Способ измерения ускорения

(51) 5 ИЕ Б ЕНИ ВТОРСКОМУ ИДЕТЕЛ ЬСТВ зики АН УССРко, А.А,Кордю икитиннт К,Дж, Практинерг. Изд. Н., 196 Сверхпроводящий, ного акселерометных исследований,8щий свобод- проводником чего, регистмещений Ьх доль которой дварительно й зависимоие ускорения рения ус ное взве постоян рируют ПОСТОЯ НН происхо построе стиДх от 123 корения а, включаю шивание над сверх ого магнита, после величину линейных с ого магнита по оси, в дитускорение, по пре нной градуировочно а, определяют значен ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР. - Приборы для науч65, %1, стр, 101. Изобретение относится к области измерений с помощью приборов со сверхпроводимостью ускорений перемещающегосяобъекта и может найти применение при измерении, например, силовых эффектов землетрясений, моментов на крыле самолета,тяги двигателей и др.Известен способ измерения ускоренияа, по которому масса перемещается по оси,вдоль которой происходит ускорение, послечего, регистрируя величину перемещениямассы Ьх, по предварительно построеннойградуировочной зависимости Л х от а, определяют значение ускорения 1),Основными недостатками способа являются1. Градуировка прибора по смещениямЬ х в зависимости от ускорения а, требующая высокочувствительных позиционныхдатчиков.2. Погрешность в измерениях, возникающая за счет механического трения при перемещении массы вдоль направляющей,Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ изме(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ (57) Использование: при измерении силовых эффектов землетрясений, моментов на крыле самолета, тяги двигателей и др. Сущность изобретения: свободно взвешивают постоянный магнит над сверхпроводником, возбуждают колебания постоянного магнита, определяют резонансные частоты упругих колебаний постоянного магнита с нулевым в 0 и ненулевым в ускорением, а величину ускорения определяют из соотношения а = Основными недостатками известногоспособа являются;1, Градуировкэ прибора по линейнымсмещениям Лх постоянного магнита в зависимости от ускорения а, требующая высокочувствительных позиционных датчиков,работающих при низких температурах.2. ТруднОсть в защите от микросейсми-ческих помех, которые создают погрешности при измерениях линейных смещенийпостоянного магнита,Целью изобретения является повышение достоверности измерений,Поставленная цель достигается тем, чтоспособ включает свободное взвешиваниепостоянного магнита над сверхпроводником в системе постоянный магнит - сверх- проводник, определение резонансной частоты в упругих колебаний постоянного магнита в системе постоянный магнит - сверхпроводник, находящийся в состоянии с нулевым ускорением, и резонансной частоты упругих колебаний постоянного магнита в системе постоянный магнит сверхйровсдник, движущейся с ускорением а, а величи-;у ускоренйя а; определяют по формулеа=д - 8 - 1,где д - ускорение своб дного падения.Наличие новых операций по сравнению с прототипом позволяет заключить, что они соответствуют критерию "новизна". При изучении других известных способов в данной области не обнаружено использование признаков, отличающих заявляемое изобретение от прототипа и поэтому они обеспечивают заявляемому способу соответствие критерию "существенные отличия".На чертеже представлена схема конструкции для определения ускорения, например, в вертикальном направлении, Здесь постоянный магнит (ПМ) 1 из Яа сов с массой пт =0.,021 гмагнитным моментом р"-1,2 Гс см взвешивался над таблеткой 2 из ВТСП диаметром 3 см и толщиной 0,5 см, которая была помещена в стакан 3 из тепло- изоляционного материала и охлаждалась жидким азотом 4. В качестве материала для ВТСП применялась керамика 4 ВагСоз 07 с ТС"-93 К.Для определения резонансных частот системы ПМ-ВТСП при нулевом ускорении этой системы и при ее движении с ускоре. нием применялась детектирующая катушка 5 (50 витков), сигнал с которой через усилитель 17-1 6 подавался на вольтметр В 7-21 А 7. Критерием достижения резонанса в системе являлась максимальная амплитуда колебаний ПМ, определяемая по показаниям вольтметра, Вертикальные колебания ПМ возбуждались с помощью задающей катушки 8 (100 витков), на которую подавалось синусоидальное напряжение от звукового генератора Г 3-1239, Выходная частота генератора контролировалась частотомером 43 - 32(10). Разность фаз между напряжением на задающей и детектирующей катушек измерялась с помощью фазометра 11,Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом,Заявляемый метод проверялся при вертикальном ускорении а системы ПМ-ВТСП, Е = Ртяж + = а(д + а) - , (1) бР/н а 45 бх х 4где Ртяж - сила тяжести, действующая на магнит массы, а а - коэффициент пропорциональности, аО.Положение равновесия достигается при Г = 0 и из (1) находим расстояние от покоящегося магнита до поверхности ВТСП 1/4 хо = - (д+ а).(2) Коэффициент упругости данной системы К=дРВхх = хо создаваемом с помощью устройства, которое представляет собой вал 12 диаметром 1см с наматываемой на него лентой 13 толщиной б = 0,05 см и шириной 4 см.5 При постоянной скорости вращения вала аь, ускорение, с которым сматываетсялента и движется стакан 3, определяется поформулеб г10 2 7 гФизическая сущность изобретения заключается в том, что высокотемпературныесверхпроводники являются сверхпроводниками И рода и ниже температуры сверх 15 проводящего перехода в магнитном полеННс (Нс 1 - первое критическое поле)магнитный поток проникает в ВТСП, образуя вихревую решетку, которая закрепляется на центрах пиннинга. Когда сила Р,20 необходимая для срыва вихрей, больше щд(пт - масса магнита), то магнит в даннойточке зависает над ВТСП, С другой стороны,при небольших смещениях магнита происходит упругое деформирование вихревой25 решетки с сохранением магнитной индукции В = сапам. Это адекватно появлению всистеме ПМ-ВТСП упругого элемента, который и задает собственные частоты свободных колебаний ПМ,30 Таким образом, если расстояние от магнита до поверхности ВТСП равно Х, то изменение энергии мейснеровского отталкивания,при движении магнита в упругой области сВ = сопвт,35 ВбН бНбх8 Л х 4где Н - поле, создаваемое ПМ на поверхности ВТСП.Суммарная сила, действующая на магнит при движении всей системы ПМ-ВТСП сускорением б вдоль вертикальной осиИз (1) и (2); 1 тывая,чо резойансная частота в = Чк.: получаем резонансную частоту колебаний магнита при движении системы ПМ - ВТСП с ускорением 1/8 в=2 - (д+ а) 5/8 а(3) Когда ускорение системы ПМ - ВТС"равно нулю, резонансная частота колебаний магнита 1/8в,=2 - д(4) Учитывая (3) и (4), получаем выражениедля ускорения системы ПМ - ВТСП а=9 -- 1, (5) Обозначим изменение оезонансной частоты Ьв= в- в, тогда(5) приобретает вид(6) При малых ускорениях системы ПМ - ВТСП (а д ) Ь в = в 0, и (6) можно разложить в ряд, учитывая только первые члены а=8 в 8 во(7) л 2 двЛо= - агстдо где 2 д - ширина резонансной кривой навысоте Амакс 12Амакс максимальная амплитуда колебаний магнита,В условиях резонанса Лр = О.Так как Л в в, (при а д), то (8) принимает вид к д Лф =- агс 19-(9) Формула (7) позволяет для повышения экспрессности и достоверности использовать при измерениях малых ускорений а д фазометр. Для этого Л в в (7) выражается через разность фаз Лр между напряжением, подаваемым на задающую катушку, и напряжением, снимаемым с детектирующей катушки.В общем случае Л р можно записать Если Лв д, то арктангенс можно разложить в ряд по степеням Лв /д и, ограничиваясь первыми членами, пслучим из (9)(1 1)в ОоПри проверке предлагаемого способа 15 малые ускорения создавались при воащении вала с угловой скоростью ож( =0,35 рад/с и и 4= 9,72 рад/с. При этом ускорения определялись по формуле а = =б/2 лоР (здесь б = 0,05 см - толщина ленты 20 12) и составилиб = 9,75 10 см/с;аО) = 4,14 10 з см/с 225 Измерения резонансной частоты в 0,коэффициента затухания д и разности фазмежду напряжениями на задающей и детектирующей ка 1 ушках Ь р при колебаниях ПМнад ВТСП осуществлялась при высоте зави 30 сания Хо=0,25 см, Ускорение системы ПМ -ВТСП определялось по формуле (11).Измерения дали следующие результать,во=240 Гц; ди = д(= 06 Гц;35 Л/Р) =- 25 мкм рад; а = 9,810 4 см/сЛу ) = 105 мк рад; а( ) = 4,110 см/с .Таким образом, заданные значения ускорений совпадают с измеренным, что подтверждает достоверность заявляемого спо 40 саба,Преимуществом заявляемого способапо сравнению с базовым является:1. Отсутствие необходимости градуировки, так как ускорение определяется поформуле(5), за счет измерения резонансныхчастот,2, Отсутствие необходимости защиты отмикросейсмических помех, поскольку, резонансная частота ва выбирается вдали от частот, характерных для этих помех, путемвариации высоты зависания ПМ, коэффициента заполнения ВТСП, а также массы имагнитного момента магнита,Заявляемый способ может найти широкое применение при измерении, например,силовых эффектов землетрясений, моментов на крыле самолета, тяги двигателей, изменения ускорения свободного падения идр1767443 14еоставитель Т. Макаровахред М.Моргентал Корректор О. Густи тор С. Кулако каз 3546 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 водственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретенияСпособ измерения ускорения, заключающийся в свободном взвешивании постоянного магнита над сверхпроводником и определении ускорения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения достоверности измерений, возбуждают колебания постоянного магнита, определяют резонансные частоты упругих колебаний постоянного магнита с нулевым во и ненулевымв ускорением, а величину ускорения определяют из соотношения