ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ
LINEAR ACCELERATOR SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники для измерений линейного ускорения.
3
Известен частотный датчик ускорения [а.с. СССР №1000916, МПКG01P 15/00, опубликовано 28.02.1983 г.], содержащий рамочный корпус, внутри которого размещены основная инерционная масса (груз), соединенная через упругий подвес с рамочным корпусом, балочный резонатор, соединенный с одной стороны с инерционным грузом, а с другой стороны с рамочным корпусом, систему возбуждения и съема сигнала. Причем перемещение основной инерционной массы ограничивают упоры. При этом частотный датчик ускорений снабжен дополнительной инерционной массой, подвешенной на упругом подвесе, выполненном в виде плоскопараллельных пружин, по одну из сторон резонатора соосно с основной массой, при этом инерционные массы, жесткость упоров и жесткость пружин подвеса дополнительной массы связаны соотношением
Д
где m - величина дополнительной инерционной массы;
И
m - величина основной инерционной массы;
Д
С - жесткость пружин подвеса дополнительной инерционной массы;
У
С - жесткость упоров.
Недостатком данного частотного датчика ускорения является низкая добротность колебаний балочного резонатора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является частотный датчик линейных ускорений [п. РФ №2436106, МПК (2006.01) G01P 15/097, опубликовано 10.12.2011 г.], содержащий основание, рамочный корпус, внутри которого размещены инерционный груз, соединенный через упругий подвес с рамочным корпусом, балочный резонатор, соединенный с одной стороны с инерционным грузом, а с другой стороны с рамочным корпусом, систему возбуждения и съема сигнала, расположенную на основании, в котором выполнены пазы, образующие плоские пружины и разделяющие основание на две составные части, соединенные между собой плоскими пружинами, причем одна часть выступами прикреплена к рамочному корпусу, а другая - к объекту, и герметичный кожух, закрепленный на основании.
Недостатком данного частотного датчика линейных ускорений является неограниченное перемещение инерционного груза, что приводит к повреждению балочного резонатора при ускорении, превышающем рабочий диапазон.
Данный частотный датчик линейных ускорений принимается за прототип как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому.
Рассмотренные выше датчики ускорений позволяют измерять ускорение в направлении оси чувствительности с частотным выходным сигналом, но не дают возможности подавления постоянной составляющей (помехи) выходного сигнала на частотах, отличных от резонансных, что снижает точность измерения ускорения объекта.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение точности и надежности измерения линейного ускорения.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в подавлении постоянной составляющей выходного сигнала на частотах, отличных от резонансной, без изменения габаритных характеристик датчика линейных ускорений.
Указанный технический результат достигается тем, что датчик линейных ускорений содержит основание, рамочный корпус, внутри которого размещены инерционный груз, соединенный через упругий подвес с рамочным корпусом, балочный резонатор, соединенный с одной стороны с инерционным грузом, а с другой стороны с рамочным корпусом, систему возбуждения и съема сигнала, содержащую электромагниты возбуждения и съема колебаний и расположенную на основании, в котором выполнены пазы, образующие плоские пружины и разделяющие основание на две составные части, соединенные между собой плоскими пружинами, причем одна часть выступами прикреплена к рамочному корпусу, а другая - к объекту, и герметичный кожух, закрепленный на основании. Согласно изобретению датчик линейных ускорений снабжен системой компенсации фона выходного сигнала, состоящей из поляризованных электромагнитов, расположенных с зазором напротив друг друга, один из них и электромагнит возбуждения колебаний подключены параллельно, а другой и электромагнит съема колебаний подключены последовательно, причем система компенсации фона выходного сигнала расположена на основании внутри герметичного кожуха.
Введение в конструкцию предлагаемого датчика системы компенсации фона выходного сигнала, состоящей из двух поляризованных электромагнитов, которые расположены с определенным зазором напротив друг друга на основании внутри датчика линейных ускорений, и при этом один из электромагнитов электрически подключен параллельно с электромагнитом возбуждения колебаний, а второй электромагнит последовательно с электромагнитом съема колебаний, совместно с признаками, общими с прототипом, обеспечивает значительное подавление постоянной составляющей выходного сигнала датчика на частотах, отличных от резонансной, за счет сложения сигнала переменного напряжения с электромагнита съема колебаний и сигнала с электромагнита системы компенсации фона. При колебаниях балочного резонатора на частотах, близких к резонансу, происходит фазовый сдвиг сигнала, снимаемого с электромагнита съема колебаний, тем самым выходной сигнал не будет подавляться, а будет четко определяться максимальное напряжение, соответствующее резонансу.
Таким образом, увеличивая отношение «сигнал-шум», осуществляется увеличение точности и надежности датчика без изменения габаритных размеров.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
фиг. 1 - конструкция рамочного корпуса;
фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1, продольное сечение датчика линейных ускорений;
фиг. 3 - вид Б фиг. 2, конструкция системы компенсации фона выходного сигнала;
фиг. 4 - электрическая схема соединения электромагнитов системы компенсации фона выходного сигнала с электромагнитами системы возбуждения и съема сигнала.
Датчик линейных ускорений содержит основание 1 с закрепленным рамочным корпусом 2. В центральном отверстии рамочного корпуса 2 размещены инерционный груз 3, балочный резонатор 4 и система возбуждения и съема сигнала. Инерционный груз 3 через упругий подвес, выполненный в виде плоскопараллельных пружин 5, соединен с рамочным корпусом 2. Балочный резонатор 4 соединен с одной стороны с инерционным грузом 3, а с другой - с рамочным корпусом 2. Система возбуждения и съема сигнала состоит из электромагнита возбуждения колебаний 6 и электромагнита съема колебаний 7, между которыми расположен балочный резонатор 4, и расположена на основании 1 (фиг. 1, 2).
В основании 1 выполнены пазы, заполненные демпфирующим материалом, образующие плоские пружины 8 и разделяющие основание 1 на две составные части - стойку 9 и внешнюю П-образную раму 10. Стойка 9 оснащена выступами 11, которыми она крепится к объекту 12. А внешняя П-образная рама 10, оснащенная выступами 13, крепится к рамочному корпусу 2. Плоские пружины 8 создают развязку мест крепления балочного резонатора 4 от мест крепления датчика к объекту 12 (фиг. 1).
Для защиты внутренних компонентов от внешних механических воздействий датчик линейных ускорений содержит герметичный кожух 15, закрепленный на основании 1.
На П-образной раме 10 с противоположной стороны от места крепления рамочного корпуса 2 расположена система компенсации фона выходного сигнала, состоящая из двух поляризованных электромагнитов 16, закрепленных с зазором напротив друг друга. Один из электромагнитов 16 и электромагнит возбуждения колебаний 6 подключены параллельно, а второй электромагнит 16 и электромагнит съема колебаний 7 подключены последовательно (фиг. 3, 4).
Работает устройство следующим образом.
На электромагнит возбуждения 6 подается переменное напряжение, создающее переменное магнитное поле, которое вызовет колебания балочного резонатора 4, приводящие к изменению зазора между электромагнитом съема колебаний 7 и балочным резонатором 4. Изменение зазора приведет к наведению ЭДС в катушке электромагнита съема колебаний 7, которая по амплитуде будет пропорциональна амплитуде колебаний резонатора 4, а по частоте будет равна частоте колебаний резонатора 4. При совпадении частоты питающего напряжения с собственной частотой колебаний резонатора 4 в системе возникает резонанс, который характеризуется увеличением амплитуды колебаний резонатора 4 и, соответственно, значительным ростом ЭДС, наводимой в электромагните съема колебаний 7.
Значительное подавление постоянной составляющей выходного сигнала на частотах, отличных от резонансных, обеспечивается сложением сигнала переменного напряжения с электромагнита съема колебаний 7 и сигнала с электромагнита 16 системы компенсации фона. При колебаниях балочного резонатора 4 на частотах, близких к резонансу, происходит фазовый сдвиг сигнала, снимаемого с электромагнита съема колебаний 7, тем самым выходной сигнал не будет подавляться, а будет четко определяться максимальное напряжение, соответствующее резонансу.
При линейном ускорении в направлении оси чувствительности датчика линейных ускорений на инерционный груз 3 действуют силы инерции, которые приводят к перемещению инерционного груза 3, что, в свою очередь, вызывает растяжение резонатора 4. Это воздействие приводит к изменению собственной частоты колебаний резонатора 4. По значению собственной частоты колебаний резонатора 4 можно судить о величине линейного ускорения датчика.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой датчик линейных ускорений, позволяющий измерять величину линейного ускорения в направлении оси чувствительности и, по сравнению с аналогами, обеспечивающий повышение точности и надежности измерения линейного ускорения за счет введения в конструкцию датчика системы компенсации фона выходного сигнала, которая значительно подавляет постоянную составляющую выходного сигнала датчика, на частотах, отличных от резонансной.
Размещение системы компенсации фона выходного сигнала на основании внутри датчика линейных ускорений позволяет защитить ее от внешних механических воздействий без изменения габаритных характеристик датчика линейных ускорений.
Представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике для измерений линейного ускорения;
- для заявленного устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить повышение точности и надежности измерения линейного ускорения.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.