УГЛОВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
ANGULAR ACCELEROMETRE

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения углового ускорения, например в инерциальных системах навигации.
Известен Датчик угловых ускорений (патент RU № 97113215, МПК G01P 15/11, 1999.05.27), содержащий статор с магнитопроводом, выполненный в виде трех концентричных колец, соединенных радиальными перемычками, и двух измерительных и одной выходной обмотками. Ротор выполнен с двумя постоянными магнитами, одноименные полюса которых направлены встречно друг другу. Один из магнитов расположен внутри, а другой - снаружи магнитопровода. Измерительные обмотки выполнены каждая в виде двух соединенных параллельно короткозамкнутых диаметрально противоположных секций, намотанных одна на внутреннее, а другая - на наружное кольца магнитопровода. Выходная обмотка намотана на каждую секцию среднего кольца магнитопровода.
При воздействии углового ускорения на датчик угловых ускорений ротор начинает вращаться вокруг оси чувствительности, два постоянных магнита создают движущееся магнитное поле, в результате на измерительной обмотке образуется ЭДС, по величине которой судят о величине измеряемого углового ускорения.
Недостатками являются малый частотный диапазон измеряемого входного воздействия, массогабаритные характеристики.
Известен Акселерометр (патент RU № 565572, МПК G01P 15/11, 2005.08.20), содержащий корпус и два измерительных звена, в каждое из которых входят: инерционная масса, совмещенная с ротором датчика, и упругие подвесы. Каждый из упругих элементов состоит из нескольких упругих стержней.
Ось чувствительности первого звена совпадает с осью чувствительности второго. Упругие элементы подвеса первого звена зеркально симметричны упругим элементам второго звена. Датчики угла обоих звеньев включены в схему суммирования и вычитания, выходы с которых образуют независимые каналы угловых и линейных ускорений соответственно.
При воздействии углового ускорения на данный датчик инерционные массы отклоняются на угол, который измеряют датчики угла. Данные о величине углов попадают на схему суммирования и вычитания, которая рассчитывает величину углового ускорения.
Недостатками являются массогабаритные характеристики, малый частотный диапазон измеряемого входного воздействия.
Наиболее близким из известных технических решений является Датчик угловых ускорений (патент US № 5349858 МПК G01P 15/08, 1994), содержащий основание, инерционную массу на упругих подвесах, вторую инерционную массу на упругих подвесах, расположенную так, что ось подвесов перпендикулярна оси упругих подвесов кольцевой инерционной массы и находится внутри ее, емкостной датчик положения.
Данный датчик имеет возможность измерять угловое ускорение по двум осям чувствительности. При воздействии по одной из осей чувствительности углового ускорения на датчик инерционная масса поворачивается на некоторый угол вокруг оси упругих подвесов. В результате изменяется расстояние между обкладками емкостного датчика положения, как следствие, и изменяется емкость конденсатора емкостного датчика. По изменению данной емкости судят о измеряемом ускорении.
Недостатками являются низкая точность измерения, малый частотный диапазон измеряемого воздействия.
Задачей является создание углового акселерометра, измеряющего угловое ускорение с большей точностью и расширенным частотным диапазоном.
Техническим результатом является увеличение точности и расширение частотного диапазона измеряемого ускорения.
Технический результат достигается тем, что в угловой акселерометр, содержащий инерционную массу на упругих подвесах, датчик положения, крышку и основание, введены два постоянных магнита, компаратор, ключ и источник постоянного тока, инерционная масса выполнена из монокристаллического кремния в виде диска с оптическими щелями и размещена на упругих подвесах в зазоре между постоянными магнитами с возможностью углового перемещения, магниты закреплены на основании и крышке, датчик положения выполнен из двух излучателей и двух фотоприемников, оптические оси которых проходят через оптические щели и закреплены в отверстиях на основании и крышке, на поверхности инерционной массы радиально напылены токопроводящие дорожки, начала и концы которых соединены между собой напыленными токопроводящими кольцами и каждое из колец токопроводами через упругие подвесы соединены с выходам ключа, к первому входу которого подключен источник постоянного тока, а ко второму входу подключен выход компаратора, ко входу которого подключены выходы фотоприемников, а излучатели подключены к источнику постоянного тока.
Технический результат достигается за счет того, что инерционная масса совершает автоколебания вокруг оси чувствительности под действием знакопеременного сигнала постоянного тока, формируемого в цепи обратной связи. При этом наличие входного воздействия приводит к смещению центра колебаний и возникновению временной модуляции сигнала.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении изобретения в силу того, что содержащиеся в заявленном устройстве инерционная масса, упругие подвесы, постоянные магниты, оптические щели, основание, крышка, излучатели, фотоприемники, токопроводящие дорожки, ключ, источник постоянного тока, компаратор могут быть эффективно использованы для измерения углового ускорения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного углового акселерометра, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена Электро-кинематическая схема датчика и введены следующие обозначения:
1. Инерционная масса
2. Упругие подвесы
3. Постоянные магниты
4. Оптическая щель 1-я
5. Оптическая щель 2-я
6. Основание
7. Крышка
8. Излучатель 1-й
9. Излучатель 2-й
10. Фотоприемник 1-й
11. Фотоприемник 2-й
12. Токопроводящие дорожки
13. Токопроводящие кольца
14. Токопроводы
15. Ключ
16. Источник постоянного тока
17. Компаратор
На фиг.2а представлен сигнал на выходе ключа при отсутствии внешнего воздействия.
На фиг.2б представлен сигнал на выходе ключа при наличии внешнего воздействия.
В предлагаемом угловом акселерометре инерционная масса 1 размещена на упругих подвесах 2 в зазоре между постоянными магнитами 3 с возможностью углового перемещения и выполнена из монокристаллического кремния в виде диска с оптическими щелями 4, 5, магниты 3 закреплены на основании 6 и крышке 7, датчик положения выполнен из двух излучателей 8, 9 и двух фотоприемников 10, 11, оптические оси которых проходят через оптические щели 4, 5 и закреплены в отверстиях на основании 6 и крышке 7, на поверхности инерционной массы 1 радиально напылены токопроводящие дорожки 12, начала и концы которых соединены между собой напыленными токопроводящими кольцами 13 и каждое из колец токопроводами 14 через упругие подвесы 2 соединены с выходами ключа 15, к первому входу которого подключен источник постоянного тока 16, а ко второму входу подключен выход компаратора 17, ко входу которого подключены выходы фотоприемников 10, 11, а излучатели 8, 9 подключены к источнику постоянного тока 16.
Компаратор 17 может быть выполнен, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (компаратора) 521СА2. Ключ 15 может быть выполнен, например, на основе серийно выпускаемого транзистора ГТ108.
Источник постоянного тока 16 может быть представлен любой типовой схемой, удовлетворяющей заданным параметрам питания токопроводящих дорожек 12.
Датчик работает следующим образом.
Датчик устанавливают на объект для измерения углового ускорения, с учетом того, что ось чувствительности проходит через центр диска инерционной массы 1 на упругих подвесах 2 перпендикулярно его поверхности. В исходном состоянии первый излучатель 8 закрыт первой оптической щелью 4, второй излучатель 9 открыт. В результате на выходе 2-го фотоприемника 11 появляется сигнал, который приводит к срабатыванию компаратора 17. Выходное напряжение компаратора 17 управляет ключом 15, который подключает источник постоянного тока 16 к токопроводящим дорожкам 12 через токопроводящие кольца 13 и токопроводы 14. В результате создания магнитного поля токопроводящими дорожками 12 и взаимодействия его с магнитным полем постоянных магнитов 3 возникает пара сил, создающая момент, действующий на диск инерционной массы 1, который, в свою очередь, поворачивается на некоторый угол, при этом первый излучатель 8 оказывается открыт, а второй излучатель 9 закрыт второй оптической щелью 5.
Вследствие этого на выходе первого фотоприемника 10 появляется сигнал, а на выходе второго фотоприемника 11 - пропадает. Т.к. сигнал первого фотоприемника 10 попадает на компаратор 17, то он срабатывает, его выходное напряжение управляет ключом 15, это приводит к переключению ключом 15 направления тока в дорожках 12 на поверхности диска инерционной массы 1. Далее процесс переключений повторяется и, следовательно, диск инерционной массы 1 совершает автоколебания. Применение ключа 15 и источника постоянного тока 16 позволяет формировать на выходе ключа 15 прямоугольные импульсы тока, постоянные по силе тока и частоте, а значит, и автоколебания, постоянные по амплитуде и частоте. Сигнал на выходе ключевой схемы представлен на фиг.2а. При воздействии на датчик углового ускорения он работает следующим образом. При наличии ускорения по оси чувствительности датчика на чувствительную массу 1 будет действовать дополнительный крутящий момент. В результате при угловом движении диска инерционной массы после переключения компаратором 17 ключа 15 время движения диска 1 до точки перекрытия второго излучателя 9 и открытии первого увеличится вследствие того, что на диск будет действовать момент:
М=Мкп-Мвнешн,
где М - суммарный крутящий момент, действующий на инерционную массу, Мкп - момент, создаваемый силой взаимодействия тока в дорожках и с полем постоянного магнита, Мвнешн - дополнительный крутящий момент, действующий на инерционную массу.
В результате это приводит к уменьшению времени поворота. В итоге данные явления приведут к изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе ключа 15 (фиг.2б). По изменению длительности прямоугольных импульсов судят об измеряемом ускорении. Повышение точности измерений достигается за счет введения режима автоколебаний и уменьшения вследствие этого вредных моментов, действующих на инерционную массу 1.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике, а именно в угловых акселерометрах для измерения углового ускорения, например в инерциальных системах навигации;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".