ТРЕХКООРДИНАТНЫЙ ДАТЧИК УСКОРЕНИЙ

«Трёхкоординатный датчик ускорений» относится к измерительной технике и может быть использован для контроля транспортных средств, в т.ч. в системах инерциальной навигации летательных и подводных аппаратов.
Известен акселерометр (компенсационный акселерометр, [1]), содержащий чувствительный элемент, датчик положения, усилитель, магнитоэлектрический силовой преобразователь, компенсационная катушка которого подключена к выходу усилителя, а к ней подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов, причем первый резистор зашунтирован конденсатором, к точке соединения компенсационной катушки с цепью из последовательно соединенных первого и второго резисторов подключено интегро-дифференцирующее звено с передаточной функцией, определяемой расчетным соотношением. Выделенное курсивом - признаки общие с предметом изобретения.
Недостатки известного акселерометра - ограниченность функциональных возможностей, что объясняется невозможностью контроля перегрузок и вибраций параллельно по трем ортогональным проекциям и ограниченным диапазоном измеряемых ускорений.
Известен акселерометр (маятниковый компенсационный акселерометр, [2]), содержащий датчик угла, два источника света, фотодиод, заслонку, установленную между источниками света и фотодиодом, генератор импульсов, соединенный выходом с источниками света, усилители, подключенные к генератору импульсов, второй фотодиод, освещаемый обоими источниками света, но не перекрываемый заслонкой, и подключенный через усилитель к управляющему входу генератора импульсов. Выделенное курсивом - признаки общие с предметом изобретения.
Недостатки известного акселерометра - ограниченность функциональных возможностей, что объясняется невозможностью контроля перегрузок и вибраций параллельно по трем ортогональным проекциям и ограниченным диапазоном измеряемых ускорений.
Известен акселерометр (акселерометр, [3]), содержащий два чувствительных элемента, дифференциальные емкостные преобразователи консольной конструкции, два автогенератора, соединенные с выходами двух чувствительных элементов, два делителя частоты, соединенные входами с выходами автогенераторов, первый и второй D-триггеры, соединенные входами с выходами делителей частоты, элемент Исключающее ИЛИ, соединенный входами с выходами первого и второго D-триггеров, третий D-триггер и инвертор, соединенный входом с выходом третьего D-триггера, причем один автогенератор выполнен с частотой выходного сигнала, большей частоты другого автогенератора. Выделенное курсивом - признаки общие с предметом изобретения.
Недостатки известного акселерометра - ограниченность функциональных возможностей, что объясняется невозможностью контроля перегрузок и вибраций параллельно по трем ортогональным проекциям и ограниченным диапазоном измеряемых ускорений.
Известен, как более близкий по технической сущности к предмету изобретения, акселерометр (измеритель перегрузок и вибраций ИПВЗ, [4]), содержащее, для каждой координаты в прямоугольной системе координат, три чувствительных элемента, ориентированные степенями подвижности в направлении трех взаимно перпендикулярных направлениях, три фильтра нижних частот (ФНЧ) с корректором амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), соединенные информационными входами с выходами одноименных чувствительных элементов, соответственно, и три масштабирующих усилителя, соединенные информационными входами с выходами одноименных ФНЧ с корректорами АЧХ, а выходами с одноименными выходами акселерометра, блок питания, соединенный выходом со входами питания трех чувствительных элементов, трех ФНЧ с корректорами АЧХ и трех масштабирующих усилителей, блок питания, соединенный выходом со входами питания чувствительных элементов, ФНЧ с корректором АЧХ и масштабирующих усилителей, а также источник опорного напряжения, соединенный выходом со входами опорного напряжения трех масштабирующих усилителей. Выделенное курсивом - признаки общие с предметом изобретения.
Недостаток известного акселерометра - ограниченность функциональных возможностей, что объясняется ограниченным диапазоном измеряемых ускорений.
Задача полезной модели - трёхкоординатного датчика ускорений - расширение функциональных возможностей акселерометра за счет расширения диапазона измеряемых ускорений.
Технический результат достигается тем, что в акселерометр, содержащий, для каждой координаты, в прямоугольной системе координат, чувствительный элемент (датчик), ориентированный степенью свободы в направлении соответствующей координате объекта контроля, введены по два чувствительных элемента выполненных на пьезоэлектрических трансформаторах, объединенных в корпусе и расположенных соосно, и массивное сферической (или кубической) формы тело, установленное по легкоходовой посадке между пьезоэлектрическими трансформаторами.
Трёхкоординатный датчик ускорений, в сечении плоскостью, проходящей по двум взаимно перпендикулярным осям (XY, XZ или YZ) , изображен на фиг. 1.
Трёхкоординатный датчик ускорений содержит для каждой прямоугольной координаты два пьезоэлектрических трансформатора, включающих пьезоэлементы 1, установленные соосно в направлении прямоугольных координат Х, Y и Z, соответственно, первые 2 электроды которых по входу и выходу являются общими, вторые 3 электроды являются входными, а третьи 4 - выходными, между пьезоэлектрическими трансформаторами установлено по легкоходовой посадке массивное сферической (или кубической) формы тело 5, пьезоэлектрические трансформаторы и тело 5 заключены в пылевлагонепроницаемом корпусе 6, первый вход 7 которого образует вход-выход акселерометра и соединен с первыми электродами 2 пьезоэлектрических трансформаторов, вторые входы 8 образуют входы трехкоординатного датчика ускорений (акселерометра) и соединены со вторыми 3 электродами пьезоэлектрических трансформаторов, а четвертые 9 входы образуют выходы акселерометра и соединены с третьими 4 электродами трансформаторов.
Трёхкоординатный датчик ускорений работает следующим образом.
На входы 7 и 8 подаются синусоидальные колебания U=f(t), на выходах 9 устанавливаются колебания, амплитуда которых пропорциональна физическому воздействию (силе) Р тела 5 на пьезоэлементы 1, т.е. U=f(t, Р).
Разработанный и описанный выше трёхкоординатный датчик ускорений (акселерометр) обладает следующими характеристиками:
Параметр
Численное значение
Единица измерений
Прототипа
Полезной модели
Диапазон измеряемых ускорений Q
≤±70
≤±300
G;
Потребляемая мощность Р
<2,0
<0,05
Вт;
Масса
<120
<15
г
Габариты
50×55
≤20×20
мм
Он реализуем в миниатюрном исполнении, диапазон измеряемых ускорений его шире, чем у акселерометров с емкостными чувствительными элементами, в работе точнее и надежнее емкостного акселерометра, но он обладает более низким пределом измеряемых ускорений по сравнению с акселерометром на базе магнито-анизотропных чувствительных элементов.
Трёхкоординатный датчик ускорений (акселерометр), установленный жестко на транспортном средстве, генерирует электрические сигналы, однозначно пропорциональные текущие значения ускорений транспортного средства параллельно по трем взаимно перпендикулярным направлениям.
Источники информации:
1. Патент RU 2210781, G01P 15/13, 20.08.2003:
2. Патент SU 1799140, G01P 15/02, G01P 3/36, 20.12.1999;
3. Патент RU 2136004, G01P 15/123, 27.08.1999;
4. Измеритель перегрузок и вибраций серии ИПВЗ. Руководство по технической эксплуатации Р53200.9595.100 РЭ. - Таганрог: ЗАО «Бета ИР», 2008.