Акселерометр

О Л И С А Н И Е 1 н 881623ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоциалистическизРеспублик(23) Приоритет по делам изобретенийк еткрытнй(54) АКСЕЛЕРОМЕТР Изобретение относится к измери тельной технике и может быть использовано для измерения ускорений.Известен датчик ускорений, содержащий газонаполненную колбу, в котором между двумя электродами анодом и катодом горит плазменный столб. По частоте автоколебаний этого столба судят об ускорении 11.Известен также датчик, в котором плазменный столб изгибается и закручивается. По смещению тяжелых частиц в столбе плазмы судят об ускорении 2).Однако в известных датчиках чувствительным элементом является плазма, которой, как известно, присущи различного рода неустойчивости, эти датчики в принципе не могут иметь высокую чувствительность и точность.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результатук изобретению является акселерометр,в котором между двумя нитями накала,окруженными электронными облаками,создается ионное облако. Смещаясьпод действием инерционной силы, тяжелые ионы сильнее компенсируют пространственный заряд возле одной нити,что вызывает разбаланс измерительного моста 1 31.Однако данный акселерометр имеетисточник быстрых электронов для создания ионного облака. Необходимымусловием получения быстрых электронов является значительная разностьпотенциалов 1,порядка нескольких тысяч вольт), прикладываемая междуускоряющим электродом и нитью накала т 5источника. Это снижает надежностьработы акселерометра в связи с опасностью пробой изоляции высоким напряжением. Кроме того, при формировании узкого пучка электронов, с помощью прорези в ускоряющем электроде,экранирующая его часть значительноразогревается бомбардирующими еебыстрыми электронами, что приводитк температурной деформации и взаимному смещению электродов. Это снижает точность и чувствительность работы акселерометра,Целью изобретения является повышение чувствительности якселер 01 еетряЦЕЛЬ ДОСТИГЯЕТСЯ ТЕМ ЧТО В ЯКСЕ- лерОмеГре содержащем 1 язоняполне 11 ную колбу с анодом и двумя нитями накала, в колбу введены второй анод и две сстки каждая из которьЕх ряспо- ложенд между анодом и нитью някяля при этом второй анод и сетки включены в мостовую схему, с двумя источни,ками питания, к минусу одного из которых подключены яЕЕОды, М 11 Н;с другого источника соединен с нитями накала а плюсы обоих источников подсоединены к сеткам.На фиг, 1 схематически гоказано устройство акселеромстра, на фиг. 2 вольтямперняя характеристика.В стеклянной газонаполненной колбе 1 имеются,цва источника электронов в виде ОдинякрвьЕХ Пака,;1 нных ееитей 2 и 3 источники питЯния ниГей не показаееы), Бити 2 и 3 являются КЯ- тодями. В колбу также введены дья анода ч и 5 и две сетки 6 и 7. Нити 2 и 3 соединены с отрицательным полюсом источника ускср 5 еющетО напряжени 51 8 Я, сетки 6 и 7 е через пОГенциометв 9) - с его положительным полюсом, Кроме этого, сетки соединены с положительным пОлюсом источника Гормоз 51- щего напряжеЕеия 10. Аноды ч и 5 через сопротивления 11 и 12 и потенциометр 13 соединены с отрицательным полюсом источника тормозящего напряжения 10. Иикроамперметр 14 включен в диагональ моста, образованного сопротивлением 11 и 12 и сопротив 51 ениями промежутков сетка-анод обеих систем одинаковых электродов, В качестве газа, заполняющего колбу, используется инертный газ с относительно тяжелыми анодами, например ксенон или радон, Давление газа выбирается около 1 мм рт,ст.В основе работы датчика ускорений лежит хорошо известный эффект Франка и Герца, состоящий в том, что при скоростях электронов, испускаемых горячими катодами 2 и 3 меньших некоторой критической скорости, соударение с атомами инертного газа происходит вполне упруго, т.е. электрон не передает атому своей энергии, но отскакивает от него, изменяя лишь направление своей скорости, такие непотерявшие своей энергии электроныспособ 1 еипройти тормозящее поле засеткой и попасть на анод, При скоростях, достигающих критической скорости,удар происходит неупруго, т,е.электрон теряет свою энергию и передает ее атому, который переходит ввозбужденное состояние, характеризуеЕО мое большей энергией. Электрож 1 потерявшие всю свою энергию или еечасть в результате неупругих соуцарении, будут задержаны тормозящимполем за сеткой и не пройдут на анод.1 Ускорение электронов, испущенныхгорячими катодами 2 и 3 осуществля-ется ускаряющеЕМ полем между сетками6 и 7 и катодами 2 и 3, которое непревышает величины нескольких десяткав вольт, 11 О мере продви;Еения откатодов к сеткам изменяется энергияэлектронов Если потенциал сетокстнос 11 тепьно кятодов 11 е пре 11 1 яеттяк нязь 1 вяемого резонансного потенУцияля, я Гома для ксе 11 оняняпримеррезоняееснь 111 потенциал составляет поОЯДкЯ 8 В) р Го н 1 егДе в простраеЕстВЯх катОД - сеГка ,обеих систем электродов Не может происходить 1 ееупругих столкновений, 11 ройд 51 ускоряющееполе ме;еду сетками и катодами,электроны, не потерявшие своей энергии, входят в тормозящее поле междуанодами 4 и 5 и сетками 6 и 7. Это, поле устанавливается таким, чтобыбыс Грые электроны могли пройтина аноды, а медленные электроны,испытавшие неупругие соударения сатомами газа, не смогли пройти тормозящее поле и возвратились бы на4 Осетку ,Обычно достаточна тормозящаяразность потенциалов величиной неСКОЛЬКО ВОЛЬТ),"аким Образом если построитьграфик анодного тока 1 СЕ, протекающего через сопротивления 11 и 1" взависимости От ускоряеощего напряжееия О (при постоянном тормозящемнапряжении), то получится вольтамперная характеристика (фиг.2), Участок5 О ДВ соответствует только упругимсоударениям электронов с атомамигаза. Соответствующие этому участкуускоряющие напряжения не способны сообщить эхеектронам энергию, достаточную для резонансного возбуждения атомов, и среди электронов, испущенных катодами, нет медленных электронов. Поэтому анодный ток обеих сис881623 1 О 20 25 30 35 1 о= епч Н)Ч где п 40 45 50 ФиИ = 1 О Е -55 тем электродов одинаково растет помере увеличения О 1 . Однако придостижении необходймой энергии, наряду с упругими, начинаются и неупругие соударения - точка В на графике, которой соответствует напряжение начала резонансных возбуждений,Анодный ток начинает уменьшатьсяучасток ОС, - так как в обпгем потокеэлектронов, испущенных катодом, становится все больше медленных электронов, не способных пройти на анод.Если продолжать увеличивать О усКи дальше, то анодный ток уменьшится,до некоторого минимума - точка С нахарактеристике, - так как большинство электронов будет возвращено на сетки 6 и 7. При дальнейшем увеличенииОузона неупругих соударений отодви -гается к катодам, электроны, испытавшие неупругие соурадения на оставшемся до сеток пути успевают набратьэнергию, достаточную для преодолениятормозящей разности потенциалов ианодный ток снова начинает растиучасток правее точки С . Если рассмотреть изменение тока1 д соответствующее какой-то точкеО падающего участка ЗС, то оно посуществу представляет собой числоэлектронов, претерпевших неупругиестолкновения в некотором объеме Ч за1 с и возвращенных тормозящим полемна сетку. Это изменение тока можнозаписать в виде концентрация атомов инертного газа,число электронов, испущенныхкатодом,скорость электронов",сечение неупругого столкновения (для данного газа можно считать постоянной величиной 3;объем, в котором возможнынеупругие соударения,Концентрация атомов газа и в однородном поле инерционных сил изменяется согласно закону Больцмана следующим образом где и - концентрация, соответствующая относительной потенциальной энергии, равной нулю 1,поле сил отсутствует ); 6Ы - относительная потенциальнаяэнергия атомов газа в полеинерционных сил;К - постоянная Вольцмана;Т - абсолютная температура газа.Таким образом, на изменение токаможет влиять внешнее инерционноеОполе сил (через концентрациИ) и), т.е. ускорение, прикладываемое вдоль оси Х-Х датчика. Если ускорение направлено по стрелке А, то концентрация атомов между сеткой 6 и катодом 2 возрастает, следовательно, точка О на вольтамперной характеристике длй левой системы электродов смещается ближе к точке О, Наоборот, концентрация атомов между сеткой 7 и катодом 3 уменьшается и для правой системы электродов точка Э смещается вверх - ближе к точке 3 . Указанный разбаланс рабочих точек на вольтамперных характеристиках обеих систем электродов приводит к тому, что токи, текущие через одинаковые сопротивления 11 и 12 измерительного моста, делаются неодинаковыми, что, в свою очередь, приводит к появлению результирующего тока разбаланса в диагонали моста. По углу отклонения стрелки микро- амперметра 14 можно, таким образом, судить о величине приложенного к .датчику ускорения.Если знак ускорения изменится на обратный, то изменится и направление тока через микроаперметр 14 и его стрелка отклонится в противоположную сторону.Работа предлагаемого акселерометра осуществляется следующим образом.С помощью вспомогательных регулировок 1 не показаны) осуществляется установка рабочих точек на вольтамперных характеристиках обеих систем электродов на середину падающего участка 3 С (точка О на фиг,2), который обладает большой крутизной. Затем осуществляется балансировка измерительного моста - установка стрелки микроамперметра на нуль, находящийся в средней части шкалы. После этого акселерометр готов к измерению ускорений. При неизменных режимах питания накалов нитей, а также источников ускоряющего и тормозящего напряжений регулировку акселерометра достаточно осуществить одократно, не прибегая уже к ней при повторных замерах ускорений, Повышение чувствительности акселерометра к очень малым ускорениямможет достигаться, впервую очередь,за счет увеличения расстояния междуобеими электродными системами, таккак чем больше это расстояние, тембольше изменение концентрации и приодном и том же ускорении.Предлагаемый акселерометр можетработать и при переменном ускоряющемнапряжении, тогда ток разбаланса вдиагонали моста будет переменными легко может быть усилен обычнымисредствами,Величины анодных токов, а, следовательно, и их изменения, могутбыть существенно увеличены путемувеличения электронного потока скатодов (изготовление длинных катодов), а также площадей сеток ианодов (например, соответствующимвыбором размеров электродов или многократным повторением электродныхсистем, включаемых параллельно, чтоможет еще больше повысить чувствительность акселерометра).Предлагаемый акселерометр можетнайти широкое применение в устройствах, измеряющих ускорения, особеннов тех случаях, где требуется высокаячувствительность, стабильность иточность работы, Акселерометр может 881623 8 йрименяться как в промышленности, так и в научных исследованиях.5 Формула изобретенияАкселерометр, содержащий газонаполненную колбу с анодом и двумянитями накала, включенными в мосто О вую схему, два источника питания,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения чувствительности,в колбу введены второй анод и двесетки, каждая из которых расположенамежду анодом и нитью накала, приэтом второй анод и сетки включены вмостовую схему с двумя источникамипитания; к минусу одного из которыхподключены аноды, минус другогоисточника соединен с нитями накала,а плюсы обоих источников подключенык сеткам,Источники информации,25принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР9279214, кл, С 01 Р 15/08, 1968.2. Авторское свидетельство СССР9420937, кл. 6 01 Р 15/08, 1972.3, Авторское свидетельство СССР9574680, кл, 0 01 Р 5/08, 1976 (прототип),881623 фг Составитель И,Полунина Техред А.Бабинец Редактор М.Погориляк Корректор М.Пожо Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ 9962/67 Тираж 910 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж"35, Раушская наб., д. 4/5