АКСЕЛЕРОМЕТР
ACCELEROMETER

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности к приборам измерения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при изготовлении маятниковых компенсационных акселерометров, предназначенных для измерения значительных линейных ускорений. 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 (маятнике), а магниты с магнитопроводами расположены на неподвижной части. Дифференциальный емкостной датчик образуется металлизированным напылением на поверхности центральной 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 центр тяжести маятника не совпадает с центром приложения силы датчика момента. При наличии ускорения вдоль измерительной оси акселерометра при работе датчика момента при упомянутом несовпадении появляется изгибающей момент, который передается на упругие перемычки подвеса, в результате чего наступает упругая деформация подвеса, приводящая к изменению величин нулевого сигнала. При больших ускорениях деформация (изгиб) упругого подвеса может привести к тому, что упругий подвес коснется одной из боковых пластин, акселерометр потеряет одну из степеней свободы и погрешность акселерометра резко возрастет.
Известен маятниковый компенсационный акселерометр на упругом подвесе (2), устройство которого аналогично устройству (1). При этом в устройстве (2) маятник выполнен таким образом, что его центр тяжести практически совпадает с центром приложения силы датчика момента (маятник выполнен симметрично относительно горизонтальной оси, параллельной оси упругого подвеса и проходящей через геометрический центр маятника). Такое решение практически исключает (во всяком случае в значительной степени уменьшает) появление изгибающего момента и уменьшает величину нулевого сигнала и его нестабильность. Однако в устройстве (1) и (2) в качестве магнитопровода используется инвар (сплав 36Н) или сплав 32 НКД, коэффициенты линейного расширения (к.л.р.) которых близки к к.л.р. плавленого кварца, из которого изготовлена центральная пластина рассмотренных акселерометров.
Из справочников известно, что с точки зрения магнитных свойств сплавы 36Н и 32НКД не являются оптимальными. Так, например, индукция насыщения данных материалов составляет величину (0,47÷0,57) Тл, а поскольку магнитная цепь имеет воздушный зазор, где помещается катушка датчика момента (и, кроме того, для стабилизации свойств магнитной цепи во времени магнит размагничивается на величину 5÷7%), то реальная величина индукции в рабочем зазоре составляет примерно половину от величин индукции насыщения. С другой стороны известно, что магнитное поле постоянного магнита вызывает появление силы F, действующей на катушку с током I, которая равна F=I·l·B, где I - величина тока в катушке датчика момента, l - длина провода катушки, а В - индукция в рабочем зазоре.
При использовании акселерометра для измерения больших линейных ускорений требуется создать значительную силу F для парирования инерционной силы маятника, возникающей из-за наличия ускорения, для удержания маятника в среднем положении относительно боковых пластин.
Как видно из вышеприведенной формулы, необходимо увеличивать либо l, либо I, либо В. Увеличение длины провода катушек приводит к увеличению массы маятника и увеличению инерционной силы маятника. Расчеты показывают, что выигрыш в величине F оказывается незначительным. Увеличение тока I ограничено из-за возможного перегрева токопроводящего покрытия (его толщина составляет 0,15÷0,3 мкм для обеспечения малой величиной нулевого сигнала) и выхода из строя акселерометра из-за нарушения гальванический связи между выходом усилителя обратной связи (УОС) и катушками датчика момента. Кроме того увеличение тока приводит к увеличению габаритно-массовых характеристик УОС, т.к. на его выход приходится использовать более мощные выходные транзисторы.
÷
-6
-6
Увеличение В возможно при использовании других сплавов, обладающих большей величиной индукции насыщения магнитопровода, например, 50Н или 27 КХ (индукция насыщения этих материалов составляет величину 1,5 Тл или (1,752,05) Тл - соответственно). Однако прямая замена материала магнитопровода невозможна из-за, того что эти материалы обладают значительными величинами к.л.р. (8,9·10 и (10,7÷13,9)·10), и при сопряжении этих материалов с плавленым кварцем возможно растрескивание последнего (разрушение) при воздействии термоперепадов.
Целью настоящего изобретения является повышение диапазона измеряемых ускорений акселерометром при сохранении его надежностных и габаритно-массовых характеристик. Указанная цель достигается тем, что магнитопровод выполняется по комбинированной конструктивной схеме таким образом, что обеспечивается сопряжение плавленого кварца с материалами, обладающими низким к.л.р., 32 НКД или 36Н, а магнитная цепь состоит из параллельно соединенных материалов 32 НКД (36Н) и 50Н(27КХ).
На фиг.1 изображен общий вид акселерометра.
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 неподвижной боковой пластинами образуется с помощью платиков 7. На одной из внешних боковых пластин закреплен усилитель обратной связи (на фиг.1 не показан). Упругий подвес 2 соединяет маятник с опорными кольцом 8. Магнитопровод выполнен составным. При этом опорная поверхность магнитопровода 9 выполнена из сплава 32 НКД (36Н), а внутренний магнитопровод 10 выполнен из материала 50Щ27КХ). Рабочий зазор магнитной системы 11 расположен между магнитом 4 и внутренним магнитопроводом 10.
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 6 с металлическим напылением с двух сторон, расположенными на маятнике 1, и ответными поверхностями 5, обращенными к маятнику 1 и расположенными на магнитопроводах 9. Сигнал с датчика положения подается на усилитель обратной связи (на фиг.1 не показан), который усиливает и преобразует данный сигнал и подает его в катушки 3. Ток, протекая по катушкам 3, образует магнитное поле, которое взаимодействует 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 выполнение магнитной системы позволяет существенно увеличить величину индукции магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в рабочем зазоре, где помещается катушка датчика момента. Реализация такого решения позволит существенно расширить пределы измеряемого ускорения при сохранении надежности акселерометра.
Источник информации
1. Патент США 3702073, кл.73-512, 1972 г. - аналог.
2. Патент RU 2046345 С1, 20.10.1995.