УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть применена для измерения линейных ускорений.
Задачей разработчика средств измерения ускорений является создание конструктивно простых и высокотехнологичных устройств с требуемыми метрологическими свойствами, в частности таким свойством как достоверность. Достоверность результата измерения зависит от точности измерений и помехоустойчивости. Существенное влияние на эти свойства оказывает виды функций первичного (чувствительным элементом) и вторичного преобразований. Линейность этих функций ведет к повышению точности измерений. Что касается помехоустойчивости, то дискретное преобразование предпочтительнее аналогового.
Рассмотрим с этих позиций известные технические решения. Основу большинства чувствительных элементов составляет инерционная масса сопряженная с упругим элементом. В качестве упругих элементов используют упругие подвесы (патент RU 2441246 С1, опубл. 27.01.2012, патент RU 2485524 С2, опубл. 20.06.2013), плоские пружины (патент RU 2063000 С1, опубл. 27.06.1996), растяжки (патент RU 147269 U1 опубл. 27.10.2014). Находят применение кремниевые маятники (патент 2492490 С1, опубл. 10.09. 2013, RU патент RU 2526789 С1, опубл. 27.08.2014). Смещение инерционной массы под действием измеряемого ускорения преобразуют с применением емкостных преобразователей (патент RU 2517812 С1, опуб. 27.05.2014; патент RU 2521141 С2, опубл. 27.06.2014), магнитоэлектрических преобразователей (патент RU 172727 U1, опубл. 21.07.2017). Применяют автоколебательные промежуточные звенья (патент RU 2436106 С2, опубл. 10.12.2011). Перспективным представляется оптическое преобразование (патент RU 2410703 С1, опубл. 27.01.2011).
Известным техническим решениям свойственны общие недостатки:
- резонансные свойства чувствительных элементов приводят к нелинейности первичное преобразования;
- конструкции достаточно сложны, в ряде случаев предполагают специфические технологические процессы изготовления и юстировки.
В качестве прототипа принято устройство для измерения виброускорений по патенту RU 2454645 С1 МПК G01M 7/02, G01P 15/093, опубл. 27.06.2012. Воспользуемся нумерацией позиций прототипа. В корпусе 1 установлен чувствительный элемент в виде консольной балки 2, на которой расположен груз 3 с возможностью его перемещения и фиксации на полскости балки. На конце консольной балки закреплен зеркальный отражатель в форме плоского зеркала 4. С этим зеркальным отражателем оптически связан световод 6,7 в виде пучка световолокон, сгруппированный по мозаичной оптической схеме. Оптически последовательно связанные через зеркальный отражатель осветитель, световод и фотоприемник образуют и волоконно-оптический информационный преобразователь 5. Под действием ускорения балка 2 изгибается, отраженный от зеркального отражается луч света через световод 7 воспринимается фотоприемником.
Недостатком рассмотренного устройства явлается низкая достоверность результата измерения. Консольная балка представляет собой высокодобротное колебательное звено с некоторой собственной частотой. Измеряемое ускорение изменяется по произвольному закону, т.е. представляет собой функцию времени. Может оказаться, что собственная частота балки будет в спектре частот функции измеряемого ускорения. Это приведет к деформации передаточной функции устройства, соответственно к скачку погрешности. Кроме того, при деформации балки под действием померяемого ускорения консольное сечение, где размещено плоское зеркало, поворачивается, поэтому смещение отраженного луча в плоскости торца световода 7 будет пропорционально синусу угла поворота, т.е. нелинейно.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение достоверности результата измерения ускорения при достаточно простой и технологичной конструкции устройства.
Решаются задачи:
- разработка конструктивной схемы устройства для измерения ускорений;
- обоснование принимаемых решений;
- вывод расчетных соотношений.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения ускорений, содержащее корпус с размещенными в нем чувствительным элементом, на котором закреплен зеркальный отражатель, и волоконно-оптическим информационным преобразователем в составе оптически последовательно связанных через зеркальный отражатель осветителя, световода и фотоприемника, чувствительный элемент выполнен в виде инерционной массы, закрепленной в жестких центрах двух мембран прямоугольной формы, и снабжен демпфером колебаний, а концы световолокон световода, обращенные к зеркальному отражателю, расположены в одной плоскости, совпадающей с направлением чувствительности устройства для измерения ускорений. Зеркальный отражатель выполнен в виде двух оптических связанных плоских зеркал установленных под углом 45° к направлению чувствительности устройства для измерения ускорений таким образом, что входной и выходной лучи света волоконно-оптического информационного преобразователя параллельны друг-другу. Инерционная масса чувствительного элемента выполнена из электропроводного материала. Демпфер колебаний чувствительного элемента выполнен в виде магнитной системы, составленной из магнитопровода и двух постоянных магнитов осевой намагниченности с образованием магнитного зазора, в котором расположена инерционная масса чувствительного элемента, а магнитная система установлена в корпусе с возможностью перемещения и фиксации по направлению чувствительности устройства для измерения ускорений. Конструкция предлагаемого устройства для измерения ускорений отражена на чертежах;
фиг. 1 - конструктивная схема;
фиг. 2 - вид А под фиг. 1;
фиг. 3 - плата фотоприемника;
фиг. 4 - вид Б по фиг. 1
Принятые обозначения
1. Корпус чувствительного элемента
2, 3. Мембраны прямоугольной формы
4. Вставка инерционной массы
5. Верхняя накладка
6. Нижняя накладка
7. Винты крепления накладок
8. Окно корпуса чувствительного элемента
9, 10. Плоские зеркала чувствительного элемента
11, 12. Стержни зеркала
13. Выступы стержней
14. Шлицы стержней
15,16. Винты фиксации стержней
17. Корпус устройства для измерения ускорения
18. Винты крепления корпуса чувствительного элемента
19, 20. Постоянные магниты демпфера колебаний
21. Магнитопровод демпфера колебаний
22. Шток магнитной системы
23. Винт штока магнитной системы
24. Шайба фиксатора положения
25. Винты фиксатора положения
26. Осветитель
27. Световод
28. Фотоприемник
29. Плата фотоприемника
30. Винты платы фотоприемника
31. Крышка
32. Винты крышки
33. Втулка фотоприемника
34. Кронштейн фотоприемника
35. Винты крепления кронштейна фотоприемника
36. Монтажные стойки
37. Электрический разъем
38. Монтажная ниша корпуса
39. Резьбовые отверстия для крепления на объекта исследования.
Чувствительный элемент выполнен в виде отдельной оборонной единицы на базе корпуса 1 по форме двутавра. Сверху и снизу (здесь и далее ориентация чертежа) типовым образом завальцовкой закреплены две плоские пружины 2, 3. В зависимости от диапазона измерения эти пружины могут выполняться гофрированными. Пружины имеют прямоугольную форму. Учитывая способ закрепления, характер возникающих механических напряжений и методику их расчета на прочность и жесткость, далее их будет именовать мембранами. Заметим, что возможно применение классических мембран круглой формы, но это приведет к уложению конструкции. В жестких центрах мембран 2, 3 закреплена инерционная масса, которая в своей основе имеет вставку 4, верхнюю 5 и нижнею 6 - накладки, которые с помощью винтов 7 присоединены к вставке. Вставка размещена в окне 8 корпуса 1 чувствительного элемента.
Вставка содержит элементы зеркального отражателя. Имеется два плоских зеркала 9, 10, которые закреплены на консольных участках стержней 11, 12. Вторые концы стержней на своих выступах 13 имеют шлипцы 14, с помощью которых осуществляется поворот стержней. В рабочем положении зеркала 9, 10 располагаются под углом 90° друг к другу, соответственно под 45° к оптическому лучу. Фиксация положения стержней осуществляется винтами 15, 16. Корпус 1 чувствительно элемента крепится на корпусе 17 устройства для измерения ускорений винтами 18.
Чувствительный элемент снабжен демпфером колебаний. В демпфер колебаний входит магнитная система, составленная из двух постоянных магнитов 19, 20 осевой намагниченности и магнитопровода 21. В образованном магнитом зазоре размещена часть нижней накладки 6. Действие демпфера заключается в том, что при перемещении электропроводной накладки в магнитном зазоре в ней индцируются вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем зазора обеспечивают силу сопротивления. Эта сила пропорциональна скорости и площади перекрытия накладки магнитным зазором. Предусмотрено регулирование исходной площади перекрытия. Магнитная система закреплена на штоке 22 квадратного сечения, который размещен в корпусе 17 устройства для измерения ускорений. Регулирование осуществляется винтом 23, а фиксация положения - шайбой 24 с винтами 25. Смещение инерционной массы воспринимается волоконно-оптическим информационным преобразователем.
Волоконно-оптический информационный образователь представлен осветителем 26 (например лазерным), который формирует тонкий луч света. Имеется световод 27 и фотоприемник 28 (например фотодиод). Световод с фотоприемником выполнены в виде отдельной сборочной единицы на плате 29 (см. фиг. 3), закрепленной финтами 30 в нише корпуса 17 и защищенной крышкой 31 с винтами 32. Фотоприемник 28 установлен во втулке 33, которая размещена в кронштейне 34, последний крепится винтами 35 к плате 29. Первые (обращенные к зеркальному отражателю) концы световолокон световода 27 уложены на плате 29 в один слой с равным шагом, а вторые -собраны в пучок во входном отверстии втулки 33 фотоприемника. Такая конструкция позволяет варьировать технологией формирования световода. После окончательной сборки световод фиксируется компаундом. Электрические выводы фотоприемника подпаяны к монтажным стойкам 36. Положение и направления лучей света на чертежах показано стрелками. Необходимо отметить, что в исходном положении инерционной массы и при ее смещении под действием измеряемого ускорения прямой (осветителя) и отраженные лучи света параллельны, что обеспечивает пропорциональность перемещения луча на линейки световолокон в функции смещения инерционной массы, а значит и измеряемого ускорения.
Для соединения с блоком обработки сигнала предусмотрен электрический разъем 37. Укладка монтажных проводов осуществляется в нише 38 корпуса. В зависимости от условий применения устройство для измерения ускорений может комплектоваться защитным кожухом. Крепление устройства для измерения ускорений на объекте исследований осуществляется с помощью резьбовых отверстий 39 корпуса. Предлагаемые конструктивные решения соответствуют принципу агрегатности - основные детали устройства образуют три оборочных единицы: чувствительный элемент, плата фотоприемника и корпус устройства, что повышает технологичность конструкции. Детали просты по форме, их изготовления предполагает типовые технологические процессы.
Найдем предаточную функцию устройства. Осью чувствительности является осевая линия инерционной массы, назовем ее ось X. Под действием измеряемого ускорения a(t) движение инерционной массы величиной m будет определяться уравнением
где D - жесткость мембран;
u
h - интегральный коэффициент трения;
,  - соответсвенно первая и вторая производные перемещения по времени.
Перепишем выражение (1) в виде
a
где β=h/2m - коэффициент затухания;
собственная круговая частота чувствительного элемента.
0
При β>ω имеет место колебательный режим с частотой
Измеряемое ускорение представляет собой некоторую непрерывную функцию времени, которая для анализа может быть разложена в гармонический ряд Фурье
n
n
где a, b - коэффициенты Фурье;
0
а - постоянная составляющая
Отдельная гармоника ряда
0
может иметь большую амплитуду  и ее частота может совпадать с собственной частотой ω чувствительного элемента
что приведет к явлению резонанса и деформации функции преобразования.
Для исключения этого явления в предлагаемом устройстве предусмотрен демпфер колебаний. При смещение инерционной массы в нижней накладке 6 индуцируются вихревые токи
пропорциональные скорости. Коэффициент ki зависит от магнитной индукции зазора и электропроводности накладки. Появляется сила вязкого трения, определяемая коэффициентом трения
u
Коэффициент k зависит от площади перекрытия накладки магнитным зазором.
Изменяя исходное положение магнитной системы демпфера колебаний (за счет поворота винта 23) можно приблизить колебательную систему к апереодической. Граничное условие
u
Заметим, что некоторую долю в интегральный коэффициент трения h вносят потери энергии о воздух и внутреннее чистерезисное трение в материале мембран.
0
Для апериодического режима при скачке ускорения на величину а получим решение
1
u
2
u
где τ=m/h; τ=hD.
Линеаризируя зависимость (10) получим функцию
где константа устройства равна
m
т.е. получаемый результат пропорционален длительности t прохождения лучом света шагов световода 27 и количеству N прошедших шагов. Юстировка устройства для измерения ускорений заключается в симетрировании луча света на световоде за счет поворота стержней 11, 12 зеркал и в обеспечении апериодического режима чувствительного момента за счет вращения винта 23 денпфера с последующей фиксацией, соответственно финтами 15, 16 и шайбой 24 с винтами 25.
При производстве измерений закрепляют устройство для измерения ускорений на объекте исследований с помощью резьбовых отверстий 39 корпуса 17, совмещая направление измеряемого ускорения с осью чувствительности устройства т.е. перпендикулярно площади крепления. Под действием измеряемого ускорения инерционная масса смещается, что приводит к смещению луча света на световоде и получению электрических импульсов на фотоприемнике. Обработка этого сигнала ведется в соответствие с формулой (11).
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения ускорений позволяет получить достоверный результат измерения за счет линейности преобразования и дискретной формы информации. Отсутствие в кинематической цепи пар постоянного (Кулонова) трения обеспечивает постоянство параметров устройства в функциий времени и условий применения. Конструкция устройства проста и технологична. Этому способствует агрегатный (блочный) принцип построения. Применяемые детали имеют простую форму и предполагают освоенные промышленностью технологические процессы.