УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ УСКОРЕНИЙ

Полезная модель относится к области приборостроения и измерительной техники и может быть использована для измерения импульсных ускорений.
Чувствительным элементом датчиков ускорений является сопряженные между собой груз и упругий элемент. Вторичное преобразование осуществляют оптически или электромагнитным взаимодействием.
В устройстве для измерения виброускорений (патент RU 2454645 МПК C01M 7/02, C01P 15/093, опубл. 27.06.2012) упругим элементом является консольная балка. На конце балки закреплено плоское зеркало, а напротив его неподвижно - волоконно-оптический преобразователь в виде пучка излучающего и приемного световодов, сгруппированного по мозаичной оптической схеме. В описании к патенту не раскрыта процедура юстировки, но следует заметить, что исходное положение балки зависит от широты местности, т.к. направление чувствительности перпендикулярно балке.
Конструкция датчика ускорения (патент R 2247992 МПК G01P 15/02, опубл. 10.03.2005) предусматривает блокирование обратного перемещения груза чувствительного элемента за счет шарикового механизма. Здесь перемещающийся груз испытывает действие постоянного (Кулонова) трения, что снижает точность измерения. Конструкция датчика достаточно сложна и нетехнологична.
В качестве прототипа принят преобразователь инерциальной информации (патент RU 2199755 МПК G01P 15/13, 9/02, опубл. 27.02.2003), который содержит датчик и электронный блок. В корпусе датчика установлен чувствительный элемент, содержащий груз и упругий шарнир. Вторичное преобразование выполнено на основе магнитоэлектрического взаимодействия. Имеется магнитная цепь, составленная постоянным магнитом на неподвижной части и электрической катушкой на подвижной части. Функцию магнитопровода в магнитной цепи выполняет корпус.Дополнительно датчик содержит емкостной вторичный преобразователь. Датчик предполагает компенсационный принцип измерения. Электронный блок рассматриваемого устройства содержит блок питания, два усилителя, один из которых n-каскадный, другой - j-каскадный, мостовую схему, группу резисторов и компенсационную катушку.
Основным недостатком рассматриваемого преобразователя инерциальной информации является его ограниченные функциональные возможности - направление измеряемого параметра (ускорения) только по осевой линии датчика. Этот недостаток характерен также и для аналогов. Прототип не может быть применен для быстроменяющихся процессов по причине большой постоянной времени компенсационного преобразования. Имеется проблема надежности работы электрических выводов с подвижной электрической катушки в динамических условиях.
Техническим результатом предлагаемого решения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения импульсных ускорений.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве для измерения импульсных ускорений, содержащем датчик с чувствительным элементом, составленным грузом и упругим шарниром, с магнитоэлектрическим преобразователем, включающем магнитную цепь с электрической катушкой, постоянным магнитом и магнитопроводом, и электронный блок, электрически соединенный с датчиком, упругий шарнир датчика выполнен в виде растяжки круглого сечения, груз выполнен из магнитопроводного материала цилиндрической формы и закреплен коаксиально на средний части рабочей длины растяжки, магнитная цепь магнитоэлектрического преобразователя составлена из кольцеобразного постоянного магнита осевой намагниченности, расположенного в перпендикулярной растяжке плоскости, магнитопровода шайбообразной формы по одному торцу постоянного магнита и группы магнитопроводов лепестковой формы по его другому торцу с возможностью магнитного взаимодействия с грузом, электрическая катушка выполнена в виде группы катушек, каждая из которых установлена между торцом постоянного магнита и соответствующим магнитопроводом лепестковой формы, при этом в исходном положении груза зазоры между всеми магнитопроводами и грузом одинаковы. В предлагаемом устройстве электронный блок снабжен источником питания с несколькими постоянными напряжениями разного уровня, содержит n входов по количеству электрических катушек датчика, n ограничителей уровня, первые входы которых являются входами электронного блока, а их вторые входы соединены с выходом порогового уровня блока питания, выходы ограничителей уровня подключены к установочным входам соответствующих n входных RS триггеров, прямые выходы последних являются входами n-входового логического элемента ИЛИ, его выход является входом измерителя амплитуды в составе делителя напряжения и m компараторов, каждый выход измерителя амплитуды через RS триггер и шифратор соединен с цифровым табло индикатора, а светодиоды направления последнего подключены к одноименным прямым выходам входных RS триггеров, при этом шина сброса триггеров соединена с соответствующим выходом блока питания через кнопку сброса. В предлагаемом устройстве для измерения импульсных ускорений электронный блок снабжен двумя группами электронных ключей, в первую группу входит один электронный ключ, его первый вход соединен с выходом логического элемента ИЛИ, а выход - со входом измерителя амплитуды, вторая группа из n электронных ключей первыми входами соединена с прямыми выходами входных RS триггеров, а выходами - с одноименными светодиодами индикатора, при этом вторые входы всех электронных ключей соединены с соответствующими выходами блока питания.
На фиг. 1 изображен осевой разрез датчика; на фиг. 2 - разрез A-A по фиг. 1; на фиг. 3 показаны эпюры ЭДС электрических катушек вторичного преобразования; на фиг. 4 приведена функциональная схема электронного блока.
Принятые обозначения
1. Груз
2. Растяжка
3. Корпус
4. Винты
5. Пластина
6. Винты
7. Втулка
8. Мембрана
9. Цанга мембраны
10. Гайка
11. Нижняя цанга
12. Натяжной винт
13. Гайка
14. Защитная (блокирующая) пайка
15. Крышка
16. Винты
17. Постоянный магнит
18. Шайбообразный магнитопровод
19. Электрическая катушка
20. Каркас электрической катушки
21. Магнитопроводы лепестковой формы
22. Немагнитопроводные винты
23. Кроссплата
24. Электрический разъем
25. Ограничители уровня
26. Входные RS-триггеры ограничителей уровня
27. Кнопка сброса
28. Логический элемент ИЛИ
29. Измеритель амплитуды
30. RS-триггеры измерителя амплитуды
31. Шифратор
32. Индикатор
33. Светодиоды индикатора
34. Блок питания
35, 36. Электронные ключи
Устройство для измерения импульсных ускорений состоит из двух блоков - датчика и электронного блока.
Датчик содержит чувствительный элемент (первичный преобразователь) в виде груза 1 цилиндрической формы из магнитопроводного материала, который закреплен зачеканкой в средней части натянутой стальной проволоки круглого сечения - растяжки 2. Монтажной основой датчика является корпус 3 цилиндрической формы, к которому снизу (здесь и далее ориентация чертежа) винтами 4 прикручена пластина 5, а сверху также винтами 6 втулка 7, к которой методом закатки по контуру прикреплена мембрана 8, выполняющая функцию пружины для реализации усилия натяжения растяжки. Крепление концов растяжки цанговое. Верхняя цанга 9 развальцовкой закреплена в центральном отверстии мембраны и имеет гайку 10. Нижняя цанга 11 в нижней части имеет хвостовик квадратного сечения, который входит в аналогичное отверстие пластины 5. Нижняя цанга имеет резьбовое отверстие для натяжного винта 12. Пря этой цанге имеется зажимная гайка 13. Предусмотрена гайка 14, блокирующая нарушение исходной настройки натяжения растяжки винтом 12. Сверху мембрана закрыта крышкой 15. На верхней лицевой плоскости крышки изображен стилизованный круг, по которому в кружках проставлены номера катушек вторичного преобразователя от 1 до n. Крышка крепится винтами 16 в однозначном положении, чтобы радиальные направления на одноименные катушки и номера на крышке совпадали.
Вторичное преобразование датчика индукционного типа. Имеется кольцевой постоянный магнит осевой намагниченности 17, снизу которого размещен шайбообразный магнитопровод 18, а сверху - n электрических катушек 9, намотанных на каркасах 20, и n магнитопроводов 21 лепестковой формы. Перечисленные элементы присоединены к корпусу немагнитопроводными (латунь) винтами 22. Электрические выводы катушек с применением кольцевой кроссплаты 23 подключены к разъему 24. В результате в этой конструкции в исходном состоянии образуется n одинаковых магнитных потоков.
При смещении груза перпендикулярно оси растяжки изменится магнитное сопротивление зазоров, что приведет к изменению магнитных потоков Ф. В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея это приводит к появлению в катушках 16 ЭДС
0
Пренебрегая малым по отношению к зазору магнитным сопротивлением магнитопроводов (µ>>µ) магнитный поток для одного вторичного преобразователя равен
r
где B - индукция остаточного намагничивания магнита 14;
S - сечение зазора;
l - длинна зазора;
0
µ - магнитная проницаемость вакуума. По магнитным свойствам воздух близок к вакууму.
a
Величина зазора пропорциональна ускорению  и боковой жесткости C растяжки
где M - масса груза 1.
Заменим постоянные параметры в формулах (2), (3) обобщенным коэффициентом K, получим
y
a
В соответствии с формулой (4) при импульсном ускорении смещение груза 1 приводят к появлению в катушках ЭДС e по форме близкой к фиг. 3. В момент времени t инерционная сила F=m· будет уравновешена растяжкой
y
и груз остановится. Поскольку в это время импульс ускорения заканчивается, то начинается с t груз будет смещаться под действием упругости деформированной растяжки обратно к положению равновесия. Далее будем наблюдать затухающие колебания груза, а на катушках - затухающую синусоиду ЭДС (на фиг. 3 не показано).
0
Принцип работы электронного блока основан на том, что амплитуда и крутизна фронта положительного импульса ЭДС будут тем больше; чем быстрее уменьшается магнитный зазор. Пусть направление измеряемого ускорения направлено радиально по i-ому магнитопроводу 21. Тогда эпюре ЭДС i-ой катушки 19 будет соответствовать верхняя кривая на фиг. 3. На части других катушек, в цепи которых магнитные зазоры также уменьшаются, амплитуды и крутизны импульсов ЭДС будут меньше. На другой части катушек, в цепи которых магнитные зазоры увеличиваются, ЭДС будет иметь обратный знак. Задав определенный пороговый уровень e по фиг. 3 видим, что первой по времени появится ЭДС i-й катушки.
м
u
м
0
1
m
0
max
max
max
0
i+1
max
i
i+1
i
i+1
i
a
a
Функциональную схему электронного блока составляют n ограничителей уровня 25 ЭДС катушек 19 датчика. Выходы ограничителей подключены к установочным входам входных RS триггеров 26, вторые входы которых образуют шину сброса, управляемую кнопкой 27. Прямые выходы RS триггеров являются входами n-входового логического элемента ИЛИ 28, выход которого соединен с измерителем амплитуды 29, имеющем m выходов. Каждый из выходов измерителя амплитуды через вторые RS триггеры 30 соединен со входами шифратора 31, а выход последнего подключен к цифровому табло индикатора 32. Индикатор кроме цифрового табло содержит изображение круга по типу как на крышке 15 датчика с номерами и светодиодами 33. Светодиоды управляются соответствующими выходами RS триггеров 26. Имеется общий блок питания 34. В конкретной реализации электронного блока может оказаться, что светодиоды 33 индикатора 32 требуют другого уровня питания, чем основные микросхемы U, тогда следует в цепь управления светодиодов включить n электронных ключей 35 и повысить напряжение питания до уровня U. Аналогично для согласования амплитуды ЭДС датчика с уровнем питания измерителя амплитуды 29 следует включить в функциональную схему электронного блока электронный ключ 36, на выходе которого вместо уровня логической единицы U будет уровень U источника питания. Измеритель амплитуды предназначен для выявления максимального (амплитудного) значения измеряемого импульсного ускорения. Имеется делитель R…R из одинаковых резисторов. Опорное напряжение питания делителя выбирают из условия U>>e, где e - максимально возможная ЭДС одной из катушек 19 датчика на верхнем пределе диапазона измерения  рассматриваемого устройства. Число резисторов делителя m определяет шаг дискретности ΔU=U/m выходного сигнала. Имеется m компараторов 29. В соответствии с функцией компаратора на его выходе появятся логическая единица при условии U<e<U, где U и U, соответственно потенциалы относительно общей шины на резисторах R и R.
2
Шифратор 31 электронного блока формирует из логической единицы с выходов RS триггеров 30 цифровой позиционный код для цифрового табло индикатора в соответствии с используемой микросхемой. Например, пусть логической единице на выходе i-го триггера 30 соответствует значение амплитуды ускорения 634 м/с.
0
Работает устройство для измерения импульсных ускорений следующим образом. Устанавливают на объекте исследования датчик устройства таким образом, чтобы неизвестное по амплитуде и направлению ускорение было в плоскости перпендикулярной оси датчика, т.е. в плоскости перпендикулярной растяжке. Измеряемое при этом ускорение смещает груз 1, при этом будут изменяться зазоры между грузом, шайбообразным магнитопроводом 18 и лепестковыми магнитопроводами 21. Изменение зазоров приведет к изменению магнитных потоков постоянного магнита 17, пронизывающих витки электрических катушек 19. В катушках будет индуцироваться ЭДС в соответствии с формулой (1). На части катушек, где зазор уменьшается, ЭДС будет иметь положительный знак, на другой части отрицательный. Максимальный по амплитуде положительный импульс появится на той катушке, при которой зазор уменьшается наиболее быстро. Это радиальное направление и будет направлением действия измеряемого ускорения. Данному импульсу ЭДС соответствует и наибольшая крутизна переднего фронта, следовательно, на некотором уровне e по времени он будет первым - см. фиг. 3.
a
Ограничитель уровня 25 выделит номер этого импульса (номер катушки), а триггер 26 запомнит этот номер. Одновременно все положительные импульсы катушек через разделительные диоды (на фиг. 4 не показаны, т.к. могут входить в состав компаратора 29) поступают на вход измерителя амплитуды 29, точнее на его компаратор. При этом полагаем, что используется положительная логика, т.е. напряжение питания микросхем плюсом. Измеритель амплитуды 29 выделит максимальный уровень амплитуды с принятой дискретностью, определяемой количеством m резисторов его делителя. Этот уровень будет зафиксирован соответствующим триггером 30. Шифратор 31 данного триггера противопоставляет его номеру (от 1 до m) цифровой десятичный код, который отражается на цифровом табло индикатора 32.
Как было отмечено выше, направление действия измеряемого импульса ускорения зафиксировано одним из входных триггеров 26. Потенциал прямого выхода сработавшего входного триггера обеспечит высвечивание этого номера светодиода 33 индикатора 32. Поскольку стилизованный корпус с номерами катушек на крышке 15 датчика соответствует номерам светодиодов 33 индикатора 32, то оператор определяет направление измеряемого импульса ускорения.
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения импульсных ускорений позволяет определить амплитуду и направление ускорения объекта исследований. Конструкция датчика проста и технологична. Электронный блок выполнен на типовых элементах электроники. Эти обстоятельства позволят с минимальными затратами освоить устройство для измерения импульсных ускорений в производстве.