Акселерометр

(22) Заявлено 14.10.75 (21) 2180728/10 51) М. Кл,е б 01 Р 15/08 соединением заявкиосудврственный комитеСовета Министров СССРоо делам иеоеретенийи открнпий 23) ПриоритетОпубликовано 30.05,77. Бюллетень201) Заявите 54) АКСЕЛЕРОМЕТР на использовании тенсвоп проекции параболоида вращения (поверхности раздела междудвумя жидкостями) на плоскость расположения фотоэлектрических приемников.Г 1 ри изменении объема прозрачной жидкости в результате изменения температуры точность прибора падает. Поэтому прибор должен иметь систему терморегулирования, чтоусложняет устройство и уменьшает его на 10 дежность.Для увеличения диапазона измеряемых ускорений при данной скорости вращения необходимо увеличивать радиус внутренней полости сосуда и уменьшать его высоту. Измене 15 ние размеров в указанном направлении нежелательно, поско,чьку это может привести к потере устойчивости системы.Чтобы увеличить диапазон измеряемых ускорений, следует повышать скорость враще 20 пня сосуда. Это приводит к снижению чувствительности прибора. Таким образом, возможности такага акселерометра в отношении увеличения диапазона измеряемых ускорений ограничены.2 Цель изобретения - птельности и расширениемых ускорений,Поставленной целиреннюю полость сосуд30 липсоида вращения,овы шеи не чувствидиапазона измеряеИзобретенпе относичся к области приборостроения и может быть использовано в инерииальных навигационных системах в качестве датчика первичной информации об ускоренном движении объекта, в качестве датчика систем коррекции гироскопических устройств и в качестве гравиметра - прибора для измерения ускорения силы тяжести.Известны акселерометры с жидким чувствительным элементом 111, Они представляют собой полый цилиндрический сосуд, приводимый во вращение двигателем вокруг полярной оси, Сосуд частично заполняется однородной жидкостью или двумя несмешивающимися между собой жидкостями с различными плотностью и степенью прозрачности, Наиболее близким по технической сущности к изобретению является акселерометр, содержащий полый цилиндрический сосуд, выполненный из прозрачного материала и приводимый во вращение электрическим двигателем вокруг его продольной оси. Внутренняя полость сосуда заполнена двумя несмешивающимися между собой жидкостями различной плотности, причем более плотная жидкость обязательно должна быть прозрачной, менее плотная - непрозрачной 12.Для получения информации о величине и знаке ускорения применяется достаточно точньтй фотоэлектрический способ, основанный достигают тем, что внут- а выполняют в виде элболее плотная жидкостьнепрозрачна, менее плотная - прозрачна и имеет одинаковый с материалом сосуда показатель преломления.На чертеже схематично показан акселерометр, общий вид.Акселерометр содержит полый сосуд 1 из прозрачного материала (сосуд можно изготовить из половин, которые затем склеить между собой). Внутренняя полость сосуда 2 выполнена в виде эллипсоида вращения, Система координат жестко связана с сосудом, ее начало совпадает с центром эллипсоида вращения,Верхняя и нижняя части эллипсоида вращения могут быть срезаны (поверхность 3 в этом случае плоская). В нижней части сосуда укреплен упругий компенсационный элемент ч, который отделяет верхнюю (рабочую) часть внутренней полости сосуда от полости 5, заполненной газом. Наружная поверхность сосуда может быть выполнена цилиндрической. На ней в районе рабочей зоны наносят модуляционный рисунок Ь в виде чередующихся между собой прозрачных и непрозрачных темных полос. Сосуд укрепляют в оправах 7 и 8, имеющих полуоси 9 и 10, установленные в подшипниковых узлах 1 и 12, укрепленных в корпусе прибора.Внутреннюю рабочую полость сосуда полностью заполняют двумя несмешивающимися и не вступающими в химическое взаимодействие между собой и материалом сосуда жидкостями различной плотности. Ьолее плотную жидкость (рабочую) выбирают непрозрачной (например, ртуть), менее плотную жидкость (вспомогательную) - прозрачной (например, вода) . Показатели преломления материала сосуда и прозрачной жидкости выбирают равными.В исходном положении прибора рабочая жидкость занимает нижнюю часть сосуда, а вспомогательная - верхнюю (в условиях невесомости жидкости могут располагаться произвольно), Упругий элемент 4 служит для компенсации изменения объема жидкостей при изменении температуры. Сосуд приводится вокруг оси Х, совпадающей с полуосями оправ, электродвигателем (на чертеже не показан) с угловой скоростью а (ось Х - ось чувствительности акселерометра),Коллиматор 13, укрепленный в корпусе прибора, создает световой поток Ф параллельных лучей. Высота пучка равна высоте модуляционного рисунка.Поток Ф направлен на сосуд сбоку таким образом, что он проходит через сосуд, когда падает на прозрачную полосу модуляционного рисунка, и задерживается сосудом, когда падает на темную полосу, т. е. каждой прозрачной полосе с одной стороны сосуда соответствует прозрачная полоса с противоположной стороны сосуда, и каждой непрозрачной полосе с одной стороны сосуда соответствует непрозрачная полоса с другой стороны 5 10 15 20 95 30 35 40 45 50 55 60 Ы сосуда, С противоположной по отношению к коллиматору стороны сосуда в корпусе прибора укреплен фотоприемник 14, который мо. жет содержать или один площадной светочувствительный слой, или два светочувствительных элемента 15 и 1 б, соединенных между собой электрически по дифференциальной схеме. В первом случае верхняя половина модуляционного рисунка смещается относительно нижней на ширину одной полосы.Прибор работает следующим образом.При вращении ротора двигателя вращается сосуд и находящиеся в нем жидкости, увлекаемые во вращательное движение силами вязкого трения,В результате возникшего поля центробежных сил рабочая жидкость (более плотная) отбрасывается к периферийной части внутренней полости сосуда, вытесняя вспомогательную жидкость к центральной зоне (известный эффект центрифугирования). В установившемся режиме (при равномерном вращении сосуда) жидкости вращаются с той же скоростью, что и сосуд, при этом рабочая жидкость принимает форму кольца, внутри которого и в остальной части сосуда находится вспомогательная жидкость, Если ускорение+ + движения прибора= О (в дальнейшем под 1 понимается кажущееся ускорение, которое измеряют все акселерометры, в земных условиях при совпадении оси Х с вертикалью места= - я, где Д - ускорение силы тяжести; случай= О соответствует невесомости), то края жидкостного кольца располагаются симметрично относительно оси ОУ на расстоянии + Йо от начала координат.При ускорении движения 1= О в силу закона инерции жидкостное кольцо смещается по отношению к сосуду в сторону, противоположную ускорению, на некоторое расстояние, вытесняя при этом часть вспомогательной жидкости в сторону ускорения. Чем больше ускорение, тем на большее расстояние перемещается кольцо. В случае перемены знака ускорения кольцо по отношению к сосуду смещается в противоположном направлении. Таким образом, измеряя положение жидкостного кольца относительно сосуда, можно определить величину и знак ускорения.Измерение смещения кольца относительно сосуда осуществляется фотоэлектрической системой съема информации, которая, работая на просвет, определяет часть светового потока, задержанного непрозрачным жидкостным кольцом.Для повышения точности съема информации осуществляют модуляцию светового потока с помощью модуляционного рисунка, нанесенного на внешней поверхности сосуда таким образом, что при вращении сосуда свет от коллиматора пропускается через сосуд не постоянно, а периодически (период определя(6) ется суммарной широтой прозрачной и тем. ной полос, числом полос, скоростью вращения сосуда). При этом дальнейшее усиление сшнала фотоприемником ведется на переменном токе.Для предотвращения отклонения световых лучей в плоскости ХОУ показатели преломления вспомогательной жидкости и материала сосуда выбирают равными. В качестве материала сосуда могут использоваться разлцчные сорта оптического стекла, различного рода прозрачные пластмассы, а также ряд естественных или искусственных кристаллов.Световые потоки, пройдя через сосуд, попадают в фотоприемник, светочувствительный слой которого располагается в фокальной плоскости линзы - сосуда. При этом происходит преобразование световой энергии потока в электрическую.Если фотоприемник содержит два фотоэлемента, то для измерения разности световых потоков, попадающих на них, достаточно соединить их по дифференциальной схеме.Дифференциальное уравнение гидростатики Эйлера показывает, что внутренняя поверхность рабочей жидкости представляет собой параболоид вращения (факт хорошо известный), за исключением случая= О, когда параболоид вращения вырождается в цилиндр. Можно показать, что верхняя граница (координата Х) и нижняя граница (координата Х) жидкостного кольца определяются выражениями где Ьо - половина высоты жидкостного кольца при 1 = О.Объем рабочей кидкости в сосуде связан с соотношением Из выражений (1) и (2) находим й=Х, - Х,=-2 Р: -Х,+Х,= - 2 /,Полагая, что приНl - 1 пах2 из выражения (2) определяем Соотношение (6) определяет диапазон измеряемых ускорений. Не изменяя габариты прибора и скорость вращения сосуда, можно увеличить диапазон измеряемых ускорений, 5 уменьшая йо (объем рабочей жидкости в сосуде) .Полученные аналитические зависимостиполностью определяют геометрию устройства.Из выражения (4) следует, что прц изме ненни ускорения жидкостное кольцо, смещаясьв ту или иную сторону, деформируется так, что высота его остается неизменной. Таким образом, жидкостное кольцо с внутренней стороны имеет поверхность параболоцда враще ния, а с внешней стороны - эллипсоид вращения. Прц изменении ускорения высота кольца остается неизменной, а толщина его изменяется (чем дальше кольцо находится от нулевого положения, тем оно толще).20 Из выражения (5) следует, что чувствительность (коэффициент передачи) предлагаемого прибора К, определяется формулойе - - (7) 25из которой видно, что чувствительность постоянная во всем диапазоне измеряемых ускорений (не зависит от 1) и прц данной скорости вращения сосуда может быть изменена в весьЗз ма широком диапазоне.1При а = Ь = Й, т. е.сосуд - сфера, К,= -шУменьшая малую ось эллцпсоида (Ь), можно получить сколь угодно высокую чувствцЗ 5 тельность, не увеличивая габариты измерителя. Формула изобретения.40 Акселерометр, содержащий приводимый вовращение полый сосуд, выполненный цз прозрачного материала и заполненный двумя несмешивающимися между собой жидкостями различной плотности, ц фотоэлектрическую 45 систему съема информации, о тл и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения диапазона измеряемы.; ускорений, внутренняя полость сосуда выполнена в виде эллцпсоцда вращения, более плот ная жидкость непрозрачна, менее плотная -прозрачна (например, ртуть - глицерин) и имеет одинаковый с материалом сосуда показатель преломления.Источники информации, прцнятыс во внц мание прц экспертизе:1. Авторское свидетельство СССР ЛЪ 415583,кл. СЬ 01 Р 15/08, 1972.2, Авторское свидетельство СССР М 479034,кл. б 01 Р 15/08, 1973.560181 Составитель В. Соломатов Тс.оси Л, Денискина 1 сдактор Т. Рыоалова 1 орректор Е, Хмелева Типографии, пр. Сапунова, 2Я 02(7зд..:70 Тирани 06 Годипсное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж.35, Раугнская наб., и. 45