Акселерометр индукционный энергонезависимый
Использование: автоматика транспортных средств, измерение параметров движения, инерционные выключатели. Сущность полезной модели: датчик содержит выполненный из магнитного материала чувствительный элемент на упругом подвесе и одну или более электромагнитные катушки. При изменении ускорения чувствительный элемент приобретает скорость относительно электромагнитной катушки, в результате в измерительной цепи возникает ток, который накапливается в электрическом интеграторе, напряжение на выводах которого пропорционально замеряемой величине. Прибор прост, надежен и энергонезависим.
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к приборам измерения импульсов ускорения с помощью магнитно-чувствительных устройств G 01 P 15/105.
Известны датчики ускорения (акселерометры), описанные, в частности, в кн. Л.Д.Гик, «Измерение ускорений», изд-во «Наука», Новосибирск, или в кн. A.M.Туричин, «Электрические измерения неэлектрических величин», изд-во «Энергия», Москва, 1966 г. Описанные в указанных источниках приборы содержат чувствительные элементы на упругом подвесе, в т.ч. и имеющие магнитные свойства, в которых измерительная цепь измеряет величину смещения чувствительного элемента. Например, в индуктивных датчиках ускорения в результате смещения чувствительного элемента на упругом подвесе изменяется воздушный зазор в магнитопроводе и меняется индуктивность катушки. Цитата: «Для измерений катушку индуктивного датчика включают в дифференциальную или мостовую измерительную схему переменного тока, у которой указывающий элемент проградуирован в единицах измеряемой величины». Из описания видно, что акселерометры содержат довольно сложные измерительные цепи, требующие источников электропитания.
Целью полезной модели является получение устройства измерения ускорения, позволяющего снизить стоимость, повысить надёжность и достичь энергонезависимости процесса.
Указанная цель достигается акселерометром индукционным энергонезависимым, который содержит выполненный из магнитного материала чувствительный элемент на упругом подвесе и измерительную цепь, содержащую одну или более электромагнитные катушки и электрический интегратор, причем измерительная цепь выполнена с возможностью самостоятельно генерировать электрический сигнал, знак и величина которого находится в прямой зависимости от ускорения, действующего на акселерометр.
Такая конструкция акселерометра обосновывается следующими теоретическими положениями.
В традиционных акселерометрах ускорение определяется величиной отклонения чувствительного элемента на упругом подвесе под действием ускорения. В предлагаемом акселерометре величина смещения чувствительного элемента не измеряется непосредственно, а замеряются мгновенные скорости чувствительного элемента, они суммируются по времени (интегрируются), и этот интеграл, являясь аналогом отклонения
чувствительного элемента, преобразуется в электрическую величину. Этот принцип можно описать следующими формулами:
- в традиционных акселерометрах измеряется отклонение чувствительного элемента Х - оно пропорционально искомому ускорению А:
где k1 - постоянная величина, зависящая от массы чувствительного элемента и свойств упругого подвеса. В предлагаемом акселерометре отклонение Х получается в результате интегрирования по времени мгновенных скоростей чувствительного элемента - если скорость V=dX/dt, то координата Х
где V - скорость чувствительного элемента, t - время, 
- знак интегрирования.
Мгновенные скорости чувствительного элемента в предлагаемом акселерометре измеряются согласно закону электромагнитной индукции: намагниченный чувствительный элемент индуцирует в электромагнитной катушке, внутри которой он движется, ЭДС, пропорциональную его скорости:
где U - ЭДС электромагнитной катушки, k 2 - постоянная величина, которая зависит от параметров электромагнитной катушки и намагниченного чувствительного элемента. Если включить эту электромагнитную катушку в электрическую цепь, в ней, согласно закону Ома, возникнет ток, пропорциональный ЭДС:
где I - величина тока, R - электрическое сопротивление в цепи, V и U - электродвижущая сила, пропорциональная скорости чувствительного элемента. Подставив значение U из формулы (3) в формулу (4), в итоге получим, что ток в цепи пропорционален скорости чувствительного элемента:
или, учитывая, что сопротивление R в цепи - величина постоянная:
то есть ток в цепи электромагнитной катушки является прямым электрическим аналогом скорости чувствительного элемента. Осталось проинтегрировать ток в цепи, и мы получим электрический аналог отклонения чувствительного элемента, то есть ускорения самого акселерометра. Электрическим интегратором в простейшем случае может служить электрическая ёмкость: согласно классической формуле, напряжение на обкладках
конденсатора равно интегралу по времени тока, протекшего в цепи, делённому на ёмкость конденсатора (Высшая школа, В.П.Попов, «Основы теории цепей», стр.21):
Подставим сюда полученное выражение для тока (6) и учитывая, что емкость С конденсатора - величина постоянная (примем k4=1/С), получим:
или, собрав постоянные величины в одну,
отсюда, используя формулу (2) для координаты чувствительного элемента,
Таким образом, получается, что напряжение на обкладках конденсатора будет пропорционально отклонению чувствительного элемента в описанной схеме и некоторой постоянной величине k 5, которая зависит от свойств магнитного чувствительного элемента, параметров электромагнитной катушки, упругого подвеса, активного сопротивления в цепи и емкости конденсатора. Из выражения (1) следует, что напряжение на обкладках конденсатора будет пропорционально искомому ускорению акселерометра:
На рис.1 показан схематичный вид акселерометра индукционного энергонезависимого с простейшим интегратором.
Акселерометр содержит чувствительный элемент 1, выполненный из магнитного материала, упругий подвес 2, электромагнитную катушку 3, интегратор 4 с электрическим конденсатором 6, измерительный прибор 5.
Устройство работает следующим образом.
При нарастании или уменьшении ускорения намагниченный чувствительный элемент 1 приобретает скорость относительно катушки 3, в результате чего на её выходных контактах согласно закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром катушки, а, следовательно, скорости чувствительного элемента. Под воздействием ЭДС в электрической цепи контура возникнет ток, который будет накапливаться в конденсаторе 6 интегратора 4 в виде электрического заряда. Интеграл тока в измерительной цепи будет соответствовать интегралу скорости чувствительного элемента 1, и, следовательно, соответствовать его отклонению от нейтрального положения, которое, в свою очередь, соответствует ускорению самого акселерометра. Напряжение на выводах интегратора пропорционально величине накопленного в нём электрического заряда. Таким образом, измерительным прибором 5
может быть обычный вольтметр, проградуированный в целевых единицах измерения - м/сек 2. Простота, надёжность и энергонезависимость устройства достигаются благодаря тому, что измерительная цепь сама является генератором целевого электрического сигнала.
На рис.2 показан схематичный вид акселерометра индукционного энергонезависимого с интегратором, включающим транзисторные ключи. Акселерометр содержит чувствительный элемент 1, выполненный из магнитного материала, упругий подвес 2, электромагнитную катушку 3, интегратор 4, включающий два транзисторных ключа 6 и 7, управляемых двумя дополнительными электромагнитными катушками 8 и 9, и электрический конденсатор 10. Акселерометр, изображенный на рис.2, работает аналогично акселерометру на рис.1. Транзисторные ключи включены в измерительную цепь акселерометра для того, чтобы исключить влияние на точность измерения ускорения саморазряда конденсатора 10 через электромагнитную катушку 3 в случае, когда частота изменения ускорения невысока. Один из ключей открыт только в случае, когда чувствительный элемент 1 имеет скорость относительно катушки 3 и, соответственно, катушек 8 и 9. Только в этом случае происходит изменение ускорения, действующего на акселерометр, и, соответственно, происходит изменение заряда конденсатора 10. Когда ускорение, действующее на акселерометр, не изменяется, транзисторные ключи 6 и 7 закрыты и саморазряда конденсатора 10 через катушку 3 не происходит, и, соответственно, показания измерительного прибора 5 не изменяются.
1. Акселерометр индукционный энергонезависимый, содержащий чувствительный элемент на упругом подвесе и измерительную цепь, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен из магнитного материала, а измерительная цепь содержит одну или более электромагнитные катушки и электрический интегратор, причем измерительная цепь выполнена с возможностью самостоятельно генерировать электрический сигнал, знак и величина которого находится в прямой зависимости от ускорения, действующего на акселерометр.
2. Акселерометр индукционный энергонезависимый по п.1, отличающийся тем, что измерительная цепь содержит электрические ключевые элементы, управляемые одной или более дополнительными электромагнитными катушками, которые выполнены с возможностью исключить саморазряд электрического интегратора через электромагнитную катушку и, таким образом, повысить точность измерений ускорения при невысоких значениях частот изменения ускорения.
