ГЕНЕРАТОРНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям линейного ускорения - акселерометрам.
Первичным преобразователем акселерометров служит инерционная масса, связанная с упругим элементом. Вторичное преобразование предусматривает получение измерительного сигнала, функционально связанного с перемещением инерционной массы.
3
тр
3
тр
В датчике ускорения (патент RU 2247992 МПК G01P 15/02; опубл. 10.03.2005) в качестве упругого элемента использована коническая винтовая пружина. Вторичное преобразование индуктивное - инерционный сердечник электрической катушки при перемещении изменяет величину индуктивности катушки. В этом датчике присутствует постоянное (Кулоново) трение в направляющих движения, что создает зону застоя. При изображении движения на фазовой плоскости зона застоя ϕ определяется коэффициентом трения f:ϕ=arctg f (Шарыгин Л.Н., Сорокин А.А. Автоколебательные системы в средствах измерения и контроля: учеб. пособие. - Владимир: изд-во «Атлас», 2016. ISBN 978-5-903087-53-2 - стр. 10). Конструкция датчика сложна и нетехнологична. Измерение величины индуктивности катушки предполагает отдельную электрическую цепь.
В частотном датчике линейных ускорений (патент RU 2436106 МПК G01P 15/097, опубл. 10.12.2011) вторичное преобразование построено на основе автоколебательной системы. Датчик представляет собой достаточно сложную конструкцию.
В акселерометрах находят применение емкостные преобразователи (патент RU 2517812 МПК G01P 15/08, опубл. 27.05.2014; патент RU 2521141 МПК G01P 15/08, опубл. 27.06.2014; патент RU 2526789 МПК G01P 15/08, G01P 15/125, опубл. 27.08. 2014). Низкая технологичность таких акселерометров обусловлена специфической формой упругих элементов. Кроме того, имеет место проблема так называемого нулевого сигнала. Положение инерционной массы в исходном положении зависит от ориентации датчика в пространстве, т.е. по отношению к вектору ускорения силы тяжести.
В качестве прототипа принят преобразователь инерционной информации по патенту RU 2199755 МПК G01P 15/13, 9/02, опубл. 27.02.2003. Воспользуемся нумерацией позиций прототипа. Подвижный чувствительный элемент 2 снабжен грузом 6 и установлен в корпусе 1 с помощью упругого шарнира 5. Имеется магнитоэлектрический преобразователь, образованный неподвижным постоянным магнитом 7 кольцевой формы и электрической катушкой 8, которая закреплена на подвижном элементе 2. Рассматриваемый преобразователь инерционной информации предназначен для работы по компенсационной схеме, поэтому содержит емкостной преобразователь, составленный из неподвижных электродов 9', 9ʺ на постоянном магните 7 и подвижного электрода в виде электропроводной поверхности подвижной части 3. Имеется электронная схема на основе многокаскадного усилителя постоянного тока.
В материалах патента не раскрыто устройство упругого шарнира 5, но от него требуется обеспечить плоскопараллельное движение достаточно большого подвижного элемента 2, несущего катушку 8. Существенна проблема реализации электрических выводов подвижной катушки. В рабочей конструкции появятся вспомогательные детали - изоляционные прокладки для электродов 9', 9ʺ, элементы крепления груза 6, оформление электрического вывода подвижного электрода. В целом детальная проработка конструкции показывает ее нетехнологичность.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение технологичности акселерометра за счет упрощения конструкции и выбора простых форм деталей.
Решаются задачи:
1. Разработка конструктивной схемы акселерометра генераторного типа, предназначенного для динамических испытаний изделий, выходной сигнал которого не зависит от положения в пространстве. Конструкция должна содержать детали простой формы и использовать типовые технологические процессы.
2. Математическое обоснование принимаемых решений.
Указанный технический результат достигается тем, что генераторный акселерометр, содержащий корпус, в котором размещены инерционный груз на упругом шарнире, магнитоэлектрический преобразователь, составленный из электрической катушки и постоянного магнита, снабжен демпфером перемещения инерционного груза, при этом инерционный груз и постоянный магнит выполнены в виде единой детали в форме стержневого постоянного магнита, установленной соосно внутри неподвижной каркасной электрической катушки. В генераторном акселерометре упругий шарнир выполнен в виде плоской мембраны, закрепленной по внешнему контуру в корпусе. В генераторном акселерометре упругий шарнир выполнен в виде гофрированной мембраны. Демпфер перемещения инерционного груза выполнен в виде композиции сквозного отверстия в корпусе под торцом стержневого постоянного магнита и подвижной заслонки с фиксатором положения, установленной в корпусе с возможностью изменения проходного сечения сквозного отверстия.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами:
фиг. 1 - осевой разрез генераторного акселерометра;
фиг. 2 - вид А по фиг. 1.
Принятые обозначения
1. Стержневой постоянный магнит (инерционное тело).
2. Мембрана.
3. Кольцо мембраны.
4. Винты кольца.
5. Корпус.
6. Винты каркаса.
7. Каркас электрической катушки.
8. Электрическая катушка.
9. Сквозное отверстие корпуса под торцом стержневого постоянного магнита.
10. Электрический разъем.
11. Винты разъема.
12. Заслонка.
13. Штифт (ось) заслонки.
14. Фиксатор (винт) заслонки.
15. Паз заслонки.
Чувствительным элементом генераторного акселерометра служит инерционное тело в виде стержневого постоянного магнита 1. Магнит посредством завальцовки закреплен в центральном отверстии мембраны 2, которая выполняет функции направляющей перемещения стержневого постоянного магнита (шарнира) и упругого элемента. В зависимости от диапазона измерения мембрана может быть плоской или гофрированной. Мембрана по внешнему контуру завальцована в кольце 3, которое винтами 4 закреплено на корпусе 5. Корпус имеет чашеобразную форму, внутри него винтами 6 закреплен каркас 7 электрической катушки 8. Электрическая катушка совместно с инерционным телом в виде стержневого постоянного магнита 1 образуют магнитоэлектрический преобразователь. Осевые линии корпуса 1, мембраны 2, корпуса 7 и стержневого постоянного магнита 1 совмещены.
Магнит 1 установлен в каркасе 7 с некоторым радиальным зазором. В нижней части корпуса (ориентация чертежа) под торцом стержневого постоянного магнита выполнено сквозное отверстие 9. Электрические выводы катушки 8 проведены через отверстие корпуса (на чертеже не показано) и подпаяны к электрическому разъему 10, закрепленному винтами 11 к внешней торцовой поверхности корпуса. На этой же поверхности размещена заслонка 12, имеющая ось вращения в виде штифта 13 и фиксатор положения в виде винта 14, входящего в дугообразный паз 15 заслонки. Заслонка имеет такой внешний контур, что при ее повороте она частично перекрывает сквозное отверстие 9, изменяя его проходное сечение. В варианте автономного исполнения генераторный акселерометр снабжается защитным кожухом.
Таким образом, изложенные конструктивные решения соответствуют принципу агрегатности: основные детали образуют две сборочные единицы - чувствительный элемент (детали 1, 2, 4) и катушку (детали 7, 8), что повышает технологичность конструкции. Детали генераторного акселерометра просты по форме, их изготовление предполагает типовые технологические процессы.
Поясним назначение и функции отдельных элементов акселерометра.
Под действием измеряемого ускорения a(t) в осевом направлении х движение постоянного магнита 1 будет определяться выражением
где m - масса постоянного магнита,
u
h - интегральный коэффициент трения,
D - осевая жесткость мембраны,
- соответственно первая и вторая производные перемещения х по времени.
Перепишем выражение (1) в виде
где  - коэффициент затухания,
- собственная круговая частота системы магнит-мембрана.
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 гармонической ряд Фурье
0
где а - постоянная составляющая,
n
n
a, b - коэффициенты Фурье.
Отдельная гармоника
mn
0
может иметь большую амплитуду А и ее частота может совпасть с собственной частотой ω
что приведет к явлению резонанса и к нарушению линейности преобразования.
u
Для исключения деформации функции преобразования служит заслонка 12, которая совместно со сквозным отверстием 9 корпуса выполняет функцию демпфера. При перемещении магнита образуется поршневой эффект и давление воздуха под торцом магнита изменяется пропорционально скорости . Если за счет поворота заслонки изменять проходное сечение сквозного отверстия 9, то пропорционально будет изменяться коэффициент вязкого трения h
где ρ - плотность воздуха,
S - проходное сечение отверстия 9.
За счет этого регулирования можно колебательную систему приблизить к апериодической. Граничное условие
Заметим, что некоторую небольшую долю в коэффициент затухания вносят потери энергии в материале мембраны (гистерезис) и сопротивление о воздух.
Таким образом, при юстировке акселерометра поворотом заслонки 12 приближают систему к условию (8), при этом перемещение магнита 1 будет пропорционально действующему ускорению a(t).
Работа генераторного акселерометра. Под действием измеряемого ускорения a(t) возникает переменная во времени сила
приложенная к стержневому постоянному магниту 1. Под действием этой силы постоянный магнит смещается на величину
Смещение постоянного магнита приводит к образованию индукционной ЭДС в катушке 8 магнитоэлектрического преобразователя
где k - константа генераторного акселерометра, определяемая конкретным исполнением (магнитная индукция, развиваемая постоянным магнитом 1, число витков катушки 8).
Выходной сигнал генераторного акселерометра (11) в соответствии с формулами (9), (10) однозначно определяет искомый параметр. Выходной сигнал не зависит от исходного (статического) положения стержневого постоянного магнита - снимается проблема нулевого сигнала.
Таким образом, предлагаемый генераторный акселерометр предназначен для измерения изменяющихся во времени линейных ускорений и образует измерительный сигнал без дополнительного источника электропитания. За счет простой формы деталей и блочного исполнения генераторный акселерометр высокотехнологичен.