КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МАЯТНИКОВЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
COMPENSATION-TYPE PENDULUM ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения линейных ускорений - к компенсационным маятниковым акселерометрам (КМА), в которых реагирующий на ускорение маятниковый чувствительный элемент удерживается в нейтральном положении системой отрицательной обратной связи.
Из уровня техники широко известны различные типы акселерометров, которые различаются как по принципу действия, так и по точностным и массогабаритным характеристикам. Наиболее высокими характеристиками обладают гироскопические и маятниковые акселерометры.
Например, в патентах "Honeywell", "Litton" описаны гироскопические акселерометры, высокая точность которых объясняется использованием гироскопического эффекта при выбранной величине кинетического момента. В патенте RU 2097701 описан один из вариантов реализации такого акселерометра. Вышеперечисленные акселерометры помимо достоинств, связанных с высокой точностью, имеют и ряд недостатков, связанных со сложностью конструктивного решения, большим весом, габаритами и потребляемой энергией.
Среди маятниковых акселерометров, обладающих высокими точностными характеристиками, можно отметить акселерометры, использующие в качестве подвеса подвижной части магнитный и упругий подвесы, которые обладают, по сравнению с другими типами подвесов, существенным преимуществом, а именно отсутствием сухого трения, ограничивающего порог чувствительности акселерометра.
Однако акселерометры с магнитным подвесом обладают значительными габаритами и весом, поэтому создание малогабаритного, точного и технологически простого акселерометра невозможно с применением такого подвеса.
Создание малогабаритного акселерометра возможно только на упругом подвесе, поскольку такой подвес не потребляет энергии, имеет малые вес и габариты. Кроме того, он не имеет сухого трения, но обладает значительной величиной упругого момента, который является основной причиной нестабильности аддитивной составляющей погрешности акселерометра.
Одним из близких зарубежных аналогов является маятниковый компенсационный акселерометр типа "Q-flex" [патент US 3702073 (1972 г. )], где используется кварцевый подвес подвижной части. За отечественный аналог устройства такого типа может быть взят акселерометр, описанный в одном из патентов [RU 2307359 (2006 г. )]. Чувствительный элемент прибора включает в себя упругий подвес, на котором закреплен маятник с катушками датчика момента. Постоянные магниты с полюсными наконечниками крепятся к магнитопроводу. Внутренняя поверхность неподвижных пластин и наружные поверхности подвижной пластины служат емкостным датчиком положения. Маятник представляет собой кварцевую пластину в форме диска с незамкнутой кольцевой прорезью. Перемычка между диском и кольцевой опорой является упругим элементом системы подвеса. На поверхности диска напылением в вакууме наносятся пленочные поверхности дифференциального емкостного датчика угла и установлены катушки магнитоэлектрического датчика момента (МДМ). Недостатком является сложность изготовления подвеса из плавленого кварца, требующего специального производства. Кроме того, использование емкостного датчика угла обуславливает высокие требования к технологии изготовления акселерометра (сложность сборки, регулировки, высокая чистота помещений и т.д.). Это вызвано тем, что для обеспечения достаточной крутизны характеристики емкостного датчика угла необходимо обеспечить малые зазоры между его подвижной и неподвижной пластинами (порядка 20 мкм).
-7
Известен способ вывешивания подвижной части приборов различного назначения на металлических растяжках [Б.А. Асс, Н.М. Жукова, Детали и узлы авиационных приборов и их расчет, ОБОРОНГИЗ, Москва 1960, с. 285-288)]. Растяжка представляет собой тонкую пружину круглого или плоского сечения, растянутую в корпусе прибора. На растяжке закреплена подвижная часть, которая имеет степень свободы по углу поворота вокруг оси растяжки. Осевая и радиальная жесткость подвеса обеспечиваются усилием натяга растяжки. Акселерометры с таким подвесом обладают несомненными преимуществами по сравнению с акселерометром типа "Q-flex". Одним из преимуществ является возможность обеспечить достаточную прочность и жесткость подвеса при меньших упругих моментах. Соответственно, обеспечивается высокая точность и малый порог чувствительности (K g) - на 2 порядка меньше, чем у акселерометров на кварцевом подвесе. К недостаткам такого подвеса стоит отнести сложность конструирования подвижной части с малой массой с целью обеспечить радиальную жесткость и прочность подвеса в условиях линейных, ударных и вибрационных перегрузок. Именно поэтому упругий подвес на растяжках нашел успешное применение в жидкостных приборах, где необходимый диапазон измеряемых ускорений, ударовиброустойчивость и надежность обеспечиваются заполнением объема прибора кремнийорганической жидкостью. Жидкость обеспечивает компенсацию веса подвижной части и необходимое демпфирование угловых и линейных перемещений. Это приводит к усложнению технологии изготовления, увеличению габаритов за счет сильфона и взвешивающих поплавков и к температурному ограничению использования в области низких температур.
Известно также, что в конструкции некоторых акселерометров источником дополнительных погрешностей являются токоподводы, а их наличие увеличивает вес и габариты, ухудшает технологичность прибора. У малогабаритных акселерометров, имеющих малый неуравновешенный момент, относительный вес погрешностей за счет уводящих моментов токоподводов возрастает. В ряде акселерометров на кварцевом подвесе подвод питания к катушкам датчика момента и к подвижной пластине емкостного датчика положения осуществляется с помощью напыления на упругие перемычки тонкого слоя золота. Такое конструктивное решение позволяет отказаться от токоподводов, но требует весьма высокой культуры производства и искажает свойства упругого элемента, не исключая появления уводящих моментов. Применение металлических растяжек с малым удельным электрическим сопротивлением позволяет использовать их в качестве токоподводов к обмоткам датчика момента без ухудшения упругих характеристик подвеса и, таким образом, уменьшить погрешности прибора.
В качестве элемента, регистрирующего перемещения подвижной части, в акселерометрах находят применение фотоэлектрические датчики угла. Аналог рассматриваемого акселерометра на упругом подвесе с применением фотоэлектрического датчика угла описывается в одном из отечественных изобретений [а.с. СССР №901915 (1980 г. )].
Применение фотоэлектрического датчика угла позволяет снять жесткие ограничения по зазорам, необходимые для емкостного датчика. Вместо требуемых в емкостном датчике зазоров в 20 мкм в фотоэлектрическом датчике зазоры могут достигать 1000 мкм, что резко повышает технологичность акселерометра и не требует специальных помещений для его производства. Зазоры в датчике момента составляют 400-500 мкм.
За прототип предлагаемого малогабаритного акселерометра был принят прибор [патент RU 2291450 (2005 г. )], где раскрыто устройство акселерометра на упругом кремниевом подвесе. Данный акселерометр содержит корпус, в котором размещены: маятниковый пластинчатый чувствительный элемент (МЧЭ); упругий подвес МЧЭ из монокристаллического кремния, упругие элементы которого работают на кручение; дифференциальный МДМ плунжерного типа в составе двух магнитных систем, каждая из которых закреплена в корпусе и содержит магнитопровод, постоянный магнит, полюсный наконечник, и двух катушек, закрепленных на МЧЭ, каждая из которых расположена в зазоре соответствующей магнитной системы; датчик угла перемещения МЧЭ емкостного типа; гибкие токоподводы, соединяющие выход усилителя обратной связи с катушками датчика момента; компенсационный усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, а выход - с катушками датчика момента.
МЧЭ и упругий подвес выполнены из одной заготовки монокристаллического кремния. На внутренней поверхности неподвижных пластин и на наружных поверхностях подвижной пластины нанесены металлизированные пленки, которые служат обкладками емкостного датчика положения. Преимуществом этого акселерометра, по сравнению с кварцевым, является большая технологичность производства в силу отсутствия специального производства подвеса, так как заготовки из кремния широко используются в электронной промышленности.
-5
Однако недостаток, связанный с малыми зазорами емкостного датчика угла, остается. Кроме того, кремниевый подвес является достаточно хрупким элементом и для надежной работы он должен обладать значительной толщиной, что обуславливает уменьшение точности с увеличением порога чувствительности до 10g, а следовательно, уменьшается динамический диапазон измеряемых ускорений. Также сложно обеспечить стабильность толщины подвеса и соответственно его жесткости, что приводит к нестабильности смещения нуля и существенно снижает точность прибора в целом.
Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритного КМА, конструктивное выполнение которого позволит повысить технологичность изготовления, увеличить динамический диапазон измерения, а также обеспечить малую величину и высокую стабильность смещения нуля прибора, малый порог чувствительности и, при этом, обеспечить надежность в условиях механических воздействий.
Технический результат достигается тем, что в КМА на упругом подвесе, содержащем корпус, в котором размещены: подвижная часть - МЧЭ, содержащий узлы крепления упругого подвеса; модулятор светового потока светодиода датчика угла и изоляторы для монтажа выводных концов катушек датчика момента и концов растяжек упругого подвеса; упругий подвес, посредством которого МЧЭ связан с корпусом; датчик угла; дифференциальный МДМ плунжерного типа, содержащий две магнитные системы, соосно размещенные по обе стороны от МЧЭ, каждая из которых закреплена в корпусе и содержит магнитопровод, постоянный магнит, полюсный наконечник и две катушки, закрепленные на МЧЭ, каждая из которых расположена в зазоре соответствующей магнитной системы; компенсационный усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, а выход через растяжки-токоподводы соединен с катушками датчика момента, согласно изобретению применены: фотоэлектрический датчик угла перемещения МЧЭ, применение которого позволяет снять жесткие ограничения по зазорам между подвижной частью и неподвижными элементами конструкции и, таким образом, значительно повысить технологичность акселерометра; упругий подвес, состоящий из двух соосно расположенных растяжек с прямоугольным сечением, закрепленных в МЧЭ и в корпусе, и устройства для выставки и крепления растяжек, причем растяжки установлены так, чтобы их большая сторона сечения была параллельна продольной оси катушек датчика момента. Растяжки одновременно являются токоподводами к выводам катушек датчика момента и не вносят дополнительных упругих связей МЧЭ и корпуса, не ухудшая механических свойств подвеса.
Предпочтительно, чтобы использовалось устройство крепления растяжек (УК), в котором растяжки зажимаются одной или двумя прижимными планками, после чего устройство устанавливается вместе с растяжками в конструкцию МЧЭ или в корпус через электроизоляционную прокладку, или на устройство наносится электроизоляционное покрытие и для обеспечения жесткости крепления в состав узла входит жесткое кольцо, ограничивающее деформацию элементов конструкции.
Полезно, чтобы УК в корпусе было выполнено в виде упругого элемента, стабилизирующего натяг растяжек и выполняющего роль амортизатора при механических воздействиях.
Целесообразно, чтобы была возможность поворота УК в корпусе вокруг оси подвеса для регулировки угла закрутки растяжек и, соответственно, для уменьшения величины и нестабильности смещения нуля прибора.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает КМА (продольный и поперечный разрезы),
Фиг. 2 изображает вариант УК (частичный вырыв),
Фиг. 3 - вариант УК (частичный вырыв),
Фиг. 4 - вариант УК (частичный вырыв),
Фиг. 5 - вариант УК (частичный вырыв),
Фиг. 6 - устройство внешнего поворота УК (частичный вырыв).
КМА состоит из корпуса 1 (Фиг. 1), маятникового пластинчатого чувствительного элемента 2, магнитопровода 3 МДМ, постоянных магнитов 4 МДМ, двух катушек 5 МДМ, датчика угла перемещения 6, растяжек 7, устройства крепления растяжек 8, упорных винтов 9, компенсационного усилителя 10. При действии измеряемого ускорения МЧЭ отклоняется на некоторый угол, модулятор, являющийся частью МЧЭ, изменяет засветку фотодиода датчика угла светодиодом и соответствующий разностный ток после преобразования компенсационным усилителем в постоянный ток обратной связи поступает в две катушки МДМ, установленные на МЧЭ и находящиеся в рабочем зазоре магнитопровода в поле постоянных магнитов. При этом ток обратной связи, протекающий в обмотках МДМ, прямо пропорционален действующему ускорению. Перемещение МЧЭ ограничено упорными винтами магнитопровода МДМ, расположенными в его центральной части и выполненными из магнитомягкого материала для увеличения магнитной проводимости магнитопровода МДМ. Положение ограничителей относительно подвижной части может регулироваться и фиксироваться контргайкой. Применение магнитов из сплава ЮНДК позволяет обеспечить высокую долговременную стабильность масштабного коэффициента и малую величину температурной зависимости акселерометра. Применение магнитов с высокой магнитной энергией из редкоземельных материалов NiFeB, CoSm позволяет значительно уменьшить габариты, получить меньший коэффициент преобразования акселерометра с целью увеличения диапазона измерения и повысить коэффициент демпфирования.
Согласно изобретению, в корпусе акселерометра установлен фотоэлектрический датчик угла перемещения МЧЭ, представляющий собой установленные в один жесткий корпус излучающий инфракрасный светодиод и бифотодиод, между которыми расположен модулятор светового потока.
Упругий подвес состоит из двух соосно расположенных металлических растяжек с прямоугольным сечением, закрепленных в МЧЭ и в корпусе. Растяжки выполнены из платино-серебряного сплава, который имеет стабильные физико-механические свойства, малый удельный противодействующий момент, малое удельное электрическое сопротивление и хорошо поддается пайке, что позволяет использовать их в качестве токоподводов к выводам катушек датчика момента.
Малая величина поперечного сечения растяжки при наличии дополнительных напряжений в сечении от усилия натяга ставит вопрос об ударовибропрочности акселерометра.
Для компенсации этого недостатка растяжки с прямоугольным неравножестким поперечным сечением расположены так, чтобы их большая сторона поперечного сечения была параллельна продольной оси катушек датчика момента. При таком расположении растяжка имеет максимальную прочность к действию перекрестных ударных ускорений в направлении оси маятника и оси подвеса, т.к. имеет максимальную податливость в направлении оси маятника. Принцип функционирования маятникового акселерометра предполагает смещение центра масс МЧЭ относительно подвеса с целью задания определенной величины маятниковости mg1. Поэтому при механических воздействиях вдоль измерительной оси значительная часть инерциальных воздействий на подвес может быть скомпенсирована силовым действием подвижных катушек магнитоэлектрического датчика момента. Эффективность такой компенсации определяется центромассовыми характеристиками МЧЭ (компенсация максимальна при условии совмещения центра масс МЧЭ с осью действия силы МДМ) и коэффициентом усиления системы обратной связи (статическим и динамическим). В связи с этим выгодно, чтобы МЧЭ был сконструирован с учетом максимального приближения ее центра тяжести к оси приложения силы, развиваемой подвижными катушками МДМ.
Возможен вариант (Фиг. 2), когда УК в МЧЭ 2 (корпусе 1) представляет собой зажим, где растяжка 7 прижимается к МЧЭ (корпусу) планкой 11 с помощью двух винтов 12. Эта конструкция содержит минимальное количество деталей, позволяет обеспечить минимальную массу МЧЭ, исключить влияние операции пайки концов подвеса на надежность заделки и исключить выскальзывание растяжки из УК при действии механических нагрузок, что обеспечивает стабильность положения измерительной оси, а следовательно, высокую точность акселерометра. УК изолировано от МЧЭ нанесением электроизоляционного покрытия на прижимные поверхности деталей крепления, что делает возможным использование растяжки в качестве токоподводов.
Может быть предложен вариант крепления растяжки (Фиг. 3), предусматривающий наличие в МЧЭ 2 (корпусе 1) паза, в котором растяжка 7 прижимается планкой 11 с помощью винта 12.
Возможен еще один вариант выполнения УК (Фиг. 4), когда в пазу МЧЭ 2 (корпуса 1) растяжка 7 зажимается прижимной планкой 11 с помощью винта 12 и для увеличения жесткости крепления на УК надевается кольцо 13, препятствующее расхождению паза.
Может быть предложен еще один вариант (Фиг. 5), при котором для обеспечения большего сопротивления изоляции растяжки от конструкции МЧЭ 2 (корпуса 1) растяжка 7 с помощью винта 12 зажимается в пазу МЧЭ (корпуса) между двумя прижимными планками 11. На планки наносится электроизоляционное покрытие, на УК надевается кольцо 13, препятствующее расхождению паза.
Возможно такое исполнение УК в корпусе, при котором оно для обеспечения стабильности усилия натяга растяжек выполнено в виде упругих элементов (мембран) 14 (Фиг. 6). Для обеспечения минимальной величины аддитивной составляющей погрешности акселерометра и ее стабильности, определяемой упругим моментом растяжки, и для выставки больших сторон поперечного сечения растяжек параллельно продольной оси катушек датчика момента, в конструкции предусмотрена регулировка угла закрутки растяжек поворотом устройства крепления. Для этого во втулках 15, 16 (Фиг. 6) винтами 12 зажата упругая мембрана 14, в которой заделана растяжка 7. Эта сборка, в свою очередь, установлена в корпус прибора. Посадка мембраны во втулках 15, 16 или втулки 15 в корпусе обеспечивает стабильность положения оси подвеса относительно базовых элементов акселерометра и обеспечивает возможность поворота УК вокруг оси подвеса. Упругая мембрана УК электрически изолирована от корпуса прокладками из электроизоляционного материала 17 или нанесением на детали электроизоляционного покрытия, что позволяет использовать растяжки в качестве токоподводов.
Еще один вариант исполнения акселерометра предусматривает возможность перемещения фотоэлектрического датчика угла в направлении измерительной оси для выставки положения измерительной оси относительно базовых поверхностей и положения катушек датчика момента относительно магнитных систем с целью уменьшения погрешностей прибора. Для этого отверстия в корпусе датчика угла для винтов крепления имеют вытянутую форму.
Подвижная часть, вывешенная на растяжке, представляет собой механическую колебательную систему с несколькими степенями свободы. Поэтому еще одним важным направлением повышения ударовиброустойчивости и ударовибропрочности конструкции с упругим подвесом на растяжке является увеличение коэффициента демпфирования, определяющего степень затухания колебательных процессов, возникающих в такой системе при внешних механических воздействиях. Увеличение коэффициента демпфирования позволяет улучшить и динамические характеристики прибора. В прототипе эта задача решается посредством воздушного демпфера, реализованного в виде подвижной внутренней и неподвижных внешних обкладок емкостного датчика угла, разделенных малым воздушным зазором. Эффективность такого демпфирования определяется именно малым зазором, который определяет недостатки прототипа. Поэтому в предлагаемой конструкции может быть применен электромагнитный демпфер, основанный на принципе торможения электропроводящей подвижной части при ее перемещении в магнитном поле постоянного магнита датчика момента. Эффективность демпфирования определяется сечением пронизываемого магнитным полем подвижного проводника, удельным электрическим сопротивлением материала проводника и величиной магнитной индукции постоянного магнитного поля. Возможен вариант исполнения конструкции катушек датчика момента, в котором для увеличения демпфирования обмотка катушек наматывается на каркас из материала с высокой электропроводностью, при этом каркас является дополнительным подвижным проводником. Постоянные магниты из сплава с высокой магнитной энергией позволяют получить приемлемый уровень демпфирования.
Может быть реализован вариант исполнения упругого подвеса повышенной прочности с увеличенной степенью неравножесткости, который представляет собой две или несколько пар соосных растяжек, установленных параллельно в одной плоскости, совпадающей с большей стороной сечения, с зазором относительно друг друга и закрепленных одновременно в узлах крепления МЧЭ с корпусом.
Может быть реализован вариант исполнения упругого подвеса, имеющий повышенную прочность и радиальную жесткость, при котором подвес составлен из двух или более пар соосных растяжек, уложенных параллельно большими сторонами поперечного сечения друг на друга и зажатых таким пакетом в узлах крепления МЧЭ с корпусом.
Предложенный акселерометр обладает повышенной технологичностью в производстве, высокой точностью, ударовибропрочностью, ударовиброустойчивостью, малым весом, габаритами и потребляемой энергией.
Таким образом, предложен КМА, содержащий корпус, в котором размещены: МЧЭ и упругий подвес, посредством которого МЧЭ связан с корпусом; магнитоэлектрический датчик момента; фотоэлектрический датчик угла перемещения МЧЭ; компенсационный усилитель.
В конструкции КМА применены: фотоэлектрический датчик угла; упругий подвес, состоящий из двух соосно расположенных металлических растяжек с прямоугольным поперечным сечением, закрепленных в МЧЭ и в корпусе, являющихся токоподводами к выводам катушек МДМ, при этом обе растяжки установлены так, чтобы их большая сторона сечения была параллельна продольной оси катушек МДМ.
При этом возможно исполнение КМА с УК в виде одной или двух прижимных планок, в состав УК входит жесткое кольцо, ограничивающее деформацию элементов конструкции при зажиме растяжек, при этом УК установлено в корпус и в МЧЭ либо через электроизоляционную прокладку, либо через электроизоляционное покрытие, нанесенное на УК.
Также УК может быть выполнено в виде упругого элемента, задающего усилие натяга растяжек в направлении оси подвеса, либо с возможностью регулировки своего положения поворотом вокруг оси подвеса относительно корпуса и МЧЭ.
Техническим результатом является создание малогабаритного КМА, конструктивное выполнение которого позволит повысить технологичность изготовления, увеличить динамический диапазон измерения, а также обеспечить малую величину и высокую стабильность смещения нуля прибора, малый порог чувствительности и, при этом, обеспечить надежность в условиях механических воздействий.