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 линейных ускорений.
Известен акселерометр, содержащий корпус, маятниковый чувствительный элемент (ЧЭ) на упругом подвесе, емкостной датчик перемещений, усилитель и узел силовой компенсации, состоящий из двух катушек, установленных на маятнике, и двух магнитных систем Маятниковый ЧЭ состоит из двух неподвижных пластин, между которыми расположена кварцевая пластина, выполненная из плавленого кварца и включает в себя опорное кольцо сформированными на нем с двух сторон площадками и маятник, связанный с опорным кольцом через упругий подвес маятника. Опорное кольцо зажато между двумя металлическими неподвижными пластинами по площадкам. Высота площадок определяет рабочий зазор, в котором перемещается маятник [1]. Недостатком известного устройства является низкая точность величины нулевого сигнала из-за внутренних напряжений в ЧЭ, возникающих при креплении опорного кольца и создает в нем внутренние напряжения, передающиеся на упругие элементы подвеса, вызывая ошибки в нулевом сигнале. Кроме того, на величину внутренних напряжений влияет возможная разновысотность площадок, их геометрическое несовпадение с двух сторон опорного кольца и т.д.
Ошибка нулевого сигнала еще больше увеличивается, если акселерометр не термостатирован и работает в широком диапазоне окружающих температур. При этом появляется значительный температурный гистерезис величины нулевого сигнала (величины нулевых сигналов при одной и той же температуре не совпадают друг с другом, если мы приходим к этой температуре от более низкой до более высокой и наоборот). Это явление затрудняет алгоритмический учет зависимости величины нулевого сигнала и, следовательно, приводит к повышению погрешности величины нулевого сигнала. Известен акселерометр, содержащий корпус, маятниковый чувствительный элемент (ЧЭ) на упругом подвесе, емкостной датчик перемещений, усилитель и узел силовой компенсации. Маятниковый ЧЭ состоит из двух неподвижных пластин, между которыми расположена кварцевая пластина, выполненная из плавленого кварца, причем выполнена с уменьшением по толщине в сторону упругого подвеса. Кроме того и включает в себя опорное кольцо сформированными на нем с двух сторон площадками и маятник, связанный с опорным кольцом через упругий подвес маятника. Опорное кольцо зажато между двумя металлическими неподвижными пластинами по площадкам [2]. Но проблема с закреплением опорного кольца и последствиями от него остались не решенными. Недостатком известного устройства является низкая точность величины нулевого сигнала из-за внутренних напряжений в ЧЭ, возникающих при креплении опорного кольца. В этом акселерометре устраняется ошибка гистерезиса, но другой природы, а именно от разнотолшинности проводников нанесенных на упругих подвесах. Наиболее близким к предлагаемому акселерометру является акселерометр, содержащий корпус, маятниковый чувствительный элемент (ЧЭ) на упругом подвесе, емкостной датчик перемещений, усилитель и узел силовой компенсации. Маятниковый ЧЭ состоит из двух неподвижных пластин, между которыми расположена кварцевая пластина, выполненная из плавленого кварца, причем выполнена с уменьшением по толщине в сторону упругого подвеса. Кроме того и включает в себя опорное кольцо сформированными на нем с двух сторон выступами (площадками) и маятник, связанный с опорным кольцом через упругий подвес маятника. Опорное кольцо зажато между двумя металлическими неподвижными пластинами по площадкам. Высота площадок определяет рабочий зазор, в котором перемещается маятник [3].
Как видно, отличие акселерометра [3] от акселерометра [1] заключается в конструктивном выполнении кварцевой пластины [3].
Она выполнена с уменьшением по толщине в сторону упругого подвеса. Вследствие этого жесткость той части опорного кольца, которая ближе к упругому подвесу, несколько меньше, чем у основной части опорного кольца. При появлении напряжений в опорном кольце его свободная часть благодаря уменьшению толщины имеет возможность перемещения, поэтому вредные моменты на упругие перемычки существенно уменьшают свою величину.
Известное устройство имеет недостаточную точность и повышенную трудоемкость при изготовлении, что обусловлено следующими причинами. Толщину опорной части кварцевой пластины вблизи упругого подвеса нельзя сделать достаточно тонкой из-за уменьшения прочностных свойств опорного кольца в месте формирования упругого подвеса. Кроме того, уменьшение толщины участка опорного кольца и соответственно маятника на несколько сот мкм вызовет увеличение рабочего зазора между неподвижными пластинами и маятником и приведет к резкому снижению демпфирования маятника, т.е.
исключению основного преимущества маятниковых акселерометров, использующих газовое демпфирование. Это приведет к резкому возрастанию динамических погрешностей акселерометра при воздействии вибраций.
С другой стороны, выполнение одинаковой геометрии утонения опорного кольца кварцевой пластины относительно оси симметрии затруднено. А появление несимметрии приведет к появлению дополнительной систематической составляющей погрешности нулевого сигнала.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности акселерометра.
Поставленная цель достигается за счет того что в акселерометре содержащий корпус, емкостной датчик перемещений, усилитель, узел силовой компенсации и маятниковый чувствительный элемент, состоящий из двух неподвижных пластин, между которыми расположена кварцевая пластина, включающая в себя опорное кольцо сформированными на нем с двух сторон площадками и маятник, связанный с опорным кольцом через упругий подвес маятника, при этом опорное кольцо зажато по площадкам между двумя металлическими неподвижными пластинами, согласно изобретению, в опорном кольце сформирована сквозная кольцевая щель, разделяющая опорное кольцо на внутреннее и внешнее, причем объединенных в одно целое в месте сформированных упругих подвесов и расположенные симметрично вдоль продольной оси чувствительного элемента, площадки на внутренней стороне внешнего опорного кольца, кроме того выше и ниже площадок в опорном кольце выполнены внутренние сквозные прорези, с внешней стороны внешнего опорного кольца напротив площадок сформированы зубцы, выше и ниже зубцов на опорном кольце сформированы внешние сквозные прорези.
Признаками, отличающими предложенный акселерометр от известных, является то, что в опорном кольце сформирована сквозная кольцевая щель, разделяющая опорное кольцо на внутреннее и внешнее, причем объединенных в одно целое в месте сформированных упругих подвесов и расположенные симметрично вдоль продольной оси чувствительного элемента, площадки сформированы на внутренней стороне внешнего опорного кольца, кроме того выше и ниже площадок в опорном кольце выполнены внешние сквозные прорези, с внешней стороны внешнего опорного кольца напротив площадок сформированы зубцы, выше и ниже зубцов на опорном кольце сформированы внешние сквозные прорези. Сама сквозная кольцевая щель выполнена одинаковой и строго симметрична относительно продольной оси симметрии опорного кольца, при этом площадки сформированы на внутренней стороне внешнего опорного кольца. Кроме того выше и ниже площадок в опорном кольце выполнены внутренние сквозные прорези, с внешней стороны внешнего опорного кольца напротив площадок сформированы зубцы, выше и ниже зубцов на опорном кольце сформированы внешние сквозные прорези, следовательно, сформированная сквозная кольцевая щель выполняет функцию буфера между упругими торсионами и неподвижным основанием акселерометра, при этом габаритные размеры чувствительного элемента остаются неизменными и, следовательно, уменьшается влияние контактных напряжений на упругий подвес, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. Кроме того, разделение опорного кольца на внутреннее и внешнее, причем объединенных в одно целое в месте сформированных упругих подвесов и расположенные симметрично вдоль продольной оси чувствительного элемента, позволяет последней равномерно деформироваться от воздействия внешних факторов, при этом деформация в зоне крепления упругих подвесов практически сведена к нулю, а симметричное расположение - компенсировать до минимума вредные воздействия, тем самым опять же повышая точность. Так одна из неподвижных пластин закреплена на основании корпуса акселерометра. Неподвижная, например нижняя пластина закреплена через (площадки опорного кольца, которые через сквозные щели и/или сформированные зубцы и/или сквозные прорези сопряжена с внутренним и внешним кольцом, и соответственно соединена с упругими подвесами.
При таком закреплении исключаются паразитные моменты после сборки всего чувствительного элемента кварцевого акселерометра. Разделение опорного кольца на внешнее и внутреннее позволяет равномерно распределять деформацию от воздействия внешних факторов, при этом деформация в зоне крепления упругих подвесов сведена к минимуму. Сформированные узкие сквозные щели, прорези и зубцы препятствует деформации передающийся от нижней неподвижной нижней пластины, тем самым уменьшают связь с основанием акселерометра, и обеспечивает минимизацию возникающих напряжений и, следовательно, минимально влияют на упругие подвесы, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. При воздействии возмущающих факторов, в частности плюсовых и минусовых температур, конструкция маятникового чувствительного элемента будет минимально деформирована. Так, из-за разности коэффициентов линейного расширения, основания акселерометра и чувствительного элемента после воздействия положительных или отрицательных температур возникает деформация, которая воздействует на нижнюю неподвижную пластину, возникающее напряжение передается на опорное кольцо. Упругодеформируемые внутренние и внешние опорные кольца деформируются тем самым частично фильтруется паразитные напряжения. Сформированные сквозные проррези, сужаясь-расширяясь под воздействием деформаций передающихся от нижней неподвижной пластины, далее от опорного кольца при воздействии температур, минимизируют передающуюся деформацию на упругий подвес. Таким образом, остаточные деформации, передающиеся на упругие подвес, сведены к минимуму. А это уменьшает уход крутизны преобразователя перемещений, уменьшает температурное смещение нулевого сигнала, уменьшает температурную погрешность.
На фиг. 1, 2 схематично изображен общий вид акселерометра и чувствительный элемент акселерометра,
где:
1 - маятник,
2 - упругие подвесы,
3 - опорное кольцо,
4 - сквозная кольцевая щель,
5 - внутренние сквозные прорези,
6 - внешние сквозные прорези,
7 - зубцы,
8 - внешнее кольцо,
9 - внутреннее кольцо,
10 - площадки,
11 - неподвижной металлической пластины,
12 - постоянный магнит,
13 - катушка,
14- магнитопровод,
15 - рабочий зазор магнитной системы.
Акселерометр содержит маятниковый ЧЭ в виде кварцевой пластины 1 - маятник, соединенной посредством упругого подвеса 2 с опорным кольцом 3. Эти три детали выполнены из единой заготовки плавленого кварца. В опорном кольце 3 сформирована сквозная кольцевая щель 4. Таким образом, разделяющая опорное кольцо 3 на внешнее 8 и внутреннее 9. На внутренней стороне внешнего кольца сформированы площадки 10, обеспечивающие зазор для емкостного преобразователя перемещений. Выше и ниже площадок 10 сформированы внутренние сквозные прорези 5. Напротив площадок 10 сформированы зубцы 7 на внешней стороне внешнего кольца 8. Выше и ниже зубцов 7 сформированы внешние сквозные прорези 6. В состав акселерометра входят также узел силовой компенсации, включающий две катушки 13, установленные на маятнике 1, и две магнитные системы, каждая из которых состоит из магнитопровода 14 постоянного магнита 12 с полюсным наконечником и рабочим зазором 15. Сборка устройства выполнена с помощью неподвижных металлических пластин 11. На подвижной пластине - маятнике 1 расположены обкладки преобразователя перемещения, выполненные в виде металлизированного напыления, а пластины 11 выполняют функции его неподвижных обкладок. Акселерометр работает следующим образом. При движении объекта с ускорением в направлении оси чувствительности Х-Х прибора маятник 1 отклоняется относительно неподвижных пластин 11. Отклонение маятника регистрирует и преобразует в напряжение преобразователь перемещения. Далее выработанное напряжение подается на усилитель обратной связи (на фиг. 1 не показан), где сигнал усиливается и в виде тока подается в узел силовой компенсации. Узел силовой компенсации развивает при этом силу, равную инерционной силе маятника 1, и последний возвращается в среднее положение. По величине тока, протекающего по катушкам 13, судят о величине ускорения объекта в направлении оси чувствительности Х-Х. Введение в опорном кольце 3 сформированной сквозной кольцевой щели 4, разделяющей опорное кольцо на внутреннее 9 и внешнее 8, и объединяющих их в одно целое в месте сформированных упругих подвесов 2, а так же расположение симметрично вдоль продольной оси чувствительного элемента, а так же сформированные площадки 10 на внутренней стороне внешнего 8 опорного кольца, и сформированные выше и ниже площадок 10 в опорном кольце 3 внутренних сквозных прорезей 5, ас внешней стороны внешнего опорного 8 кольца напротив площадок 10 сформированые зубцы 7, и выше и ниже зубцов 7 на опорном кольце 3 сформированные внешние сквозные прорези 6 приводит к тому, что при появлении механических напряжений разделение опорного кольца 3 на внешнее 8 и внутреннее 9 позволяет равномерно распределять деформацию от воздействия внешних факторов, при этом деформация в зоне крепления упругих подвесов 2 сведена к минимуму. Сформированные внешние сквозные прорези 6, внутренние сквозные прорези 5 и зубцы 7 препятствует деформации передающийся от нижней неподвижной нижней пластины 11, тем самым уменьшают связь с основанием акселерометра, и обеспечивает минимизацию возникающих напряжений и, следовательно, минимально влияют на упругие подвесы 2, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. При воздействии
возмущающих факторов, в частности плюсовых и минусовых температур, конструкция маятникового чувствительного элемента будет минимально деформирована. Упругодеформируемые внутренние 9 и внешние 8 опорные кольца деформируются, тем самым частично фильтруется паразитные напряжения. Сформированные внешние сквозные прорези 6 и внутренние сквозные прорези 5, сужаясь-расширяясь под воздействием деформаций передающихся от нижней неподвижной пластины 11, далее от опорного кольца 3 при воздействии температур, минимизируют передающуюся деформацию на упругий подвес.
Специалистам в данной области будет понятно, что различные замены, модификации или комбинации любых раскрытых вариантов осуществления или примеров (или их частей) могут быть выполнены в рамках объема настоящего описания. Таким образом, предполагается и понимается, что данное описание поддерживает дополнительные варианты осуществления или примеры, явно не изложенные в этом описании. Такие варианты осуществления могут быть получены, например, путем объединения, изменения или реорганизации любых из раскрытых этапов, компонентов, элементов, признаков, аспектов, характеристик, ограничений и т.п.
Источники информации:
1. Патент США №3702073.
2. Заявка США №20170010297.
3. Патент США №3673873 - прототип.