Маятниковый акселерометр

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для измерения ускорений. Акселерометр включает помещенный в корпус чувствительный элемент. Чувствительный элемент акселерометра содержит маятниковый элемент и два основания. Маятниковый элемент состоит из подвижной и неподвижной частей, а два основания обеспечивают фиксацию неподвижной части маятникового элемента. Основания соединены при помощи первого упругого элемента. Чувствительный элемент размещен в корпусе акселерометра и связан с корпусом акселерометра при помощи второго упругого элемента. Достигается обеспечение стабильности пространственного положения маятникового элемента относительно оси чувствительного элемента, а также взаимного расположения оси чувствительного элемента и оси корпуса акселерометра при изменении температуры внешней среды.

Полезная модель относится к области точного приборостроения и может найти применение для прецизионного измерения ускорений.

Известен маятниковый акселерометр, содержащий чувствительный элемент, жестко закрепленный в корпусе акселерометра (US 3702073 A, G01P 15/08, 07.11.1972). Чувствительный элемент включает маятниковый элемент, состоящий из неподвижной и подвижной частей, при этом неподвижная часть жестко зафиксирована между двумя основаниями. Основания и подвижная часть маятникового элемента выполняют функцию обкладок совмещенных конденсаторов, по изменению емкости которых судят об испытываемом ускорении.

Жесткое соединение чувствительного элемента с корпусом акселерометра, а также оснований и неподвижной части маятникового элемента приводит к микросмещениям указанных элементов относительно друг друга, следствием чего является искажение измерений ускорения. Это происходит вследствие непропорционального изменения линейных размеров указанных элементов конструкции при изменении температуры по причине различных значений температурных коэффициентов линейного расширения материалов, из которых эти элементы изготовлены.

Данное техническое решение является прототипом полезной модели.

Задачей, решаемой полезной моделью является повышение точности и стабильности определения ускорения в условиях широкого диапазона температур.

Для решения этой задачи предлагается два объекта полезной модели.

Первый объект полезной модели раскрывает чувствительный элемент акселерометра, который содержит маятниковый элемент и два основания. Маятниковый элемент состоит из подвижной и неподвижной частей, а два основания обеспечивают фиксацию неподвижной части маятникового элемента. При этом основания соединены при помощи, по меньшей мере, одного упругого элемента.

В частном случае полезной модели основания и подвижная часть маятникового элемента являются обкладками совмещенных конденсаторов.

Второй объект полезной модели раскрывает акселерометр, содержащий чувствительный элемент и корпус акселерометра. Чувствительный элемент размещен в корпусе акселерометра и связан с корпусом акселерометра при помощи упругого элемента, создающего усилие в направлении оси корпуса акселерометра. Упругий элемент может быть выполнен в виде пружины.

В частном случае полезной модели упругий элемент расположен в торце корпуса акселерометра, при этом чувствительный элемент зафиксирован между опорными элементами, один из которых опирается на упругий элемент, а второй - на фиксирующий элемент. Опорные элементы могут быть выполнены с электроизолирующими свойствами.

Технический результат, достигаемый при использовании первого объекта полезной модели, заключается в обеспечении стабильности пространственного положения маятникового элемента относительно оси чувствительного элемента акселерометра при изменении температуры внешней среды. Еще одним техническим результатом, достигаемым при использовании первого объекта полезной модели, является обеспечение стабильности упругих свойств подвеса подвижной части маятникового элемента.

Технический результат, достигаемый при использовании второго объекта полезной модели, заключается в обеспечении стабильности взаимного расположения оси чувствительного элемента и оси корпуса акселерометра при изменении температуры внешней среды.

Описание осуществления полезной модели поясняется ссылками на фигуры:

Фиг.1 - чувствительный элемент акселерометра, вид сбоку;

Фиг.2 - акселерометр, продольный разрез.

Акселерометр согласно полезной модели содержит представленный на фиг.1 чувствительный элемент 10. Под чувствительным элементом в контексте данной заявки понимается устройство, генерирующее выходные сигналы в соответствии с измеряемым ускорением. Помимо чувствительного элемента акселерометр может содержать, например, корпус акселерометра и элементы крепления, однако акселерометр может содержать и только лишь один чувствительный элемент, т.е. состоять из чувствительного элемента.

Чувствительный элемент содержит два основания 1, между которыми расположен маятниковый элемент 2, показанный на фиг.1 в разрезе. Внешняя поверхность оснований в продольном направлении имеет цилиндрическую форму. Маятниковый элемент состоит из неподвижной части 3 и подвижной части 4, при этом неподвижная часть зафиксирована между основаниями, а подвижная часть прикреплена к неподвижной части при помощи подвеса маятникового элемента 5. Подвес маятникового элемента обладает упругими свойствами. Под воздействием силы, действующей на чувствительный элемент в продольном направлении, т.е. в направлении оси чувствительного элемента, подвижная часть маятникового элемента отклоняется в противоположную сторону, и по величине такого отклонения можно судить о величине испытываемого ускорения. Ось чувствительного элемента 7 является той осью, проекцию ускорений на которую фактически измеряет акселерометр.

Чувствительный элемент может быть выполнен в виде двух совмещенных конденсаторов, обкладками которых являются основания и подвижная часть маятникового элемента, при этом общая обкладка может быть представлена подвижной частью маятникового элемента или соединенными основаниями. В этом случае выходной сигнал генерируется в результате измерения соотношения емкости конденсаторов. Однако существуют и другие методы генерации выходного сигнала, анализ которых не является предметом полезной модели. Важным является то, что генерация выходного сигнала основывается на величине отклонения подвижной части маятникового элемента.

Основания соединены при помощи упругих элементов 6, при этом упругие элементы создают усилие, прижимающее основания друг к другу и направленное по оси чувствительного элемента 7. При повышении или понижении температуры внешней среды степень изменения линейных размеров маятникового элемента может отличаться от аналогичного параметра оснований вследствие различных значений температурного коэффициента линейного расширения для материалов указанных деталей. Повышение или понижение температуры внешней среды может также привести к изменению упругих свойств подвеса маятникового элемента вследствие возникновения остаточных напряжений в материале подвеса. Однако нежесткое упругое соединение оснований позволяет избежать возникновения напряжений в неподвижной и подвижной частях маятникового элемента или ослабления фиксации неподвижной части маятникового элемента, а следовательно - и изменения пространственного положения его подвижной части. Такое решение позволяет также избежать напряжений в подвесе, что позволяет стабилизировать его упругие свойства в условиях изменяющихся температур.

Таким образом, указанное соединение оснований обеспечивает стабильность положения подвижной части маятникового элемента относительно оси чувствительного элемента, а также стабильность упругих свойств подвеса при изменении температуры. Под стабильностью положения подвижной части маятникового элемента относительно оси чувствительного элемента понимается сохранение подвижной частью заданного положения относительно указанной оси при отсутствии ускорения.

Основания чувствительного элемента могут быть снабжены поперечными выступами 8 предпочтительно кольцевой формы, к которым прикреплены упругие элементы 6. Такое решение является частным случаем полезной модели, поскольку основания могут быть соединены при помощи упругих элементов и иным способом. Возможно использование нескольких упругих элементов, при этом не исключается и использование только одного упругого элемента. В частном случае упругие элементы выполнены в виде пружин.

Второй объект полезной модели характеризует акселерометр 9, в котором чувствительный элемент 10 установлен в корпусе акселерометра 11, например, с использованием опорных элементов 12 и 13. Опорные элементы могут выполнять также функцию электроизоляции чувствительного элемента от корпуса акселерометра.

Ось корпуса акселерометра 14 является той осью, проекция ускорения на которую должна быть измерена. В процессе эксплуатации важно обеспечить стабильное взаимное расположение оси чувствительного элемента и оси корпуса акселерометра.

Жесткая фиксация чувствительного элемента в корпусе акселерометра с использованием опорных элементов при изменении температуры может привести к изменению угла между осью чувствительного элемента и осью корпуса акселерометра вследствие непропорционального изменения размеров указанных элементов. Изменение взаимного расположения осей влечет за собой искажение измерений.

Данная проблема решена путем размещения в корпусе акселерометра упругого элемента 15, создающего усилие, отталкивающее чувствительный элемент от торцевой стенки корпуса акселерометра и направленное вдоль оси корпуса акселерометра. Нежесткое упругое соединение чувствительного элемента и корпуса акселерометра позволяет избежать возникновения напряжений в основаниях чувствительного элемента, опорных элементах и корпусе акселерометра или ослабления фиксации чувствительного элемента в корпусе акселерометра, а следовательно - и изменения взаимного расположения оси чувствительного элемента и оси корпуса акселерометра.

Выполнение упругого элемента, создающим отталкивающее усилие между чувствительным элементом и торцевой стенкой корпуса, является частным случаем полезной модели. Возможны иные схемы конструкции, важно наличие упругой связи между чувствительным элементом и корпусом акселерометра в направлении оси корпуса акселерометра.

Возможно одновременное использование двух объектов полезной модели. В таком случае упругий элемент 6 будет являться первым упругим элементом, а упругий элемент 15 - вторым упругим элементом.

В предпочтительном варианте полезной модели упругий элемент расположен в торце корпуса акселерометра, а чувствительный элемент зафиксирован в корпусе акселерометра путем фиксации поперечных выступов 8 оснований чувствительного элемента между первым опорным элементом 12 и вторым опорным элементом 13. В таком случае первый опорный элемент опирается на упругий элемент, а второй опорный элемент - на неподвижный относительно корпуса акселерометра фиксирующий элемент 16.

Предпочтительным является вариант полезной модели с цилиндрической внутренней поверхностью корпуса акселерометра и, соответственно, с кольцевой формой первого и второго опорных элементов, а также фиксирующего элемента.

1. Чувствительный элемент акселерометра, содержащий маятниковый элемент, который состоит из подвижной и неподвижной частей, и два основания, которые обеспечивают фиксацию неподвижной части маятникового элемента, отличающийся тем, что основания соединены при помощи, по меньшей мере, одного упругого элемента.

2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что основания и подвижная часть маятникового элемента являются обкладками совмещенных конденсаторов.

3. Акселерометр, содержащий чувствительный элемент и корпус акселерометра, отличающийся тем, что чувствительный элемент размещен в корпусе акселерометра и связан с корпусом акселерометра при помощи упругого элемента, создающего усилие в направлении оси корпуса акселерометра.

4. Акселерометр по п.3, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде пружины.

5. Акселерометр по п.3, отличающийся тем, что упругий элемент расположен в торце корпуса акселерометра, при этом чувствительный элемент зафиксирован между двумя опорными элементами, один из которых опирается на упругий элемент, а второй - на фиксирующий элемент.

6. Акселерометр по п.5, отличающийся тем, что опорные элементы выполнены с электроизолирующими свойствами.