КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР С ОПТИЧЕСКИМ ДАТЧИКОМ УГЛА

Данная полезная модель относится к области приборостроения, в частности, - к компенсационным маятниковым линейным акселерометрам (далее по тексту АК) с упругим подвесом (далее по тексту УП) чувствительного элемента (далее по тексту ЧЭ), и может использоваться при измерении ускорения подвижных объектов.
Известен АК, взятый за аналог, описанный в патенте США №4,649,748 от 17 марта 1987 г.
Акселерометр включает в себя инерционную массу (далее по тексту ИМ), выполненную в виде маятника (далее по тексту маятник), помещенную в герметичный корпус с созданным в нем вакуумом или заполненным инертным газом (например, гелием). Маятник выполнен в виде подвижного стержня, нижняя часть которого связана с помощью УП с пластиной, прикрепленной винтами к базовой плоскости основания. Стержень может поворачиваться на УП вокруг пластины в направлении измерительной оси (далее по тексту ИО) АК.
К стержню маятника прикреплены две подвижные катушки цилиндрической формы. Аксиальные магнитные системы (далее по тексту МС) АК включают в себя магнитопроводы, роль которых выполняют жестко соединенные между собой основание и рамка, изготовленные из магнитомягкого материала, а также постоянные магниты и полюсные наконечники, при этом подвижные катушки находятся в соответствующих зазорах, образованных поверхностями магнитопроводов и полюсных наконечников. Перечисленные элементы вместе с подвижными катушками формируют датчик момента (далее по тексту ДМ) АК. В корпусе, с целью измерения перемещения маятника, установлен датчик угла (далее по тексту ДУ), который состоит из одного источника света и двух приемников света, которые, для обеспечения механической настройки нулевого сигнала ДУ, прижаты к основанию и рамке с помощью плоской пружины. Свободный конец стержня маятника, расположенный между источником света и двумя приемниками света, выполнен в виде тонкой пластины. В одном из вариантов АК тонкая пластина перекрывает часть светового потока от источника света к приемникам света. В другом варианте АК тонкая пластина выполнена с разрезом вдоль оси стержня маятника, который пропускает часть светового потока.
В отсутствие измеряемого ускорения вдоль ИО маятник находится в нейтральном положении, при котором часть светового потока, излучаемого источником света, экранируется поверхностью недвижимого маятника и не попадает в приемники света, а часть - делится равномерно между приемниками света, обеспечивая равные величины потоков, попадающих на оба приемника света. При этом светоприемные поверхности освещаются световыми потоками не полностью, но одинаково, что исключает возможность возникновения напряжения в электрической системе АК. При действии ускорения объекта вдоль ИО возникает момент силы инерции, который отклоняет маятник от его нейтрального положения. В результате этого происходит перераспределение светового потока, попадающего от источника света на приемники света: на один из приемников попадает больший световой поток, чем на второй приемник. Отличие величин световых потоков, попадающих на светоприемные поверхности приемников света, приводит к возникновению напряжения в электрической системе АК. При этом возникает электрический сигнал, пропорциональный смещению маятника, и, следовательно, ускорению объекта. Далее этот сигнал преобразовывается в ток обратной связи, протекающий через катушки ДМ и взаимодействует с полями постоянных магнитов, в результате чего возникает сила обратной связи. Момент этой силы, действующий вокруг оси УП, уравновешивает момент силы инерции измеряемого ускорения и возвращает маятник в нейтральное положение. Величина и направление тока обратной связи позволяют измерять величину и направление ускорения.
Недостатками аналога, что рассматривается, являются:
1) наличие ДМ с двумя аксиальными МС. При необходимости увеличения диапазона измерения АК с таким ДМ требуется увеличение тока обратной связи, который протекает по катушкам маятника (поскольку увеличение длины провода в катушках не позволяет увеличивать диапазон измерения, так как пропорционально возрастает инерционная масса маятника) при максимальном измеряемом ускорении, это приводит к увеличению температурной погрешности коэффициента преобразования (далее по тексту КП) АК вследствие увеличения электрической мощности, которая рассеивается в катушках и нагревает магниты МС;
2) конструкция ДУ обеспечивает невысокую точность механической настройки его нулевого сигнала;
3) малый диапазон перемещений источника света и приемников света относительно неподвижного основания (корпуса) АК не позволяет выполнить механическую настройку нулевого сигнала ДУ в тех случаях, когда имеет место большой угол между осью стержня маятника в нейтральном положении и базовой установочной плоскостью АК.
Известен АК, описанный в патенте US 7,406,868 от 05.08.2008 г., принятый за прототип.
В компенсационном АК с оптическим ДУ, содержащим корпус с базовой установочной поверхностью, с расположенными в нем ЧЭ в виде маятника, выполненным как экранирующий элемент со щелью, датчиком угла, который состоит из источника света и дифференциального приемника света, расположенных друг против друга с размещением экранирующего элемента между ними, датчиком момента, который включает в себя одну магнитную систему и подвижную катушку, установленную на маятнике, электрической системой, и кожухом, герметично связанным с корпусом, новым, по отношению к ранее рассматриваемому аналогу, является то, что:
1) датчик момента состоит из одной МС, установленной на цилиндрическом выступе верхней части корпуса, состоящей из внешнего, внутреннего магнитопроводов и кольцевого магнита, который имеет диаметральную намагниченность вдоль оси маятника АК, при чем ось подвеса маятника лежит в нейтральной плоскости магнита, и катушки, установленной на подвижной пластине маятника и размещенной в зазоре, образованном внешней поверхностью магнита и внутренней поверхностью внешнего магнитопровода.
Использование диаметрально намагниченной МС в сравнении с аксиальной МС позволяет, в случае увеличения диапазона измерения АК, увеличивать количество витков катушки МС без увеличения маятниковости ИМ маятника АК (при этом под маятниковостью ИМ маятника АК понимается произведение массы ИМ на координату ее центра масс вдоль оси маятника от оси УП) и без увеличения тока в катушке ДМ, что позволяет избежать увеличение температурной погрешности КП АК вследствие не возрастания электрической мощности, которая рассеивается в катушке и нагревает магнит МС;
2) источник света и дифференциальный приемник света неподвижно установлены на подвижной вилке.
В нижней части корпуса выполнено резьбовое отверстие для установки в нем упора с резьбой, контактирующего с нижней поверхностью подвижной вилки, на верхней поверхности которой с возможностью выбора люфтов установлены, например, пружины, упирающиеся в козырек, жестко закрепленный на корпусе;
В корпусе выполнены направляющие с возможностью поступательного перемещения по ним вилки в двух направлениях вдоль ИО АК.
Использование подвижной вилки, упора с резьбой, пружин, упирающихся в козырек, и направляющих в корпусе обеспечивает точную механическую настройку нулевого сигнала оптического ДУ и последующую фиксации вилки к корпусу с использованием, например, винтов;
3) в корпусе для регулировки зазора между шторкой и приемником света выполнено резьбовое отверстие для установки в нем фиксатора с эксцентриком в его верхней части и с расположением эксцентрика в проеме неподвижного основания маятника;
ОП
4) в электрическую схему АК для уменьшения его температурных погрешностей путем стабилизации КП ДУ введена дополнительная цепь обратной связи, состоящая из сумматора, два инвертирующих входа которого связаны с выходами соответствующих предварительных усилителей сигналов с дифференциального приемника света, при этом неинвертирующий вход сумматора связан с источником опорного напряжения U, а его выход - со входом регулятора тока источники света.
Данная конструкция АК имеет следующие недостатки:
1) поскольку в АК используется одна МС (нижняя по отношению к пластине ЧЭ) пластина ЧЭ с точки зрения ее конвективного теплообмена находится сверху и снизу в неравных условиях, что может привести к ее температурной деформации в вертикальной плоскости АК, и, соответственно, к вредному перемещению экранирующего элемента ЧЭ вдоль ИО относительно связанных с корпусом площадок дифференциального приемника света ДУ, что вызывает дополнительную температурную погрешность смещения нуля АК;
2) механическое крепление вилки ДУ с источником света и дифференциальным приемником света к корпусу АК при эксплуатации в течение длительного времени и при изменении температуры может ослабнуть, что приведет к вредному перемещению вдоль ИО вилки ДУ, а соответственно и площадок дифференциального приемника света относительно шторки, что вызывает дополнительную температурную и долговременную погрешность смещения нулевого сигнала АК;
3) прижатие основания ЧЭ к корпусу АК трехлепестковой пружинной, создающей радиальное усилие при ее зажатии, приводит к тому, что основание ЧЭ с глубоким разрезом вдоль оси маятника деформируется. Эта деформация основания с глубоким разрезом вызывает возникновение механических напряжений в УП. Долговременная или температурная релаксация этих напряжений приводит к перемещению шторки ЧЭ вдоль ИО, что вызывает дополнительную долговременную или температурную погрешность смещения нулевого сигнала АК;
4) отсутствие ограничителей углового перемещения ЧЭ АК может привести к пластической деформации УП ЧЭ при ударных воздействиях на АК вдоль его ИО в выключенном состоянии, а также во включенном состоянии, если амплитуда ударного воздействия больше верхнего предела диапазона измерения;
5) вредное тепловое воздействие платы электроники электрической схемы, как основного внутреннего источника выделения тепла при работе АК, на ЧЭ и оптический ДУ, приводит к дополнительной температурной погрешности смещения нулевого сигнала АК;
6) использование одной катушки ДМ не позволяет токоподводам к ней придать форму, симметричную относительно выходной оси АК, что не позволяет взаимно скомпенсировать вредные упругие моменты двух деформированных токоподводов, действующие вокруг выходной оси АК и приложенные к подвижной пластине ЧЭ.
В основу полезной модели положена задача усовершенствования компенсационного АК с оптическим ДУ путем увеличения диапазона измерения АК без увеличения его температурных погрешностей, повышения его устойчивости к ударным воздействиям в условиях эксплуатации во включенном и выключенном состоянии, уменьшения дополнительных температурной погрешности смещения нуля и погрешности от долговременной нестабильности смещения нуля.
Поставленная задача решается следующим образом.
В компенсационном акселерометре с оптическим датчиком угла, содержащий корпус с базовой установочной поверхностью, с расположенными в нем чувствительным элементом в виде маятника, состоящего из инерционной массы, выполненной в виде подвижной пластины, упруго прикрепленной к основанию чувствительного элемента, установленной на подвижной пластине катушки и экранирующего элемента, соединенного с подвижной пластиной, со щелью, направленной вдоль оси маятника, датчиком угла, который состоит из источника света и дифференциального приемника света, расположенных друг против друга с размещением экранирующего элемента между ними, датчиком момента, токоподводами к катушке маятника, электрической схемой и кожухом, герметично связанного с корпусом, новым является то, что: на подвижной пластине маятника сверху и снизу укреплены две катушки ДМ, а в ДМ АК применены две диаметрально намагниченные МС, в рабочих зазорах которых расположены катушки, укрепленные на ЧЭ; внутри каждой МС установлены регулируемые ограничители углового перемещения ЧЭ, выполненные, например, в виде винтов, ограничивающие допустимое перемещение ЧЭ; источник света и дифференциальный приемник света неподвижно установлены на корпусе АК, например, с помощью сварного соединения, а настройка нулевого сигнала ДУ производится электрическим способом; основание пластины ЧЭ упруго прижато к платикам корпуса АК, например с помощью плоской трехлепестковой пружины, которая обеспечивает вертикальное (вдоль ИО) приложение усилия поджатия основания пластины ЧЭ к платикам без его радиальных механических деформаций и напряжений; токоподводы к катушкам ДМ расположены в вертикальной плоскости АК, а их форма обеспечивает угловую симметрию вокруг выходной оси ЧЭ; между корпусом с установленными на нем ЧЭ и оптическим ДУ и платой электроники электрической схемы установлен теплозащитный экран.
Предлагаемая конструкция АК позволяет улучшить его эксплуатационные и метрологические характеристики и повысить эффективность его работы при установке на объекте - например, на транспортном средстве.
Конструкцию заявляемого АК поясняют следующие фигуры:
на фиг.1 показан поперечный разрез АК, выполненный вдоль ИО OZ и оси маятника ОХ;
на фиг.2 показан вид А на фиг.1 (без элементов поз.23, поз.29, поз.32, поз.33, поз.34 и МС верхней);
на фиг.3 показан разрез Б-Б на фиг.1;
на фиг.4 показан местный вид В на фиг.2;
на фиг.5 показан местный вид Г на фиг.2;
на фиг.6 показан разрез Д-Д на фиг.2;
на фиг.7 показана конструкция ЧЭ;
на фиг.8 показана функциональная электрическая схема АК.
Акселерометр (фиг.1-7) состоит из корпуса 1, в верхней части которого размещен ЧЭ, состоящий из ИМ, образованной подвижной пластиной 2, укрепленными на ней катушками 3 и 4, и шторкой 5 с щелью 6, выполненной вдоль оси ОХ маятника, неподвижного основания 7 и упругого подвеса 8 пластины 2 ИМ к основанию 7. Катушки 3, 4 с пластиной 2 соединены с помощью стоек 9, 10. Основание ЧЭ 7 упруго прижато к платикам (выступам) 11 верхней части корпуса 1, с помощью винта 12, пружинной шайбы 13 и гайки 14. На корпусе расположен оптический ДУ, который состоит из неподвижно установленных, например с помощью сварки, на корпус друг напротив друга источника света 15 - светодиода (далее по тексту СД), и дифференциального приемника света 16 - двухэлементного фотодиода (далее по тексту ФД) с верхней 17 и нижней 18 приемными площадками. ЧЭ относительно корпуса центрируется штифтом 19, что обеспечивает заданное положение шторки между СД 15 и ФД 16. На корпусе 1 также размещен ДМ АК, который состоит из верхней и нижней МС и катушек 3 и 4. Верхняя МС состоит из кольцевых внутреннего 20, внешнего 21 магнитопроводов и кольцевого магнита 22, установленных на крышке 23. Нижняя МС состоит из кольцевых внутреннего 24, внешнего 25 магнитопроводов и кольцевого магнита 26, установленных на корпусе. Верхняя МС внешним магнитопроводом 21 установлена на внешний магнитопровод 25 нижней МС и прижата к ней винтом 12 и гайкой 27. Магниты 22, 26 имеют одинаково направленную диаметральную намагниченность вдоль оси ОХ ЧЭ, при этом ось подвеса ОУ ЧЭ лежит в нейтральной плоскости магнитов. Катушки 3, 4 расположены в зазорах, образованных внутренними поверхностями внешних магнитопроводов и внешними поверхностями постоянных магнитов верхней и нижней МС. Перемещение подвижной пластины 2 ограничено сверху и снизу ограничителями перемещения, например, винтами 28, перемещением которых вдоль оси OZ устанавливается требуемая величина допустимого перемещения ИМ. Токоподводы 29,30 имеют форму симметричную относительно выходной оси ОУ АК. Верхняя МС и оптический ДУ отделены от платы 31 электроники электрической схемы тепловым экраном 32.
К корпусу 1 крепится кожух 33, который необходим для защиты АК от внешних воздействий. Корпус 1 имеет базовую установочную поверхность C, перпендикулярную ИО OZ.
СТ+
СТ-
Функциональная электрическая схема АК показана на фиг.8. Она состоит из оптического ДУ, источника опорного напряжения 34, формирующего выходные напряжения разной полярности U и U(например, +2.5 B и -2.5 B), переключателя 35 полярности компенсирующего напряжения Uк для настройки смещения нулевого сигнала АК, резисторов 36, 37 настраиваемого делителя напряжения, которые формируют компенсирующее напряжение Uк, корректирующего звена 38 для электрической настройки нулевого сигнала, усилителя мощности (далее по тексту УМ) 39, катушек ДМ 3 и 4, резистора 40, усилителя-фильтра 41. Напряжение Uв - выходное напряжение АК. В состав ДУ входит СД 15, двухэлементный ФД 16, шторка 5 со щелью 6, предварительный усилитель 42 и 43, сумматоры 44 и 45 и регулятор тока 46. Элементы сумматор 44 и регулятор тока 46 выполняют функцию стабилизации КП датчика угла АК аналогично работе прототипа.
Акселерометр работает следующим образом.
ДУ
В
В отсутствие измеряемого ускорения объекта, на котором установлен АК, направленного вдоль оси OZ, ИМ маятникового ЧЭ находится в нейтральном положении. Соответственно в нейтральном положении относительно неподвижных СД 15 и двухэлементного ФД 16 находится шторка 5 со щелью 6. В нейтральном положении, при выполненной настройке нулевого сигнала ДУ, освещенные световым потоком СД 15 площади каждого из светочувствительных элементов 17, 18 двухэлементного ФД 16 одинаковы. Каждый освещенный светочувствительный элемент 17, 18 генерирует электрический фототек, величина которого пропорциональна величине освещенной площади элемента и яркости СД 15. В нейтральном положении ИМ величины этих фототоков одинаковы, соответственно одинаковы и величины напряжений на выходе предварительных усилителей 42 и 43, пропорциональные фототокам. В сумматоре 44 эти напряжения вычитаются, что приводит к равенству нулю выходного напряжения этого сумматора, который является выходным напряжением ДУ U, и, соответственно, к отсутствию выходного сигнала U АК.
При воздействии измеряемого ускорения а вдоль оси OZ инерционная масса маятникового ЧЭ перемещается на угловом подвесе 8 относительно корпуса 1 АК под действием момента силы инерции
И
М=mla,
где ml - маятниковость ИМ ЧЭ АК;
m - масса ИМ;
l - расстояние от оси подвеса ОУ до центра ИМ (фиг.1);
a - ускорение.
ДУ
ДУ
При положительном ускорении, относительно корпуса АК, ИМ перемещается к установочной поверхности C, а при отрицательном - от поверхности С.Соответственно с ИМ перемещается и шторка 5 со щелью 6 на величину Za (фиг.8) относительно светодиода 15 и двухэлементного фотодиода 16. Перемещение шторки 5 приводит к тому, что освещенная СД 15 через щель 6 площадь одного светочувствительного элемента увеличивается, а другого - уменьшается, соответственно меняются и напряжения на выходах предварительных усилителей 42 и 43, которые поступают на входы сумматора 44. На выходе сумматора 44 формируется выходное напряжение ДУ U в виде напряжения постоянного тока, величина которого пропорциональна перемещению Za шторки ИМ, а знак соответствует направлению этого перемещения. Далее выходное напряжение ДУ U проходит через корректирующее звено 38 и УМ 39, выходной ток УМ в виде тока отрицательной обратной связи 1ос подается по токоподводам 29 и 30 на катушки 3 и 4 ДМ, установленные на подвижной пластине ИМ. Протекая по катушкам 3 и 4, ток Iос взаимодействует с полями постоянных магнитов 22 и 26 верхней и нижней МС ДМ и создает вокруг оси подвеса ОУ момент обратной связи Мое (фиг.1), который уравновешивает момент силы инерции измеряемого ускорения и возвращает ИМ в нейтральное положение. Протекающий по резистору 38, ток обратной связи создает напряжение
OC
Uв=IR
OC
где I - ток обратной связи;
R - сопротивление резистора 41.
B
Напряжение U после прохождения усилителя-фильтра 41 является выходным сигналом АК
ДУ
ДУ
Наличие технологических погрешностей изготовления деталей и сборочных единиц АК приводит к тому, что нейтральному положению шторки 5 не соответствует нулевое значение выходного напряжения ДУ U. В прототипе настройка нулевого сигнала ДУ, сводящая к минимуму напряжение U, проводится механическим способом.
КЗ
Поскольку в заявляемом АК светодиод 5 и ФД 16 ДУ неподвижно установлены на корпусе 1 отсутствует возможность механической настройки нулевого сигнала ДУ, то для настройки нулевого сигнала ДУ используется электрический способ, который состоит в том, что на корректирующее звено 38 подается компенсирующее напряжение Uк, такое что напряжение на выходе корректирующего звена 38 U равно нулю при нейтральном положении шторки ЧЭ.
K
КЗ
Для формирования требуемого компенсирующего напряжения Uк, АК устанавливается так, чтобы ИМ его ЧЭ находилась в нейтральном положении. В качестве переключателя 35 полярности компенсирующего напряжения к соответствующим контактам платы электроники 32 электрической схемы припаивается тумблер. Вместо резисторов 36, 37 в качестве делителя напряжения подключается переменный резистор, с движка которого на корректирующее звено 38 поступает компенсирующее напряжение Uк. При помощи тумблера на переменный резистор подается напряжение с полярностью противоположной напряжению иду. Переменным резистором изменяется величика компенсирующего напряжения U, таким образом, чтобы на выходе корректирующего звена 38 получилось напряжение U равное нулю.
Далее вместо переменного резистора подбираются и впаиваются два резистора с номиналами, обеспечивающими такой же коэффициент деления источника опорного напряжения, как и у переменного резистора, а вместо тумблера - перемычка, замыкающая соответствующие контакты платы.
Отличия в работе АК, который заявляется, от прототипа объясняет фиг.1
Работа АК физически аналогична работе прототипа, при этом применение второй (верхней) магнитной системы обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:
1) позволяет в два раза увеличить момент обратной связи, создаваемый ДМ, и соответственно, в два раза диапазон измерения АК при одинаковом токе обратной связи;
2) при одинаковом с прототипом измеряемом ускорении позволяет в два раза уменьшить ток обратной связи, а также, поскольку рассеиваемая тепловая мощность катушки квадратично зависит от силы тока в катушке, уменьшить в 4 раза рассеиваемую в виде тепла электрическую мощность каждой из двух катушек ДМ, и, соответственно уменьшить в 4 раза дополнительную температурную погрешность КП АК от перегрева магнитов ДМ собственным током обратной связи;
Использование двух МС расположенных снизу и сверху пластины ЧЭ, а также установка основания ЧЭ на платики 11 (минимизируется контакт пластины ЧЭ с металлическим корпусом АК (температура корпуса, контактирующего с наружными теплоотводящими предметами, всегда отличается от температуры воздуха (газа) внутри АК)) позволяет обеспечить равные условия, с точки зрения ее конвективного теплообмена с окружающим воздухом, сверху и снизу, что обеспечивает одинаковость температур ее верхней и нижней поверхностей, что исключает ее температурную деформацию в вертикальной плоскости АК, приводящую к вредному перемещению шторки ЧЭ вдоль ИО АК относительно жестко связанных с корпусом площадок 17 и 18 ФД 16 ДУ, и, соответственно уменьшает дополнительную температурную погрешность смещения нулевого сигнала АК.
Тепловой экран 32 изолирует верхнюю область АК с расположенной в ней платой 31 электроники электрической схемы от нижней области с расположенными в ней ДМ и ДУ, причем тепловой баланс верхней области с окружающей средой происходит через верхнюю часть кожуха 33 АК, что позволяет уменьшить тепловое влияние платы 31 электроники электрической схемы на ДУ и ДМ, и соответственно уменьшить дополнительную температурную погрешность нулевого сигнала и КП АК.
Использование регулируемых ограничителей углового перемещения ЧЭ относительно УП в виде винтов 28, установленных в верхней и нижней МС, ограничивает допустимое угловое перемещение малой величиной (например ±0,05…0,1 мм), исключающей пластическую деформацию УП при ударных воздействиях на АК, особенно в выключенном состоянии. Это обеспечивает стабильность смещение нуля при механических и ударных воздействиях.
Прижатие основания ЧЭ к платикам 11 корпуса 1 АК пружиной, например трехлепестковой шайбой 13, и жесткое крепление пружины к корпусу винтом 12 с гайкой 14, обеспечивает вертикальное (вдоль ИО) приложение усилия прижатия, практически исключающее радиальные механические деформации и напряжения в основании 2, долговременная релаксация которых могла бы приводить к перемещению шторки ЧЭ вдоль ИО АК, вызывающему возникновение погрешности от долговременной или температурной нестабильности смещения нуля АК;
Использование двух идентичных токоподводов, расположенных в вертикальной плоскости симметрично относительно выходной оси ОУ ЧЭ АК, обеспечивает взаимную компенсацию упругих моментов деформации токоподводов при сборке АК, а также моментов возникающих в токоподводах под воздействием температуры. Моменты, создаваемые каждым токоподводом вокруг выходной оси ОУ ЧЭ АК практически равны по величине и противоположны по знаку, что существенно уменьшает тяжение ЧЭ со стороны токоподводов. В результате этого существенно уменьшаются дополнительная погрешность смещения нулевого сигнала от долговременной или температурной нестабильности АК, вызванной тяжением ЧЭ со стороны токоподводов;
Все заявленные в полезной модели технические решения подтверждены результатами экспериментальных исследований и испытаний АК, в котором они реализованы.