Акселерометр

 

Использование: приборы инерциальной навигации, акселерометрия. Сущность изобретения: чувствительный элемент установлен с зазором на корпусе, который снабжен тремя упругими балочными элементами, жестко соединенными с корпусом с одной стороны, а с другой с платой чувствительного элемента. Упругие балочные элементы расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси чувствительности, под углом 120° друг к другу, их радиальная жесткость примерно на порядок меньше их осевой жесткости и примерно на два порядка меньше жесткости платы чувствительного элемента. 3 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения ускорения движения объектов.

Известен компенсационный акселерометр [1] состоящий из корпуса, выполняющего функцию экрана и изготовленного из магнитомягкого материала. В расточку корпуса на клее установлен чувствительный элемент (ЧЭ), состоящий из инерционной массы (маятника), выполненной из кварцевого стекла на упругом подвесе. На маятнике крепятся катушки силового преобразователя (датчика силы), а сама пластина является элементом дифференциального емкостного датчика, неподвижные пластины которого изготовлены из материала с коэффициентом линейного расширения (КЛР), близким к коэффициенту линейного расширения (КЛР) материала кварцевой пластины, и являются одновременно магнитопроводом магнитной системы датчика силы.

Известен также акселерометр [2] содержащий корпус и установленный в нем маятниковый чувствительный элемент, состоящий из кварцевой пластины в виде диска с незамкнутой кольцевой прорезью. Перемычки между диском и кольцевой опорой являются упругими элементами системы подвеса. На поверхности диска (на маятнике) напылением в вакууме нанесены пленочные металлические покрытия обкладки поверхностей дифференциального емкостного датчика угла и установлены катушки магнитоэлектрического датчика силы, взаимодействующие с полями постоянных магнитов двух магнитных систем. В этом акселерометре маятниковый элемент расположен внутри базового кольца, которое в трех точках (трех опорных площадках) зажимается между двумя неподвижными пластинами, которые выполнены из кварцевого стекла и приклеены на металлические пластины, выполненные из материала, КЛР которого согласуется с КЛР кварцевых пластин. При сборке чувствительного элемента центральная (подвижная) и неподвижная пластины устанавливаются и фиксируются в кольце, которое также выполнено из материала,КЛР которого согласуется с КЛР кварцевых пластин. Таким материалом является сплав 36Н (0,9-1,110^-6 1/^oC). Чувствительный элемент установлен на клее в расточку корпуса, который является экраном прибора от магнитных полей и изготавливается поэтому из магнитомягкого материала (сплав 50Н 8,910^-6 1/^oC). Вследствие того, что корпус и кольцо ЧЭ выполнены из материалов с различным КЛР, а также вследствие нестабильности клеевого соединения из-за различных технологических факторов, при изменении температуры возможен разворот ЧЭ относительно выставленного (нулевого) положения. Кроме того, кольцо будет подвергаться деформациям в радиальном направлении, которые будут передаваться на базовое кольцо центральной кварцевой пластины. Напряжения, возникающие при деформации кольца, передаются на упругие элементы (подвес). Все это приводит к изменению параметров прибора в зависимости от изменения температуры, что является существенным недостатком конструкции. Поэтому для обеспечения требуемых от прибора точностных параметров должны быть предъявлены жесткие требования к температуре окружающей среды (создание прецизионной системы термостатирования). Это затрудняет эксплуатацию прибора, делает его нетехнологичным и дорогостоящим.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение точности и стабильности параметров прибора за счет уменьшения влияния температурных напряжений, возникающих из-за разницы КЛР материалов соединяемых деталей.

Цель достигается тем, что ЧЭ установлен с зазором на корпусе, снабженном тремя упругими балочными элементами, с одной стороны жестко соединенными с корпусом прибора, а с другой с платой чувствительного элемента, причем упругие балочные элементы расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси чувствительности, под углом 120^о друг к другу, а их радиальная жесткость примерно на порядок меньше их осевой жесткости и примерно на два порядка меньше жесткости платы чувствительного элемента.

На фиг.1 показана конструкция акселерометра; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1.

Акселерометр состоит из ЧЭ 1, установленного с зазором на корпусе 2. ЧЭ состоит из подвижной кварцевой пластины-маятника 3, установленного внутри базового кольца 4 на упругом подвесе 5. Упругий подвес образован двумя симметричными перемычками 6, соединяющими маятник 3 с базовым кольцом 4. По обе стороны маятника 3 установлены две неподвижные пластины-платы 7 и 8, которые являются одновременно магнитопроводом магнитной системы датчика силы. Внутренние поверхности 9 и 10 неподвижных пластин и наружные металлизированные поверхности 11 и 12 маятника 3 являются обкладками дифференциального емкостного датчика положения. Между подвижной и неподвижной пластинами имеются зазоры 13 и 14, которые образованы с помощью трех опор-платиков 15, расположенных с двух сторон пластины. Неподвижные пластины-платы 7 и 8 с установленной между ними подвижной пластиной 3 устанавливаются в кольце 16, а сам ЧЭ 1 устанавливается с зазором на корпус 2 и крепится с помощью винтов 17 на три упругих балочных элемента 18, выполненных в корпусе 2 и расположенных в одной плоскости, перпендикулярной оси чувствительности. Жесткостные параметры балочных элементов определяются требованиями, предъявляемыми к динамическим характеристикам прибора, и в предлагаемой конструкции выбраны таким образом, что их радиальная жесткость примерно на порядок меньше их осевой жесткости и примерно на два порядка меньше жесткости платы 8 чувствительного элемента. Кроме того, упругие балочные элементы 18 расположены под углом 120^о относительно друг друга. Следовательно, в предлагаемой конструкции силовые воздействия из-за разности КЛР материалов платы 8 и корпуса 2 с упругими развязками 18 будут приложены к плате 8 через упругие балочные элементы 18 симметрично. Таким образом обеспечивается стабильность углового положения.

Устройство работает следующим образом. При действии ускорения вдоль оси чувствительности акселерометра подвижная пластина-маятник 3 отклоняется от своего среднего положения. Это отклонение определяется с помощью дифференциального емкостного датчика и в виде электрического сигнала подается после усиления на обмотку катушки 19 датчика силы. Датчик силы возвращает маятник в первоначальное положение. Величина тока, протекающего через катушки 19, является мерой действующего на прибор ускорения. Так как в предлагаемой конструкции КЛР материала кольца 16 и остальных деталей ЧЭ 3, 7, 8 согласованы, и силовое воздействие со стороны корпуса 2 на кольцо 16 ЧЭ отсутствует благодаря наличию зазора между кольцом 16 и корпусом 2, то температурные изменения не приводят к возникновению напряжений в упругом подвесе маятника. В то же время температурные деформации, возникающие в процессе работы прибора, из-за разницы КЛР материалов сопрягаемых деталей корпуса прибора 2 и платы 8 ЧЭ 1 воспринимаются не чувствительным элементом, а тремя упругими балочными элементами 18 корпуса 2. Все это значительно снижает уровень деформаций плат ЧЭ, которые определяют угловой разворот ЧЭ относительно нулевого положения, а также возникающие напряжения в перемычках упругого подвеса маятника, которые приводят к появлению дополнительных погрешностей прибора типа тяжения.

Использование изобретения позволит повысить стабильность параметров и точностные характеристики на 30-40% по сравнению с акселерометрами, используемыми на предприятии, практически без усложнения конструкции прибора, повышения требований к изготовлению деталей и узлов и увеличения габаритов прибора.

Формула изобретения

АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус, установленный в нем маятниковый чувствительный элемент, состоящий из маятниковой пластины с базовым кольцом, рсположенной между платами емкостного датчика угла, магнитоэлектрические датчики силы и усилитель, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и стабильности параметров прибора, в нем чувствительный элемент установлен с зазором на корпусе и связан с ним через три упругих балочных элемента, жестко соединенных с корпусом, причем упругие балочные элементы расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси чувствительности, под углом 120^o друг к другу, а их радиальная жесткость на порядок меньше их осевой жесткости и на два порядка меньше жесткости платы чувствительного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3