АКСЕЛЕРОМЕТР
ACCELEROMETER

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности к приборам измерения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при изготовлении прецизионных маятниковых компенсационных акселерометров.
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. Для создания зазора между подвижными и неподвижными частями чувствительного элемента акселерометра на центральной кварцевой пластине, на ее кольцевой поверхности, имеются три выступа (платика) с каждой стороны, обращенной к неподвижным пластинам высотой 20 мкм. Акселерометр имеет магнитоэлектрический датчик силы, катушки которого расположены на подвижной части (маятника), а магниты с магнитопроводом и полюсными наконечниками расположены на неподвижной части. Датчиком положения являются емкости, образующиеся за счет токопроводящих поверхностей с двух сторон кварцевой поверхности маятника и неподвижными (металлическими) боковыми пластинами.
Для создания достаточного демпфирования и для предотвращения коррозии материалов внутрь герметичной полости закачивается газ - азот или осушенный воздух. Недостатком такого акселерометра является то, что при протекании большого тока (при измерении больших ускорений) на катушке датчика силы и токопроводящем покрытии выделяется значительная мощность, что приводит к повышению температуры упругих перемычек и катушки (токопроводящее покрытие и катушки располагаются на изоляционном материале - кварце, который является изолятором и плохо проводит тепло) и, как следствие, ухудшению точностных параметров и снижению надежности прибора.
Известен маятниковый акселерометр на упругом кварцевом подвесе (2), устройство которого аналогично устройству (1). При этом в устройстве (2) в магнитную систему введен воздушный зазор между основным магнитпроводом из инвара (36Н) и вставкой из пермаллоя (50Н), которая крепится к торцу магнита. С другого торца к магниту крепится полюсный наконечник. На эту сборку одевается титановая втулка и приклеивается к цилиндрической части магнита, а по внешнему диаметру вклеивается в основную магнитную систему. В рабочем зазоре, образуемом магнитопроводом и полюсным наконечником, помещается катушка датчика момента, крепящаяся на маятнике. При изменении окружающей температуры (например, при ее увеличении) индукция магнита падает, но от увеличения температуры размер вставки увеличивается больше, чем внутренний диаметр основной магнитной системы, и введенный в магнитную систему дополнительный воздушный зазор уменьшается, что уменьшает магнитное сопротивление цепи. Уменьшение этого сопротивления компенсирует уменьшение индукции собственно магнита, и индукция в рабочем зазоре стремится остаться прежней. Однако дополнительный зазор компенсирует в некоторой степени погрешность масштабного коэффициента и не уменьшает погрешность нулевого сигнала из-за перегревов.
Целью настоящего изобретения является повышение точности нулевого сигнала и надежности работы акселерометра за счет снижения местных перегревов.
Указанная цель достигается тем, что вместо азота (или осушенного воздуха) в качестве демпфирующего газа применяется гелий с давлением примерно 700 мм рт. столба (вязкость этих газов примерно одинакова, а теплопроводность гелия примерно в 7 раз больше теплопроводности азота) и, кроме того, в районе упругих перемычек располагаются алюминиевые теплоотводы, сокращающие зазор между упругими перемычками и корпусом и существенно увеличивающие теплоотдачу при нагреве токопроводящего материала на упругих перемычках.
Конструкция предлагаемого акселерометра приведена на чертеже.
Акселерометр содержит подвижную пластину - маятник 1 на упругом подвесе 2. На маятнике закреплены катушки 3 датчика момента, а на неподвижной части - магниты 4 и полюсные наконечники 5. При этом к торцу магнита 5 крепится вставка 6 из пермаллоя (50Н). На эту сборку одевается титановая втулка 7 и приклеивается к цилиндрической части магнита, а по внешнему диаметру втулка вклеивается в основную магнитную систему (магнитопровод) 8 из материала инвар (36Н). Между вставкой 6 и основным магнитопроводом 8 имеется круговой воздушный зазор 9 (дополнительный воздушный зазор, введенный в магнитную систему датчика момента). В основном (рабочем) зазоре 10, образуемом магнитопроводом 8 и полюсным наконечником 5, помещается катушка 3 датчика момента, крепящаяся на маятнике. Как и в прототипе, для создания зазора между подвижной и неподвижными частями чувствительного элемента акселерометра на центральной кварцевой пластине (на ее кольцевой поверхности) имеются три выступа (платика) 11 с каждой стороны, обращенной к неподвижным пластинам высотой порядка 20 мкм, т.е. зазор между маятником (когда он находится в среднем положении) и неподвижными боковыми пластинами составляет 20 мкм.
При этом, поскольку толщина упругого подвеса составляет величину тоже порядка 20 мкм, а толщина маятника - порядка 500 мкм, то номинальный зазор в районе упругих перемычек составит 260 мкм. Для усиления теплопередачи в районе упругого подвеса на неподвижной части (на боковых пластинах) укреплены металлические вставки из алюминия 12 такой высоты, чтобы зазор между поверхностями упругого подвеса и поверхностями упомянутых вставок составил бы величину порядка 30÷40 мкм.
Акселерометр работает следующим образом.
При действии ускорения вдоль оси Х-Х маятник 1 отклоняется от своего среднего положения. Это отклонение фиксируется дифференциальным емкостным датчиком положения, образованным поверхностями с металлическим напылением с двух сторон и расположенными на маятнике 1, и ответными поверхностями, обращенными к маятнику 1 и расположенными на магнитопроводах 8. Сигнал с датчика положения подается на усилитель обратной связи (не показан), который усиливает и преобразует данный сигнал и подает его в катушки 3. Ток, протекая по катушкам 3, образует магнитное поле, которое взаимодействуют с магнитным полем постоянных магнитов 4. Возникающая при этом сила компенсирует инерционную силу маятника 1 и последний возвращается в среднее положение. По величине тока, протекающего по катушкам 4, судят о величине ускорения, действующего на акселерометр.
Предлагаемое заполнение внутренней рабочей полости акселерометра, где расположен маятник с катушками и упругий подвес, гелием, обладающим в семь раз большей теплопроводностью, чем азот или воздух, а также уменьшение зазора между токопроводящим покрытием, расположенным на упругом подвесе, и поверхностью магнитопровода путем введения алюминиевых вставок 12 с зазором между ними и упругим подвесом величиной 30-40 мкм, существенно уменьшит перегрев катушек датчика момента и металлического напыления, нанесенного на упругий подвес. Реализация такого решения позволит уменьшить погрешность случайной составляющей нулевого сигнала примерно в два раза по сравнению с имеющейся в акселерометрах в настоящее время.
Источники информации
1. Патент США №3702073, кл.73-512, 1972 г. - аналог.
2. Патент RU №2313100 С1, G01P 15/13 - прототип.