Линейный вакуумный акселерометр
LINEAR VACUUM ACCELEROMETER

Заявляемый линейный вакуумный акселерометр относится к измерительной технике и может быть использован в системах ориентации и навигации для измерения ускорения.
Известен электронно-ламповый акселерометр (Vacuum-tube accelerometer) по патенту US 3109311 А от 05.11.1963 года, МПК G01P 15/08 [1], содержащий герметичную вакуумную трубку, которая может быть выполнена из стекла или металла, нагретый катод, неподвижно закрепленный внутри трубки, сетку управления, неподвижно закрепленную внутри трубки и окружающую катод, электронный экран, неподвижно закрепленный внутри трубки и окружающий сетку. Кроме того, устройство содержит две пары анодов, причем каждая пара расположена диаметрально противоположно другой паре, а аноды каждой пары разделены зазором. В устройстве создаются две пары связанных электронных лучей, которые частично окружают экран и проходят между экраном и анодами и полностью изолированы внутри герметичной трубки. На нижней пластине установлен груз, преобразующий ее в маятник, качающийся на подшипниках вокруг катода. Каждая из пар пластин имеет зазор, через который проходят электронные лучи, когда трубка не подвергается ускорению или наклону. Ускорение или замедление перемещает пластины из потока лучей электронов, которые выходят наружу из зазоров между пластинами. Это движение уменьшает поток электронов из пластин, тем самым формируя электрический сигнал.
Недостатком известного устройства [1] является низкая точность вследствие применения аналогового способа изменения ускорения, ввиду его подверженности шумам, помехам и высокой нелинейности.
Известна электронно-ламповая измерительная головка (Vacuum tube pick-up) по патенту US 2839701 А от 17.06.1958 года, МПК H01J 21/08 [2], содержащая вакуумную трубку, снабженную жесткой оболочкой, разнесенные друг относительно друга катод и пластину, смонтированные внутри оболочки, сетку, расположенную между катодом и пластиной и выполненную с возможностью движения относительно пластины, инерционную массу, соединенную с сеткой и расположенную между катодом и пластиной, причем инерционная масса перемещается в зависимости от приложенного ускорения и изменяет электрический сигнал, идущий с трубки, в зависимости величины ускорения. Измерение ускорения в известном аналоге производится с помощью релаксационного генератора. Частота выхода генератора изменяется в соответствии с положением сетки, которое, как описано выше, изменяется в зависимости от измеряемого физического явления.
Недостатком известного устройства [2], также как и аналога [1], является низкая точность вследствие применения аналогового способа изменения ускорения, ввиду его подверженности шумам, помехам и высокой нелинейности.
Известен акселерометр (Accelerometer) по патенту US 3084557 А от 09.04.1963 года, МПК G01P 15/08 [3], содержащий оболочку, заполненную газом, первый чувствительный элемент, имеющий катод, пластину, расположенную на одном конце оболочки, второй чувствительный элемент, имеющий катод, и пластину, расположенную на другом конце оболочки, первый контур, включающий в себя первый резистор, соединяющий катоды, второй контур, включающий в себя второй резистор, соединяющий пластины, мостовую схему, включающую в себя усилитель, соединенный с измерительными концами резисторов и источник напряжения, подключенный к опорным концам резисторов. Ускорение, действующее на устройство в направлении, соответствующем концам резисторов, создает ток в мостовом контуре, пропорциональный величине ускорения. Известное устройство также может содержать по меньшей мере три пары противоположных чувствительных элементов каждый, включая катод, и пластину, посредством которой ускоряющие силы могут быть определены во всех направлениях каждой пары чувствительных элементов, расположенных поперек другой пары чувствительных элементов.
Недостатком известного устройства [3], также как и аналогов [1] и [2], является низкая точность вследствие применения аналогового способа изменения ускорения, ввиду его подверженности шумам, помехам и высокой нелинейности.
Известен «Маятниковый компенсационный акселерометр» (Compensation pendulous accelerometer) по патенту US 6422076 В1 от 23.07.2002 года, МПК G01P 15/13 [4], содержащий корпус, в котором расположен маятниковый блок, выполненный в виде единой пластины монокристаллического кремния, который содержит подвижную лопатку на упругом подвесе и опорную рамку с выступами. На противоположных сторонах подвижной лопатки закреплены две магнитные системы и две катушки вращающего устройства, которые расположены с зазором относительно сердечника и закреплены на соответствующей стороне подвижной лопатки. Упругий подвес содержит гибкие элементы, расположенные под углом 90 градусов относительно друг друга, симметрично относительно оси симметрии маятникового устройства. Когда акселерометр ускоряется, подвижная лопатка отклоняется в направлении, противоположном ускорению, и ток в катушках возвращает подвижную лопатку в исходное положение. Измеренный ток в катушках используется для определения ускорения.
Недостатком известного аналога [4], также как и аналогов [1], [2] и [3], является низкая точность вследствие применения аналогового способа изменения ускорения, ввиду его подверженности шумам, помехам и высокой нелинейности.
Известен «Линейный микроакселерометр» по патенту РФ 2410703 от 27.01.2011 года, МПК G01P 15/08 [5], содержащий корпус, крышку, две инерционные массы на упругих подвесах, выполненные в виде прямоугольных пластин из монокристаллического кремния и расположенные в одной плоскости последовательно друг за другом вдоль оси чувствительности с возможностью линейного перемещения. Два датчика положения для каждой инерционной массы выполнены в виде двух пар излучателей и фотоприемников. Первые из них расположены в отверстиях крышки над прямоугольными пластинами, а вторые - соосно с ними размещены в корпусе. При этом каждая пара фотоприемников соединяется с соответствующим ей компаратором. Выходы компараторов соединены с ключами, к которым также подсоединен стабилизированный источник тока. Выходы ключей через упругие подвесы соединены с токопроводящими дорожками компенсационных преобразователей, выполненных в виде двух постоянных магнитов, размещенных на крышке и корпусе, и токопроводящих дорожек, напыленных на поверхности прямоугольных пластин перпендикулярно оси чувствительности. Изобретение позволяет повысить точность измерения за счет введения режима автоколебаний.
Недостатком известного аналога [5], является низкая точность вследствие применения оптических датчиков положения, не обладающих достаточной разрешающей способностью из-за низкого дифракционного предела оптического излучения.
Наиболее близким из числа известных технических решений (прототипом) является «Линейный микроакселерометр» по патенту РФ 2561303 С1 от 27.08.2015 года, МПК G01P 15/08 [6], содержащий основание, крышку, рамку с инерционной массой, установленную с возможностью перемещения на упругих подвесах, датчик положения и источник напряжения, два усилителя тока, ключ, электромагнитный силовой привод, состоящий из 2N катушек, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках с явно выраженными полюсами, направленными к торцевым сторонам инерционной массы, при этом магнитопроводящие сердечники размещены на противоположных торцевых сторонах рамки по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы в области каждого из торцов расположены магнитопроводы, замыкающие магнитные потоки катушек, причем входы катушек подключены к выходу ключа, При этом, датчик положения выполнен оптическим, и состоит из излучателя и фотоприемников, при этом излучатель подключен к источнику напряжения, а между излучателем и фотоприемниками расположена оптическая щель.
Недостатком прототипа [6] является низкая точность измерения ускорения вследствие ограничений оптического датчика положения, разрешающая способность которого ограничивается дифракционным пределом оптического излучения.
Общим недостатком рассмотренных технических решений [1…6] является низкая разрешающая способность датчика положения чувствительного элемента, и, как следствие, невозможность фиксирования достаточно малых перемещений чувствительного элемента, вызванных воздействием измеряемого ускорения, что снижает точность измерения ускорения.
Задачей является создание линейного акселерометра, измеряющего ускорения с более высокой точностью.
Технический результат состоит в повышении точности измерения ускорения.
Технический результат (сущность изобретения) достигается тем, что в линейном вакуумном акселерометре, содержащем основание, крышку, рамку с инерционной массой, установленную с возможностью перемещения на упругих подвесах вокруг оси, датчик положения и источник напряжения 2M компараторов, два усилителя тока, ключ, электромагнитный силовой привод, состоящий из 2N катушек, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках с явно выраженными полюсами, направленными к торцевым сторонам инерционной массы, при этом магнитопроводящие сердечники размещены на противоположных торцевых сторонах рамки по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы в области каждого из торцов расположены магнитопроводы, замыкающие магнитные потоки катушек, причем входы катушек подключены к выходу ключа, рамка с инерционной массой выполнена в виде запаянной вакуумной колбы, в которую дополнительно введены нить накала, катод в виде металлической пластины, и 2М анодных сеток, а на инерционной массе дополнительно размещена переключающая сетка с возможностью свободного прохождения через 2М анодных сеток при перемещении инерционной массы, при этом к нити накала подключен источник напряжения накала, к переключающей сетке подключен источник напряжения переключения, а к 2М анодным сеткам подключены 2М источников напряжения анодных сеток и 2М резисторов, которые через компараторы подключены к ключу.
Технический результат достигается за счет того, что применение электронно-лучевого датчика положения позволяет повысить точность определения координат и перемещений чувствительного элемента за счет уменьшения дифракционного предела, чем достигается повышение точности измерения ускорения.
Дифракционный предел - минимально возможный размер точки, в которую можно сфокусировать электромагнитное излучение. При этом он пропорционален длине волны используемого излучения - для оптического датчика положения длина волны ограничена диапазоном 350…700 нм, а дифракционный предел 200…350 нм. Для электронно-лучевого датчика длина волны может быть на порядки меньше, соответственно дифракционный предел может составлять единицы нм.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1. представлена конструктивная схема устройства. На фиг. 2 приведен пример формы переключающей сетки и одной из анодных сеток.
На фиг. 1 и на фиг. 2 и введены следующие обозначения:
1. Рамка;
2. Инерционная масса;
3. Упругие подвесы;
4. Компараторы;
5. Усилители тока;
6. Ключ;
7. Катушки;
8. Магнитопроводящие сердечники;
9. Магнитопроводы;
10. Нить накала;
11. Катод;
12. Анодные сетки;
13. Переключающая сетка;
14. Источник напряжения накала;
15. Источник напряжения переключения;
16. Источники напряжения анодных сеток;
17. Резисторы.
Предлагаемый линейный вакуумный акселерометр состоит из рамки (1) с инерционной массой (2), установленной с возможностью перемещения на упругих подвесах (3) вокруг оси и содержит 2М компараторов (4), два усилителя тока (5), ключ (6), электромагнитный силовой привод, состоящий из 2N катушек (7), размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках (8) с явно выраженными полюсами, направленными к торцевым сторонам инерционной массы. Магнитопроводящие сердечники размещены на противоположных торцевых сторонах рамки по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы в области каждого из торцов расположены магнитопроводы (9), замыкающие магнитные потоки катушек. Входы катушек (7) подключены к выходу ключа (6) через усилители тока (5). Рамка с инерционной массой выполнена в виде запаянной вакуумной колбы, содержащей нить накала (10), катод (11) в виде металлической пластины, и 2М анодных сеток (12). На инерционной массе размещена переключающая сетка (13) с возможностью свободного прохождения через 2М анодных сеток при перемещении инерционной массы. К нити накала подключен источник напряжения накала (14), к переключающей сетке подключен источник напряжения переключения (15), а к 2М анодным сеткам подключены 2М источников напряжения анодных сеток (16) и 2М резисторов (17), которые через компараторы подключены к ключу (6).
Линейный вакуумный акселерометр работает следующим образом.
В начальный момент времени рамка (1), инерционная масса (2), упругие подвесы (3) и переключающая сетка (13) находятся в состоянии покоя.
К каждой из 2М анодных сеток (12) подключены 2М источников напряжения анодных сеток (16) через 2М резисторов (17), что создает разность потенциалов между катодом (11) и анодными сетками (12). Напряжение источников напряжения анодных сеток (16) и значение сопротивления резисторов (17) подобрано таким образом, что создаваемая на анодных сетках (12) разность потенциалов существенно меньше разности потенциалов между переключающей сеткой (13) и катодом (11, следовательно, падение напряжения на резисторах (17) меняется скачкообразно в зависимости от положения переключающей сетки (13): Если переключающая сетка (13) находится между катодом (11) и одной из 2М анодных сеток (12), то падение напряжения н соответствующем резисторе меньше, чем в случае, когда соответствующая анодная сетка (12) находится между катодом (11) и переключающей сеткой (13), в результате того, что поток электронов от катода (11) отклоняется на переключающую сетку (13), так как на ней создается много большая разность потенциалов по отношению к катоду (11), чем на 2М анодных сетках (12).
Возникающая на каждом из 2М резисторов (17) разность потенциалов фиксируется компараторами (4), совокупность сигналов с которых переводят ключ (6) в одно из двух состояний «0» или «1».
В момент включения устройства ключ (6) переводится в предустановленное состояние «1» и выдает сигнал на первый усилитель тока (5). Таким образом, первый усилитель тока (5) находится во включенном состоянии и питает током первые N катушек (7), создающие магнитное поле в первых N магнитопроводящих сердечниках (8), в которое также втягиваются первый магнитопровод (9), при этом инерционная масса (2) вместе с переключающей сеткой (13) поворачивается на упругих подвесах (3) в сторону первых N катушек (7) до тех пор, пока силы упругости, возникающие в упругих подвесах (3) не уравновесят силу притяжения первых магнитопроводов (9) к первым N катушкам (7) и первым N магнитопроводящим сердечникам (8).
В это время производится нагрев нити накала (10) с помощью источника напряжения накала (14). Нагрев нити накала (10) вызывает нагрев катода (11). Через некоторое время катод (11) нагревается до температуры, при которой на его поверхности начинается процесс электронной эмиссии, при этом вылетающие электроны направляются разностью потенциалов между переключающей сеткой (13) и катодом (11), созданной источником напряжения переключения (15), по направлению к переключающей сетке (13). При этом поток электронов между катодом (11) и переключающей сеткой (13) проходит через 2М анодных сеток (12).
Переключающая сетка (13) находится в крайнем верхнем положении в результате притяжения инерционной массы (2) к первым N катушкам (7) и первым N магнитопроводящим сердечникам (8), при этом все 2М анодных сеток (12) находятся между катодом (11) и переключающей сеткой (13). Совокупность сигналов с компараторов (4) в этом случае переводит ключ (6) в состояние «0», в результате чего компаратор (4) перестает выдавать сигнал на первый усилитель тока (5) и начинает выдавать сигнал на второй усилитель тока (5).
Первый усилитель тока (5) выключается и перестает питать током первые N катушек (7), которые перестают создавать магнитное поле в первых N магнитопроводящих сердечниках (8). Первый магнитопровод (9) перестают притягиваться к первым N катушкам (7) и первым N магнитопроводящим сердечникам (8), при этом инерционная масса (2) вместе с переключающей сеткой (13) начинает поворачиваться на упругих подвесах (3) в сторону вторых N катушек (7) под действием силы упругости упругих подвесов (3).
Одновременно с этим, второй усилитель тока (5) переходит во включенное состояние и начинает питать током вторые N катушек (7), которые начинают создавать магнитное поле во вторых N магнитопроводящих сердечниках (8), в которое втягивается второй магнитопровод (9) вместе с инерционной массой (2) и переключающей сеткой (13). Инерционная масса (2) и переключающая сетка (13) поворачиваются на упругих подвесах (3) в сторону вторых N катушек (7) до тех пор, пока положение переключающей сетки (13) относительно анодных сеток (12) не создаст на компараторах (4) совокупность сигналов, которые, будучи преобразованными компаратором (4), не переведут ключ (6) в состояние «1». В результате этого компаратор (4) перестает выдавать сигнал на второй усилитель тока (5) и начинает выдавать сигнал на первый усилитель тока (5).
Второй усилитель тока (5) выключается и перестает питать током вторые N катушек (7), которые перестают создавать магнитное поле во вторых N магнитопроводящих сердечниках (8). Второй магнитопровод (9) перестает притягиваться ко вторым N катушкам (7) и вторым N магнитопроводящим сердечникам (8), при этом инерционная масса (2) вместе с переключающей сеткой (13) начинает поворачиваться на упругих подвесах (3) в сторону первых N катушек (7) под действием силы упругости упругих подвесов (3).
Одновременно с этим, первый усилитель тока (5) переходит во включенное состояние и начинает питать током первые N катушек (7), которые начинают создавать магнитное поле в первых N магнитопроводящих сердечниках (8), в которое втягивается первый магнитопровод (9) вместе с инерционной массой (2) и переключающей сеткой (13). Инерционная масса (2) и переключающая сетка (13) поворачиваются на упругих подвесах (3) в сторону первых N катушек (7) до тех пор, пока положение переключающей сетки (13) относительно анодных сеток (12) не создаст на компараторах (4) совокупность сигналов, которые, будучи преобразованными компаратором (4), не переведут ключ (6) в состояние «0». Далее цикл повторяется заново.
Инерционная масса (2) начинает совершать автоколебательное движение, попеременно поворачиваясь на упругих подвесах (3) то в сторону первых N катушек (7), то в сторону вторых N катушек (7). Закрепленная на инерционной массе (2) переключающая сетка (13) постоянно перемещается относительно анодных сеток (12) и создает на компараторах (4) сигнал, циклически переключающий ключ (6) между состояниями «1» и «0». Таким образом, в отсутствие внешнего ускорения электрический сигнал с ключа (6) принимает вид меандра со скважностью 50%, и все компоненты устройства работают в ключевом режиме.
Под действием внешнего ускорения центр колебаний инерционной массы (2) смещается, что вызывает изменение параметров автоколебательного движения и, как следствие, меняет скважность сигнала с ключа (6), тем самым создавая широтно-импульсную модуляцию сигнала обратной связи. Измерение скважности этого сигнала позволяет судить о действующем на устройство ускорении.
Увеличение точности измерений достигается за счет введения электронно-лучевого датчика положения, обладающего большей разрешающей способностью, а также использованием его (и других компонентов устройства) в ключевом режиме и уменьшения вследствие этого вредных моментов, действующих на инерционную массу и датчик положения, например, в результате воздействия электрических шумов.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике, а именно в акселерометрах для измерения линейного ускорения, например в инерциальных системах навигации;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги характеризующиеся совокупностями признаков тождественным всем признакам заявленного акселерометра отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
А именно, в известных технических решениях не применяется электронно-лучевой датчик положения чувствительного элемента, работающий в ключевом режиме, и использующийся с целью измерения ускорения посредством временной (широтно-импульсной) модуляции сигнала обратной связи.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует «изобретательскому уровню».
Технология изготовления и применения компонентов электронных ламп является изученной и отработанной, так же как и технология изготовления других элементов устройства. Компараторы, источники напряжения и ключ могут быть выполнены с применением стандартных радиоэлектронных элементов. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Литература
1. Патент на изобретение США: US 3109311 А от 05.11.1963 года, МПК G01P 15/08, «Vacuum-tube accelerometer».
2. Патент на изобретение США: US 2839701 А от 17.06.1958 года, МПК H01J 21/08, «Vacuum tube pick-up».
3. Патент на изобретение США: US 3084557 А от 09.04.1963 года, МПК G01P 15/08, «Accelerometer».
4. Патент на изобретение США: US 6422076 В1 от 23.07.2002 года, МПК G01P 15/13, «Compensation pendulous accelerometer».
5. Патент н изобретение РФ: RU 2410703 С1 от 27.01.2011 года, МПК G01P 15/08, «Линейный микроакселерометр».
6. Патент на изобретение РФ: RU 2561303 С1 от 27.08.2015 года, МПК G01P 15/08, «Линейный микроакселерометр» - прототип.