Струнный акселерометр

Союз Советскик Социалистических РеспубликОп ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(45) Дата опубликования описания 07.12.76 Государственный комитет Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий(71) Заявитель Изобретение относится к измерительной техчике и может быть использовано во всех областях машиностроения, где необходимо для определения параметров д.ижения обьекта измерять величину и вектор полного линейного ускорения.Известны струнные трехосные акселерометры, содержащие инерционную массу, закрепленную в точке пересеченич струн, постоянные магниты 123.10Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является акселерометр, содержащий корпус, внутри которого натянуты три токопроводящие струны, совпадающие с ортогональными осющ чувстви тельности прибора. В точке пересечения струн закреплена инерционная масса, образующая три пары соосных струн. Каждая соосная струна расположена в поле постоянного магнита и включена в свою схему автогенератора, выдающего частоту, пропорциональную величине натяжения. Разность частот пары соосных струн пропорциональна проекции полного ускорения на данную ось, а геометрическая сумма разностей 25 частот трех пар струн характеризует вели;ину и направление полного линейного ускорения1.Колеблющая струна, как преобразователь силы в частоту,. обладает хорошими техническими характеристиками - высокой чувствительностью и стабильностью. Однако существенным недостатком ее является нелинейная зависимость частоты колебанийот силы натяжения Рт. Е где т - частота;о - натяжение;т - распределенная масса;- длина,Дифференциальное включение струн улучшает линейность. Однако струнные акселерометры, построенные по схеме с жестким креплением струн к корпусу, имеют погрешность от нелинейности порядка 0,5+1%, что в некоторых случаях является неприемлемым.Цель изобретения - повышение точности.Для этого в предлагаемом акселерометре на внешних концах токопроводяших струн укреплены дополнительные инерционные мас525889 3сы, каждая из которых прикреплена к корпусу посредством боковых растяжек, упоров и упругого элемента с нелинейной характеристикой являющегося продолжением струны и выполненного, например, в виде набора па аллельно расположенных струн с различрной жесткостью.На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый акселерометр, разрез; на фиг, 2- разрез А-Л на фиг. 1; на фиг. 3 - кривые10 зависимости разности частот соосной пары струн от действующего ускорения, построенные для разных значений величины усилия обратной связи ; на фиг. 4 - упругий элемент с нелинейной характеристикой; на фиг. 5 - зависимость разности частот соосной пары струн от действующего ускорения предлагаемого акселерометра, у которого линеаризация производится с помощью упругих элементов с нелинеинои характеристин н 20 кой. Разность частот 1 - = дпосле несложных преобразований буд 5 иметь вид о ль тяе- асче са 8,Рабочие струны расположены в зазорепостоянных магнитов 9-14 предназначенных для возбуждения собственных колебанийструн. К наружным концам рабочих струн30прикреплены дополнительные массы 15-20,которые посредством упругих элементов 2126, являющихся продолжением рабочих струн,прикреплены к корпусу 1, Дополнительные35массы совместно с упругими элементами взависимости от ускорения изменяют величину начального натяжения рабочих струн. Отбоковых смешений относительно рабочихструн дополнительные массы фиксируютсярастяжками 27, а от смешений по направлению к инерционной массе 8 - упорами 28,Акселерометр работает следующим обраСтупенчатоезначения Рассчивается упруги где гда на ак ом состо янин, т.е., ет ускорединаковы и е, частоты пределяютелерометр не деистабочих струн 2-7 оя выражением,о исходном сосчального на При дения Н, насы 8 и 1струны 2струн опр тянуты и каацию соотв етств й (Ь т О при этом д с ускорения Н чих струн 2 увеличиваетшается на эт и 4; е 12;1 - частоты стр нутри корпуса 1 акселерометра в взаимно перпендикулярных осей н рабочие струны 2-7, в точке пе которых закреплена инерционная 1 о )(/Р11) собственная частота струны, коэффициент пропорциональности; начальное натяжение. ствии на акселерометр ускорепример, в направлении оси Ь масизменяот начальное натяжение и струны 4, При этом частоты Лн зо ос н Р Р - дополнительное натяжение струнос нот действия ускорения на массы 17 и 8 соответственно,Если ввести обозначенияо%: ро осо то выражения (2) можно записать На фиг, 3 показан график зависимости разности частот струн 2 и 4 ( 1 - 1 = д 1) от действующего ускорения Н, где кривые 1 - Ч построены при различных значениях Р ( при этом Р,Р сР с РР ). Кривая О построеАТОС 40 С ОСна при значении Рос = О, что соответствует акселерометру без линеаризацни, т.е. с жестким креплением рабочих струн к корпусу. Кривая ЧЪ соответствует акселерометру с "идеальной" линеаризацией, т,е когда по мере изменения ускорения Н величина Р изменяется непрерывно, то сумма оскорней в знаменателе формулы (4) остается постоянной и равной 1 1 о Область, заключенная между кривой О и прямой Ч 1, характеризует величину погрешности от нелинейности акселерометра без линеаризаизменение величины Рос отдо значения Р., обеспем элементом (УЭ) 23 совестно с дополнительной массой 17. Схематически УЭ представлен на фиг,4,С - жесткость рабочих струн 2ои 4;тп - дополнительная масса 17;Дт Ъ 4С С С - жесткость струн, составляк- ших упругий элемент, причемС С С ъСЪ 4 тоянии под действием ситяжения Ро струны УЭ ждая имеет начальную дефорЕННОДдф А 4д, При изменениидо Ндеформация рабо под действием массы 17 до Ь а струн УЭ уменьже величину.5Равновесие массы 17 при этом будет описываться уравнением1Р +Р -Р =Р -Р -Р +тпНо Ос н О Ос ниди р +Р = Н, ) 5 где Ро - усилие начального натяженияструн;Р - усилие в рабочих струнах 2оси 4 от дополнительноймассы 17;Рн - усилие от массы 8;Р - усилие в струнах УЭ от дополоснительной массы 17;т 1 Н - инерционная сила от массы 17С использованием закона Гука уравнение 5 можно записатьЬ С + ь С=ОН (6) 5 где С = С + С ф С + С - суммарнаяУЭ 1 2. Ъ 4жесткость струн УЭ,20Из уравнения 6 видно, что усилия врабочих струнах 2 и 4 и в струнах УЭраспределяются пропорционально их жесткостям, Выходная характеристика СА вэтом случае будет описываться кривой 1на фиг. 3, При возрастании ускорениядо Н деформация увеличивается до дпри этом струны УЭ с жесткостью С (см.фиг. 4) фвыключаютсяф из работы ( таккак предварительная деформация их Ь З 0меньше Ьи они полностью разгружаются), Суммарная жесткость УЭ уменьшаетсяна величину С 4происходит ступенчатоеизменение величины Р (кривые У и 1 Ц),Выходная характеристика СА на участкеН - Н при этом описывается кривойП.Таким образом, при изменении ускорения от О до Н) Н 4 происходит ступенчатоеувеличение Р, от О до Р. и выходнаяхарактеристика СА будет иметь вид, показанный на фиг. 5, при этом заштрихованныеучастки характеризуют величину погрешности от нелинейности.При изменении знака ускорения принципработы СА остается тем же, только в этом 45случае в работе участвует масса 15 и УЭ21, а масса 17 ложится на упоры 28,При действии произвольно направленного ускорения каждая соосная пара струн измеряет проекцию ускорения на соответствуюшую ось. Геометрическая сумма разностей частот пар соосных струн, расположенных по осям Х, У, Е, пропорциональна величине измеряемого ускорения, а знак суммы характеризует направление действия ускорения.Как показали расчеты, погрешность от нелинейности предлагаемого СА не превы-Э -4 ощает 10 - 10 % и зависит от количества ступеней жесткости УЭ.Использование предлагаемого акселерометра позволяет значительно повысить точность измерения параметров движения объекта, в результате чего увеличивается эффективность использования системы управления.Формула изобретенияСтрунный акселерометр, содержащий корпус с расположенной внутри него в точке пересечения трех ортогональных осей чувствительности инерционной массы, растянутой на совпадающих с осями токопроводяших струнах, расположенных в поле постоянных магнитов и включенных в соответствуюшие схемы автогенераторов, о тл и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью повышения точности, на внешних концах токопроводяших струн укреплены дополнительные инерционные массы, каждая из которых прикреплена к корпусу посредством боковых растяжек, упоров и упругого элемента с нелинейной характеристикой, являюшегося продолжением струны и выполненного, например,в виде набора параллельно расположенныхструн с различной жесткостью.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Патент ФРГ Ио 1202025, кл, 42 к 7/05, 1965 (прототип).2, Патент США % 3382724, кл,73-517, 1965 г.