Преобразователь ускорений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ гг 9 г ПУБЛИК(5 гг а 0 БРЕ П.НИЯ САНИ ВТОРСНОМУ ЕТЕПЬСТВ 1 8-1(56) 1, Авторское свидетельство СССР М 481842, кл. 0 01 Р 15/02, 1973.2. Авторское свидетельство СССР У 727996, кл. 0 01 Н 1/00, 1978. (54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСКОРЕНИЙ, содержащий магнитопровод с катушками индуктивности и подвижный инерционный элемент, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей, повышения чувствительности и разрешающей способности преобразователя, магнитопровод выполнен в виде расположенных кругосимметричных трех П -образных ветвей, в нем установлен шаровой шарнир, выполненный иэ магнитомягкого материала, роторная часть которого жестко соединена с инерционным элементом,(72) (71) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ выполненным в виде усеченного конуса из магнитного материала, продольно намагниченного, имеющегооснование в форме сферического сегмента, а статорная часть жесткосоединена с тремя ветвями, образующими своими свободными концамитрехсекционный внутренний полюсмагнитопровода, секции которого установлены с диамагнитными зазорамив виде трех треугольных сферическихдуг, расположенных по окружности,причем установленные на каждой изветвей катушки одними своими одноименными концами соединены междусобой, а другие их одноименныеконцы включены дифференциально.2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что внутренний полюс магнитопровода выполнен в виде разделенных радиальнымидиамагнитными зазорами трех вписанных в окружность цилиндрическихмагнитных секторов, раздельно соединенных со свободными концами ветвей магнитопровода, 107 В 337Изобретение относится к информационно-измерительной технике иможет быть использовано для двухко ординатного преобразования и отображения в плоскости как направления,так и величины комплексной временной производной от суммарных ускорений, которым подвергается контролируемый объект при одновременномвоздействии на него однородных иразнородных знакопеременных усилий. 10Известен преобразователь изменений линейных ускорений, которыйсодержит цилиндрический полый магнитопровод с внутренним полюсом, двеобмотки у оснований магнитопровода 15%и подвижный элемент, причем внутренний полюс магнитопровода выполненпрямоугольным, основания магнитопровода соединены магнитомягкой осью,а подвижной элемент выполнен по ширине внутреннего полюса из полого.с радиальным намагничиванием магнита,свободно охватывающего ось магниторровода 1,Наряду с асимметрированием выходных сигналов, создаваемым начальнымсмещением подвижного элемента преобразователя относительно геометрической магнитной нейтрали преобразователя, к ограничениям и недостаткамэтого преобразователя необходимо отнести его уэко регламентированнуюобласть использования - контрольизменений ускорений только при линейных вибрациях.Наиболее близким к .изобретениюпо технической сущности являетсявибрационный пороговый датчик, содержащий магнитопровод с катушкамииндуктивности и подвижный инерционный элемент 2 . 40Однако известный датчик обладаетрядом таких существенных ограниченийи недостатков, как неизбирательныйхарактер реакции на любые линейные вибрации, ортогональные к оси 45магнита, при полной неспособностирегистрировать и обеспечить индикацию не только плавных количественных изменений знакопеременных ускорений, но и направления пространственной ориентации), исследуемыхниброколебаний. Кроме того, имеетдискретный характер выдаваемой информации и неспособность осуществитьплавное количественное преобразование временных производных от контролируемых ускорений. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение чувствитепьности и разрешающей 60 способности преобразователя.Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе ускорений, содержащем магнитопровод с катушками индуктивности и подвижный 6 у инерционный элемент, магнитопроводвыполнен в виде расположенных кругосимметрично трех П -образных ветвей, в нем установлен шаровой шарнир, выполненный из магнитомягкогоматериала, роторная часть которогожестко соединена с инерционным элементом, выполненным в виде усеченного конуса из магнитного материала,продольно намагниченного, имеющегооснование в форме сферическогосеумента, а статорная часть жестко содинена с тремя ветвями, образующимисвоими свободными концами трехсекционный внутренний полюс магнитопровода, секции которого установленыс диамагнитными зазорами в виде трехтреугольных сферических дуг, расположенных по окружности, причем установленные на каждой из ветвей катушки одними своими одноименными концами соединены между собой, а другие их одноименные концы включеныдифференциально,Кроме того, внутренний полюсмагнитопровода выполнен в видеразделенных радиальными диамагнитными зазорами трех вписанных в окружность цилиндрических магнитныхсекторов, раздельно соединенных сосвободными концами ветвей магнитопровода.Предлагаемое выполнение устройствапозволяет вместе с увеличением его преобразовательно-индикаторной чувствительности одновременно повыситьпомехоустойчивость и надежностьфункционирования преобразователя,расширив при этом его частотный иамплитудный динамические диапазоныработы.На фиг. 1 приведен предлагаемыйпреобразователь, общий вид (н сборе); на фиг. 2 - конструктивное исполнение входящего в преобразователь шарового шарнира с присоединенным к нему подвижным элементоммагнитной цепи преобразователя; нафиг. 3 и 4 - соответственно оснонное и видоизмененное исполнениетрехсекционного дифференцированноговнутреннего полюса магнитопроводапреобразонателя. На фиг. 1 - 4 индентичные конструктивные элементы и узлы предлагаемого преобразователя и его видоизменения обозначены одинаково,Магнитная цепь преобразователя в соответствии с основным вариантом его исполнения, представленным на фиг, 1 составлена идентичными по форме и кругосимметрично расположенныйи тремя П -образными боковыми ветвями., состоящими из прямоугольных прямых сердечникон 1 - 3, а также жестко связанных с ними под прямым углом и радиально расположенных магнитопроводящих перемычек4 - 6 сверху и 7 - 9 снизу.Перемычки 4 - 6 жестко соединяют сердечники 1 - 3 и их нижниеперемычки 7 - 9 с неподвижной статорной частью 10 шарового магнитопроводящего шарнира 11, роторная часть12 которого с помощью резьбы жестко соединяется с подвижным элементом13 магнитной цели преобразователя.Подвижный элемент 13 преобразователя имеет усеченно-коническуюформу, соединяясь своей вершиной(суженной стороной) с ротором 12шарового шарнира, в то время каксвободная от сочленения нижняя 15часть подвижного элемента 13 - егооснование имеет форму сферическогосегмента,Статорная часть 10 шарокого шарнира 11 магнитопровода преобразователя фиг. 2) состоит из верхней14 и нижней 15 половин, первая изкоторых жестко связывается с магнитопроводящими перемычками 4 - бС-образных ветвей магнитной цепипреобразователя, а вторая - имеетцилиндрическое отверстие 16, в которое коаксиально введены полиэтиленовая 17 и резиновая 18 трубки, выполняющие Функции амортизирующих ограничителей положения подвижногоэлемента 13 преобразователяМежду сферической полостью статорной части 10 шарового шарнира11 и внешней поверхностью его роторной части 12 введена Фторопластоваяпленочная прокладка 19, устаняющаянепосредственное соприкосновениеи трение сочленяемых частей шарового шарнира.Верхняя 14 и нижняя 15 половины 40статорной части шарового шарнира 11снабжены элементами 20 для взаимного точного совмещения и сочленяютсяс помощью резьбовых элементов 21.Конический подвижный элемент 13, 45расширенное основание которого имеетФорму сферического сегмента, выполнен из магнитного материала с большой коэрцитивной силой, например изсплава альнико, и намагничен в нап.равлении продольной оси симметриипо высоте) конуса.Части 10 и 12 шарового шарнира11 совместно с подвижным магнитнымэлементом 13, обладающим ограниченной свободой перемещения в пределахсферического сектора, образуют пер,,вый подвижный внутренний полюс общий) магнитной цепи преобразователя,Второй внутренний полюс разветвленного магнитопровода преобразо, вателя, являющийся неподвижным,выполнен дифференцированным в видеобращенных к свободному от сочлене.ния концу (основанию) подвижного65 элемента 13 трех сопрягающихся исимметрично расположенных в пределах окружности треугольных.сферических сегментов 22 - 24 (фиг. 1 и 2,которые образованы повернутымивнутрь магнитопровода окончанияминижних магнитопроводящих перемычек7 - 9, входящих в три С-образныхмагнитомягких боковых ветви преобразователя, содержащих также сердечники 1 - 3 и верхние магнитопроводящие перемычки 4 - 6,Сопряженные треугольные сферические сегменты 22 - 24, образующиедифференцированный внутренний полюс магнитной цепи преобразовате-,ля, магнитно разделены между собой.тремя диамагнитными зазорами 25-27,в которые могут быть введены изолирующие прокладки, Фиксируемые взазорах эпоксидной смолой,расширенное сферическое окончаниесвободной от сочленения части подвижного магнитного элемента 13 преобразователя образует совместно сконцентрически расположенными относительно этого основания тремя сим"метрично сходящимися сферическимисегментами 22 - 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода воздушные зазоры в виде трехтрехугольных сферических дуг, окаймленных общей окружностью.На каждый из прямоугольных сердечников 1 - 3 входящих в составтрех симметричных П-образныхмагнитомягких боковых ветвей преобразователя, насажена одна из трехидентичных катушек индуктивности28 - 30 одни из одноименных концовкоторых соединены между собой, вто время как другие одноименныеконцы этих катушек образуют дифференциальный выход 31 преобразователя,В соответствии с видоизмененнымисполнением преобразователя дифференцированный внутренний полюс егомагнитной цепи (фиг, 4) выполненр виде разделенных радиальными воздушными диамагнитными) зазорами32 - 34 трех сходящихся в окружности цилиндрических секторов 35 - 37,которые изготовлены из магнитногоматериала с большой коэрцитивнойсилой.Цилиндрические сектора 35 - 37намагничены вдоль образующей описанного вокруг них цилиндра и сориентированы одноименными полюсамивнутрь магнитопровода преобразователя. При этом направление намагничивания цилиндрических секторов 3537 совпадает с направлением намагничивания расположенного над нимиподвижного магнитного элемента 13,жестко соединенного с роторнойчастью 12 шарового шарнира 11.1078337 10 15 20 45 50 Вторые одноименные полюса сходя щихся в окружности цилиндрических магнитных секторов 35 - 37 дифференцированного внутреннего полюса магнитной цепи преобразователя, (фиг. 4) жестко и без зазоров раздельно соединены со свободными концами нижних магнитопроводящих перемычек 7 - 9, входящих в три симметричные С-образные магнитомягкие боковые ветви преобразователя, несущие на себе его идентичные катушки индуктивности 28 - 30 (фиг. 1 и 4). Работу преобразователя временно.-. го градиента комплексных ускорений рассмотрим на примере функционирования основного варианта исполнения преобразователя (фиг. 1-3).При равномерном движении контролируемого объекта с постоянной линейной скоростью, вектор которой направлен ортогонально к оси подвиж. ного элемента 13 преобразователялибо под произвольным углом к этойоси, подвижный магнитный элемент13 (фиг. 1 и 3) под влиянием действующих на него сил магнитногопритяжения к трем сходящимся сферическим сегментам 22-24 дифференцированного внутреннего полюсамагнитопровода преобразователя устанавливается .в своем среднем (нейтральном) положении, симметричномотносительно всех трех расчлененныхзазорами 25 - 27 частей дифференцированного внутреннего полюса 22-24В указанном состоянии через все три,С-образных магнитопроводящих боковых ветви преобразователя, образованных элементами 1-4-7, 2-5-8 и 403-6-9, протекают одинаковые (равные и постоянные по величине магнитные потоки, а между клеммами 31 дифференциального выхода преобразователя отсутствуют напряжения. Аналогичное положениеимеет местои вслучае неравномерногоперемещения контролируемого объектас постояннойугловой скоростью, включая случаи,когда плоскость вращения преобразователя проходит через нейтральноеположение продольной оси подвижного магнитного элемента 13. И в этих случаях подвижный магнитный элемент13 магнитной цепи преобразователя 55устанавливается в среднем нейтральном) положении относительно частей22 - 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода, обусловливая равенство разветвленных маг" ,60нитных потоков, протекающих через все три С-образных магнитопроводящихбоковых ветви 1-4-7, 2-5-8, 3-6-9,и отсутствие напряжений между выходными клеммами 31 преобразователя.65 В случае перемещения контролируемого объекта с постоянным угловым ускорением, когда на массу подвижного магнитного элемента 13, расположенную вне зоны его шарнирного сочленения с неподвижными частями магФнитной цепи преобразователя (элементы 1 - 9, 14, 15, 22 - 24), воздействует постоянный по величине вращающий момент инерции, расположенный в любой из бесконечного множества плоскостей, которые могут проходить через линию нейтрального положения подвижного элемента 13 преобразователя, указанный вращающий момент инерции в той или иной степени преодолевает увлекающий подвижный элемент 13 собственный момент преобразователя, момент, обусловленный силой притяжения подвижного магнитного элемента 13 к ближайше расположенным к его свободному концу элементам 22 - 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитной цепи преобразователя.В результате действия момента инерции, пытающегося сохранить неизменным пространственное положение свободного конца подвижного элемента 13 при вращении неподвижной части магнитопровода преобразователя(элементы 1 - 9, 14, 15, 22 - 24)вместе с контролируемым объектомвокруг центра шарового шарнира 11,а также в результате одновременного противодействия упомянутому моменту инерции другого момента, обусловленного силой взаимодействия магнитного элемента 13 со сходящимися секторами дифференцированного внутреннего полюса 22 - 24 магнитопровода преобразователя, подвижный элемент 13 отклоняется от своего исходного нейтрального (центрального положения относительно всех трех элементов 22 - 24 магнитной цепи преобразователя..При постоянстве величины и знака углового ускорения, воздействующего на исследуемый объект и нажестко связываемую с ним неподвижную (статорную) часть преобразователя, указанное отклоненное положение подвижного магнитного элемента 13 относительно его исходной нейтрали и относительно центра дифференцировайного внутреннего полюса2 - 24 магнитной цепи преобразователя будет оставаться фиксированием. Магнитный поток, создаваемый подвижным магнитным элементом 13 и распределяемый при нейтральном исходндм положении этого элемента равномерно по всем трем С-образным боковым ветвям магнитопровода преобразователя, в рассмотренном случае фиксированного отклонения элемента 13 от нейтрального положения (при действии на контролируемый объект постоянных по величине изнаку угловых ускорений распределяется в симмиметричных С-образных боковых ветвях магнитопровода, .составленных элементамй 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9, по различному - в соответствии с абсолютной величиной и направлением отклонения подвижного магнитного элемента 13 от своего нейтрального положения - относительно центра секторов 22 - 24 дифферен цированного внутреннего магнитного . полюса.Соотнощение величин разветвившихся частей магнитного потока, протекающих через С-образные магнитопроводящие боковые ветви 1-4-7,2-5-8 и 3-6-9 магнитной цепи преобразователя, определяемое абсолютной величиной и направлением отклонения пбдвижного магнитного элемента 13 от своей нейтрали, остается неизменным при . действии на контролируе. мый объект постоянных по величине и знаку (направлению угловых ускорений, что исключает возможность индуцирования в обмотках катушек 28 - 30 электродвижущих сил, определяющих соответствующие сигналы на дифференциальном выходе 31 преобразователя.Аналогичная картина имеет место также и в случаях равноускоренного линейного перемещения контролируемого объекта в одном и более направлениях одновременно), образующих с линией нейтрального положения подвижного магнитного элемента 13 преобразователя произвольные углы. И в этих условиях.(режимах работы подвижный элемент 13 преобразователя под влиянием воздействую" щих на его свободную от шарнирного соединения. часть сил инерции, пытающихся воспрепятствовать перемещению свободной части элемента 13 синфазно с секторами 22 - 24 дифференци" рованного внутреннего полюса неподвижной части магнитопровода преобразователя, получает определенное отклонение от своего нейтрального положения и смещается относительно центра дифференцированного внутреннего полюса 22 - 24 в соответствии как с абсолютной величиной, так и с направлением мгновенной равнодействующей сил, отвечающих группе одновременно воздействующих на контролируемый объект ускорений. Поскольку при фиксированном по величине и направлению отклонении подвижного элемента 13 относительно центра дифференцированного полюса 22 - 24 соотношение, согласно которому распределяется магнитный поток в П-образных ветвях 1-4-7, 2-5-8 и3-6-9 магнитопровода преобразователя, остается постоянньщ, нетрудноувидеть, что и при равноускоренномлинейном перемещении контролируемогЬ объекта в направлениях, образующих с линией нейтрали элемента 13преобразователя произвольные углы,в обмотках катушек 28 - 30 не наводится ЭДС, что обуславливает и от. сутствие сигналов на дифференциальном выходе 31 преобразователя.В случае же, когда на контролируемый объект воздействуют силы, вызывающие изменение ускорения углово"го перемещения исследуемого объекта,включая изменения величины и знакауглового перемещения контролируемогообъекта, когда крутильные виброколебания происходят в любой из бесконечного числа плоскостей, проходящихчерез линию нейтрального положения(0-0) подвижного элемента 13 магнитной цепи преобразователя на часть 25подвижного элемента 13, находящуюся вне области его шарнирного сочленения с неподвижными частями магнитопровода преобразователя элементы1 - 9 14, 15, 22 - 24), воздействуют силы инерции, стремящиеся сохра нить исходное положение свободнойчасти элемента 13 и воспрепятствовать его синхронному перемещениюпод действием магнитных сил притяжения с элементами 22 - 24 диффе ренцированного внутреннего полюсамагнитной цепи преобразователя.При действии на исследуемыйобъект и, соответственно, на жесткосвязываемую с ним неподвижную часть 4 О магнитопровода преобразователя угловых (крутильных) виброколебаний,происходящих в произвольной плоскости, проходящей через линию нейтрального положения подвижного магнитно го элемента 13, как и при одновременном воздействии на контролируемый объект и на неподвижную частьпреобразователя элементы 1 - 9, 14,15, 22 - 24, 28 - 30) параллельнодвух и более знакопеременных ускорений, частоты которых независимы,а плоскости действия которых про -:ходят через линию нейтрали 0-0подвижного элемента 13 преобразователя, свободная от шарнирного сочле нения часть магнитного элемента 13,отставая ввиду действия на нее силинерции от сложных суммарных перемещений неподвижной части магнитопровода преобразователя и, в част ности, от перемещений центра дифференцированного внутреннего полюса 22 - 24 магнитной цепи преобразователя, непрерывно меняет своеположение относительно каждого изэлементов 22 - 24.Происходящее при этом непрерывное перераспределение величин и нап ранлений между переменными составляющими магнитных потоков, протекающих через С-образные боковые ветви 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9 магнито провода преобразователя, вызывает индуктирование в обмотках 28-30 электродвижущих сил, попарная алгебраическая сумма которых обуславливает формирование на соответствующих парах выходных клемм 31 преобразователя результирующих напряжений, которые отражают и дают исчерпывающую информацию не только об абсолютной величине мгновенной равнодействующей группы временных градиентов угловых ускорений, которым подвержен. контролируемый объект, но и о пространственной геометрической ориентации мгновенной равнодейстнуницей временных производных группы знакопеременных крутильных ускорений, параллельно действующих на обследуемый объект.При воздействии на контролируемый объект и на жестко связываемую с ним неподвижную статорную часть преобразователя элементы 1 - 9, 14, 15, 22 " 24, 28 - 30 виброколебаний линейного характера, направленных под произвольными углами к линии нейтрального положения подвижного магнитного элемента 13, как и при одновременном воздействии на исследуемый объект группы линейных знакопеременных ускорений, имеющих различные направления по отношению к нейтральной линии 0-0 подвижного элемента 13 преобразователя, сектора 22 - 24 дифференцированного внутреннего полюса магнитопровода преобразователя, перемещаясь в соответствии с суммируемыми результирующими линейными колебаниями исследуемого объекта, пытаются увлечь за собой магнитно связанную с ними, свободную от шарнирного сочленения часть подвижного элемента 13, кото. рая, однако, под влиянием воздействующих на нее моментов инерции все время препятствует синфазному перемещению элемента 13 с центром дифференцированного внутреннего плюса 22 - 24 магнитной цепи преобразователя,4В результате запаздынающего перемещения свободного конца магнитного10 элемента 13, имеющего форму сферического сегмента, относительно перемещений дифференцированного внутреннего полюса 22 - 24, образующегосо свободным окончанием элемента 1315 воздушные зазоры в виде трех треугольных сферических дуг, продольная ось симметрии элемента 13 непрерывно смещается относительно центрадифференцированного внутреннегополюса 22 - 24 магнитопронода преобразователя, что обуславливаетвместе с перераспределением абсолютных величин и направлений мгновенных значений переменных составляющих магнитных потоков, протекающихчерез ветви 1-4-7, 2-5-8 и 3-6-9магнитопровода преобразователя, наличие также непрерывно индуктируемых в обмотках 28 - 30 электродвижущих сил, попарные алгебраическиесуммы которых образуют сигналы насоответствующих парах выходных клемм31 преобразователя сигналы, содержащие полную информацию как об абсолютной величине, так и о направЗ 5 лении (геометрической ориентациимгновенной равнодействующей группывременных градиентов линейных иугловых знакопеременных ускорений,одновременно воздействующих на конт 40 ролируемый объект,Таким образом, предлагаемый преобразователь ускорений позволяет вместе с расширением функциональных воэможностей контроля повысить чувствительность и разрешающую способность измерений,1078337 Фиг,Составит Техред Т уг 4 илиал ППП "Патент Ужгород, ул. Проек едактор акаэ 949 1 Р 6 ь Н.Мараховскаяаточка Корректор А,Зимокосов Тираж 823 Подписно НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/