Устройство для измерения кажущегося ускорения

(505 6 01 ТЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 21) 4426252 /10") 16 О 8846) 15,01,91. Бюл. % 272) В,Н.Умников и Ю,А.Клотнев53) 531,768088,8)56) Авторское свидетельство СССР В 725028, кл, С 01 Р 21/00,980.Авторское свидетельство СССР М 535533, кл. 6 01 Ч 714, 1976.54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КАЖУЩЕГОСЯ УСКОРЕНИЯ(57) Изобретение относится к точному приборостроению, в часности к измерению параметров движения объекта, Цель изобретения - миниатюризация устройства. В устройстве герметичный объем корпуса 2 содержит вязкую среду 1, датчик 4 положения выполнен индуктивным с частотным вы:одом и содержит каркас мвгнитопровода 7, катушку 8 с обмотками 9, 10 прямой и обратной связи и усилитель 11, причем каркас магнитап; авода 7 имеет тароидальную форму и акскальная ось корпуса 2 пересекает аксиальную ось каркаса магнитопровода 7 и перпендикулярна к ней. Каркас магнитопровода 7, корпус 2 и инерционная масса 3 выполнены из одного и того же дизлектрического материала, например кварца, ситалла. На поверхность инерционной массы 3 нанесен слой электропроводящего материала, а обмотки катушки 8 выполнены в виде ленты из электропроводящего материала, которая навита на каркас магнитопровода 7 и жестко скреплена с его поверхностью. Витки ленты изолированы друг от друга изолятором. 2 ил,Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к технике измерения параметров движения обьекта,Цель изобретения; миниатюризация устройства.На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, на фиг. 2 - устройство с инерционной массой, каркасом магнитопровода. и цилиндрическим корпусом, выполненным из диэлектрика,Устройство содержит вязкую среду 1, которой заполнен гермообъем цилиндрического корпуса 2, в котором свободно падает инерционная масса 3, индуктивный датчик 4 положения инерционной массы 3 относительно корпуса 2, системы регистрации пути (5) и времени (6) - электронносчетный частотомер,Датчик 4 положения содержит каркас магнитропровода 7 с катушкой 8, которая включает обмотку 9 прямой связи и обмотку 10 обратной связи. Обмотки 9 и 10 подключены к усилителю 11 и образуют вместе с ним автогенератор с трансформаторной обратной положительной связью, при этом к обмотке 9 прямой связи параллельно подключен конденсатор 12, который совместно с обмоткой выполняет функцию чэстотнозадающего элемента, Функцию электрической емкости конденсатора 12 может выполнять межвитковая емкость обмотки 9 прямой связи,Система регистрации пути содержит компэратор 13 и блоки 14 и 15 формирования сигнала соответственно начала и конца отсчета времени пути, включающие соответственно фазовые детекторы 16 и 17 и компараторы 18 и 19. Вход компаратора 13 соединен с информационным выходом усилителя 11, а выход компараторэ 13 параллельно подключен к первым входам фазовых детекторов 16 и 17, при этом на вторые входы фазовых детекторов поданы опорные частоты т 1 оп и т 2 оп. Первые входы компараторов 18 и 19 соединены с соответствующими выходами фазовых детекторов 16 и 17, при этом на вторые входы компараторов подано опорное напряжение Ооп, причем вход запуска электронносчетного частотомера 6 подключен к выходу компаратора 18, а вход останова электроннасчетного частотомера 6 подсоединен к выходу компаратора.Инерционная масса 3 выполнена или из ферромагнитного материала, или из диэлек;трического материала, например кварца или ситэлла, в последнем случае на наружную поверхность инерционной массы нанесена пленка 20 электропроводящего материала (фиг. 2). Каркас магнитопроводэУстройство работает следующим обраИнерционную массу 3 выводят из зазора мэгнитопроводэ и отпускают,Инерционная масса 3 может быть выведена из зазора каркаса магнитопровода 7, например, с помощью электромагнита (не показан), катушку которого размещают снаружи корпуса 2 и над зазором каркаса магнитопровода 7, если инерционная масса 3выполнена иэ ферромагнитного материала.В этом случае при подачи в катушку электромагнита напряжения инерционная масса 3 втягивается в катушку и устанавливается в определенном и заданном положении,При выполнении инерционной массы 3 из диэлектрического материала с нанесенной на поверхность пленкой 20 электропроводящего материала катушку электромагнита размещают под зазором. При подаче переменного тока е катушку электромагнита вэлектропроводящей пленке 20 инерционной массы 3 возникает вихревой ток, который создает собственное магнитное Ноле, и в результате его взаимодействия с перемен 55 ным магнитным полем катушки инерционная масса 3 выталкивается из катушки, Для фиксации положения инерционной массы , относительно зазора внугри корпуса могутбыть установлены ограничители (не поазаны),5 10 15 20 25 7 выполнен или из ферромагнитного материала, или из диэлектрического материала тороидальной формы, в последнем случае на поверхности тора навита и жестко скреплена с ней электропроводящэя лента 21, витки которой изолированы друг от друга изолятором 22 и образуют обмотки 9 и 10 катушки 8, при этом аксиальная ось цилиндрического корпуса пересекает аксиальную ось магнитопровода 7 и перпендикулярна к ней. В связи с тем, что витки выполнены из электропроводящей ленты и навиты на каркас магнитопровода, выполненный из диэлектрического материала, то между поверхностью витков образуется электрическая емкость. Благодаря жесткой связи витков ленты с поверхностью каркаса мэгнитопровода, выполненного, например, из термостэбильного кварца, обеспечивается высокая температурная стабильность межвитковой емкости. Межвитковая емкость и индуктивность витков ленты в совокупности образуют частотозадающий элемент (колебательный контур), Благодаря тому, что каркас магнитопроводэ.полностью покрыт витками электропроводящей ленты, переменное магнитное поле полностью локализуется внутри него.При действии на обьект кажущегося ускорения Ю, проекция которого на ась чувствительности х равна Юх, инерционная масса 3 под действием сил инерции совершает движение относительна корпуса в сторону, противоположную напоавдениа кажущегося ускорения (при условии, что плотность инерционнсй массы р,больше плотности жидкости р. ).Установившееся значение скорости движения Ч инерционной масси 3 от величины кажущегося ускорения Ях определяется выражениемОян - Яь4 л д Ямгде Ом - обьем инерционной массы;рм, рж - платность инерцианнсй массы и жидкости;Я - плошадь зазора между гарпусам и инерционной массой в сечении, перпендикулярном движению инерционной массы;Ям - площадь поперечного сечения инерционной массы;- кинематическая вязкость жидкости,Частота датчика 4 положения, определенная однозначно положением инерционной массы в зазоре каркаса магнитопровода 7, начинает изменяться.Компаратор 13 асуцествляет преобразование синусоидальнога колебания, снимаемого с выхода усилителя 11, в последовательность прямоугольных импульсов, которые поступают на фазовые детекторы, В начале движения инерционной массы 3 частота 1 х больше первой опорной частоты т 1 оп, подаваемой на второй вход фазового детектора 16, а частота т 1 оп боль- ШЕ ОПОРНОЙ ЧаСтстЫ т 2 оп, ПаДаВаЕМай На второй вход второго фазового детектора 17. При приближении частоты 1 х (в процессе движения инерционной массы в зазоре магнитопровада частота 1 х уменьшается) к частоте т 1 оп на выходе фазового детектора появляется медленна меняющееся напряжение 01 х, величина которого больше величины опорного напряжения Ооп Если Ооп = О, то при совпадении частот 1, и 1 ъп, т,е, Ьх= акоп, компаратор 18 срабатывает и на его выходе появляется перепад напряжения, который вызывает запуск эдектраняосчетнога частотомера, Счетчик импульсов частотомера начнет заполняться импульсами от собственного кварцевого генератора. Для ускорения должного запуска электранносчетного частотомера величину Ооп целесообразно выбрать отличной ат нуля, например некоторой положительной величиной. Это вызвано тем, чо зона сравнения частоты Гх с опорной частотой 1,п имеет аг 15 20 раниченную величину и мажет быть з ачительно меньше диапазона частоты т, при движении инерционной массы в зазоре магнитопровода. Увеличение рабочей зоны сраж,ения частот фазсвым детекторам приводит к увеличению погрешности фиксации папажения нерционнай массы в зазоре магнитапрааода, чта нежелательна. Поэтому, когда величина (т;- 1",оп) больше рабочей зоны фазового детектора, та на ега выходе присутствуетнулевое напаяжение, что приводит к ложному запуску злектрачнасчетнага частотомера, Для устранения данного явления величину Цсп выбирают, например, иложительной, Тогда в момент совпадения частоты с рабочейоной фазового детектора на его выходе появляется максим: дьнае-атриц:,тельное постоянное медленно меняющееся напряжение и компарптар 18 ложно не срабатывает. Его срабатывание происходит талька в тат момент, когда О 1 х становится равным положительна,.;у напрпжеис Ооп, и на начале с ан.ь перепада выходного напряжения кампарагора происходи. запуск эпектраннасчетного частотомера. При дальнейшем движении и ерцианнай массы 3 частота 1 х уменьшается, и при совпадении ее с втдрой опаРнсй частотой Г 2 оп п РаисхсДит сРабатывание компа ратора 19, передний фронт перепа да выхода а напряжения котарога вызываетостанов счета электронносчетнага час атамера 6.Электроннасчетн ый частотомер подсчитывает количестго импульсов и, которые гене-35 рируются собственным генераторам. Связьинтервалэ времени с подсчитанным количеством импульсов осуществляется в соответствии с выражениемЛт=Т, и,40 где Ти - период следования импульсов.При Ти = сопи как при пункте наблюденил, так и на эталонном пункте алгоритм определения неизвестного кажущегося ускорения имеет вид4- пВх ЙэПхгде п, пх - количества импульсов, подсчитанных электраннасчетным частотомерам при наблюдении на эталонном и новом (апреде лен нам) пун ктгх.Для случая, когда в акселераметреинерционная масса выполнена из диэлектрического материала с нанесенной на ееповерхность пленкой электраправодящегоматериала, та при движении инерционноймассы внутрь зазора каркаса магнитоправсда частота генерации растет, В этом случае ОПОРНЫЕ ЧаСтатЫ 11 оп И т 2 оп ВЫбИРаЮт ИЗ Условил 1 топ12 оп. Только в этом сдУчаеобеспечивается воэможность фиксации интервала времени электронносчетным частотомером.Таким образом, выходная информация о кажущемся ускорении представлена непосредственно во временном интервале перепада на выходе компараторов 18 и 19, что уп рощает согласование предлагаемого устройства с вычислительной техникой и в целом уменьшает массогабаритные показатели устройства. Благодаря интегральному исполнению узлов 11-19 занимаемый ими объем очень мал, что позволяет их разместить, например, в гермообъеме цилиндрического корпуса 2, что при миниатюризации благоприятствует сохранению точностных показателей предлагаемого устройства за счет единого теплового режима электронной и механической частей устройства, Современная технология позволяет разместить электронную часть устройства в кристалле объемом менее 1 мм, Таким образом, в основном массогабаритные показатели определяются механической частью устройства, Благодаря тому, что ось магнитной цепи 4 перпендикулярна аксиальной оси цилиндрического корпуса 2, бесконечно малое перемещение инерционной массы относительно некоторого положения в корпусе вызывает скачкообразное изменение выходного сигнала на выходах компараторов 18 и 19, Неопределенность срабатывания компэраторов 18 и 19 при относительной нестабильности частот к величине порядка 10 б в основном определяется неопределенностью положения граничной поверхности инерционной массы 3, величина которой из-за дискретной структуры вещества инерционной массы 3 порядка размера межатомного расстояния вещества инерционной массы и составляет типовую величину порядка 10 м, что позволяет существенно миниатюризировать чувствительный элемент и следовательно устройство в целом,Другим фактором, ограничивающим миниатюризацию устройства, является габариты инерционной .массы 3. Дгя нормальной работоспособности устройства длина инерционной массы 3 должна быть равна диаметру магнитной цепи 4 и при величине относительной чувствительности по перемещению инерционной массы 10 --5 106 должна быть более 0,1 мм. Диаметр инерционной массы 3 и зазор между инерционной массой и корпусом ограничиваются расстоянием, на которых начинают проявлять действие межмолекулярные силы, Радиус действия межмолекулярных сил составляет 10м. Эта величина определяет-ч 5 10 15 20 25 ЗО 35 предел, ограничивающий диаметр инерционной массы и зазор между инерционной массой 3 и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 2. При таких размерах проявляется эдгезия прилипание) между поверхностными слоями инерционной массы 3 и корпусом 2, что приводит к неработоспособности устройства. При диаметре инерционной массы и величине зазора между инерционной массой 3 и корпусом 2 10 м адгезией практически можно принебречь, так как влияние межмолекулярных сил на движение инерционной массы 3 относительно корпуса 2 в данном случае имеет относительную величину порядка 10В связи с тем, что работоспособность устройства возможна только в очень малом интервале пути, проходимого инерционной массой, то заполнение гермообъема корпуса 2 вязкой средой 1 позволяет за счет вязкого трения инерционной массы 3 в среде 1 существенно уменьшить скорость падения инерционной массы и увеличить время пролета интервала пути, зафиксированного разностью эталонных частот, что приводит к увеличению интервала времени между перепадами напряжения на выходах компэрэторов 18 и 19, Размеры устройства определяет также длина цилиндрического корпуса. Ее минимальная величина не превышает удвоенной длины инерционной массы, а максимальная величина определяется динамическими характеристиками устройства, анализ которых показывает, что постоянная времени успокоения скорости движения инерционной массып 1 п 1КЛ/Ягде 1 - удельная сила, приходящаяся на единицулинейной скорости движения инерционной массы 3 относительно цилиндрического корпуса 2.Величина удельной силы 1 пропорциональна вязкости А среды 1 и обратно пропорциональна площади Я,занимаемой жидкостью между корпусом 2 и инерционной массой 3, в сечении, перпендикулярном к аксиальной оси корпуса, причем значение К - коэффициента и ропорциональности, зависящего от формы инерционной массы, постоян но.Как видно из формулы, постоянная времени успокоения туменьшается при уменьшении массы е, площади Я и увеличении вязкости среды, что благоприятствует миниатюризации устройства, причем типовое значение т при массе а = 0,01 - 0,1 г может составлять величину от 10 6 для сильновяэких жидкостей до десятых долей секундыказ 4243 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 ельский комбинат "Патент" Ужгород, ул.Гагарина, 101 Производственно для газовых сред под давлением). Скорость движения инерционной массы Ч под действием внешних сил может составлять от десятых долей до единиц десятков миллиметров в секунду, таким образом путь 5 1, пройденный инерционной массой до окончания переходного процесса, составляет1=ЗА Ч =3(10 - 10 1)хх(0,1 - 10) =3 (10 7-1) ммТаким образом, в устройстве при точности измерения кажущегося ускорения порядка 10-4 10-5 вполне дминиатюризация устройства обьемом нескольких единиц кубических миллиметров,формула изобретенияУстройство для измерения кажущегося ускорения, содержащее герметичный цилиндрический корпус, в котором размещена 20 инерционная масса, датчик положения инерционной массы относительно корпуса, выход которого подключен к входу системы регистрации пути с блоками формирования сигнала начала и конца отсчета времени пути, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью миниатюризации устройства, во внутренний герметичный обьем корпуса помещена вязкая среда, датчик положения выполнен индуктивным с частотным выходом и содержит каркас магнитопровода,катушку с об мотками прямой и обратной связи на нем и усилитель, причем обмотки катушки подключены к усилителю, выход которого является выходом датчика положения, каркас магнитопровода имеет тороидальную форму и аксиальная ось цилиндрического корпуса пересекает аксиальную ось каркаса магнитопровода и перпендикулярна к ней, магнитопровод, корпус и инерционная масса выполнены из одного и того же диэлектпического материала, при этом на поверхность инерционной массы наносят слой электропроводящего материала, обмотки катушки выполнены в виде ленты из электропровадящего материала, которая навита на каркас магнитопровода и жестка скреплена с его поверхностью, а витки ленты изол:.рованы друг от друга.