АКСЕЛЕРОМЕТР

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности к приборам измерения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при изготовлении маятниковых компенсационных акселерометров, имеющих упругий подвес из изоляционного материала на котором нанесено токопроводящее покрытие для гальванической связи элементов, расположенных на подвижной части (маятнике) с неподвижной частью.
Известен маятниковый акселерометр на упругом кварцевом подвесе (1), который состоит из двух металлических пластин и одной, находящейся между ними кварцевой пластины в форме диска с незамкнутой кольцевой прорезью. Перемычки между диском и кольцевой опорой выполнены также из кварца и являются упругими элементами пружинного подвеса. Акселерометр имеет магнитоэлектрический датчик момента, катушки которого расположены на подвижной части (маятника), а магниты с магнитопроводами расположены на неподвижной части. Дифференциальный емкостной датчик образуется металлизированным напылением на поверхности центральный кварцевой пластины на той плоскости, где закреплены катушки датчика момента. Ответными частями емкостного датчика являются поверхности боковых металлических пластин чувствительного элемента, обращенные к поверхности емкостного датчика на центральной пластине. При этом металлизированное напыление на маятнике выполнено так, что центр поверхности напыления не совпадает с центром приложения силы датчика момента. Это приводит к появлению дополнительного момента, который передается на упругие перемычка подвеса, деформирует их и приводит к увеличению величины нулевого сигнала акселерометра и его нестабильности.
Известен маятниковый акселерометр на упругом кварцевом подвесе (2), устройство которого аналогично устройству (1). При этом в устройстве (2) пластины дифференциального емкостного датчика, образованные металлизированным напылением, образованы так, что площадь поверхности датчика, расположенной выше линии, параллельный оси подвеса и проходящей через геометрический центр подвижной части, равна площади, расположенной ниже упомянутой линии, при этом геометрический центр поверхности каждой подвижной пластины дифференциального емкостного датчика совмещен с центром симметрии катушек датчика момента. Такое решение практически полностью исключает появление упомянутого дополнительного момента и уменьшает величину нулевого сигнала и его нестабильность. Однако в устройствах (1) и (2) в качестве металлизированного слоя используется золото толщиной 0,15÷0,3 мкм. Любое металлизированное напыление ухудшает стабильные свойства кварца и, следовательно, ухудшает стабильность нулевого сигнала, вызывает появление уводящего момента, т.е. появление значительной величины нулевого сигнала. Этот уводящий механический момент (его величину) можно подсчитать по формуле:
м
м
1
1
2
2
М=К(b·h-b·h),
м
где М - механический момент;
м
К - коэффициент механического момента зависящий от свойств применяемых материалов;
1
2
b и b - ширина токопроводящего напыления слоя с одной и с другой стороны перемычки упругого подвеса;
1
2
h и h - толщина токопроводящего напыляемого слоя с одной и с другой стороны перемычки упругого подвеса.
м
1
2
2
нап
р
К=2(α-α)·Е·d·(Т-Т),
1
где α - коэффициент линейного расширения (к.л.р.) напыляемого металла;
2
α - к.л.р. кварца;
2
E - модуль упругости напыляемого материала;
d - толщина упругой перемычки;
нап
Т - температура при которой наносится напыление;
р
Т - температура при которой работает прибор.
м
м
1
2
1
2
нап
р
1
2
Анализ приведенных формул М и К показывает, что при одних и тех же геометрических размерах b, b, h, h, d, а также одинаковых Т и Т, уводящий момент и, следовательно, величина нулевого сигнала зависит от α и Е, т.е. свойств напыляемого материала.
Целью настоящего изобретения является повышение точности акселерометра за счет уменьшения уводящих моментов упругого подвеса.
Указанная цель достигается тем, что в качестве напыляемого материала вместо золота используется цирконий, обладающий существенно меньшим коэффициентом линейного расширения (к.л.р.).
-6
У золота к.л.р.=14,2·101/°С
-6
У циркония к.л.р.=6,3·101/°С.
При этом, например, при применении упругих перемычек подвеса (d) равном 0,02 мм:
м золота
К=998,04 г/мм;
м циркония
К=528,8 г/мм,
Цирконий в качестве токопроводящего напыляемого материала выбран после глубокого и всестороннего анализа свойств материалов, имеющих малое значение к.л.р. и приемлемое значение удельного электрического сопротивления.
На фиг.1 изображен общий вид акселерометра; на фиг.2 - центральная кварцевая пластина.
Акселерометр содержит подвижную пластину - маятник 1 на упругом подвесе 2. На маятнике закреплены катушки 3, а на неподвижной части - магниты 4, образующие датчик момента. Внутренние поверхности 5 неподвижных пластин и наружные поверхности 6 подвижной пластины образуют дифференциальный емкостной датчик положения. Зазор между подвижной и неподвижными боковыми пластинами образуется с помощью платиков 7. На одной из внешних боковых пластин закреплен усилитель обратной связи 8. Упругий подвес 2 соединяет маятник с опорным кольцом 9.
Поверхность емкостного датчика 6 выполнена таким образом, что площадь металлизированного напыления над осью У-У равна площади под этой осью, т.е. центр металлизированной поверхности 6 находится на оси У-У и совпадает с геометрическим центром пластины и соответственно с центром симметрии катушек датчика момента. При этом металлизированное напыление емкостного датчика и упругих перемычек подвеса выполнены цирконием.
Акселерометр работает следующим образом.
При действии ускорения вдоль оси Х-Х маятник 1 отклоняется от своего среднего положения. Это положение фиксируется емкостным датчиком положения 5, 6 и подается на усилитель обратной связи 8, который усиливает сигнал рассогласования, выданный емкостным датчиком, преобразует его и подает на катушки 3. Ток, протекая по катушкам 3, образует магнитное поле, которое взаимодействуют с магнитным полем постоянного магнита 4. Возникающая при этом сила компенсирует инерционные силы маятника 1 и последний возвращается в среднее положение. По величине тока, протекающего по катушкам 3, судят о величине ускорения, действующего на акселерометр. При этом если в процессе измерения ускорения меняется окружающая акселерометр температура, то меняется и температура напыленного на упругие перемычки подвеса материала, (толщина напыления составит 0,15÷0,3 мкм), а это влечет за собой изменение величины нулевого сигнала, т.е. усиливается погрешность нулевого сигнала акселерометр. В случае применения циркония в качестве напыляемого материала вместо золота эта погрешность уменьшается на 70%, что существенно для прецизионных акселерометров.
Источники информации:
1. Патент США №3702073, Кл. 73-512, 1972 г. - аналог
2. Патент РФ №2.085.954 кл. G01H 15/08, 1997 г. - прототип