ЛИНЕЙНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
LINEAR ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения линейного ускорения, например, в инерциальных системах навигации.
Известен "Акселерометр" (патент RU №2063047, МПК G01P 15/08, 27.06.1996), содержащий маятниковую инерционную массу на упругом подвесе, выполненную в виде прямоугольной пластины, датчик положения и компенсационный преобразователь, включающий две магнитные системы, каждая из которых состоит из магнитопровода и основного постоянного магнита с полюсным наконечником.
При движении объекта с ускорением в направлении оси чувствительности прибора инерционная масса отклоняется относительно неподвижных пластин. Отклонение пластины регистрирует и преобразует в ток датчик положения. Компенсационный преобразователь развивает при этом силу, равную инерционной силе пластины. Причем ток, протекающий через обмотки катушек, пропорционален кажущемуся ускорению объекта в направлении оси чувствительности.
Недостатком известного устройства является необходимость нанесения токопроводов на подвесы, что ограничивает возможности подачи тока к токопроводящим дорожкам и тем самым понижает чувствительность.
Известен «Акселерометр» (патент RU №2399915, МПК G01P 15/11, 30.06.2009), содержащий инерционную массу на упругих подвесах, датчик положения, крышку и основание, на которых закреплены постоянные магниты, инерционную массу из монокристаллического кремния в виде диска с радиально напыленными токопроводящими дорожками, размещенную на упругих подвесах в зазоре между основанием и крышкой с возможностью углового перемещения.
Недостатком данного устройства является необходимость нанесения токопроводов на подвесы, что ограничивает возможность подведения тока к токопроводящим дорожкам.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является "Акселерометр" (патент RU №2410703, МПК G01P 15/08, 28.04.2009), содержащий две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя, источник тока, корпус и крышку, два ключа и два компаратора, инерционные массы выполнены в виде прямоугольных пластин из монокристаллического кремния и расположены в одной плоскости последовательно друг за другом вдоль оси чувствительности с возможностью линейного перемещения, компенсационные преобразователи для каждой инерционной массы выполнены в виде двух постоянных магнитов, размещенных на крышке и корпусе, и напыленных на поверхности прямоугольных пластин перпендикулярно оси чувствительности токопроводящих дорожек, замкнутых по периметру, датчики положения для каждой инерционной массы выполнены в виде двух пар излучателей и фотоприемников.
В исходном состоянии инерционная масса перекрывает поток излучения одного из излучателей. При этом второй излучатель открыт, в результате на выходе второго фотоприемника появляется сигнал, который приводит к срабатыванию компаратора, управляющего ключом, который подключает источник тока к токопроводящим дорожкам инерционной массы. Магнитное поле постоянных магнитов взаимодействует с полем тока в токопроводящих дорожках, перемещает их вдоль оси чувствительности так, что инерционная масса перекрывает поток излучения второго излучателя и открывает поток первого излучателя. На выходе первого фотоприемника появляется сигнал, который приводит к срабатыванию компаратора и переводит его в другое устойчивое состояние. При этом ключ подключает источник тока к токопроводящим дорожкам инерционной массы так, что по ним течет ток противоположного направления. Далее процесс переключения будет повторяться. Таким образом, инерционные массы совершают автоколебания с некоторой частотой и амплитудой в противофазе, при этом на выходах ключей имеет место последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна измеряемой физической величине.
Недостатком данного устройства является ограниченная возможность передачи тока через токопроводы, нанесенные на торсионы, к токопроводящим дорожкам.
Задачей является создание линейного акселерометра с возможностью подводить к токопроводящим дорожкам больший ток.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение чувствительности прибора.
Технический результат достигается тем, что линейный акселерометр, содержащий инерционную массу на упругих подвесах, датчик положения, состоящий из пары излучателей и пары фотоприемников, основание, крышку, компаратор, ключ, источник постоянного тока и токопроводящие дорожки, отличается тем, что в него дополнительно введены полюсные наконечники, размещенные на основании и крышке, являющихся магнитопроводами, на торцевые поверхности которых нанесен изолятор, на который нанесены токопроводящие дорожки, начала и концы которых соединены между собой, причем начала подключены к первому выходу ключа, а концы - к его второму выходу, ко входу ключа подключен источник постоянного тока, а к третьему и четвертому выходам ключа подключены излучатели, оптические оси которых совпадают с оптическими осями фотоприемников, выходы которых подключены к первому и второму входам компаратора, и проходят через оптические щели инерционной массы, выполненной в виде прямоугольной пластины, размещенной в зазоре между крышкой и основанием с возможностью линейного перемещения, на которую нанесено покрытие из магнитотвердого материала, намагниченное вдоль ее продольной оси.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена электрокинематическая схема датчика и введены следующие обозначения:
1 - Инерционная масса
2 - Упругие подвесы
3 - Основание
4 - Крышка
5 - Полюсные наконечники
6 - Изолятор
7 - Токопроводящие дорожки
8 - Ключ
9 - Первый излучатель
10 - Второй излучатель
11 - Первая оптическая щель
12 - Вторая оптическая щель
13 - Первый фотоприемник
14 - Второй фотоприемник
15 - Компаратор
16 - Источник постоянного тока
В предлагаемом линейном акселерометре инерционная масса 1 выполнена в виде прямоугольной пластины. Инерционная масса 1 размещена на упругих подвесах 2 в зазоре между крышкой 3 и основанием 4 с возможностью линейного перемещения. Крышка 3 и основание 4 выполнены из магнитомягкого материала и являются магнитопроводами. На крышке 3 и основании 4 расположены полюсные наконечники 5. Торцевые поверхности полюсных наконечников 5 покрыты слоем изолятора 6. На изолятор 6 напылены токопроводящие дорожки 7, начала и концы которых соединены между собой. Начала токопроводящих дорожек 7 подключены к первому выходу ключа 8, а концы - к его второму выходу. К третьему и четвертому выходам ключа 8 подключены излучатели 9, 10, которые расположены в отверстиях, сделанных на крышке 3 по центру. Оптические оси излучателей 9, 10 проходят через оптические щели 11, 12, вытравленные в инерционной массе 1. При этом оптические оси излучателей 9, 10 совпадают с оптическими осями фотоприемников 13, 14, размещенных в отверстиях на основании 4, соответственно. При этом первый и второй входы компаратора 15 соединены с выходами фотоприемников 13, 14, а выход компаратора 15 соединен с первым входом ключа 8. При этом ко второму входу ключа 8 подсоединен источник постоянного тока 16.
Излучатели 11, 12 выполнены, например, на основе серийно выпускаемых светодиодов КИПД80В.
Фотоприемники 13, 14 выполнены, например, на основе серийно выпускаемых фотоприемников МГ-32.
Компаратор 15 выполнен, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (компаратора) 521СА2.
Ключ 8 выполнен, например, на основе серийно выпускаемого транзистора ГТ108.
Источник постоянного тока 16 может быть представлен любой типовой схемой, удовлетворяющей заданным параметрам питания токопроводящих дорожек 7.
Линейный акселерометр работает следующим образом.
Линейный акселерометр устанавливают на объект для измерения линейного ускорения так, чтобы его ось чувствительности совпадала с осью симметрии пластины инерционной массы 1, расположенной на упругих подвесах 2. В исходном состоянии первый излучатель 9 закрыт первой оптической щелью 11, второй излучатель 10 открыт. В результате на выходе первого фотоприемника 13 появляется сигнал, который приводит к срабатыванию компаратора 15. Выходное напряжение компаратора 15 управляет ключом 8, который подключает источник постоянного тока 16 к токопроводящим дорожкам 7. В результате создания магнитного поля токопроводящими дорожками 7 и взаимодействия его с магнитным полем постоянного магнита, нанесенного на инерционную массу 1, возникает сила, действующая на пластину инерционной массы 1, которая в свою очередь перемещается в горизонтальной плоскости, при этом открывается первый излучатель 9, а второй излучатель 10 закрыт второй оптической щелью 12.
Вследствие этого на выходе второго фотоприемника 14 появляется сигнал, а на выходе первого фотоприемника 13 пропадает. Т.к. сигнал второго фотоприемника 14 попадает на компаратор 15, то он срабатывает, его выходное напряжение управляет ключом 8, это приводит к переключению ключом 8 направления тока в токопроводящих дорожках 7. Далее процесс переключений повторяется и пластина инерционной массы 1 совершает автоколебания. Применение ключа 8 и источника постоянного тока 16 позволяет формировать на выходе ключа 8 прямоугольные импульсы тока, постоянные по силе тока и частоте, а значит и автоколебания, постоянные по частоте и амплитуде.
При воздействии на датчик линейного ускорения он работает следующим образом. При наличии ускорения по оси чувствительности датчика на чувствительную массу 1 будет действовать сила Ампера. В результате при линейном движении инерционной массы 1 после переключения компаратором 15 ключа 8 время движения пластины 1 до точки перекрытия второго излучателя 8 и открытия первого излучателя 7 увеличится вследствие того, что на пластину оказывает влияние внешнее воздействие.
Технический результат достигается за счет того, что токопроводящие дорожки напылены на крышке и основании, благодаря чему появляется возможность подведения большего тока в систему, что в свою очередь приводит к увеличению чувствительности линейного акселерометра.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата в силу того, что содержащиеся в данном устройстве инерционная масса, упругие подвесы, две оптические щели, основание, крышка, излучатели, фотоприемники, токопроводящие дорожки, полюсные наконечники, ключ, источник постоянного тока, компаратор, изолятор могут быть использованы для измерения линейного ускорения.
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 линейных 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.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".