кожуха акселерометра,
3 - втулки,
4 - корпуса чувствительного элемента,
5 - скоба,
6 - изгибные упругие элементы,
7 - гермовводы,
8 - первый лепесток,
9 - второй лепесток,
10 - дополнительная скоба,
11 - дополнительные изгибные упругие элементы.
На фиг. 1 изображен общий вид маятникового акселерометра.
На фиг. 2 изображен изгибный упругий элемент.
На фиг. 3 изображен пример установки изгибного упругого элемента в крышку кожуха акселерометра.
На фиг. 4 изображен пример установки изгибного упругого элемента в крышку кожуха акселерометра в центре и нижней части крышки кожуха акселерометра.
На фиг. 5 изображен пример установки изгибного упругого элемента в крышку кожуха в нижней части.
Маятниковый акселерометр содержит основание кожуха 2, на которое устанавливается крышка кожуха 1. В крышке кожуха 1, в средней части установлены изгибные упругие элементы, которые упираются в скобу 5, установленную на корпусах чувствительного элемента 4. Втулки 3 предназначены для установки на объекте. С одной стороны корпуса чувствительного элемента установлены гермовводы 7, предназначенные для подвода входа усилителя преобразователя и к элементам дифференциального углового преобразователя перемещений маятника.
После сборки основания кожуха 2 и крышки кожуха 1, устанавливают предварительно собрание корпуса чувствительного элемента 4. Причем изгибные упругие элементы 6 предварительно установлены в средней части крышки кожуха 1. Причем изгибные упругие элементы 6 состоят из лепестков 8 и 9. Количество изгибных упругих элементов 6 может быть установлено от 3 штук и более в зависимости от размеров крышки кожуха акселерометра 1 и корпусов чувствительного элемента 4. Закрепление изгибных упругих элементов 6 на крышке кожуха акселерометра 1 может быть осуществлено при помощи клея или сварки, а также установкой в специальные отверстия лепестков 8, 9 изгибных упругих элементов 6.
Причем отверстия формируются в специальной плоской кольцевой ленте, которая после установки изгибных упругих элементов 6 в нее монтируется в крышке кожуха акселерометра 1. Установка изгибных упругих элементов 6 может осуществляться как в центре крышке кожуха акселерометра 1, так и внизу/вверху. Кроме того установка изгибных упругих элементов 6 в крышке кожуха акселерометра 1 может осуществляться в 2-х местах, например в центре и в нижней части в крышке кожуха акселерометра 1.
Нежесткое упругое соединение корпуса(ов) чувствительного элемента 4 и кожуха акселерометра 1, 2 позволяет избежать возникновения напряжений в основаниях чувствительного элемента, опорных элементах и кожухе акселерометра 1, 2 или ослабления фиксации чувствительного элемента в кожухе акселерометра 1, 2, а следовательно - и изменения взаимного расположения оси чувствительного элемента и оси корпуса акселерометра.
Данная проблема решена путем размещения в кожухе акселерометра изгибного упругого элемента 6, создающего усилие, отталкивающее чувствительный элемент от внутренней стенки кожуха акселерометра 1,2.
Промежуточная часть каждого средства изгибного упругого элемента 6 приспособлена для обеспечения низкого сопротивления относительному перемещению между корпусами чувствительного элемента 4 и кожухом акселерометра в радиальном направлении и высокого сопротивления относительному перемещению в направлениях, перпендикулярных радиальному направлению. Таким образом, тепловое расширение между корпусами чувствительного элемента 4 и кожухом акселерометра не создает нагрузки на чувствительный элемент и не вызывает смещения нуля. Таким образом, повышается точность маятникового акселерометра. Промежуточная часть каждого средства крепления приспособлена для обеспечения низкого сопротивления относительному перемещению между датчиком и корпусом в радиальном направлении и высокого сопротивления относительному перемещению между датчиком и корпусом в направлениях, перпендикулярных радиальному направлению. Таким образом, дифференциальное тепловое расширение между датчиком и корпусом не создает нагрузки на датчик и не вызывает смещения между датчиком и корпусом.
Такая система закрепления для корпуса чувствительного элемента является фиксированным и стабильным, так что нагрузки на чувствительный элемент из-за теплового расширения остаются несущественными.
Макетные испытания показали высокую эффективность заявляемой полезной модели.
Источники информации:
1. Патент US №3702073.
2. Патент РФ №104320 - прототип.