УСТРОЙСТВО АКТИВНОЙ ВИБРОЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
DEVICE FOR ACTIVE VIBRATION PROTECTION OF ELECTRONIC EQUIPMENT

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам защиты печатных плат от действия вибраций.
Известно активное устройство амортизации вибраций (патент РФ №2416551 приоритет от 03.01.2006, «Активное устройство амортизации вибраций, испытываемых хрупким элементом движущегося оборудования с автоматическим питанием» авторов Бланшар Лоран, Дюпюи Жан, МПК: F16F 15/00, B64G 1/38, опубликовано 20.04.2011 г. Бюл. №11). Изобретение касается устройства амортизации вибраций для перемещаемого оборудования, оборудования с таким устройством и применения этого устройства в космической области. Устройство амортизации вибраций содержит конструкцию, с которой соединены первый элемент и второй хрупкий элемент, защищаемые от упомянутых вибраций, первые средства пьезоэлектрического преобразования, включенные между конструкцией и первым элементом и установленные для преобразования механической энергии вибрации конструкции в электрическую энергию, один датчик, соединенный с конструкцией и установленный для выдачи сигналов измерения, характерных для вибраций, испытываемых упомянутым оборудованием, средства контроля, электрически питаемые упомянутой электрической энергией и установленные для получения из каждого измерительного сигнала одной амплитуды перемещения. Амплитуда перемещения предназначена для компенсации упомянутых вибраций, испытываемых конструкцией, а также для выдачи сигналов управления, характерных для каждой определенной амплитуды. Вторые средства пьезоэлектрического преобразования устройства амортизации вибраций включены между конструкцией и вторым элементом и установлены для преобразования упомянутых сигналов управления в перемещение(я) таким образом, чтобы частично амортизировать для второго элемента вибрации, испытываемые упомянутым оборудованием.
Недостатками известного устройства являются сложная схема исполнения, неэффективность защиты от высоких уровней вибрации из-за применения пьезоэлектрических средств защиты.
Известно устройство активной виброзащиты электронной аппаратуры (Лысенко А.В. диссертация «ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ ВИБРОЗАЩИТОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ» г. Пенза 2014, стр. 80-100 рис. 3.3, рис. 3.5, рис. 4.10), содержащее последовательно электрически соединенные первичный преобразователь первого активного амортизатора (преобразователь механической энергии в электрическую), блок управления, и четыре активных амортизатора (преобразователь электрической энергии в механическую). На активных амортизаторах установлена платформа, внешняя поверхность которой предназначена для крепления радиоэлектронных устройств, а внутреннюю поверхность крепится блок управления. Сигнал, исходящий от источника вибрации, поступает на активные амортизаторы. С помощью первичного преобразователя первого амортизатора происходит снятие показаний вибрации и передача их в функциональный преобразователь (блок управления). В нем сигнал усиливается до необходимого уровня с помощью усилителя (усилитель заряда) и преобразуется в цифровой для дальнейшей обработки. Цифровой сигнал поступает на синтезатор разности сигналов, в котором по закону преобразования формируется четыре сигнала. Генератор по разработанному алгоритму сдвигает фазу каждого канала на необходимый угол (фазовращатель). После цифро-аналоговых преобразований сигналы, проходя через соответствующие усилители, поступают на активные амортизаторы и, благодаря суммированию сигналов, выводится сигнал необходимого уровня на объект виброзащиты. Первый активный амортизатор (виброамортизатор) с первичным преобразователем состоит из катушки индуктивности, закрепленной на штоке в постоянном магнитном поле, с помощью которой измеряется значение амплитуды внешнего вибрационного воздействия, поступающее на амортизатор. Шток закреплен на верхнем и нижнем подвесах, которые играют роль мембран для развязки механических колебаний, воздействующих на шток и постоянные магниты. Сигнал с измерительной катушки индуктивности, амплитуда которого изменяется в противофазе с внешней вибрацией, поступает в функциональный преобразователь, в котором осуществляется усиление сигнала по амплитуде, вводится фазовое рассогласование, а также происходят цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования. С выхода блока обработки сигнал направляется на задающую катушку индуктивности, расположенную на том же штоке, что и измерительная катушка, но в магнитном поле второго постоянного магнита. В результате возбуждается вибрационное воздействие, сдвинутое по фазе относительно входного воздействия. Наложение двух вибрационных сигналов на один шток обеспечивает компенсирующий эффект, гасящий внешнее вибрационное воздействие и снижающий амплитуду вибраций РЭУ в целом. Особо значителен эффект виброгашения на резонансных частотах. Данное устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога, которое является электромеханической системой активной виброзащиты. Электромеханическая система предназначена для защиты от инфранизких частот. Она обладает преимуществами, свойственными электрогидравлическим системам. Частотный диапазон действия электромеханических систем значительно уже, и система будет работоспособной только до частот не выше 5-10 Гц. Отличительная особенность электромеханических систем заключается в выполнении силового привода в виде следящей системы (электрической), которая воздействует на исполнительный механизм.
Недостатком данного устройства является сложная схема исполнения.
Технической проблемой является создание эффективного устройства активной виброзащиты электронной аппаратуры.
Техническими результатами, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в упрощении конструкции, что влечет за собой повышение защиты от вибраций, повышение скорости срабатывания, так же увеличение надежности конструкции и помехоустойчивости.
Данные технические результаты достигаются тем, что в устройстве активной виброзащиты электронной аппаратуры, содержащем последовательно электрически соединенные преобразователь механической энергии в электрическую, усилитель заряда, фазовращатель и преобразователь электрической энергии в механическую, последний из которых кинематически соединен с платформой, которая предназначена для крепления электронной аппаратуры новым является то, что платформа выполнена в виде упругой пластины, дополнительно введен металлический корпус, выполненный в виде полого прямоугольного параллелепипеда, в котором установлена упругая пластина таким образом, что она образует одну из его граней, при этом в металлическом корпусе установлен преобразователь электрической энергии в механическую, одна сторона которого закреплена на внутренней поверхности платформы, а другая сторона на внутренней поверхности основания металлического корпуса.
Повышение надежности происходит за счет исключения пьезоэлектрического элемента (преобразователь электрической энергии в механическую является пассивным устройством), что также повышает помехозащищенность, а также обеспечивает возможность компенсировать более высокие уровни вибрации.
Повышение быстродействия достигается за счет того, что устройство активной виброзащиты электронной аппаратуры является устройством, которое питается от внешнего источника питания, а, следовательно, не затрачивается время на достижение необходимого значения напряжения питания, также быстродействие повышается за того, что не требуется применение дополнительных устройств контроля.
Применение в качестве платформы упругой пластины позволяет исключить применение дополнительных упругих элементов на основе виброизоляторов (амортизаторов), что упрощает схему реализации и дополнительно повышает защиту от вибраций.
Концепция размещения системы защиты непосредственно на упругой пластине из состава малогабаритной бортовой аппаратуры позволяет упростить схему реализации защиты.
На фиг. 1 представлен вариант устройства активной виброзащиты радиоэлектронных устройств, расположенных на печатной плате. На фиг. 2 - осевое сечение конструкции преобразователя электрической энергии в механическую.
Устройство активной виброзащиты электронной аппаратуры (фиг. 1) содержит упругую пластину 1, преобразователь 2 механической энергии в электрическую, преобразователь 3 электрической энергии в механическую, металлический корпус 4 и усилитель заряда 5, фазовращатель 6.
Упругая пластина 1 выполнена в виде подложки 1 печатной платы, на которой расположены ЭРИ (на фиг. 1 не показаны).
Преобразователь 2 механической энергии в электрическую может быть выполнен в виде пьезоэлектрического акселерометра 2 и установлен на подложке 1.
Усилитель 5 заряда и фазовращатель 6 могут быть реализованы на операционных усилителях и предназначены для усиления и изменения фазы входного сигнала, поступающего с пьезоэлектрического акселерометра 2. При этом преобразователь 2 механической энергии в электрическую, усилитель заряда 5, фазовращатель 6 и преобразователь 3 электрической энергии в механическую последовательно электрически соединены.
Металлический корпус 4 выполнен в виде полого прямоугольного параллелепипеда, в котором установлена подложка 1 таким образом, что она образует одну из его граней.
В металлическом корпусе 4 установлен преобразователь 3 электрической энергии в механическую, одна сторона которого установлена на внутренней поверхности подложки 1, а другая сторона на внутренней поверхности основания металлического корпуса 4, при этом преобразователь 3 электрической энергии в механическую, кинематически соединен с подложкой 1.
Преобразователь 3 электрической энергии в механическую (фиг. 2) содержит первую 7, второю 8 и третью 9 катушки индуктивности, корпус 10, крышку 11, втулку 12, шток 13, шайбу 16.
Корпус 10 выполнен в виде кольца, на одном торце которого закреплена крышка 11 посредством винтов 14. Другой торец корпуса 10 закреплен на внутренней поверхности основания металлического корпуса 4 (на фиг. 2 не показан). В отверстии корпуса 10 (кольца 10) установлен шток 13 с возможностью осевого перемещения. Один конец штока 13 закреплен на подложке 1 печатной платы (на фиг. 2 не показана), на другом конце штока 13 закреплена шайба 16 винтом 17. В кольце 10 со стороны подложки 1 печатной платы выполнена выемка, в которой зафиксирована первая катушка 7 индуктивности, на внутренней поверхности первой катушки 7 индуктивности выполнен выступ. Между штоком 13 и кольцом 10 установлена втулка 12, на которой закреплен выступ первой катушки 7 индуктивности. В зазорах, образованных поверхностями штока 13, втулки 12, выступа первой катушки 7 индуктивности и внутренней поверхностью кольца 10, установлены соответственно вторая 8 и третья 9 катушки индуктивности с возможностью осевого перемещения, при этом вторая 6 и третья 7 катушки индуктивности кинематически соединены со штоком 13.
В крышке 11 установлены контакты 15 для электрического соединения первой 7, второй 8 и третьей 9 катушек индуктивности с фазовращателем 6 (на фиг. 2 не показан).
Пьезоэлектрическим акселерометром 2 является активный датчик, генерирующий электрический сигнал, пропорциональный механическим колебаниям подложки 1 печатной платы.
Каждая катушка 7 (8, 9) индуктивности содержит цилиндрический каркас из немагнитного материала, на который намотана проволока.
Устройство активной виброзащиты электронной аппаратуры работает следующим образом.
Предварительно подается внешнее питание на операционные усилители усилителя 5 заряда и фазовращателя 6.
При возникновении вибраций подложки 1 печатной платы (далее -печатной платы 1) пьезоэлектрический акселерометр 2 генерирует электрический сигнал, пропорциональный механическим колебаниям печатной платы 1. Далее указанный электрический сигнал через усилитель 5 заряда усиливается до необходимого уровня и подается на фазовращатель 6 для изменения фазы входного сигнала. С фазовращателя 6 электрический сигнал поступает на подвижные катушки 8 и 9 индуктивности.
Провода катушек 8 и 9 индуктивности через крышку 11 выведены на контакты 15, через которые подается напряжение для приведения штока 13 в движение. Питание через фазовращатель 6 подается на катушку 7 индуктивности, посредством которой создается постоянное магнитное поле в зазорах, образованных поверхностями штока 13, втулки 12, выступа первой катушки 7 индуктивности и внутренней поверхностью кольца 10.
Электрический сигнал с фазовращателя 6 подается на подвижные катушки 8 и 9 индуктивности.
Катушки 8 и 9 индуктивности двигаясь в постоянном магнитном поле, создаваемое катушкой 7 индуктивности преобразуют электрический сигнал, пропорциональный ему механический, для компенсации уровня вибрации подложки 1. Катушки 8 и 9, кинематически взаимодействуя со штоком 13, двигают его на амплитуду вибрации, но в противоположном направлении. Компенсация достигается тем, что сигнал с пьезоэлектрического акселерометра 2 и сигнал, поданный на подвижные катушки электромагнита, одинаковы по амплитуде и различны по фазе.