КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МАЯТНИКОВЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
COMPENSATION PENDULUM ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения линейных ускорений - к компенсационным маятниковым акселерометрам, в которых реагирующий на ускорение маятниковый чувствительный элемент удерживается в нейтральном положении системой отрицательной обратной связи.
Известен компенсационный маятниковый акселерометр [патент RU 2559154 с датой приоритета 25.09.2013 г.], содержащий корпус, в котором размещены: маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, упругий подвес, посредством которого маятниковый пластинчатый чувствительный элемент связан с корпусом; магнитоэлектрический датчик момента, датчик угла перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента, компенсационный усилитель. В этом акселерометре применены: фотоэлектрический датчик угла, упругий подвес, состоящий из двух соосно расположенных металлических растяжек с прямоугольным сечением, закрепленных в маятниковом чувствительном элементе и в корпусе, являющихся токоподводами к выводам катушек датчика момента, и устройства крепления растяжек, при этом обе растяжки установлены так, чтобы их большая сторона сечения была параллельна продольной оси катушек датчика момента.
Недостатками этого акселерометра являются: низкий коэффициент демпфирования маятникового чувствительного элемента, определяющий степень затухания колебательных процессов, а также ударо- и виброустойчивоть акселерометра; сложность конструкции узлов крепления упругого подвеса; недостаточная прочность подвеса в условиях линейных, ударных и вибрационных перегрузок.
Прототипом является малогабаритный компенсационный маятниковый акселерометр [патент RU 2291450 с датой приоритета 26.05.2005 г.], содержащий корпус, в котором размещены: маятниковый узел, содержащий выполненные из единой пластины монокристаллического кремния с кристаллической ориентацией плоскости среза (001) маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, опорную рамку с базирующими платиками, предназначенными для формирования зазора для перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента, упругий подвес, посредством которого маятниковый пластинчатый чувствительный элемент связан с опорной рамкой; магнитоэлектрический датчик момента, содержащий две магнитные системы, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла, каждая из которых содержит постоянный магнит, кольцевой ферромагнитный магнитопровод и центральный ферромагнитный магнитопровод, образующие между собой кольцевой зазор, две катушки, размещенные с обеих сторон маятникового пластинчатого чувствительного элемента; промежуточные плоские изолирующие кольца, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла между маятниковым узлом и торцевыми поверхностями магнитных систем магнитоэлектрического датчика момента, образованными кольцевыми ферромагнитными магнитопроводами; емкостный датчик угла перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента, подвижным электродом которого является маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, а неподвижные электроды которого расположены на промежуточных плоских изолирующих кольцах на сторонах, обращенных к маятниковому пластинчатому чувствительному элементу; компенсационный усилитель, вход которого соединен с емкостным датчиком угла, а выход через токоподводы с катушками; генератор напряжения возбуждения емкостного датчика угла перемещения, подключенный к электродам емкостного датчика угла. В этом акселерометре применены: средство для сборки и крепления маятникового узла, магнитоэлектрического датчика момента и промежуточных изолирующих колец к корпусу акселерометра, выполненное из немагнитного материала; упругий подвес, содержащий два соосных крестообразных элемента, продольная ось каждого из которых ориентирована под углом 45° к кристаллографическому направлению <110>, причем одна из образующих плоскостей крестообразного элемента параллельна торцевой плоскости (001) маятникового узла, а другая образующая плоскость перпендикулярна торцевой плоскости (001) маятникового узла.
Недостатком указанного акселерометра является то, что кремниевый подвес является достаточно хрупким элементом и для надежной работы должен обладать значительной толщиной, что приводит к увеличению его жесткости, а следовательно к увеличению нестабильности смещения нуля и снижает точность прибора в целом. Наличие гибких токоподводов приводит к появлению уводящих моментов, что влияет на величину и стабильность смещения нуля, а также является причиной высокой погрешности от температурных воздействий.
Задачей предлагаемого изобретения является создание компенсационного маятникового акселерометра, конструктивное исполнение которого позволит обеспечить малую величину и высокую стабильность смещения нуля, низкий температурный коэффициент смещения нуля, повысить коэффициент демпфирования маятникового чувствительного элемента для ударо- и виброустройчивости, обеспечить надежность в условиях механических воздействий, повысить технологичность изготовления.
Изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает компенсационный маятниковый акселерометр (продольный разрез);
Фиг. 2 изображает маятниковый узел (вид спереди);
Фиг. 3 изображает маятниковый узел, размещенный между двумя промежуточными кольцами с выступами.
На фиг. 1-3 отражены следующие элементы:
1. Корпус;
2. Маятниковый пластинчатый чувствительный элемент;
3. Плоская опорная рамка;
4. Упругий подвес;
5. Кольцевой постоянный магнит;
6. Кольцевой ферромагнитный полюсный наконечник;
7. Центральный ферромагнитный магнитопровод;
8. Промежуточное кольцо из инвара;
9. Изолирующая пластина;
10. Катушка;
11. Двусторонние выводы;
12. Ось;
13. Гайка;
14. Плоская пружина;
15. Электрод емкостного датчика угла;
16. Электрод магнитоэлектрического датчика момента;
17. Металлическая площадка;
18. Выступ.
Компенсационный маятниковый акселерометр состоит из: корпуса 1 (фиг. 1), маятникового узла, магнитоэлектрического датчика момента, емкостного датчика угла, компенсационного усилителя (на фиг. 1 не показан), оси 12 и гайки 13, скрепляющих маятниковый узел и магнитные системы магнитоэлектрического датчика момента, плоской пружины 14, размещенной между корпусом акселерометра 1 и корпусом одной из магнитных систем магнитоэлектрического датчика момента.
Маятниковый узел содержит выполненные из единой пластины плавленного кварца: маятниковый пластинчатый чувствительный элемент 2 с напыленными по обе стороны металлическими электродами емкостного датчика угла и магнитоэлектрического датчика момента (см. фиг. 2), плоскую опорную рамку 3, упругий подвес 4, посредством которого маятниковый пластинчатый чувствительный элемент связан с опорной рамкой. Упругий подвес содержит две плоские перемычки с напыленными по обе стороны металлическими площадками (см. фиг. 2), выполняющими роль токоподводов емкостного датчика угла и магнитоэлектрического датчика момента. Применение в изобретении плавленого кварца в качестве материала маятникового чувствительного элемента в сочетании с формой перемычек упругого подвеса позволяет получить низкую жесткость подвеса, а следовательно и низкую величину смещения нуля акселерометра при сохранении достаточной прочности для обеспечения надежной работы в условиях механических воздействий. Применение напыленных металлических площадок на перемычках упругого подвеса позволяет повысить стабильность смещения нуля и снизить температурный коэффициент смещения нуля.
Магнитоэлектрический датчик момента содержит: две магнитные системы, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла, две катушки 10 (фиг. 1), размещенные с обеих сторон маятникового пластинчатого чувствительного элемента 2 и подключенные к напыленным по обе стороны маятникового пластинчатого чувствительного элемента металлическим электродам магнитоэлектрического датчика момента.
Магнитная система содержит: кольцевой постоянный магнит 5, кольцевой ферромагнитный полюсный наконечник 6, центральный ферромагнитный магнитопровод 7, образующие между собой кольцевой зазор, промежуточное кольцо из инвара 8 с близким к кварцу температурным коэффициентом линейного расширения, изолирующую пластину 9 с металлическим напылением, выполняющим функцию неподвижного электрода датчика угла. В корпусе одной из магнитных систем размещены двусторонние выводы 11, применяемые для подключения электродов магнитоэлектрического датчика момента и емкостного датчика угла к компенсационному усилителю, что позволяет повысить технологичность изготовления акселерометра в сравнении с прототипом, в котором электроды расположены на промежуточных изолирующих кольцах. Промежуточные кольца 8 магнитных систем имеют выступы, предназначенные для организации рабочего хода маятникового пластинчатого чувствительного элемента (см. фиг. 3). Применение промежуточных колец с выступами позволяет обеспечить малые зазоры между маятниковым чувствительным элементом и изолирующими пластинами магнитных систем, тем самым создает воздушный демпфер, повышающий ударо- и виброустойчивость акселерометра.
Емкостный датчик угла перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента содержит подвижный электрод, которым являются соединенные между собой напыленные по обе стороны металлические электроды маятникового пластинчатого чувствительного элемента и два неподвижных электрода, которыми являются металлические напыления изолирующих пластин магнитных систем магнитоэлектрического датчика момента.
Компенсационный усилитель содержит: генератор напряжения возбуждения емкостного датчика угла перемещения, предварительный усилитель, оконечный усилитель, корректирующий контур. Вход компенсационного усилителя соединен с емкостным датчиком угла, а выход с катушками магнитоэлектрического датчика момента.
Плоская пружина, размещенная между корпусом акселерометра 1 и корпусом одной из магнитных систем магнитоэлектрического датчика момента, выполняет функцию компенсатора температурных расширений. Применение плоской пружины позволяет дополнительно повысить стабильность смещения нуля и снизить температурный коэффициент смещения нуля.
Работа предлагаемого компенсационного маятникового акселерометра осуществляется следующим образом. При наличии ускорения по измерительной оси акселерометра, проходящей перпендикулярно маятниковому узлу, маятниковый пластинчатый чувствительный элемент отклоняется под действием инерционного момента, пропорционального ускорению, массе маятникового чувствительного элемента и расстоянию от центра масс маятникового чувствительного элемента до оси, проходящей вдоль упругого подвеса. Угловое перемещение маятникового чувствительного элемента изменяет величины электрических емкостей емкостного датчика угла, в котором подвижным электродом является маятниковый чувствительный элемент. Изменение емкостей преобразуется компенсационным усилителем в постоянный ток, который подается в катушки магнитоэлектрического датчика момента. При протекании тока по катушкам датчика момента формируется компенсационный момент, воздействующий на маятниковый чувствительный элемент и возвращающий его в исходное положение. Постоянный ток, протекающий по катушкам датчика момента, пропорционален входному ускорению и является выходным сигналом компенсационного маятникового акселерометра.
Техническим результатом является обеспечение малой величины и высокой стабильности смещения нуля, низкого температурного коэффициента смещения нуля, повышение коэффициента демпфирования маятникового чувствительного элемента для ударо- и виброустройчивости, обеспечение надежности в условиях механических воздействий, повышение технологичности изготовления.
Таким образом, заявлен компенсационный маятниковый акселерометр, содержащий корпус, в котором размещены маятниковый узел, содержащий выполненные из единой пластины маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, плоскую опорную рамку, упругий подвес, посредством которого маятниковый пластинчатый чувствительный элемент связан с опорной рамкой; магнитоэлектрический датчик момента, содержащий две магнитные системы, соосно размещенные по обе стороны от маятникового узла, каждая из которых содержит кольцевой постоянный магнит, кольцевой ферромагнитный полюсный наконечник, центральный ферромагнитный магнитопровод, образующие между собой кольцевой зазор, две катушки, размещенные с обеих сторон маятникового пластинчатого чувствительного элемента; емкостный датчик угла перемещения маятникового пластинчатого чувствительного элемента, подвижным электродом которого является маятниковый пластинчатый чувствительный элемент, а неподвижными электродами являются элементы магнитных систем; компенсационный усилитель, вход которого соединен с емкостным датчиком угла, а выход с катушками датчика момента, содержит генератор напряжения возбуждения емкостного датчика угла перемещения, предварительный усилитель, оконечный усилитель, корректирующий контур; элементы, скрепляющие маятниковый узел и магнитоэлектрический датчик момента, отличающийся тем, что в маятниковом узле единая пластина выполнена из плавленного кварца, на маятниковом пластинчатом чувствительном элементе напылены по обе стороны металлические электроды емкостного датчика угла и магнитоэлектрического датчика момента, к которым с каждой стороны подключена катушка, промежуточное кольцо магнитной системы выполнено из инвара и имеет выступы для организации рабочего хода маятникового пластинчатого чувствительного элемента, на изолирующую пластину нанесено металлическое напыление, выполняющее функцию неподвижного электрода датчика угла; двусторонние выводы размещены в корпусе одной из магнитных систем и применяются для подключения электродов магнитоэлектрического датчика момента и емкостного датчика угла к компенсационному усилителю; между корпусом акселерометра и магнитоэлектрическим датчиком момента размещена плоская пружина; упругий подвес содержит две плоские перемычки с напыленными по обе стороны металлическими площадками.