Устройство для измерения ускорения

) Ы 1 Р 15/08 ОСУДЛРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОбРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯ ПРИ ГКНТ СССРОПИСА Е ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСК ВИ ЕТЕЛЬСТВ(21) 478578 (22) 25.01.9 (46) 07.09,9 (72) В,Н. У дарчук и В (56) 1. Пате кл. 601 Р2. Пате кл.601 Р пользование: приборостроение. при инерционной навигации, акселероСущность изобретения мпонентный акселерометр содержит с 1 со встроенной в него вакуумной ой 2 с оптическими окнами 3,4,5 по аправлениям. Внутри камеры 2 рас ена сферическая масса 12. На внут Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению ускорения вдоль трех координатных осей относительно инерциального пространства приборами со свободным от механических связей с корпусом чувствительным элементом, и может быть использовано в системах управления возвращаемых на Землю космических аппаратов,Известен электростатический акселерометр 1, состоящий из кожуха с расположенным в нем инерционным элементом ИЗ) в виде шара, системы электродов, которые образуют электростатический подвес, схемы определения положения шара, схемы контроля положеня шара, двух блоков компенсации переменной составляющей поого элемента, блока ой составляющей полительной схемы и(54) УС КОРЕН (57) Ис боры метрь трехко корпукамер тремполож 7/1002, Бюл. М 33мников, С,Б. Беркович, Ю,К, БонН. Ветровнт Франции М 2495328,5/125, 1980.нт США М. 4384487,5/08, 1983.ОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСренних стенках камеры расположены в виде кубической решетки шесть плоских электродов 6 - 11. Снаружи корпуса 1 расположены источник 16 излучения и трехосное зеркало 18 с тремя взаимно перпендикулярными оптическими каналами, оси которых пересекаются в центре инерционной массы 12, В каждом оптическом канале установлен датчик перемещения в виде интерферометра Майкельсона, сопряженный с детектором 19 электромагнитного излучения. Выход каждого детектора 19 через соответствующий электронный блок 20 соединен с вычислительным блоком 13 и с электронным переключателем 15, соединенным с соответствующим электродом 6-11, Второй электронный переключатель 30 связан с вычислительным блоком 13 и подключен к индукторам 24 - 29, расположенным внутрикамеры 2. 2 ил,тенциала чувстеительнкомпенсации постояннтенциала шара, вычисблока индикации.Недостатком указанного акселерометра является трудность реализации управления ИЗ в моменты его приведения в центр зоны измерений при ускорениях, больших 109. В этом случае для обеспечения приведения ИЗ необходимо увеличивать управляющие напряжения на электродах подвеса (датчиках силы), что может привести в конечном итоге к электрическому пробою и выводу акселерометра из строя.С другой стороны, можно добиться повышения управляющих моментов датчика силы уменьшением зазоров между электродами датчика силы и ИЭ, Уменьшение зазо- ты устройства путем заряда и разряда инерроо увеличит управляющие моменты датчи- ционной массы, обладающей электретными ка силы, Однако уменьшение зазоров свойствами.приводит к увеличению сил электрического Цель достигается тем, что о устройство тяжения, что не позволит иметь порог чувст для измерения ускорения, содержащее корвительности на уровне 10 ц. пус со встроенной вакуумной камерой, в коИсходя из вышесказанного, в указан- торых по трем взаимно перпендикулярнымном акселерометре ограничивают диапазон направлениям оыполнены три оптических измеряемых ускорений 10 - 10 о, выби- окна, шесть плоских электродов на внутренрают зазор равным 80 мкм при диаметре 10 них стенках камеры в виде кубической ренезаряженной ИЭ 10 мм, напряжение при- шетки, расположенную внутри камеры ведения на электродах электростатического сферическую инерционную массу, а также подвеса до 150 В. расположенные снаружи корпуса вычислиНаиболее близким по своей техниче- тельный блок, источник питания, соединенской сущности является инерциальный эта ный с силовым входом электронного лонный прибор с циклически переключателя, и источник электромагнит- удерживаемым надежным чувствительным ного излучения, оптически связанный через элементом, описанный о 21. расщепитель и трехосное зеркало с тремяИнерциальный эталонный прибор с измерительными каналали, оси которыхциклически (динамически) удерживаемь 1 м 20 расположены взаимно пенпендикулярно и надежным чувствительным элементом со- пересекаются в точке, совпадающей с цент- держит корпус со встроенной вакуумной ка- ром инерционной массы и вакуумной каме- мерой, в которых по трем взаимно ры, причем какдый из каналов содержит перпендикулярным направлениям выпол- оптическийдатчикположенияинерционной нены три окна, шесть плоских электродов на 25 массы, сопряженный с детектором электро- внутренних сторонах камеры в оиде кубиче- магнитного излучения, подключенным ческой решетки, заряженную инерционную рез электронный блок к вычислительному массу в камере с возмокностью перемеще- блоку и электронному переключателю, выния относительно камеры, источник элект- ходы которого подключены к соответстоуюромагнитного излучения, Расположенный с 30 щим электродам, а каждый из датчиковвнешней стороны камеры с лучом, направ- положения инерционной массы выполнен о ленным на расщепитель, трехосное зерка- видеинтерферометраМайкельсонаисодерло, Расположенное между камерой и кит полупрозрачное и отражательное зеррасщепителем по линии распространения кала и конденсорную линзу, введены луча, направляющее луч на инерционную 35 индукторы, расположенные попарно с диамассу по трем ортогональным осям, прохо- метрально противоположных сторон инердящим через центр камеры, три детектора ционной массы между ней и каждым из электромагнитного излучения с внешней сто- электродов, второй электронный переклюроны камеры и три оптических датчика по- чатель, источник переменного тока, Причем ложения по одному на каждую 40 индукторыизолированыоткорпусаиэлектизмерительную ось, расположенные с родов и подключены к выходу второго элеквнешней стороны корпуса на линиях рас- тронного переключателя, силовой вход пространения луча, источник питания, ком- которого подключен к выходу источника пепьютер, электронный переключатель, три ременного тока, а управляющий вход - к электронных блока. 45 выходу вычислительного блока, информациНедостатком эталонного прибора явля- онный вход которого соединен с интерфейетсл принципиальная невозможность изме- сом системы управления.рения л 1 алых ускорений в диапазоне . Сравнение заявляемого устройства для 10 9 - 10 о за счет наличия силы электро- измерения ускорения с прототипом указы- статического тяжения между заряженной 50 вает на введение дополнительных призна- инерционной массой и внутренней поверх- коо: индукторов, второго электронного ностью кубической решетки. переключателя, источника переменного то-Таким образом, электростатический ак-ка и связей между ними, что позооляетустаселерометр Ц обеспечивает измерение ус- нооить соответствие его критерию корения в диапазоне 10" - 10ц, а 55 "новизна",эталонный прибор 2 - в диапазоне от 10-5Сравнение введенных признаков с прадо десятков о. тотипом показывает, что отдельно они извеЦельюизобретения является расшире- стны, Однако о технической и патентнойние диапазона измеряемых ускорений за литературе не выявлена их полная сооокупсчет обеспечения изменения режима рабо- ность, поэтому они обеспечивают заявляе 176046150 мому устройству соответствие критерию "существенные отличия".На фиг. 1 представлены конструкция акселерометра и электронные устройства; на фиг. 2 представлена схема введенного электронного переключателя. При этом на фиг. 1 изображены элементы акселерометра для измерения перемещения инерционной массы по двум осям, параллельным плоскости листа. Элементы устройства, расположенные по третьей оси, не представлены.Устройство для измерения ускорения, изображенное на фиг. 1, содержит корпус 1 со встроенной вакуумной камерой 2. в которых по трем взаимно перпендикулярным направлениям выполнены оптические окна 3, 4, 5, шесть плоских электродов 6, 7, 8, 9.10, 11, на внутренних стеках камеры в виде кубической решетки, расположенную внутри камеры 2 сферическую инерционную массу 12, а также располо,кенные снаружи корпуса 1 вычислительный блок 13, источник 14 питания, соединенный с силовым входом электронного переключателя 15, и источник 16 электрол 1 агнитного излучения, оптически связанный через расщепитель 17 и трехосное зеркало 18 с тремя измерительными каналами, оси которых расположены взаимно перпендикулярно и пересекаются в точке, совпадающей с центром инерционной массы 12 и вакуумной камеры 2. Каждый из каналов содержит оптический датчик положения инерционной массы 12, сопряженный с соответствующим детектором 19 электромагнитного излучения, который подключен через соответствующий электронный блок 20 к вычислительному блоку 13 и электронному переключателю 15, выходы которого подключены к соответствующим электродам 6-11, а каждый из датчиков положения инерционной массы выполнен в виде интерферометра Майкельсона и содержит полупрозрачное 21 и отражательное 22 зеркала и конденсорнуюлинзу 23, Индукторы 24, 25, 26, 27, 28, 29 расположены попарно с диаметрально противоположных сторон инерционной лхассы 12 между ней и каждым из электродов 6 - 11. Второй электронный переключатель 30 и источник 31 переменного тока расположены снаружи корпуса 1 устройства, И ндукторы 24 - 29 изолированы от корпуса 1 и электродов 6-11 и подключены к выходу второго электронного переключателя 30, силовой вход которого подключен к выходу источника 31 переменного тока, а управляющий вход к выходу вычислительного блока 13, информационный вход которого соединен с интерфейсом системы управления (СУ),5 10 15 20 25 30 35 40 Устройство для измерения ускорения работает следующим образом.В исходном положении подано напряжение на электронные блоки 20, вычислительный блок 13, через открытый переключатель 15 на электроды 6-11 подано питание с источника 14. За счет электростатических сил заряженная инерционная масса 12 удерживается в центре зоны 32 измерения. Переключатель 30 закрыт и на индукторы 24 - 29 не подан ток высокой частоты с источника 31 переменного тока, работает лазер. Б электронных блоках 20 элементы памяти обнулены,Предлагаемое устройство обеспечивает измерение ускорения в различных условиях применения за счет изменения режима работы.При этом под условиями применения понимается нахождение возвращаемого на Землю космического аппарата в трех режимах функционирования: выведения на орбиту искусственного спутника Земли (ИСЗ); движения по орбите ИСЗ или в космическом пространстве; возвращения на Землю,В предлагаемом устройстве заряженная инерционная масса 12 используется в первом и третьем режимах функционирования, а не заряженная - во втором. Команды на изменение режимов функционирования поступают из СУ космического аппарата в вычислительный блок 13.Рассмотрим работу устройства в первом режиме функционирования,По команде с вычислительного блока 13 через электронные блоки 20, электронный переключатель 15 снимается удерживающее напряжение с электродов 6 - 11 электростатического подвеса, которые электрическим путем соединяются с корпус сом 1. Инерционная масса 12 поддействием сил инерции начинает перемещаться в пределах области 32 удержания. С помощью оптических датчиков положения, детекторов 19 и электронных блоков 20 измеряется перемещение инерционной массы 12 путем подсчета интервалов времени 11 и 12 прохождения инерционной массой эталонных расстояний 51 и 62 по каждой измерительной оси, Ускорения по каждой измерительной оси вычисляются по формулеК 211 - И 2т 2В/ - л где = 1, 2, 3 - номера измерительных осей;Л - длина волны лазерного излучателя 16;ч 1= ч 2 = 512- число интерферационныхполос (импульсов), заджающих эталонныерасстояния Я 1 = 32.При выходе инерционной массы 12 из границ области 32 удержания вычислительный блок 13 формирует команду управления на приведение инерционной массы в центр области удержания. По этой команде через блоки 20, электронный переключатель 15 электроды 6-11 электрически изолируются от корпуса и на них подается напряжение с источника 14. Под действием электростатических сил тяжения инерционная масса 12 приводится в центр области 32 удержания. Циклы работы устройства повторяются. Вычисленное значение ускорения Ю с выхода вычислительного блока 13 поступает в интерфейс системы ускорения, где по значению Щ принимается решение на изменение режима работы устройства для измерения ускорения,При поступлении команды из СУ летательного обьекта осуществляется переход на второй режим функционирования - измерение ускорений объекта в диапазоне 10 - 10 9, Вычислительный блок 13 через блоки 20 формируют управляющий сигнал на переключатель 15, который электрически изолирует электроды 6 - 11 от корпуса и подает на них напряжение источника 14, Инерционная масса приводится в центр области 32 удержания и удерживается. В ычислительный блок 13 через блоки 20, . переключатель 15 снимает напряжение с электродов 6-11 и через переключатель 30 обеспечивает подачу на индукторы тока высокой частоты от источника 31. Индукторы 24-29 обеспечивают нагрев инерционной массы 12. Нагрев инерционной массы, которая обладает электронными свойствами, обеспечивается методом индукционной плавки металлов во взвешенном состоянии с целью снятия заряда с инерционной массы при ее остывании в отсутствии электростатического поля,Схема переключателя 30 представлена на фиг. 2 и включает элемент И - Н Е, токовые ключи К 1, К 2. Логический "0" с вычислительного блока 13 инвертируется и открывает ключ К 1. Ток высокой частоты с источника 31 подается через ключ на индукторы, Проходя по обмоткам индукторов, он наводит вихревые токи Фуко на поверхности инерционной массы, что обеспечивает ее нагрев.Затем сигнал в виде "0" снимается и ключ К 1 закрывается. Компьютер формирует сигнал в виде логической "1", по которой открывается К 2 и индукторы через открытый ключ К 2 соединяются с корпусом устройства. Тем самым заканчивается цикл снятия заряда с инерционной массы, которая опять по команде с компьютера приводится в центр зоны измерения, отпускается, измеряется55 режима работы устройства, в него введеныиндукторы, расположенные попарно с диаметрально противоположных сторон инерционной массы между ней и каждым из электродом, второй электронный переключатель, источник переменного тока, причем 102025 3035404550 ее перемещение и т,д. Повторяются циклы приведений и вычислений ускорения инерционной массы 12.При поступлении следующей команды из СУ космического аппарата в вычислительный блок 13 осуществляется переход на третий режим функционирования. Повторяются операции приведения инерционной массы в центр области измерения, силовогоудержания и т,д. Отличие третьего режимаот второго заключается в том, что инерционная масса в третьем режиме функционирования нагревается и остывает в электростатическом поле, что обеспечиваетее заряд, Далее повторяются циклы приведения и вычисления ускорения инерционной массы. При переходе с первого режима на второй блок 13 измеряет (увеличивает) время опроса электронных блоков, при переходе с второго режима на третий восстанавливает (уменьшает) время опроса.Формула изобретения Устройство для измерения ускорения, содержащее корпус с встроенной вакуумной камерой, в которых по трем взаимно перпендикулярным направлениям выполнены три оптических окна, шесть плоских электродов на внутренних стенках камеры в виде кубической решетки, расположенную внутри камеры сферическую инерционную массу, а также расположенные снаружи корпуса вычислительный блок, источник питания, соединенный с силовым входом электронного переключателя, и источникэлектромагнитного излучения, оптически связанный через расщепитель и трехосное зеркало с тремя измерительными каналами, оси которых расположены взаимно перпендикулярно и пересекаются в точке. совпадающей с центром инерционной массы и вакуумной камеры, каждый из каналов содержит оптический датчик положения инерционной массы, сопряженный с детектором электромагнитного излучения, подключенным через электронный блок к вычислительному блоку и электронному переключателю, выходы которого подключены к соответствующим электродам, а каждый из датчиков положения инерционной массы выполнен ввиде интерферометра Майкельсона и содержит полупрозрачное и отражательное зеркала и конденсорную линзу, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения диапазона измерений эа счет обеспечения измененияиндгкторы изолированы от корпуса и электродов и подключены к выходу второго электронного переключателя, силовой вход которого подключен к выходу источника переменного тока, а управляющий вход к выходу вичислительного блока, информационный вход которого соединен с интерфейсомсистемы управления.1760461ФсрСоставитель В.Ветров Редактор И.Юрчикова Техред М.Моргентал Корректор Л.Лукач аказ 3184 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10