Измеритель параметров движения
Изобретение относится к технике автономной навигации и предназначено для измерения линейного ускорения и угловой скорости подвижных объектов.
Предложен измеритель, содержащий полость с жидкостью, компенсаторы объемного расширения жидкости, гермовыводы, балки, консольно закрепленные на внутренней поверхности полости, и датчики положения балок относительно полости.
Отличие измерителя от известных заключается в том, что сигналы о линейном ускорении и угловой скорости вырабатываются одними и теми же чувствительными элементами и при этом в нем нет вращающихся, колеблющихся или вибрирующих элементов.
Принцип работы измерителя заключается в изгибе балок под действием сил инерции при наличии линейного ускорения или под действием силы гидростатического торможения жидкостью при вращении корпуса. Изгиб при ускорении происходит в одну сторону относительно корпуса, а при вращении в разные. Это позволяет разделить суммарный сигнал на составляющие от ускорения и от угловой скорости.
Достоинства такого прибора заключаются в простоте конструкции и отсутствии движущихся элементов, что обеспечивает мгновенную готовность, высокую надежность, малое энергопотребление и тепловыделение, высокую стойкость к ударам и вибрациям и малую себестоимость, кроме того - возможность глубокой миниатюризации и создания параметрического ряда измерителей на весь встречающийся на практике диапазон параметров.
Изобретение относится к технике автономной навигации и может быть применено в системах автономной навигации, угловой стабилизации, системах автоматического управления и в информационно-измерительных системах подвижных объектов, в компьютерных играх, в медицинской технике.
Известно, что движение материальной точки, за которую во многих теоретических описаниях движения различных устройств могут быть приняты центры масс этих устройств, описывается двумя параметрами: вектором линейной скорости и вектором угловой скорости. На практике управление движением объекта заключается в измерении и необходимом изменении этих векторов. В некоторых случаях вектор линейный скорости измерить невозможно в силу различных причин и тогда информацию о линейной скорости получают измерением ускорений и интегрированием полученной информации.
Измерение ускорения осуществляют специальными приборами-аксолерометрами. Измерение угловой скорости - датчиками угловой скорости.
К каждому виду чувствительных элементов в большинстве случаев предъявляются достаточно жесткие требования по точности, ограничению энергопотребления, тепловыделению и другим параметром. В зависимости от задачи системы доминирующее значение могут иметь те или иные из них. Например, при достаточно мягких требованиях к точности во многих случаях на первое место выступают требования малости габарито-массовых показателей, стоимости, повышенной надежности и т.п.
Целью настоящего изобретения является улучшение габарито-массовых, энергетических и стоимостных показателей измерителей параметров движения путем создания прибора, вырабатывающего одновременно информацию о линейном ускорении и угловой скорости с использованием одних и тех же чувствительных элементов.
Указанная цель достигается тем, что измеритель параметров движения выполнен в виде полости с жидкостью, снабженной компенсатором объемного расширения жидкости и гермовыводами, на внутренней поверхности которой консольно по различным направлениям закреплены балки и датчики их положения относительно полости.
Наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения является датчик угловой скорости по авторскому свидетельству SU 878029 А1 МПК G01Р 3/20, 7/00. Однако этот датчик измеряет только угловую скорость. В качестве прототипа измерителя ускорения может быть принят маятниковый акселерометр с жидкостным демпфированием (см. С.С.Ривкин. Теория гироскопических устройств, 4.1, Судпромгиз, 1962, стр.192). Однако акселерометр не измеряет угловую скорость.
На рис.1 представлена схема предполагаемого измерителя параметров движения, т.е. линейного ускорения и угловой скорости, в одноосном варианте.
Измеритель состоит из полости - 1, заполненной жидкостью - 2 и снабженной компенсатором - 3 объемного расширения жидкости и гермовыводами - 4, на внутренней поверхности полости консольно закреплены балки - 5 и 6, между каждой балкой и стенкой полости установлены датчики - 7 и 8 положения балок относительно корпуса. Две контрпараллельно установленные балки позволяют повысить чувствительность измерителя, снизить влияние некоторых факторов на погрешности измерений, разделить выходной сигнал на составляющую от линейного ускорения и составляющую от угловой скорости и повысить надежность. Принципиально количество балок и их ориентация не ограничиваются, конструкционное выполнение балок зависит от диапазона измеряемых угловых скоростей. Например, для диапазона (0...10) град/с балка должна представлять собой лепесток из фольги толщиной (5...10) мк, а для диапазона (103-104) град/с - стержень диаметром 1 мм. При этом габариты измерителей могут быть весьма близки.
Заполняющая внутреннюю полость измерителя, жидкость должна отвечать обычным для жидкостных приборов требованиям. В качестве компенсаторов объемного расширения жидкости могут быть использованы, например, сильфоны или мембраны. Гермовыводы - 4 также должны отвечать обычным для жидкостных приборов требованиям. Конструкции датчиков 5 и 6 тоже могут быть различными. Например, они могут быть выполнены в виде магниторезисторов. Тогда балки должны быть намагничены. Возможен еще более простой вариант, например, в качестве балки и датчика одновременно можно применить кремниевый тензодатчик.
Работает измеритель следующим образом. Пусть в некоторый момент времени t0 его корпус начал двигаться вдоль оси Х с некоторым ускорением а х. При движении с ускорением ах балки 5 и 6 испытывают воздействие сил инерции Fx=-ma x, где m - масса балки. Под действием силы F x каждая из них прогибается в направлении - Х на угол 
=-caхml, где с - изгибная жесткость балки, l - расстояние от заделки до центра масс балки. Вследствие
прогиба балок меняются их положения относительно датчиков 7 и 8, соответственно меняются их выходные сигналы, например, по закону Ua=k, где К - коэффициент усиления датчика. Обе балки прогибаются в одну сторону - против направления вектора линейного ускорения ах, поэтому полярности сигналов датчиков будут одинаковыми.
Пусть корпус измерителя еще и вращается вокруг оси У с угловой скоростью Wy. При его вращении жидкость внутри полости вследствие своей инерционности и относительно малой вязкости сохраняет состояние покоя или постепенно увлекается корпусом в направлении его вращении. При этом заделанные в корпус концы балок поворачиваются вместе с ним, а свободные концы тормозятся жидкостью с силой F(Wу) и балки прогибаются, причем в разные стороны относительно корпуса, одна на угол 
=cF(Wy), вторая на угол =-cF(Wy). Соответственно, датчик - 5 вырабатывает сигнал Uв=К, а датчик - 6 сигнал Uв=-К.
При одновременных линейном и угловом движениях сигналы датчиков будут:
U5=K(+), U6=K(-)
Простым арифметическими операциями эти сигналы разделяются на составляющие Ua=a xuUw=w.
Таким образом, один и тот же измеритель, используя одну и ту же систему чувствительных элементов, измеряет как линейные ускорения, так и угловую скорость.
Такой измеритель может быть выполнен и в трехосном варианте для измерения пространственных векторов линейного ускорения и угловой скорости. В этом случае его внутренняя полость с жидкостью должна представлять собой полую сферу, а система балок должна состоять из шести попарно конртпараллельных и пара относительно пары ортогонально ориентированных балок. Возможно и большее количество балок при неортогональной ориентации, однако сути прибора это не меняет.
Энергопотребление такого измерителя мало, т.к. расходуется только на питание датчиков угла. Готовность к работе мгновенная, т.к. нет вращающихся деталей и не нужно обеспечивать определенный температурный режим. Стоимость измерителя мала вследствие крайней простоты конструкции. Массо-габаритные показатели имеют большую перспективу миниатюризации и позволяют создать параметрический ряд измерителей на любой встречающийся на практике диапазон угловых скоростей и линейных ускорений.
Измеритель параметров движения, содержащий полость с жидкостью, компенсатор объемного расширения жидкости и гермовыводы, отличающийся тем, что на внутренней поверхности полости консольно по различным направлением закреплены балки и датчики их положения относительно полости.
