Способ калибровки датчика ускорения и датчик ускорения

(5)5 6 01 Р 15 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) Ни РЕТЕ ПАТЕНТ льт фюр ЛюфттКИ ДАТЧИКА УСОРЕНИЯ ся к измеритель- обретения; датчик элемент, на кото)ый элемент, При корений упругий Для измерения абрения может проэтой калибровке(54) СПОСОБ КАЛИБРОВ . КОРЕНИЯ И ДАТЧИК УСК (57) Изобретение относит ной технике, Сущность из ускорений имеет упругий ром закреплен инерцион возникновении усилия ус элемент деформируется, солютной величины уско водиться калибровка, При Изобретение относится к измерительной технике и к способам калибровки датчика ускорений.Целью изобретения является повышение точности калибровки и точности измерения датчика.Указанная цель - повышение точности калибровки - достигается тем, что в способе калибровки датчика ускорения изменяют плотность среды, окружающей инерционный элемент, и при одинаковом ускорении измеряют отклонение инерционного элемента при различных плотностях среды, а на основании зависимости отклонения инерционного элемента от плотности среды при определенной плотности газа, окружающего инерционный элемент, получают измеряемую величину ускорения на основании отклонения инерционного элемента. Вслед за тем при измененной плотности газа, окружающего инерционный элемент, проводят второе измерение того же ускорения и тем самым получают вторую измеряемую величину. С помощью разностей плотностей газа и измеряемых величин может быть рассчитана при дальнейших измерениях абсолютная величина ускорения. На основании датчика один конец упругого элемента и закреплено устройство.перемещения для наконечника. Устройство перемещения состоит из пьезокристалла, на противолежащий друг другу торцевых сторонах которого предусмотрены электроды, Наконечник закреплен на одном электроде. Наконечник находится на малом-расстоянии от инерционного элемента, 2 с, и 1 з,п. ф-лы, 3 ил,определяют абсолютное ускорение с учетом известной константы силы, системы, состоящей из инерционного и упругого элементов.Укаэанная цель, повышение точности измерения, достигается тем, что в датчике ускорения инерционный элемент выполнен электропроводным, чувствительный элемент выполнен в виде направленного на инерционный элемент наконечника, снабженного устройством его перемещения для поддержания постоянного расстояния между инерционным элементом и наконечником, при этом последний соединен с измерительной цепью, включающей ампер 3и- ствует усилие ускорения, направленное поперек поверхности упругого элемента 2, то метр, подключенный к источнику тока, плюсовой полюс которого через упругий элемент соединен с инерционным элементом, регулируемый источник напряжения, соединенный своими выходами с электродами устройства перемещения наконечника, а входом - с выходом регулятора, подклоченного к амперметру, причем корпус выполнен герметичным, а его полость заполнена газом или жидкостью. Кроме того, в датчик введен второй аналогичный чувствительный элемент, расположенный по другую сторону от инерционного элемента, и подключенный к введенной второй измерительной цепи, аналогичной первой,,В датчике усорений согласно изобретению изменл от не массу инерционного элемента, а плотность среды, окружающей инерционный элемент, Тем самым изменяется подъемное усилие, которое вызывает инерционньй элемент при определенном ускорении, Это подъемное усилие лвллется зависимым от объема среды, вытесненного инерционным элементом, и от ее плотности.Чем большим лвллетсл ускорение, тем большей являетсл разность подъемных усилий между обоими состолнилми с различньми плотностями среды. Ускорение Ь при способе согласно изобретению может определяться в соответствии со следующим уравнением;Ь =- Лх/ч Лр,где 1 - компонента усилия упругой системы; Ьх - разность между отклонениями инерционного элемента при обоих измерениях; ч - объем инерционного элемента, Ьр - разность плотностей среды при обоих измерениях. Таким образам, лвляетсл возможным калибровать датчик ускорений за счет измерения отклоненил при одном и том же ускорении и при различных плотностлх среды длл того, чтобы при известной постоянной усилияупругой системы определять начало системы координат, через которое проходит прямая, характеризуюшая зависимость между Ь и х.Изменение плотности среды, окружающей инерционный элемент, может осуществллтьсл за счет ТОГО, что изменяют давление среды в камере, окружающей инерционный элемент, или за счет того, что в зту камеру вводят различные среды, например, газы, Изменение плотности происходит с постоянными времени в диапазоне секунд, так чтобы датчик ускорений являетсл особенна пригодным для определения низкочастотных или статических ускорений.Датчик ускорений можно использовать для измерения ускорений на земле, где ун версальным явллется ускорения свободногопадения 9 или же для измерений ускоренийв невесомом пространстве, например. в космическом пространстве, В любом случае5 возможна высокочастотная калибровка, такчто с высокой точностью может определятьсл абсолютнал величина ускорения,На фиг. 1 дано схематическое изображение механической конструкции датчика ускорения, на фиг. 2 - электрическая схемарегулировки чувствительного элемента; нафиг, 3 - форма осуществления с двумя чувствительными элементами, расположенными по обеим сторонам инерционного"5 элемента, для компенсации таких изменений туннельного тока, которые вызываютсяизменениями плотности.Согласно фиг. 1 датчик ускорений имеетоснование 1, на котором зажат один конец2 О упругого элемента 2. Упругий элемент 2 со.стоит из тонкой кремниевой пластины.Кремний лвллется особенна хорошо пригодным в качестве упругого элемента, так какон имеетточно известную постояннуюупругости и ега можно очень точно изготавливать в отношении желаемых размеров,например, за счет травления.На верхнем конце упругого элемента 2закреплен инерционный элемент 3, Этот3 О инерционный элемент 3 состоит из корпуса4 и окружаащего корпуса 4 покрытия 5 длясоздания требуемого качества поверхностиинерционного элемента 3,Форма упругого элемента 2 в виде пла 35 ты была выбрана длл тога, чтобы датчик ускорения селективно определял компонентуускорения в совершенно определенном заданном пространственном направлении,Эта компонента ускоренил проходит под4 О прямым углом к плоскости упругого элемента 2, выполненного в виде изгибного вибратора. Длл достижения желаемойпостоянной упругости в зоне между зажимом на основании 1 и массой 3 могут пре 45 дусматриваться окна б в пластине упругогоэлемента 2,Из оснований 1 выступает вверх стойка7, на которой через изолятор 8 закрепленоустройство перемещения 9 для наконечника 10. Устройство перемещения 9 состоит из пьезокристалла, на противолежащей друг другу торцевых сторонах которого предусмотрены электроды 11, 12. Наконечник 10 закреплен на электроде 12 с промежуточным вклочением изоляции 13 таким образом, что он направлен на боковуюповерхность инерционного элемента 3.Если на инерционный элемент 3 еоздей20 30 35 45 50 55 упругий элемент 2 действует как изгибной вибратор, то есть он изгибается таким образом, что инерционный элемент 3 перемещается либо в направлении наконечника 10, либо в сторону от него. Датчик ускорений обладает большой селективностью по направлению, Для определения ускорений в обоих других; пространственных направлениях могут соответственно предусматриваться такие же датчики ускорений, у которых упругий элемент расположен под прямым углом к упругому элементу 2.Весь датчик ускорений расположен в герметичном по давлению корпусе 14, в который входит труба 15. присоединенная к источнику газа,Далее с помощью Фиг, 2 поясняется принципиальный способ действия датчика ускорений,Наконечник 10 находится на малом расстоянии от инерционного элемента 3, Это расстояние составляет несколько 10-10 м. Источник тока 16 подключен одним полюсом к упругому элементу 2 и через этот упругий элемент соединен с электропроводным инерционным элементом 3. Другой полюс источника тока 16 через амперметр 17 соединен также проводящим наконечником 10. Источник тока 16, напряжение которого составляет б Вольт, производит между наконечником 10 и инерционным элел ентом 3 туннельный ток, сила которого измеряется амперметром 17. Выходной сигнал амперметра 17 подводится к регулятору 18, который управляет источником высокого напряжения 19, Выходные провода источника высокого напряжения 19 соединены с электродами 11 и 12 на обоих концах устройства перемещения 9, В связи с тем, что это устройство перемещения 9 состоит из пьезокристалла, оно изменяет своо длину в зависимости от величины приложенного на его концах высокого напряжения, Регулятор 18 варьирует длину устройства перемешения 9 таким Образом, что туннельный ток между наконечником 10 и инерционным элементом 3 остается постоянным, За счет этого также остается постоянным расстояние между наконечником 10 и инерционным элементом, то есть наконечник 10 отслеживает перемещение инерционного элемента 3 с постоянным расстоянием. Выходной сигнал 20 регулятора 18 образует измерительный сигнал, пропорциональный Отклонению инерционного элемента 3 от его исходного положения.Для калибровки датчика ускорений производят измерение при воздействующем на инерционный элемент 3, вначале неизвестном усилии ускорения, при этом на выходной линии 20 получают выходной сигнал. Это изменение производят тогда, когда в корпусе 14 имеется низкая плотность газа. Для этого давление газа в корпусе 14 уменьшают. Вслед за тем через присоединение 15 давление газа и тем самым плотность газа вкорпусе 14 повышают до тех пор, пока не будет установлена определенная плотность газа, Тогда производят второе измерение при том же имеющемся ускорении. Вследствие повышенного подьемного усилия инерционного элемента 3 при втором измерении отклонение инерционного элемента от его исходного положения является меньшим,чем при первом измерении. Поэтому также уменьшенным является сигнал на выходнойлинии 20, Благодаря обоим измерениям с различным подъемным усилием, направленным противоположно усилию ускорения, идостигаемым при этом различным сигналам на выходной линии 20 определяют пропорциональность между выходным сигналом и абсолютным ускорением. Таким образом, датчик ускорений откалиброван.Вслед за калибровкой в течение длительного времени могут производиться измерения ускорения, причем используют либо пониженную плотность газа, либо повышенную плотность газа. За счет того, что газ можно выводить из корпуса 14, имеется возможность проводить циклы калибровки с произвольной частотой.При примере осуществления согласнофиг. 3 дополнительно к описанному чувствительному элементу, наконечник 10 которогорасположен на одной стороне инерционного элемента 3, на противолежащей стороне расположен следующий чувствительныйэлемент, компоненты которого соответствуют компонентам первого чувствительного элемента и снабжены теми же ссылочными позициями, причем соответственно добавлена добавка "а". Когда инерционный элемент отклоняется от своего исходного положения в одну сторону, одно устройство перемещения 9, соответственно 9 а, укорачивается, тогда как противолежащее устройство перемещения расширяется. Пример согласно фиг, 3 является целесообразным в тех случаях, когда туннельный ток между наконечником 10 и инерционным элементом 3 изменяется лишь за счет измененного давления газа, или в том случае, когда загрязнения на поверхности инерционного элемента 3 изменяют этот туннельный ток. Оба регулятора 9 и 9 а соединенымеэкду собой таким Образом, что их выходные сигналы вычитаются. В нормальномслучае выходные сигналы регуляторов 9 и18 а равны по модулю и отличаются по знаку,так что вычитание этих выходных сигналовдает величину 0; когда инерционный элемент 3 находится в его среднем положении.Однако, разность выходных сигналов регуляторов 9 отличается от 0 в том случае,когда инерционный элемент 3 находится вотклоненном положении. Тем самым этуразность используют в качестве измерительного сигнала. 10При описанных выше примерах осуществления инерционный элемент, несомыйупругим органом, является свободно подвижным. Возможной является также форма осуществления, при которой на 15инерционный элемент воздействует устройство возврата, таким образом, что этот элемент при всех воздействующих усилияхускорения удерживается в одном и том жеположении. При этом для измерения ускорения может использоваться то усилие, которое прикладывается устройствомвозврата для того, чтобы удерживать инерционный элемент в заданном положении.При этом чувствительный элемент служит 25для регулирования усилив устройства возврата,Формула изобретения1. Способ калибровки датчика ускорения, заключающийся в измерении с помощью чувствительного элементаотклонения инерционного элемента, закрепленного на упругом элементе при действии ускорения, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целмо повышения точности калибровки, изменяют плотность среды, окружающей инерционный элемент, и приодинаковом ускорении измеряют отклонение инерционного элемента при различных40 плотностях среды. а на основании зависимости отклонения инерционного элемента от плотности среды определяют абсолютное ускорение с учетом известной константы силы системы, состоящей из инерционного и упругого элементов.2. Датчик ускорения. содержащий корпус, в котором расположены инерционный элемент,.закрепленный на упругом элементе, и чувствительный элемент для определения положения инерционного элемента, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, инерционный элемент выполнен электропроводным, чувствительный элемент выполнен в виде направленного на инерционный .элемент наконечника, снабженного устройством его перемещения для поддержания постоянного расстояния между инерционным элементом и наконечником, при этом последний соединен с измерительной цепью, включающей амперметр, подключенный к источнику тока, плюсовой полюс которого через упругий элемент соединен с инерционным элементом, регулируемый источник напряжения, соединенный своими выходами с электродами устройства перемещения наконечника, а входом - с выходом регулятора, подключенного к амперметру, причем корпус выполнен герметичным, а его полость заполнена газом или жидкостью.З.Датчикпоп. 2, отличающийся тем, что, с целью измерения знакопеременного ускорения, в него введен второй аналогичн ый чувствительный элемент, расположенный по другую сторону от инерционного элемента и подключенный к введенной второй измерительной цепи, аналогичной первой, 18285471828547 Составитель Т; Макаровадактор С, Кулакова ТехредМ,Моргентал Корректор Г. роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, УЖгород, ул.Гагарина Заказ 2370 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета и 113035, Москва, ЖПодписноезобретениям и открытиям при ГКНТ СССРРаушская наб 4/5