Датчик угловых ускорений

СОВХОЗ СОВЕ ТСКИХ :ОцилЛИС ТИНЕСКих ЕСПУВЛИК 1 Р 15/08 51) АНИЕ ИЗОБРЕТЕ ВТОРСКО СВЕДЕТЕ У ститут ационть исловых х ис М ГОС ТВЕННОЕ ПЛТЕНТНО ВЕД ВО СССР (ГОС АТЕНТ СССР)(56) Авторское свидетельство СССРМ 82042, кл. 0 01 Р 15/08. 1981,Авторское свидетельство СССР1 Ф 393684, кл. 6 01 Р 15/08, 1973.(54) ДАТЧИК УГЛОВЫХ УСКОРЕНИ(57)Изобретение относится к инфорно-измерительной технике и можетпоьзовано для измерения уускорений технических объектов пр пытаниях и эксплчатации. Сущность изобретения: устройство состоит из О-образного магнитопровода 1, имеющего на стержне 2 участок 3 круглого сечения, служащий осью, на которую насажена инерционная масса 4, представляющая собой магнитомягкое кольцо, радиальная толщина которого постоянна, а внешняя образующая изменяется по окружности по линейному закону. Дополнительные немагнитные массы 5 и 6 используются для балансировки инерционного элемента 4. Зазор между внутренней поверхностью кольцевой массы 4 и участком 3 круглого сечения заполнен магнитной жидкостью 7. 4 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых ускорений технических обьектов при их испытаниях и эксплуатации,Известен датчик угловых ускорений, содержащий О-образный магнитопровод, инерционные элементы в виде постоянных магнитов, связанный с подвижной частью датчика плоскими пружинами, и измерительную обмотку.Недостатками этого датчика являются узкий измерительный диапазон как следствие малой амплитуды отклонения инерционных масс от полокения равновесия и низкая надежность из-за наличия упругих деформируемых элементов,Известен таже преобразователь угловых ускорений, содеркащий магнитопровод, обмотку возбукдения переменного тока, измерительную обмотку и секторообразную магнитомягкую инерционную массу, посаженную нэ диамагнитную ось.Недостатком данного преобразователя является наличие большого количества разнообразных и слокных по форме деталей магнитопровода, что определяет конструктивную сложность устройства.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик угловых ускорений, содеркащий магнитопровод с размещенными на нем обмотками возбукдения постоянного тока и измерительными обмотками, одновременно являющимися пружинами, и кольцевую инерционную массу на магнитомягкой оси,Указанный преобразователь имеет сложную конструцию. Это обьясняется большим количеством сборочных деталей. Кроме того, сложную технологию изготовления имеет пружинная обмотка, выполняемая из особых сортов стали и требующая эластичной изоляции во избежание замыкания витков на корпус и между собой, Использование такой обмотки в датчике усложняет его конструкцию еще и проблемой закрепления центральной части пельновитой пружины на инерционном элементе, К недостаткам данного устройства относятся также трудности, связанные с выводом наружу токоподводящих и сигнальных проводов обмоток, располокенных внутри цилиндрического корпуса. Кроме перечисленных недостатков, определяющих сложность конструкции преобразователя, его надежность снижается из-за повышенного износа пружинных обмоток. Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение надежности датчика. Цель достигается тем, что в датчике угловых ускорений, содержащем магнитопровод с размещенными на нем обмоткамивозбуждения постоянного тока и измери.5 тельными обмотками и кольцевую инерционную массу на мэгнитомягкой оси,внешняя образующая кольцевой инерционной массы выполнена изменяющеЙся по окрукности по линейному закону и посвкена10на участок круглого сечения одного из стержней О-образного магнитопровода, причемзазор, образованный участком круглого сечения стержня и внутренней поверхностьюкольцевой массы, заполнен магнитной жид 15 костью, а для балансировки кольцевойинерционной массы использованы немагнитные вставки,Сопоставительный анализ с прототипом показал, что заявляемое устройство от 20 личается тем, что у инерционной массывнешняя образующая кольца выполнена изменяющейся по окружности по линейномузакону, масса посвкена на участок круглогосечения одного из стержней О-образного2 э магнитопровода, причем зазор, образованный участком круглого сечения стеркня ивнутренней поверхностью кольцевой массы, заполнен магнитной жидкостью, а длябалансировки инерционной массы исполь 30 зованы немагнитные вставки, В результатепатентного поиска и поиска по научно-технической литературе не было обнарукенотехнических решений, имеющих признаки,сходные с.отличительными признаками за 35 являемого устройства, Поэтому заявляемоерешение соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия".На фиг. 1 представлена конструкциядатчика; на фиг, 2 - внешний вид инерцион 40 ной массы без немагнитных вставок; на фиг.3 - график выходной ЗДС при воздействиипостоянного углового ускорения одного направления; на фиг. 4 - график выходнойЭДС при воздействии постоянного ускоре 45 ния противоположного направления.Датчик угловых ускорений содеркит Ообразный магнитопровод 1, имеющиЙ настержне 2 участок 3 круглого сечения и слукащий осью, на которую посажена инерци 50 онная масса 4. Масса 4 представляет собойкольцо из магнитомягкого материала, радиальная толщина а которого постоянна, авнешняя образующая кольца изменяется поокружности по линейному закону55 Ьмаксмакс 02 р)где Ь - величина образующей;Ьмакс - наибольшее значение образующей (см. фиг, 2);55Заполнение зазора между участкомкруглого сечения стержня О-образного магнитопровода и внутренней поверхностью кольцевой массы магнитной жидкостью необходимо для получения малого магнитного а - величина угла, функцией которого вляется внешняя образующая кольцевой ассы, или угловое перемещение инерционой массы.Различные величины внешней образуюей кольца обозначены на фиг. 1 как Ь 1 и Ь 2. ополнительные массы 5 и б, изготовленные из немагнитного материала, использу-тся для балансировки инерционной массы 4 Зазор между внутренней поверхностью к льцевой массы 4 и участком 3 круглого с чения стержня 2 заполнен магнитнойидкостью 7. Обмотки 8 и 9 возбуждения, р сположенные на стержнях магнитопровод 1, включены последовательно и встречно и питаются постоянным током. На магнитои оводе 1 также расположены измерительн е обмотки 10 и 11. которые включены и следовательно и согласно для выходной Э С, Датчик работает следующим образом, При вращении испытываемого объекта с постоянной скоростью масса 4 покоится о носительно магнитопровода 1 и выходной с гнал равен нулю, 2При появлении углового ускорения на м ссу действует вращающий момент, котор й вызывает вращение инерционной масс 1 4 с постоянной угловой скоростью, о ределяемой из принципа Даламбера как 3 И= - д - да М(2) г е а - угловое перемещение инерционной м ссы; М - вращающий момент; 3 Г - постоянный по величине коэффицие т трения вращения массы 4 на оси, При этом М=о р. (3) где о - момент инерции тела; 4р - угловое ускорение исследуемого объекта.Вращение инерционной массы 4 приводит к изменению площади воздушного зазора толщиной д (см, фиг, 1) между внешней 4поверхностью кольцевой массы и продольнь м стержнем магнитопровода 1,Магнитным сопротивлением стали магнитопровода, а также зазора между участко)л 3 круглого сечения и внутренней 5 поверхностью кольца 4, который заполнен ма).нитной жидкостью 7, пренебрегаем ввиду их малости по сравнению с сопротивленирм воздушного зазора толщиной д. Для Ф- магнитного потока датчика выполняется ф= Г(4)Р где Г - МДС обмоток возбуждения постоя но 1 о тока;й, - магнитное сопротивление воздушного зазора толщиной д и площадью Я,в =Р р(5)где рД - магнитная проницаемость возду-,ха.1 ак как внешняя образующая кольцевой инерционной массы изменяется по окружности (другими словами, в функции от й)по линейному закону (1), то зависимостьплощади зазора от угла поворота массы так-же линеина.5=К 1+К 2 г 2 (б)где К, К 2 - постоянные по величине коэффициенты,При изменениях магнитного потока визмерительных катушках 10 и 11 наводитсяЭДС. выражение для которой получим иэусловия (4) с учетом уравнений (5) и (б):с 3 Ф К 2 бй=-ф =-фРГ , (7)где О/ - общее количество витков в катушках10 и 11,Подставим в выражение (2) формулу(3),а полученное уравнение в (7). Дифференцируя с учетом постоянной величины воздействующего ускорения, получимдеизм = - О/ ЕОРО К 2Р0Из полученного следует, что при вращении инерционной массы 4 со скоростью.пропорциональной воздействующему ускорению, на выходе датчика появится ЭДС,также пропорциональная ускорению контролируемого обьекта.Выходной сигнал датчика определяетсяскоростью вращения массы, которая зависит от величины воздействия. При этом исключены деформируемые элементы, чтоупрощает конструкцию и делает ее болеенадежной. Реализация такого режима работы устройства достижима в результате выполнения внешней образующей кольцевоймассы изменяющейся по окружности по линейному закону.Дальнейшим упрощением конструкциипреобразователя является посадка инерционной массы на участок круглого сеченияодного из стержней О-образного магнитопровода. При этом участок стержня магнитопровода одновременно выполняетфункции оси и отпадает необходимость виспользовании соответствующей детали.1793384 о2 л30 сопротивления этого воздушного зазора и тем самым обеспечения высокой линейности выходного сигнала преобразователя,Наиболее устойчивая работа предлагаемого датчика с учетом новых признаков обеспечивается применением дополнительных к инерционному элементу 4 масс, выполненных из немагнитного материала.У предлагаемого технического решения имеется дополнительное преимущество относительно прототипа, заключающееся в том, что при вращении инерционной массы 4 в выходном сигнале датчика кроме аналоговой составляющей также имеют место отрицательные выбросы выходного напряжения (см. фмг. 3 и 4. Этот отрицательный выброс объясняется наличием у массы 4 резкого перепада величины внешней образующей от максимального к минимальному значению. Один импульс соответствует одному полному обороту кольцевой массы, а интервал времени между двумясоседними выбросами равняется Т - периоду обращения инерционной массы. Число импульсов и в единицу времени, пропорциональное воздействующему ускорению. определяется Формула изобретения Датчик угловых ускорений, содержащий кольцевую инерционную массу и магнитопровод с размещенными на нем катушками возбуждения постоянного тока и измерительными обмотками, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности, магнитопровод выполнен О-образным с круговым сечением одного иэ стержней, на который насажена кольцевая инерционная масса, состоящая из магнитомягкого элеВоэможность одновременного получения выходного сигнала датчика в аналоговом и дискретном виде позволяет егоуниверсальное использование как в анало-.5 говых, так и в цифровых измерительных системах. При желании избавиться отдискретной составляющей сигнала выходдатчика шунтируют емкостью,Воэможность свободного вращения10 инерционной массы на оси, неограниченной наибольшим углом закручивания пружины, обеспечивает еще двадополнительных преимущества относительно прототипа: расширение измерительного15 диапазона устройства в сторону увеличенияи возможность измерения внешних воздействия в течение неограниченного времени,т,е. чем большие угловые ускорения воздействуют на инерционную массу, с тем про 20 порционально большей скоростью онаимеет возможность вращаться в течениесколь угодно долгого по времени воздействия ускорения.Указанные достоинства заявляемого25 технического решения определяют экономическую и практическую целесообразность его использования в системахизмерений, контроля и управления,мента и двух немагнитных элементов, причем сечение магнитомягкого элемента изменяется по линейному закону от максимального сечения кольца до нулевого по окружности за счет изменения толщины кольца симметрично со стороны обоих торцов кольца, а немагнитные элементы выполнены в виде вставок, дополняющих кольцо до полного объема, при этом зазор между , внутренней повсрхностью кольцевой инерционной массы и круговым сечением стержня заполнен магнитной жидкостью.1793384 Составитель Р. АзимоРед ктор Техред М,Моргентэл Корректор Н. КорольПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина. 101 аказ 502 Тираж Подписное НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Рэушская наб., 4/5